一种微流体流量/流速和组分协同检测装置及其应用的制作方法

1.本发明属于微流控流速测量和组分分析技术领域，具体涉及一种微流体流量/流速和组分协同检测装置及其应用。


背景技术：

2.在微流控电化学检测系统中，提高流体流动速率能够有效增强目标检测物向电化学电极表面的质量传递，提高电化学传感器的检测灵敏度。对微流体的流量及流动速率进行精确测量是确保电化学传感器检测准确性的必要条件。
3.另外，汗液含有与血液相当的电解质、代谢物、氨基酸、蛋白质和激素等有关人体状况和健康的标记物，表皮微流控与汗液感知技术耦合，能够在线、无创、实时、持续采集与身体状况相关的分子层面数据，是目前智能穿戴设备的一个热点研究领域。汗液中健康标记物的浓度与出汗速率有关，比如汗液中的钠离子和氯离子浓度随着出汗率的增加而增加，钾离子和钙离子浓度随着出汗率的增加而降低，ph在低出汗速率下呈酸性(ph 3.5～6.0)，在高汗率下汗液ph为微碱性(ph 7.0～8.5)，乳酸和尿素浓度在低排汗率下较高，随着排汗率的增加逐渐下降等等。因此在研究性别、年龄、季节、疾病或药物等变量对汗液成分的影响时，必须考虑到汗液成分对出汗速率依赖性，否则出汗速率变化可能会掩盖或者夸大其他待考察因素造成的汗液成分变化。因此，流体流动速率和化学组分的同步检测，组分检测时实现速率的补偿是很有必要的。
4.现阶段微流控系统中流体流速和组分的测量主要通过光学比色法和电化学法两种技术实现，其中比色法流速/流量测量主要通过在微流道入口附近放置水溶性颜料使流体染色，向前流动过程中人们非常容易辨别出流体前端并获得其体积和流速。比色法化学组分测量主要基于待分析物与标记物之间发生反应引起颜色变化，其中颜色变化与分析物浓度之间存在直接关系，通过分析显示的颜色获得分析物的浓度。比色法技术简单易于实现，流速检测、各种不同组分测量的样品不能流经同一个微通道，都是通过分立的通道进行，以免染色的流体之间存在相互干扰，造成样品污染不能测量。这不能真正建立流体流速与化学组分之间的耦合关系。利用电化学传感技术能够使流体流速/流量与化学组分在一个通道内无相互干扰的情况下进行测量实现耦合。然而其需要制作特定的信号探测、采集、放大、转换、处理及传输系统，与比色法相比，增加了实现的难度和技术门槛。
5.综上所述，在微流体分析领域，特别是可穿戴生物流体传感领域，需要一种能够在一个通道内进行流体流量/流速和组分的协同检测，且实现方案简单的检测系统。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种微流体流量/流速和组分协同检测装置及其应用。
7.本发明是通过以下技术方案实现的：
8.一种微流体流量/流速和组分协同检测装置，包括基底、微流道层、盖板；基底位于
微流道层的底侧，盖板位于微流道层上侧，在基底上设置有激光诱导石墨烯图案，该激光诱导石墨烯图案位于微流道层的液体通道的投影面；在同检测装置上设置有和微流道层的液体通道相连通的进液口和出液口，在协同检测装置上还设置有用于检测液体通道中的液体组分的电化学检测单元。
9.在上述技术方案中，在协同检测装置上沿液体通道设置有标尺，该标尺优选设置在基底上，也可以设置在微流道层或者盖板上。
10.在上述技术方案中，当透明液体流入微流道层的液体通道后，由于改变了激光诱导石墨烯图案上方的光学特性，使液体填充液体通道部分和未填充液体通道部分存在可辨识的明显颜色变化，能够直观地观察到液体所处位置，根据时间间隔即可计算出液体流量和流动速率。
11.在上述技术方案中，激光诱导石墨烯图案是通过二氧化碳激光诱导方法在基底上直接生成，基底材料是聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、树叶、木头之一，或其他能够被烧蚀成石墨烯的碳源物质。
12.在上述技术方案中，激光诱导石墨烯图案的方块电阻优选在5
‑
1000ω/sq范围内。
13.在上述技术方案中，基底、微流道层和盖板三者的结合采用胶带粘合或者热压键合的方式；微流道层和盖板的材质为玻璃、硅橡胶、透明有机高分子材料之一。
14.在上述技术方案中，微流道层和盖板的材料折射率要与所测液体的折射率相近，以使光线从激光诱导石墨烯图案传至微流道层和盖板外时损耗尽量少，使液体环境下激光诱导石墨烯图案的颜色变化更容易被观察到，利于流速/流量检测。
15.在上述技术方案中，电化学检测单元的数量可以是一个也可以是多个，电化学检测单元可以构建在微流道层的上下两侧中的任何一侧，也可以在微流道层上下两侧多点布置进行多参数测量；电化学检测单元也可以采用外源的电化学传感器芯片，将电化学传感器芯片安插在协同检测装置中，电化学传感器芯片可以布置于液体通道的任何位置。
16.在上述技术方案中，通过图像采集装置实时采集协同检测装置中的被测液体的流动图像，采集的图像通过处理器处理后能够自动化得到流量/流速实时结果。
17.利用上述协同检测装置检测汗液流量/流速和汗液中na 浓度之间耦合关系的方法如下：
18.协同检测装置中设置一个用于检测na 浓度信号的电化学检测单元，进液口设置在基底上，出液口设置在盖板上，将所述协同检测装置的基底朝向人体皮肤并贴敷于人体皮肤表面，人体产生的汗液从协同检测装置的进液口进入液体通道中，随着汗液持续从皮肤中溢出，进液口的液体压力增大，促使汗液沿液体通道向出液口方向流动，当汗液流入液体通道后，改变了原本lig与上方空气的总体光学特性，其对自然光的折射和散射特性等发生改变，使液体填充通道和空气填充通道存在人眼可辨识的明显颜色变化，能够直观地观察到汗液所处位置，基于液体通道的横截面的尺寸已知条件下，根据时间间隔即可计算出汗液流量和流动速率等参数；在检测汗液流量/流速的同时，协同检测装置中的电化学检测单元会实时采集液体通道中的汗液中na 浓度信号，根据该信号计算出汗液的na 浓度随时间变化数据，从而建立汗液流量/流速和汗液中na 浓度之间耦合关系。
19.利用上述协同检测装置检测汗液流量/流速和汗液中多种组分浓度之间耦合关系的方法如下：
20.协同检测装置中设置多个电化学检测单元，用于检测汗液中不同组分的浓度信号；进液口设置在基底上，出液口设置在盖板上，将所述协同检测装置的基底朝向人体皮肤并贴敷于人体皮肤表面，人体产生的汗液从协同检测装置的进液口进入液体通道中，随着汗液持续从皮肤中溢出，进液口的液体压力增大，促使汗液沿液体通道向出液口方向流动，当汗液流入液体通道后，改变了原本lig与上方空气的总体光学特性，其对自然光的折射和散射特性等发生改变，使液体填充通道和空气填充通道存在人眼可辨识的明显颜色变化，能够直观地观察到汗液所处位置，基于液体通道的横截面的尺寸已知条件下，根据时间间隔即可计算出汗液流量和流动速率等参数；在检测汗液流量/流速的同时，协同检测装置中的电化学检测单元会实时采集液体通道中的汗液中组分的浓度信号，根据这些信号计算出汗液中相应组分的浓度随时间变化数据，从而建立汗液流量/流速和汗液中多种组分浓度变化之间耦合关系。
21.本发明的优点和有益效果为：
22.1.微流道内流体流速/流量的检测是通过lig遇水颜色发生变化实现的，lig制作是通过二氧化碳co2激光在空气、室温环境条件下扫描聚合物(比如聚酰亚胺)的方式实现，制作过程简单、成本低廉、能批量化生成。通过提高标尺的刻度分辨率和记录时间的分辨率，可以达到比较高的检测精度，测量方案简单实用。
23.2.与利用染料对微流体进行染色的光学方法对流体流速/流量的测试相比，本发明利用lig基底微流道系统在液体和空气环境下展现出的颜色变化确定液体的位置，进而获得液体的体积并计算出单位时间内液体的流动速率，因此本装置对样品无污染。
24.3.因流速/流量测试过程不会对微流体造成污染，因此本装置可以将进行样品组分分析的电化学传感器集成到微流体流速/流量检测通道内，基于光学原理和电化学原理的两种传感器及所测样品虽共处同一流体通道，但之间不存在相互影响，实现互不干扰的协同测试，能够对微流体进行更精确的分析。同时可在微流道不同位置集成多个电化学传感器进行组分分析而不显著增加系统的尺寸，利于开发多功能系统。
附图说明
25.图1是本发明的协同检测装置的结构示意图；
26.图2.1是本发明中lig图案的微观图像；
27.图2.2是本发明中lig图案的微观图像；
28.图3是微流体在本发明的协同检测装置中的流动状态图片；
29.图4.1
‑
4.5是电化学检测单元的布置方式示意图；
30.图5是协同检测装置中布置多个电化学检测单元的结构示意图；
31.图6.1是不同电极形状的三电极构型图；
32.图6.2是基于两电极或三电极构型的电化学传感器示意图；
33.图6.3是代表性用于组分测量的工作电极和参比电极截面示意图和具体材料。
34.对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
35.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
36.实施例一
37.一种微流体流量/流速和组分协同检测装置，参见附图1，包括基底1、微流道层2和盖板3三部分。
38.基底1位于微流道层2的底侧，盖板3位于微流道层2上侧，在微流道层2中设置有液体通道2
‑
1，在基底1上设置有激光诱导石墨烯(laser induced graphene,以下简称为lig)图案1
‑
1，该lig图案1
‑
1位于微流道层的液体通道2
‑
1的投影面。
39.在基底1上设置有进液口1
‑
2，在盖板3上设置有出液口3
‑
1，所述进液口1
‑
2位于液体通道2
‑
1的一端，出液口3
‑
1位于液体通道2
‑
1的另一端，进液口1
‑
2和出液口3
‑
1与液体通道2
‑
1相连通；这样，当本装置贴到生物皮肤表面后，汗液会从基底1上的进液口1
‑
2流入微流道层2的液体通道2
‑
1，随着汗液持续从皮肤中溢出，进液口1
‑
2的液体压力增大，从而促使汗液沿液体通道2
‑
1向出液口3
‑
1方向流动。参见附图3，当汗液流入液体通道2
‑
1后，改变了原本lig与上方空气的总体光学特性，其对自然光的折射和散射特性等发生改变，使液体填充通道和空气填充通道存在人眼可辨识的明显颜色变化，能够直观地观察到汗液所处位置(在本发明的协同检测装置上沿液体通道设置有标尺，参见附图1，该标尺优选设置在基底1上，也可以设置在微流道层2或者盖板3上)，基于液体通道2
‑
1的横截面的尺寸已知条件下，根据时间间隔即可计算出汗液流量和流动速率等参数。
40.所述lig图案1
‑
1是通过二氧化碳(co2)激光诱导方法在基底上直接生成，其中基底材料可以是聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、树叶、木头等材质。lig图案可以覆盖全部液体通道的投影区域，也可以仅仅分布在液体通道的部分投影区域，lig图案的宽度w(lig)与液体通道的宽度w(channel)相比，w(lig)小于、等于和大于w(channel)皆可，优选尺寸范围是w(lig)≥0.3w(channel)，这种条件下透明液体填充通道和空气填充通道时的颜色差别非常明显。
41.所采用lig呈多孔结构(图2.1和2.2)，其孔隙结构和孔隙率与lig呈线出来的颜色(黑白)密切相关，与图2.2所示多孔结构的lig相比，图2.1所示lig呈现出一定程度的白色，这是空气与石墨烯层耦合后呈现出的颜色，lig的多孔性与其方块电阻(sheetresistance)直接相关，为得到优异的流量/流速测量效果，所选用lig的方块电阻优选在5
‑
1000ω/sq范围内。
42.基底、微流道层和盖板三者的结合可选用胶带粘合、热压键合等方式，微流道层和盖板的材料选择有：玻璃、硅橡胶、有机高分子材料(例如聚甲基丙烯酸甲酯pmma，聚对苯二甲酸乙二醇酯pet)等。当微流道层和盖板的材料折射率与所测液体的折射率相近时(例如，水的折射率约为1.3，微流道层和盖板所选材料的折射率应在1.1到1.5之间)，光线从lig图案传至外界时损耗少，液体环境下lig图案的颜色变化更容易被观察到，利于流速/流量检测。
43.在协同检测装置上还设置有用于检测液体通道2
‑
1中的液体组分的电化学检测单元，电化学检测单元的数量可以是一个也可以是多个(参见附图1，图1中设置有3个电化学检测单元3、4、5)，电化学检测单元可以构建在微流道层的上下两侧中的任何一侧(图4.1
‑
4.5)，也可以在微流道层上下两侧多点布置进行多参数测量(附图5)，无论将电化学检测单
元布置于微流道层两侧中的哪一侧，其可以被构建于形成密闭流体通道的膜层上(如图4.1，4.2和4.3中，电化学检测单元分别位于微流道层上下两侧的基底和/或盖板上)；电化学检测单元也可以采用外源的电化学传感器芯片，将电化学传感器芯片安插在协同检测装置中(如图4.4和4.5)，电化学传感器芯片可以布置于液体通道2
‑
1的任何位置，包括lig图案的前端、当中或者后端，可以在液体通道的主干上(图4.2
‑
4.4)，也可以在旁枝处(图4.1)。
44.参见附图6.1
‑
6.3，电化学传感器芯片通常呈两电极(工作、对比/参比)或三电极(工作、对比、参比)构型集成到同一个衬底上，可以采用已商业化的电化学传感器芯片，也可以根据需要自行设计构建。三电极的形状和布局依据电化学传感器芯片的通用规则，可以但不限于图3所示结构，工作、对比电极的材料包括碳、金、铂金属等，参比电极可以与工作、对比电极同材质，也可以是银/氯化银ag/agcl等经典参比电极，衬底可以是pet、pi等柔性材料，也可以是玻璃等硬质材料。为实现检测选择性、灵敏度、稳定性，可以对电极进行修饰改性，比如离子选择性膜修饰、纳米粒子修饰、酶修饰等。电化学传感器尺寸随需求而定。
45.实施例二
46.在实施例一的基础上，进一步的说，可通过图像采集装置对上述协同检测装置进行拍照，所得图像进行进一步的图像处理优化，以更好的区分液体填充通道和空气填充通道的区别度。更进一步的说，采集的图像通过处理器处理后能够自动化得到流量/流速实时结果。
47.实施例三
48.利用上述协同检测装置检测汗液流量/流速和汗液中na 浓度之间耦合关系的方法如下：
49.协同检测装置中设置一个用于检测na 浓度信号的电化学检测单元，该电化学检测单元的na

选择性工作电极和参比电极均在lig基底1上制造，在工作电极处修饰na 选择性膜，参比电极处首先涂敷一层ag/agcl膜，然后利用聚乙烯醇缩丁醛酯pvb/氯化钠nacl/甲醇溶液修饰，以获得电位稳定的参比电极。
50.将所述协同检测装置贴敷于人体皮肤表面，人体产生的汗液从协同检测装置的进液口1
‑
2进入液体通道2
‑
1中，随着汗液持续从皮肤中溢出，进液口1
‑
2的液体压力增大，促使汗液沿液体通道2
‑
1向出液口3
‑
1方向流动，当汗液流入液体通道2
‑
1后，改变了原本lig与上方空气的总体光学特性，其对自然光的折射和散射特性等发生改变，使液体填充通道和空气填充通道存在人眼可辨识的明显颜色变化，能够直观地观察到汗液所处位置，基于液体通道2
‑
1的横截面的尺寸已知条件下，根据时间间隔即可计算出汗液流量和流动速率等参数；在检测汗液流量/流速的同时，协同检测装置中的电化学检测单元会实时采集液体通道2
‑
1中的汗液中na 浓度信号，根据该信号计算出汗液的na 浓度随时间变化数据，从而建立汗液流量/流速和汗液中na 浓度之间耦合关系。通过流速得到电化学检测信号对应的具体离子浓度，消除流速对电化学检测灵敏度的影响，并实现组分检测时的速率补偿，避免忽略汗液组分对流速的依赖性而造成健康检测与分析的误判断。
51.实施例四
52.利用上述协同检测装置检测汗液流量/流速和汗液中na 、k 、cl
‑
浓度之间耦合关系的方法如下：
53.协同检测装置中设置一个用于检测na 浓度信号的第一电化学检测单元、一个用于检测k 浓度信号的第二电化学检测单元和一个用于检测cl
‑
浓度信号的第三电化学检测单元。
54.将所述协同检测装置贴敷于人体皮肤表面，人体产生的汗液从协同检测装置的进液口1
‑
2进入液体通道2
‑
1中，随着汗液持续从皮肤中溢出，进液口1
‑
2的液体压力增大，促使汗液沿液体通道2
‑
1向出液口3
‑
1方向流动，当汗液流入液体通道2
‑
1后，改变了原本lig与上方空气的总体光学特性，其对自然光的折射和散射特性等发生改变，使液体填充通道和空气填充通道存在人眼可辨识的明显颜色变化，能够直观地观察到汗液所处位置，基于液体通道2
‑
1的横截面的尺寸已知条件下，根据时间间隔即可计算出汗液流量和流动速率等参数；在检测汗液流量/流速的同时，协同检测装置中的第一电化学检测单元会实时采集液体通道2
‑
1中的汗液中na 浓度信号，第二电化学检测单元会实时采集液体通道2
‑
1中的汗液中k 浓度信号，第三电化学检测单元会实时采集液体通道2
‑
1中的汗液中cl
‑
浓度信号，根据这些信号计算出汗液的na 、k 、cl
‑
浓度随时间变化数据，从而建立汗液流量/流速和汗液中na 、k 、cl
‑
浓度之间耦合关系。
55.实施例五
56.微流体流量/流速和组分协同检测装置并不限定于汗液检测，还可应用于其他透明液体的流量/流速和组分检测分析。同检测装置的进液口和出液口可以都设置在盖板上，使用时，可通过注射器从同检测装置的进液口注入被检测的液体，进行流量/流速和组分检测。
57.以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。