[發(fā)明專利]一種基于毛細(xì)-蒸發(fā)效應(yīng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測汗液流量的微泵

在審

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• 申請日: 2018-02-05
• 公開（公告）號: CN108414034A
• 公開（公告）日: 2018-08-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 覃開蓉;韓丹
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: G01F1/64
• 分類號: G01F1/64;B01L3/00
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠(yuǎn)

一種基于毛細(xì)?蒸發(fā)效應(yīng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測汗液流量的微泵，屬于微流控芯片系統(tǒng)領(lǐng)域。該微泵依靠毛細(xì)?蒸發(fā)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)汗液的收集和傳輸，通道集成的電極可實(shí)時(shí)監(jiān)測汗液流量。所述微泵分為三層，頂層只有三個(gè)六邊形出口孔，每一個(gè)出口孔由多個(gè)孔徑和孔距完全相同的孔陣列構(gòu)成。中間層由一個(gè)入口、三個(gè)出口和三岔通道構(gòu)成，出口位置分別對應(yīng)頂層的出口孔。底層包含一個(gè)入口并在對應(yīng)于中間層主通道的中心位置集成三個(gè)電極，從左到右依次為由金制作的參考電極、由鉑制作的工作電極和由金制作的對電極。本發(fā)明中三電極和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分別與電化學(xué)工作站連接，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)觀察電流值并利用流通電極的限制穩(wěn)態(tài)響應(yīng)方程得到微通道的實(shí)時(shí)流量，即出汗率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微流控芯片系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種利用毛細(xì)-蒸發(fā)效應(yīng)收集汗液，同時(shí)利用電化學(xué)原理實(shí)時(shí)監(jiān)測汗液流量的微流控芯片。

背景技術(shù)

人體汗液中含有豐富的生理和代謝信息，可用于疾病診斷、藥物濫用檢測和運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)優(yōu)化等，通過分析汗液的組成成分，可以獲得關(guān)于身體生理狀況的有用信息。某些遺傳疾病(例如囊性纖維化)可以從嬰兒的汗液組合物中診斷。另外，也可以評估汗液與人類健康表現(xiàn)相關(guān)的幾個(gè)關(guān)鍵生物標(biāo)志物，如出汗率，它可以判斷運(yùn)動(dòng)員是否存在脫水的風(fēng)險(xiǎn)，較高的脫水值會(huì)影響心血管系統(tǒng)，導(dǎo)致熱痙攣或中暑，對隨時(shí)間推移出汗率變化的監(jiān)測有助于制定個(gè)性化的補(bǔ)液策略。進(jìn)行汗液分析時(shí)必須考慮的要點(diǎn)之一是汗水的收集方式，以獲得最可靠的結(jié)果。如果沒有自動(dòng)化操作，這些制備過程是費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且又容易產(chǎn)生人為操作失誤，從而嚴(yán)重影響分析結(jié)果。多年以來，人們采用不同的汗液收集技術(shù)，如“全身沖洗術(shù)”，全身汗水損失取決于人體運(yùn)動(dòng)前后的體重，同步收集和儲(chǔ)存所有損失的液體；使用由柔性粘合劑膜制成的貼片或者膠囊，被不透氣的實(shí)驗(yàn)室薄膜紙覆蓋以防止汗液蒸發(fā)的汗液收集技術(shù)。然而，這些技術(shù)不能給出關(guān)于身體狀況的實(shí)時(shí)信息，主要是由于采樣、處理和后驗(yàn)分析中樣品交叉污染的風(fēng)險(xiǎn)很高且進(jìn)行的是延遲分析。

近年來，快速發(fā)展的微流控技術(shù)以其結(jié)構(gòu)微型化、所需樣本微量化、能精確控制流體且具有良好的生物兼容性等優(yōu)點(diǎn)為汗液監(jiān)測與分析提供了可能性。目前微流控芯片利用重力、表面張力、毛細(xì)力、以及滲透作用等收集汗液，即通過改變微流道內(nèi)流體的勢能實(shí)現(xiàn)流體驅(qū)動(dòng)。其中，重力驅(qū)動(dòng)微泵的流量調(diào)節(jié)能力受液位高度限制；表面張力、毛細(xì)力以及滲透作用驅(qū)動(dòng)的微泵，流量不夠穩(wěn)定，長時(shí)間工作時(shí)流量穩(wěn)定性難以保持，當(dāng)流體系統(tǒng)完全填充時(shí)，驅(qū)動(dòng)力停止。使用毛細(xì)-蒸發(fā)作用組合實(shí)現(xiàn)的微泵不僅驅(qū)動(dòng)力更強(qiáng)而且可產(chǎn)生連續(xù)和延長的流量，其原則上能夠被動(dòng)地長時(shí)間運(yùn)行。對于持續(xù)的汗液感測和監(jiān)測，可以直接佩戴在皮膚上并且連續(xù)收集和分析汗液的緊湊的穿戴式裝置將是理想的解決方案，其不僅自動(dòng)吸收汗液，而且還包括汗液的自動(dòng)填充，沿著位于裝置內(nèi)的微通道和感應(yīng)腔產(chǎn)生連續(xù)的流動(dòng)。

關(guān)于出汗率或汗液流量的檢測，目前的研究集中在可以局部測量身體部位的出汗率方法，包括依賴于皮膚阻抗的測量阻抗法以及基于織物上集成濕度電容傳感器的監(jiān)測出汗率的裝置來量化汗液損失，其他常見的方法包括在運(yùn)動(dòng)前后對受試者皮膚上的貼片進(jìn)行稱重。阻抗法易受到如強(qiáng)烈的情緒、驚嚇事件、壓力引起的變化的因素影響；濕度電容傳感器法難以保持傳感器之間的固定距離且很容易受運(yùn)動(dòng)偽像的影響導(dǎo)致誤報(bào)/否定；貼片法由于受試時(shí)間最長可能會(huì)堵塞汗腺管道或改變接近皮膚的微氣候?？焖侔l(fā)展的電化學(xué)檢測技術(shù)以其電極小型化、靈敏度高、所需功率低、可實(shí)時(shí)監(jiān)測信號且易集成在裝置中等優(yōu)點(diǎn)為在微流體芯片中開展流量實(shí)時(shí)檢測分析提供了可能性。理想的汗液監(jiān)測設(shè)備不僅可產(chǎn)生連續(xù)和延長的流量還能提供詳細(xì)的實(shí)時(shí)流量信息，因此本發(fā)明設(shè)計(jì)一種利用毛細(xì)-蒸發(fā)效應(yīng)和電化學(xué)測流量法實(shí)現(xiàn)收集汗液并實(shí)時(shí)監(jiān)測其流量的微流控芯片系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種不僅可以實(shí)現(xiàn)汗液收集還可以擴(kuò)展到實(shí)時(shí)監(jiān)測身體不同部位出汗率變化的靈活可控的蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)泵，比目前的測量方法更易于使用和高效。它依靠毛細(xì)-蒸發(fā)效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)汗液的收集和傳輸，結(jié)合微流控通道集成的電極實(shí)時(shí)檢測微泵中的汗液流量。它允許隨著時(shí)間動(dòng)態(tài)地跟蹤出汗率的變化，而不是提供適用于整個(gè)實(shí)驗(yàn)的單一測量。