基于微流体系统的柔性汗液传感器实时传感特性研究

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汗液是一种非常重要的体液,其中包含有丰富的代谢产物、蛋白质、激素和电解质等生物标志物,它们的浓度提供了有关人体生理状态以及相关疾病的重要信息。例如,汗液中的p H值可用于表征代谢性碱中毒;葡萄糖的浓度会随着饮食和运动而变化,可用于检测糖尿病状况和运动表现的信息;钠离子和氯离子浓度与脱水密切相关。随着生物技术的发展,汗液中将鉴定出更多的标志物,汗液检测可用于更多疾病检测及实际的医学应用当中。目前,基于不同检测原理的新型可穿戴柔性汗液传感器已经用于连续人体健康监测,但实时连续的人体汗液检测仍存在很多不足,很多问题亟待解决。对于大多数基于电化学传感的柔性汗液传感器,往往直接从体表收集汗液进行检测,汗液易蒸发、易受污染的缺点会影响测试结果的准确性;对于结合微流道的电化学汗液传感器,虽然可将旧汗液引导出检测区域,但新旧汗液分离的效果不明显,仍有旧汗液停留在检测区域中,无法实现实时检测;对于基于微流道的比色汗液传感器,其只能实现半定量测量,传感精度有待提高。针对以上问题,本文基于微流道结构设计,分别制备了可用于比色检测的微通道网络,可用于电化学传感的微通道网络以及能够实时连续的汗液传感的结合电化学传感与比色传感的柔性汗液传感器,本文的主要研究成果如下:(1)首先基于微通道爆破压理论,详细地分析了毛细爆破压与通道宽度w及发散角?之间的关系;其次,通过实验方法探究了能够顺序采样的相邻爆破阀之间的最小爆破压差ΔPp;再次,根据最小爆破压差设计微流道系统,用Abaqus软件和COMSOL Multiphysics软件分别模拟微流道系统在机械载荷作用下的变形情况及液体在通过爆破阀时的体积分数变化和爆破阀处的压力值;最后,利用倒模法制备了柔性微通道结构,通过实验研究验证了顺序采样的可行性以及该矩形微流道系统在机械扰动下的稳定性。(2)基于微流泵毛细压理论,详细分析了毛细微流泵中毛细压力与主流道宽度w1及微柱间距w2之间的关系。制备不同尺寸的微流泵,从实验角度探究了微流泵的结构尺寸和初始注射速率对液体填充时间的影响;利用激光诱导石墨烯技术在PI薄膜上制备电极并进行化学修饰,制备了葡萄糖传感器和钠离子传感器,对葡萄糖传感器和钠离子传感器进行电化学性能检测;将毛细微流泵和电化学传感器集成到一个柔性微流体器件中,对分析物进行了实时定量测量,探究了毛细微流泵对新旧汗液分离和实时检测分析物的促进作用。(3)结合前两部分工作,设计了集成毛细微流泵及毛细爆破阀的柔性微流体通道,通过实验验证了其先填充电化学区域后填充比色区域的独特的填充效果,并进行了比色传感器和电化学传感器的性能检测;将传感器集成到微流体通道,制备了基于微流控系统的柔性汗液传感器,通过实验和数值模拟验证了毛细微流泵对实时检测分析物浓度的促进作用。通过实验验证了毛细爆破阀所在的比色传感区域按照时间顺序检测分析物浓度的效果,结果表明该微流体汗液传感器可有效实现实时连续的汗液检测。
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