一种汗液连续采样、等速分流的微流控芯片及其工作方法与流程

1.本发明涉及可穿戴传感器技术领域，具体为一种汗液连续采样、等速分流的微流控芯片及其工作方法。


背景技术：

2.近年来，可穿戴式传感器因其能动态便捷地追踪人体生理信息，对人体健康监测与疾病诊断起重要作用，引起人们广泛关注。目前，可穿戴传感器大多集成在智能手环等电子产品中，仅能监测心跳、脉搏、血压等物理信号，无法测出与人体健康状况更直接相关的生物分子信息，而无创非侵入式人体生物液化学传感器的发展使得人体生物分子动态监测成为可能。由于难以通过无创的方式提取血液，目前无创非侵入式人体生物液化学传感器大部分针对汗液、泪液等体液进行人体健康状况的监控。
3.汗液相对于泪液更容易获取，且汗液中包含的人体标志物的种类不亚于血液，因而汗液传感器得到了快速发展。资料表明，人类每一滴汗液中含有0.2％
‑
1％的溶质，其中包含各种无机离子、有机分子、氨基酸、激素、蛋白质、多肽等分泌物。因此，可通过对汗液成分的监测，分析人体的电解质失衡程度、乳酸指数、汗液葡萄糖水平、脱水状况、潜在疾病以及卡路里燃烧值等。
4.2016年美国加州大学高伟等人在期刊上发表论文，描述了一种可实时检测汗液中钠离子、钾离子、葡萄糖、乳酸的柔性传感器，可直接穿戴于人体手腕、额头等位置，该传感器集成了多个微电极阵列，只需几微升汗液就可测出人体汗液中的上述成分及其浓度。同年，荷兰霍尔斯特研究中心研制出一种一次性使用的汗液传感贴片，该传感器工作时直接贴于皮肤表面，待汗液分泌后汇聚于汗液收集区域，使用离子选择电极检测汗液中氯化物的浓度。
5.但是这类传感器忽略几个问题，具体罗列如下：
6.(1)上述传感器的电极阵列直接与皮肤接触，检测的汗液容易蒸发，会导致检测浓度值偏高；
7.(2)上述传感器的电极阵列直接与皮肤接触，检测的汗液容易受到皮肤表面杂质污染，使得检测精度受到影响；
8.(3)上述传感器的电极阵列直接与皮肤接触，在连续检测的过程中，新旧汗液混杂，使得检测精度降低；
9.(4)上述传感器中集成了多个检测电极，检测时发生生化反应，反应产物会影响到其他电极的检测精度；
10.自2017年后，美国西北大学、美国伊利诺伊大学等相继研究出基于微流控通道的汗液采集与检测方法，采用微流控方法收集汗液，在一定程度上弥补了上述缺点。但是依然存在一些问题：
11.(1)目前基于微流控通道的汗液采集方法虽然可将汗液输送至独立的微反应池，之后排出微流控通道，但存在汗液溢出的情况，溢出的汗液可能回流或滴落至传感器其他
位置，甚至流入电路模块，造成检测失效；
12.(2)目前基于微流控通道的汗液采集与检测方法，较难实现汗液的连续监测，例如汗液废液池或废液通道充满之后，毛细管对于汗液的驱动作用会减弱甚至消失，汗液更新会停止；
13.(3)目前基于微流控通道的汗液采集方法是利用毛细管进样实现汗液的采集与输送，当微通道内全部填满汗液之后，毛细管作用失效，汗液在汗腺分泌压力的作用下挤出废液池，显然距离汗腺近的通道，汗液的更新速度快，距离汗腺远的通道，汗液更新速度慢，从而致使检测精度存在误差。为此，提出一种汗液连续采样、等速分流的微流控芯片及其工作方法。


技术实现要素：

14.本发明的目的在于提供一种汗液连续采样、等速分流的微流控芯片及其工作方法，受绿色植物叶片蒸腾作用的启发，设计一种蒸发泵，植入微流控通道的末端，实现汗液的连续监测；通过合理设计蒸发泵的面积，调控各个检测通道对于汗液吸引力的大小，使得汗液流经每个检测区的速度相等或近似相等；通过在蒸发泵下方布置加热电极，使得蒸发泵的温度可控，利于汗液传感器流速可控，以解决上述背景技术中提出的问题。
15.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种汗液连续采样、等速分流的微流控芯片，包括汗液收集区，所述汗液收集区的一侧与皮肤表面连通，所述汗液收集区的另一侧连通有微流控干路通道，所述微流控干路通道的外侧设有若干汗液检测区，所述汗液检测区远离所述微流控干路通道的一侧连通有微流控支路通道，所述微流控支路通道远离所述汗液检测区的一端连通有蒸发泵，多个所述蒸发泵的尺寸不同，所述蒸发泵包括加热电极和超细旦丙纶纤维层，所述微流控干路通道的内部安装有若干第一bursting阀，所述汗液检测区的一侧安装有第二bursting阀，所述微流控支路通道的内部安装有第三bursting阀。
16.作为优选，上述所述微流控干路通道的宽度尺寸为200微米，所述微流控干路通道的深度为100微米，所述微流控支路通道的宽度尺寸为50微米，所述微流控支路通道的深度为100微米，所述第一bursting阀的分岔角度为90
°
，所述第二bursting阀的分岔角度为40
°
，所述第三bursting阀的分岔角度为120
°
。
17.作为优选，上述所述汗液检测区的内部设有三个柱体。
18.作为优选，上述所述蒸发泵的上方设有圆形薄片，所述圆形薄片的顶部均匀开设有若干小孔，所述小孔的直径为50微米～500微米。
19.另外本发明还提供了一种汗液连续采样、等速分流的微流控芯片的工作方法，包括以下步骤：
20.s1、准备工作：确认圆形薄片是否完好盖在蒸发区域上方，将外接导线与加热电极相连，为加热电极加热做准备，加热电极通过lift
‑
off工艺加工制作；
21.s2、汗液的采集和运输：将传感器穿戴于人体身上，汗腺分泌的汗液汇入汗液收集区，由微流控干路通道输送至第一个汗液检测区；在进入汗液检测区前，干路通道上下一个检测区前的第一bursting阀提供阻力，微流控干路通道、微流控支路通道以及其他区域均通过光刻法加工制作，随着汗液量的增多，汗液冲破第二bursting阀，进入汗液检测区并到
达第三bursting阀位置，由于第三bursting阀的阻力大于第一bursting阀与第二bursting阀，汗液在微流控干路通道中继续向下一汗液检测区前进，以相同的方式冲破第一bursting阀，流入下一汗液检测区；
22.s3、汗液的检测：当汗液进入所有检测区，汗液在汗液检测区进行相关反应，可通过比色法、电化学法获得待测物的浓度，反应完毕的汗液堆积，随着汗液量的继续增多，汗液冲破第三bursting阀，进入蒸发泵的区域；
23.s4、加热电极加热：待汗液进入蒸发泵内，加热电极通电，产生热量，加速汗液蒸发；
24.s5、汗液蒸发：汗液在进入蒸发泵区域后，亲水化后的超细旦丙纶纤维层将汗液吸入布料中，由于纤维结构中具有大量空隙，汗液在芯吸作用下迅速疏导至布料的外表面，同时蒸发泵底部的加热电极发挥作用，使得汗液在与空气形成的温度差和湿度差下快速蒸发至空气中；
25.s6：蒸发泵的自主调节：通过合理设置蒸发泵的面积与加热温度来调控蒸发速率。各个微流控支路上的蒸发泵面积不同，由于距离汗液入口越远的支路的流阻越大，为实现等速分流，距离汗液入口越远的蒸发泵面积越大，以提供更大的吸力；通过调控加热电极的加热温度也可调控蒸发泵的蒸发速率，进而提供不同的吸力。
26.作为优选，上述所述s1中的加热电极的制作lift
‑
off工艺包括以下步骤：
27.s1.1、在基片上旋涂正性光刻胶；
28.s1.2、根据加热电极的形状制备掩膜版，对旋涂的正性光刻胶进行曝光并显影；
29.s1.3、采用磁控溅射电极层的方法，将加热材料溅射至基片和正性光刻胶上，加热材料为金属类、半导体类及金属陶瓷中的一种，本方案中优选材料为pt；
30.s1.4、采用lift
‑
off工艺将正性光刻胶以及覆盖正性光刻胶的加热材料去除，留下的区域即为加热电极的轮廓。
31.作为优选，上述所述s2中的光刻法的工艺包括以下步骤：
32.s2.1、在硅基底上旋涂su
‑
8正性光刻胶；
33.s2.2、将掩膜版置于su
‑
8正性光刻胶上，掩膜版上刻有曝光所需的图案，进行紫外曝光；
34.s2.3、显影后出现所需图案；
35.s2.4、在图案四周安放挡板，将pdms与固化剂按照10:1比例混合搅匀，除气后在挡板内浇筑pdms；
36.s2.5、待pdms凝固后将其剥离，通过等离子体键合形成封闭微流控芯片。
37.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
38.一、本发明将蒸发泵植入微流控通道支路的末端，实现对汗液的连续监测，检测完毕的汗液通过微流通道流入蒸发泵，由快干性面料快速蒸发，提高单个汗液传感的使用寿命，汗液通过蒸发泵蒸发，不会出现滴漏至其他部分的现象，使得传感器更加安全有效，由于蒸发泵的吸力，汗液不会出现回溯或者新旧汗液混杂的现象，提高传感器的检测精度，当毛细管力较弱，汗液无法通过毛细管力的驱动向前流动，汗液更新速度缓慢时，蒸发泵的吸力使得汗液保持更新状态，达到连续采样的效果；
39.二、本发明设置多个不同的bursting阀提供阻力，使得汗液依次进入各个微流控
支路通道的检测区，且不发生混染现象(检测区1的汗液不会流入检测区2)，最终流入各个支路的蒸发泵；
40.三、本发明通过对各个蒸发泵面积的合理设置，蒸发泵底部加热电极温度的调整，使得各蒸发泵的吸力大小不同，弥补了远处检测区汗液更新速度缓慢的不足，可以减少甚至消除各检测区的精度误差，加热电极使得蒸发泵的温度可控，有利于对汗液传感器中汗液流速进一步控制。
附图说明
41.图1为本发明的结构示意图；
42.图2为bursting阀的结构示意图；
43.图3为光刻法的工艺流程图；
44.图4为杨氏模量公式解释示意图；
45.图5为液滴法检测接触角侧视图；
46.图6为加热电极的结构示意图；
47.图7为lift
‑
off工艺流程图；
48.图8为汗液填满汗液检测区的示意图；
49.图9为液滴法的结构示意图。
50.图中：1、汗液收集区；2、微流控干路通道；3、汗液检测区；4、微流控支路通道；5、蒸发泵；6、第一bursting阀；7、第二bursting阀；8、柱体；9、第三bursting阀；10、导线连接区；11、加热电极；12、正性光刻胶；13、基片；14、加热材料；15、su
‑
8正性光刻胶。
具体实施方式
51.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
52.实施例
53.请参阅图1
‑
9，本发明提供一种技术方案：一种汗液连续采样、等速分流的微流控芯片，包括汗液收集区1，汗液收集区1的一侧与皮肤表面连通，汗液收集区1的另一侧连通有微流控干路通道2，微流控干路通道2的外侧设有若干汗液检测区3，汗液检测区3远离微流控干路通道2的一侧连通有微流控支路通道4，微流控支路通道4远离汗液检测区3的一端连通有蒸发泵5，多个蒸发泵5的尺寸不同，蒸发泵5包括加热电极11和超细旦丙纶纤维层，微流控干路通道2的内部安装有若干第一bursting阀6，汗液检测区3的一侧安装有第二bursting阀7，微流控支路通道4的内部安装有第三bursting阀9。
54.微流控干路通道2的宽度尺寸为200微米，微流控干路通道2的深度为100微米，微流控支路通道4的宽度尺寸为50微米，微流控支路通道4的深度为100微米，第一bursting阀6的分岔角度为90
°
，第二bursting阀7的分岔角度为40
°
，第三bursting阀9的分岔角度为120
°
；bursting阀的原理遵循young
‑
laplace方程：
55.bp＝
‑
2σ[cosθ
*
/b cosθ/h]
[0056]
其中，bp(bursting pressure)为冲破阀的压力，σ为液体的表面张力，如图8所示，θ为液体前进方向与阀装置侧壁形成的夹角，β为阀装置中的分岔角度，θ
*
为min[θ β,180
°
]，即当θ β小于180
°
时，θ
*
取θ β的值，当θ β大于180
°
时，θ
*
取180
°
，b为通道的宽度(截面宽度)，由于θ为液面切线与微通道侧壁的夹角，难以测量，本装置采用液滴法测得，如图9所示：选取与微通道材料相同的薄片水平放置，其上滴取微量汗液，选择合适距离从侧面拍摄一张图片，可直接采用精密视频光学接触角测定仪及其自带软件测定；
[0057]
由公式可知，bursting阀的阻力与通道宽度、bursting阀的分岔角度有关，bursting阀的宽度越小，分岔角度越大，提供的阻力越大，本装置中每个检测单元含有三个bursting阀，如图2所示，分别是在两检测区间的第一bursting阀6，该bursting阀的分岔角度为90
°
，bursting阀宽度为干路通道的宽度，即200微米；在汗液检测区3与微流控干路通道2间的第二bursting阀7，该bursting阀的分岔角度为40
°
，bursting阀宽度为微流控干路通道2的宽度，即200微米；在汗液检测区3与蒸发泵5之间的第三bursting阀9，该bursting阀的分岔角度为120
°
，bursting阀宽度为微流控支路通道4的宽度，即50微米。根据young
‑
laplace公式，第二bursting阀7提供的阻力最小，第一bursting阀6的阻力次之，第三bursting阀9的阻力最大，因此随着汗液量的增多，三个bursting阀被依次冲破，其顺序如图4所示。bursting阀的功能是提供流体阻力，使得汗液能够依次填满各个汗液检测区3，当所有第一bursting阀6与第二bursting阀7均冲破后，所有的第三bursting阀9会被冲破，汗液进入蒸发泵5区域。
[0058]
汗液检测区3的内部固定连接有三个柱体8；柱体8是为了防止汗液检测区3的内部上下层粘连。
[0059]
蒸发泵5的上方设有圆形薄片，薄片的顶部均匀开设有若干小孔，小孔的直径为50微米～500微米，优选100微米；圆形薄片用来固定蒸发泵5内的超细旦丙纶纤维层。
[0060]
工作原理，使用时，汗液汇于汗液收集区1后，会在自身毛细管力和汗腺分泌压力的双重驱动下流入微流控干路通道2，由于bursting阀的阻力，汗液首先堆积于第一bursting阀6和第二bursting阀7处，随汗液不断累积，在形成一定压力后依次冲破bursting阀。根据young
‑
laplace公式，第一bursting阀6和第二bursting阀7虽都位于微流控干路通道2处，但由于第二bursting阀7的分岔角度小于第一bursting阀6处的分岔角度，因此第二bursting阀7处的阻力小于第一bursting阀6。当汗液与通道形成的接触角逐渐增大，汗液会首先冲破第二bursting阀7，进入汗液检测区3；同时，堆积于第一bursting阀6处的汗液，会由于接触角的不断增大，最终冲破第一bursting阀6，汗液开始依次流入下一汗液检测区3，汗液在汗液检测区3中进行相关反应，检测方法包括但不限于电化学法、比色法、荧光法等，由于第三bursting阀9处的分岔角度最大，通道宽度最小，因此第三bursting阀9的阻力最大，是最后被冲破的bursting阀。
[0061]
当反应完毕的汗液逐渐累积，最终冲破第三bursting阀9进入蒸发泵5区域时，首先会因超细旦丙纶纤维层的吸水性而被快速吸收至丙纶面料中，由于超细旦丙纶纤维层表面含有无数凹凸结构，形成类似毛细管的结构，在纤维的芯吸作用下，水分子被导入超细旦丙纶纤维层面料的外表面，在汗液与外界空气的湿度差下，蒸发进入空气。在此过程中，待汗液进入蒸发泵5后将连接好导线连接区10的导线通电，使得加热电极11开始加热加速汗液的蒸发。
[0062]
最后，所有通道均被连通，通道内汗液的流速与流量受蒸发泵5的调控。调控过程中，加热电极11始终保持工作状态，各蒸发泵5下的加热电极11调至不同温度，且各蒸发泵5的尺寸不同。由于蒸发泵5的尺寸随距汗液收集区1的距离依次增大，加热电极11的温度也依次升高，因此，离出汗口越远的蒸发泵5，表面积越大，汗液与空气的温度差越大，汗液蒸发的速度越快，蒸发泵5对汗液的吸引力越大，最终起到调节各汗液检测区3汗液流量与流速的作用，使得各汗液检测区3的汗液流量流速达到平衡。
[0063]
另外本发明还提供了一种汗液连续采样、等速分流的微流控芯片的工作方法，包括以下步骤：
[0064]
s1、准备工作：确认圆形薄片是否完好盖在蒸发区域上方，若有松动现象及时盖紧，将外接导线与加热电极11上的导线连接区10相连，为加热电极11加热做准备，加热电极11通过lift
‑
off工艺加工制作；
[0065]
s2、汗液的采集和运输：将传感器穿戴于人体身上，汗腺分泌的汗液汇入汗液收集区1，由微流控干路通道2输送至第一个汗液检测区3；在进入汗液检测区3前，干路通道下一个检测区前的第一bursting阀6提供阻力，微流控干路通道2、微流控支路通道4以及其他区域均通过光刻法加工制作，随着汗液量的增多，汗液冲破第二bursting阀7，进入汗液检测区3，并到达第三bursting阀9位置，由于第三bursting阀9的阻力大于第一bursting阀6与第二bursting阀7，汗液在微流控干路通道2中继续向下一汗液检测区3前进，以相同的方式冲破第一bursting阀6，流入下一汗液检测区3；
[0066]
s3、汗液的检测：当汗液进入所有汗液检测区3，汗液在汗液检测区3进行相关反应，可通过比色法、电化学法获得待测物的浓度，反应完毕的汗液堆积，随着汗液量的继续增多，汗液冲破第三bursting阀9，进入蒸发泵5的区域；
[0067]
s4、加热电极11加热：待汗液进入蒸发泵5内，加热电极11通电，产生热量，加速汗液蒸发；
[0068]
s5、汗液蒸发：汗液在进入蒸发泵5区域后，亲水化后的超细旦丙纶纤维层将汗液吸入布料中，由于纤维结构中存在大量的空隙，水分子在芯吸作用下迅速导入至布料的外表面，同时蒸发泵5底部的加热电极11发挥作用，使得汗液在与空气形成的温度差和湿度差下快速蒸发至空气中；
[0069]
s6：蒸发泵5的自主调节：通过合理设置蒸发泵5的面积与加热温度来调控蒸发速率。各个微流控支路上的蒸发泵5面积不同，由于距离汗液入口越远的支路的流阻越大，为实现等速分流，距离汗液入口越远的蒸发泵5面积越大，以提供更大的吸力；通过调控加热电极11的加热问题也可调控蒸发的蒸发速率，进而提供不同的吸力。
[0070]
其中：
[0071]
在s1中的加热电极11的制作lift
‑
off工艺包括以下步骤：
[0072]
s1.1、在基片13上旋涂正性光刻胶12；
[0073]
s1.2、根据加热电极11的形状制备掩膜版，对旋涂的正性光刻胶进行曝光并显影；
[0074]
s1.3、采用磁控溅射电极层的方法，将加热材料14溅射至基片13和正性光刻胶12上，加热材料可为金属类、半导体类及金属陶瓷等加热材料，本方案中的优选加热材料为pt；
[0075]
s1.4、采用lift
‑
off工艺将正性光刻胶12以及覆盖正性光刻胶12的加热材料去
除，留下的区域即为加热电极11的轮廓。
[0076]
在s2中的光刻法的工艺包括以下步骤：
[0077]
s2.1、在硅基底上旋涂su
‑
8正性光刻胶15；
[0078]
s2.2、将掩膜版置于su
‑
8正性光刻胶15上，掩膜版上刻有曝光所需的图案，进行紫外曝光；
[0079]
s2.3、显影后出现所需图案；
[0080]
s2.4、在图案四周安放挡板，将pdms与固化剂按照10:1比例混合搅匀，除气后在挡板内浇筑pdms；
[0081]
s2.5、待pdms凝固后将其剥离，通过等离子体键合形成封闭微流控芯片。
[0082]
特别地，在制作检测区时，为了防止微通道内上下距离过近产生粘连，可置2
‑
3个微型圆柱体以确保检测区空间完整。
[0083]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。