一种同步监测生理生化参数的导电水凝胶纸基设备的制作方法

1.本发明属于集成监测设备领域，具体涉及一种同步检测生理生化参数的一体化导电水凝胶纸基设备。


背景技术：

2.在体育活动中，人体的生理和生化信号会发生复杂的变化，尤其在长时间和长距离的运动中运动者容易出现失水、低血糖和心律失常，这些都是运动伤害的危险因素。目前，市面上的可穿戴设备能够检测运动中的生理信号，但复杂但有价值的生化指标变化常常被忽视，而这些生化指标的变化是人体运动过程中身体反应的重要参数。因此，这就要求在体育活动期间对生理和生化指标进行同步监测。
3.监测体表生理和生化活动的集成设备通常由具有不同功能的传感器、汗液微流控系统、电路板和电池组成。近年来，一些研究对集成监测设备进行了研究，这些设备在加工过程中需要高度的集成。然而，不同的检测模块需要不同的材料和加工技术，这可能面临多种问题，包括材料不匹配、加工工序复杂和不同工艺之间集成难适配。因此，鉴于前面提到的问题，一个具备高集成度、柔性、高效的电子传输、无创、低成本的生理生化检测装置用于一体化工艺是非常必要的。
4.正确选择设备的基底材料将在很大程度上缓解上述问题。纸张被认为是体表传感器和导流汗液的理想基材，因为它具有柔性、可回收性和廉价的优点。此外，纸作为一种天然的载体，可以大量负载各种材料，从而可以制备具有多种功能的纸基设备。然而，现有的关于纸质器件的研究主要集中在修改纸上的导电材料，如金属沉积，和印刷导电材料，并没有对纸进行改性。在显微镜下，改性材料和基材是相互独立的，没有实现基材和电极的融合。此外，具有完全集成的生理和生化电极以及微流体的纸基设备还没有被报道。因此，开发新的具有同步检测生理生化参数的一体化纸基设备具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的是设计一种高集成化同步监测运动生理生化参数的导电水凝胶纸基设备及其测试方法。
6.为实现上述目的，本发明所采取的技术手段是：
7.一种同步监测生理生化参数的导电水凝胶纸基设备，其包括包括纸基模块和柔性检测电路模块；
8.所述纸基模块分为三部分，第一部分为两片心电电极纸基贴片，第二部分为一片电化学检测纸基贴片，第三部分为一片纸基微流道贴片，三部分贴片集成加工在同一张纸基底层上；
9.每一片所述心电电极纸基贴片通过在纸基底层上滴加导电水凝胶材料形成心电电极；所述电化学检测纸基贴片通过在纸基基底上滴加导电水凝胶材料形成工作电极，且工作电极上修饰有电化学敏感层，同时在纸基底层上附有参比电极和对电极，从而构成三
电极系统；所述导电水凝胶材料由导电多聚物pedot:pss和离子液体混合而成；心电电极、工作电极、参比电极和对电极分别通过电极连接线接入柔性检测电路模块的导电印刷端口，将各自的电信号发送给柔性检测电路模块进行处理和对外传输；
10.所述纸基微流道贴片的平面上布置有互不直接连通的汗液收集区、反应区和汗液蒸发区，其余位置做疏水处理；纸基微流道贴片能够通过3d折叠使反应区与所述心电电极纸基贴片上的三电极系统相接触，而汗液蒸发区和汗液收集区分别与反应区相接触，在折叠状态下汗液收集区中收集的汗液能够通过纸基底层的毛细作用渗入反应区中与三电极系统接触产生氧化还原电位，然后再渗入汗液蒸发区被蒸发。
11.作为优选，所述参比电极和对电极通过丝网印刷工艺印在纸基基底上。
12.作为优选，所述的离子液体为十二烷基苯磺酸或1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑。
13.作为优选，所述工作电极上还修饰有催化材料。
14.进一步的，所述的催化材料为pt纳米颗粒、au纳米颗粒中的至少一种。
15.作为优选，所述生物化学试剂为葡萄糖氧化酶、葡萄糖脱氢酶、乳酸氧化酶、尿酸氧化酶、胆固醇氧化酶、磷脂酶、氨基酸酶、辣根过氧化物酶、β
‑
羟丁酸脱氢酶、普鲁士蓝、二茂铁甲醇中的一种或多种。
16.作为优选，所述心电电极为两个圆形纸基电极，且圆形边缘设置有用于连接电极连接线的连接端口。
17.进一步的，所述的连接端口、电极连接线以及导电印刷端口均采用印刷方式印制，下层为ag/agcl层，上层为碳浆层。
18.进一步的，所述柔性检测电路模块中包括心电检测模块、电化学检测模块和无线通信模块，所述心电检测模块用于接收两个心电电极的电信号进行心电检测，所述电化学检测模块用于接收三电极系统的电信号进行汗液中目标物质的电化学检测，所述无线通信模块用于将检测结果发送至外部接收端。
19.进一步的，所述外部接收端为具有实时显示功能的移动设备。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
21.(1)本发明与现有技术相比，实现高度集成检测生理生化参数设备制造，无需设计额外的汗液流道，数据传输分析无需外置线路。检测时，纸基贴片贴于皮肤表面，汗液经过汗液流道流入反应区被电化学测量电极采集信号，心电贴片同时实时采集心电数据，所有数据通过柔性电路板蓝牙模块被传输、分析和显示在手机app端，从而实现整体生理生化数据的采集和呈现。
22.(2)本发明采用导电聚合物凝胶制备纸基器件，无需复杂工艺，无需很长的反应时间，无需复杂的加工条件即可制作高性能的纸基器件，将纸变成导电纸。
23.(3)本发明采用的电极基底为纸基。以纸为基底，利用了纸张吸水、易得、廉价等优点，因此所发明的电化学纸基贴片不需要特殊的亲水处理，仅需对非感应部位进行疏水处理即可，具有加工简单，成本低廉等优点。
附图说明
24.图1为本发明一种同步监测运动中生理生化参数的导电水凝胶纸基设备示意图俯视图；
25.图2为纸基微流道贴片的折叠平面示意图；
26.图3为纸基微流道贴片的折叠过程示意图；
27.图4为本发明实施例中的心电电极与商业心电电极之间的电阻抗比较；
28.图5为本实施例中导电水凝胶纸基设备的体运动测试数据。
29.图中附图标记为：纸基底层1、心电电极纸基贴片2、电化学检测纸基贴片3、纸基微流道贴片4、柔性检测电路模块5、心电电极201、连接端口202、工作电极301、参比电极302、对电极303、电极连接线304、汗液收集区401、反应区402、汗液蒸发区403。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
31.如图1所示，在本发明的一个较佳实施例中，提供了一种同步监测生理生化参数的导电水凝胶纸基设备，其主要结构可以包括纸基模块和柔性检测电路模块5两部分，其中纸基模块主要作为传感器部分用于获取生理生化参数相关的电信号，而柔性检测电路模块5作为电信号的信号处理部分。下面对两部分的具体结构和功能实现形式进行详细描述。
32.其中，纸基模块按功能可以在平面上分为三部分，第一部分为两片心电电极纸基贴片2，第二部分为一片电化学检测纸基贴片3，第三部分为一片纸基微流道贴片4，三部分贴片集成加工在同一张纸基底层1上。整个纸基底层1呈工字形，电化学检测纸基贴片3位于中间位置，而两片心电电极纸基贴片2分别位于电化学检测纸基贴片3顶部的两端，纸基微流道贴片4位于电化学检测纸基贴片3的底部。
33.两片心电电极纸基贴片2的结构相同，对称分布。每一片心电电极纸基贴片2通过在纸基底层1上滴加导电水凝胶材料形成心电电极201，纸基底层1本身具有纸张自带的吸水能力，因此导电水凝胶材料滴加后能够浸润纸张，进而利用其导电能力使得纸张上被浸润的区域形成导电水凝胶电极。在本实施例中，心电电极201为两个圆形的纸基电极，浸润区域呈圆形。而且，为了便于心电电极201的接线，可以在圆形边缘设置有用于连接电极连接线304的连接端口202。连接端口202可以通过丝网印刷工艺印制于纸基底层1上。
34.另外，同样的，电化学检测纸基贴片3的工作电极301也是通过在纸基基底1上滴加导电水凝胶材料形成的，其具体做法与心电电极201一致。同时在纸基底层1上附有参比电极302和对电极303，从而构成三电极系统。参比电极302和对电极303可以通过丝网印刷工艺印制于纸基底层1上。
35.上述各种电极的作用形成与待检测对象相关的电信号，这些电信号需要通过连接线传递给柔性检测电路模块5。因此，在纸基底层1上还需要印制多条电极连接线304，心电电极201、工作电极301、参比电极302和对电极303分别通过电极连接线304连接柔性检测电路模块5。为了便于柔性检测电路模块5的连接，可以在纸基底层1上印制导电印刷端口，所有的电极连接线304先接入导电印刷端口，然后柔性检测电路模块5再与导电印刷端口相连接，从而将各自的电信号发送给柔性检测电路模块5进行处理和对外传输。这种做法下，柔性检测电路模块5可以设计为可插拔形式进行复用，仅需更换纸基模块即可。柔性检测电路模块5可以采用柔性印刷电路板。
36.另外，为了满足对于汗液中目标物质的检测，可以在工作电极301上修饰有电化学
敏感层305。具体的电化学敏感材料类型需要根据检测的目标物质而定，以能够与目标物质发生氧化还原反应进而产生氧化还原点位为准。电化学敏感材料可作为反应物与目标分析物发生化学反应而生成反应产物，亦可以作为催化剂催化目标分析物发生化学反应产生产物。因此，在本发明中，电化学敏感层305可以是生物化学试剂，也可以是催化材料。生物化学试剂可以选择为葡萄糖氧化酶、葡萄糖脱氢酶、乳酸氧化酶、尿酸氧化酶、胆固醇氧化酶、磷脂酶、氨基酸酶、辣根过氧化物酶、β
‑
羟丁酸脱氢酶、普鲁士蓝、二茂铁甲醇中的一种或多种。例如，若检测的目标物质为汗液中的葡萄糖，则可以在工作电极301上修饰葡萄糖氧化酶。另外在修饰有生物化学试剂之前还可以修饰催化材料，以提高电极灵敏度。催化材料可以选择为pt纳米颗粒、au纳米颗粒中的至少一种。
37.另外，本实施例中，导电水凝胶材料是由导电多聚物pedot:pss和离子液体混合而成的，两种材料均需要充分浸润纸基底层1。其中，离子液体为十二烷基苯磺酸dbsa或1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑emim或其他离子强度较大的离子溶液。在实际制备过程中，可以先对纸基底层1上心电电极201和工作电极301的外边缘用喷蜡打印机打印出疏水层图形，然后将足量的pedot:pss滴加到心电电极201和工作电极301所处范围内，充分浸润电极所处区域内的纸基底层1，再将足量的离子液体滴加到心电电极201和工作电极301所处范围内，充分浸润电极所处区域内的纸基底层1，从而形成导电纸基水凝胶电极。
38.在该器件中采用导电水凝胶材料浸润纸基底层1形成心电电极201和工作电极301，而不是简单采用丝网印刷的主要目的是希望提升导电能力，使电极更为灵敏和稳定。因为不同于平面纸基丝网印刷电极的制备，本发明采用的导电纸凝胶材料具备很好的导电性，同时依托纸基底层1中纸纤维以及水凝胶本身拥有的3d空间结构，两者能够复合成更多孔洞的3d凝胶网络，利于电子传输以及纳米颗粒和酶的附着，水凝胶材料拥有良好的水润性适合在汗液环境测试，同时水凝胶材料对比于丝网印刷的固体电极有更好的机械强度和生物相容性。由于pedot:pss是导电聚合物，离子液体的加入使得pedot基团和pss基团之间的静电吸附力减弱，更多的导电的pedot基团被暴露出来，增加了π
‑
π基团共轭体系，提高了电子的离域能力，是导电性显著提高的根本原因。
39.另外，纸基微流道贴片4的平面上布置有互不直接连通的汗液收集区401、反应区402和汗液蒸发区403，其余位置做疏水处理。疏水处理可以通过喷蜡或者喷蜡打印机处理实现，纸基微流道贴片4平面上除汗液收集区401、反应区402和汗液蒸发区403之外的其他区域均进行喷蜡处理，从而汗液无法渗入这些区域，但汗液收集区401、反应区402和汗液蒸发区403三个区域则利用纸纤维的毛细作用能够实现汗液的输送，但三个区域在平面上是互不连接的，无法直接传递水分。在使用时，纸基微流道贴片4能够通过在空间上的3d折叠，来改变汗液收集区401、反应区402和汗液蒸发区403三个区域的空间位置，其折叠顺序如图2所示：
①
先将整个纸基微流道贴片4整体朝向心电电极纸基贴片3翻折，使反应区402与电化学检测电极纸基贴片3上的三电极系统相接触；
②
再将汗液蒸发区403朝向反应区402翻折，使汗液蒸发区403与反应区402相接触；
③
再将汗液收集区401分别朝向反应区402翻折，使汗液收集区401与反应区402相接触。但需要注意的是，第
②
步和第
③
步的翻折方向是不一样的，也就是说汗液蒸发区403和汗液收集区401分别位于反应区402的两侧，而且由于反应区402的一侧还贴合有电化学检测电极纸基贴片3，因此汗液收集区401与反应区402实际上是间接接触的，两者之间隔着电化学检测电极纸基贴片3。但由于电化学检测电极纸基贴
片3的三电极系统位置是透水的，因此汗液收集区401与反应区402之间依然能够实现汗液的传递。最终，如图3所示，在折叠状态下汗液收集区401中收集的汗液能够通过纸基底层1的毛细作用渗入反应区402中与三电极系统接触产生氧化还原电位，然后再渗入汗液蒸发区403被蒸发。将纸基微流道贴片4设计为折叠形式的目的是使得汗液可以与三电极系统接触的同时还能保护电极不受外界干扰。
40.在本发明中，连接端口202、电极连接线304以及导电印刷端口均采用印刷方式印制，采用两层结构，下层为印制于纸基的ag/agcl层，上层为碳浆层，用于防止ag/agcl层氧化。
41.另外，柔性检测电路模块5中应当包括心电检测模块、电化学检测模块和无线通信模块，其中心电检测模块用于接收两个心电电极201的电信号进行心电检测，电化学检测模块用于接收三电极系统的电信号进行汗液中目标物质的电化学检测，无线通信模块用于将检测结果发送至外部接收端。心电检测模块、电化学检测模块和无线通信模块的具体电路结构和形式不限，以能够实现相应的功能为准。无线通信模块优选采用蓝牙方式进行无限传输。
42.接受检测结果的外部接收端可以是任意的终端，例如移动设备、云平台、服务器等。考虑到结果显示的实时性，优选推荐采用具有实时显示功能的移动设备，例如手机、pad等，移动设备上可安装专用的app或其他软件来对结果进行显示和查询。
43.另外，为了保证检测的准确性，在整个纸基底层1上，除了心电电极201、连接端口202、工作电极301、电极连接线304、汗液收集区401、反应区402和汗液蒸发区403之外的其他区域，均应当进行疏水处理。疏水处理可实现通过喷蜡处理实现，亦可采用其他的疏水处理方式。
44.该设备在使用时，可通过配合硅胶外壳、pu膜等辅助组件，将设备贴于被试者的皮肤处且心电电极201和汗液收集区401应当与皮肤贴合。被试者运动时，心电电极201实时采集被测者心电数据。同时，被测者运动时大量出汗，汗液通过汗液收集区401渗入反应区402，并在反应区402内与工作电极301上的电化学敏感材料发生电化学反应从而通过三电极系统实时采集电化学信号，汗液流经反应区402后通过蒸发区403蒸发。心电电极201和三电极系统采集的由柔性检测电路模块5记录和传输数据至手机app实时显示。
45.最后，图5展示了本实施例中导电水凝胶纸基设备的一组体运动测试数据，表明该设备可以实现生理生化参数的无创实时监测。进一步的，为了展示本发明中导电纸基水凝胶电极的性能，我们分别对心电电极201和三电极系统进行了相关测试。
46.对于心电信号的测试，本实施例中导电纸基水凝胶形式的心电电极201表现出更低和更稳定的阻抗，这是因为导电纸基水凝胶材料减少了心电信号传导界面，因此具备非常良好的导电性。
47.对于以汗液中葡萄糖为检测对象的电化学检测性能，本实施例中的三电极体系和其他现有技术中的汗液葡萄糖测试的对比，本实施例三电极体系中的导电纸基水凝胶电极表现出更高的灵敏度。测试条件为电化学测试，在电化学工作站0.6v恒压法测试，液体环境为pbs或人工汗液。
[0048][0049]
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