一种用于汗液离子检测的无线无源柔性传感装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于汗液离子检测的无线无源柔性传感装置，汗液中的钠离子、钾离子、氢离子、钙离子、氯离子在离子电极阵列上发生电化学反应，反应产生的响应电压通过连接器传到离子信号处理电路，经过信号调理后送入单片机芯片进行片内模数转换，转换后的数据传输至NFC芯片及其外围电路；具有NFC模块的移动终端通过天线之间的电感耦合与NFC天线及NFC芯片及其外围电路发生无线数据交互以及能量传输，读取到包含离子浓度信息的电压转换数据。整个系统无需电池供电，所用的传感器采用了印刷电子工艺将检测离子浓度的电极加工在了柔性聚二甲基硅氧烷基底上，柔性可弯折，具有良好的工作特性，具备较为广阔的应用前景。

A Wireless Passive Flexible Sensor for Sweat Ion Detection

The invention discloses a wireless passive flexible sensor device for sweat ion detection. Sodium ions, potassium ions, hydrogen ions, calcium ions and chloride ions in sweat react electrochemically on the ion electrode array, and the response voltage generated by the reaction is transmitted to the ion signal processing circuit through a connector. After signal conditioning, the sensor is sent to the chip of a single chip computer for on-chip analog-digital conversion. The exchanged data are transmitted to the NFC chip and its peripheral circuit. Mobile terminals with NFC module can read the voltage conversion data including ion concentration information through the inductive coupling between the antennas, the wireless data interaction and energy transmission between the NFC antenna and the NFC chip and its peripheral circuit. The whole system does not need battery power supply. The printed electronic technology is used to process the electrodes for detecting ion concentration on flexible polydimethylsiloxane substrates, which are flexible and flexible, and have good working characteristics and broad application prospects.

【技术实现步骤摘要】
一种用于汗液离子检测的无线无源柔性传感装置及方法
本专利技术涉及一种电化学检测技术，尤其涉及一种用于汗液离子检测的无线无源柔性传感装置及方法。
技术介绍
汗液是人体体表分泌的常见液体，是一个较为复杂的液体环境，含有许多与人体生理特性相关的物质。这些物质包含着丰富的生理信息，通过对汗液中的这些物质的分析，就可以实现对人体运动状态和健康状况的无创监测。例如，汗液中钠离子和钾离子的过量流失会导致低钠血症、低钾血症、肌肉痉挛以及脱水等疾病；汗液中的氢离子浓度(pH)同样是一个很重要的疾病诊断参数，例如，患有肾结石的二型糖尿病人的pH值要低于正常人群，根据研究，汗液中pH值的变化也和很多皮肤疾病有关，例如皮炎、鱼鳞藓、真菌感染等。目前关于汗液的检测，已经有了一些相关的研究。据报道，有相关领域的课题组发表的柔性贴皮式汗液传感器，采用电化学的方法检测人体表面汗液中的单一成分。他们的系统多采用手环、手表的形式，采用蓝牙通信技术进行数据交互，使用电池为系统供电。研究中所使用的设备具备了移动性和便携性的特点，但由于电池供电和蓝牙通信的功耗等原理性的因素，设备的体积并不能进一步缩小，无法做到进一步的小型化、集成化和贴皮式检测。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述的设备存在的问题，提供一个用于体表汗液离子检测的无线无源柔性传感装置及方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于汗液离子检测的无线无源柔性传感装置，它包括可重复使用的电路和可更换的电极两个独立的部分，其中可重复使用的电路包括第一基底和加工在第一基底且依次相连的NFC天线、NFC芯片及其外围电路、单片机芯片及其外围电路、电极离子信号处理电路、连接器；可更换的电极包括离子电极阵列，离子电极阵列与连接器连接；汗液中的钠离子、钾离子、氢离子、钙离子、氯离子在离子电极阵列上发生相应的电化学反应，反应产生的响应电压通过连接器传到离子信号处理电路，经过信号调理后送入单片机芯片及其外围电路进行模数转换，转换后的数据传输至NFC芯片及其外围电路；具有NFC模块的移动终端通过天线之间的电感耦合与NFC天线及NFC芯片及其外围电路发生无线数据交互以及能量传输，读取到包含上述五种离子浓度信息的电压转换数据。将具有NFC模块的移动终端靠近NFC天线，NFC芯片及其外围电路就可以通过天线之间的电感耦合获取电能，给单片机芯片及其外围电路和离子信号处理电路供电。进一步的，所述离子电极阵列采用聚二甲基硅氧烷作为基底，表面印刷有五个离子工作电极和一个公用参比电极，即钠离子工作电极、钾离子工作电极、氢离子工作电极、离子电极阵列公用参比电极、钙离子工作电极、氯离子工作电极。进一步的，所述五个离子工作电极和一个公用参比电极上进行了多层修饰。进一步的，所述五个离子工作电极中的钠离子工作电极进行了多层修饰，从下而上依次是钠离子工作电极还原氧化石墨烯层、钠离子选择性透过膜，这两层修饰物沉积在钠离子工作电极碳基底上。进一步的，所述钠离子工作电极还原氧化石墨烯层的制作方法如下：将2mg/mL氧化石墨烯与去离子水混合后超声40min，得到氧化石墨烯分散液，取2μL滴涂于钠离子工作电极表面，室温下待其干燥之后滴加0.5M硫酸钠溶液，使用循环伏安法扫描三圈，扫描范围-2V-0V，扫描速率0.05V/s，扫描完成后形成钠离子工作电极还原氧化石墨烯层。进一步的，所述钠离子选择性透过膜的制作方法如下：将1wt％的钠离子载体、0.55wt％四苯硼钠、33wt％聚氯乙烯、65.45wt％癸二酸二辛酯共200mg混合后溶解于1320μL四氢呋喃中，待混合物溶解后取4μL混合溶液滴涂于还原氧化石墨烯层上，待其干燥后形成钠离子选择性透过膜。进一步的，所述五个离子工作电极中的钾离子工作电极进行了多层修饰，从下而上依次是钾离子工作电极还原氧化石墨烯层、钾离子选择性透过膜，这两层修饰物沉积在钾离子工作电极碳基底上。进一步的，所述钾离子工作电极还原氧化石墨烯层的制作方法如下：将2mg/mL氧化石墨烯与去离子水混合后超声40min，得到氧化石墨烯分散液，取2μL滴涂于钠离子工作电极表面，室温下待其干燥之后滴加0.5M硫酸钠溶液，使用循环伏安法扫描三圈，扫描范围-2V-0V，扫描速率0.05V/s，扫描完成后形成钾离子工作电极还原氧化石墨烯层。进一步的，所述钾离子选择性透过膜层的制作方法如下：将1wt％钾离子载体、0.5wt％四苯硼钠、32.7wt％聚氯乙烯、64.7wt％癸二酸二辛酯共200mg溶解于700μL环己酮中，待混合物溶解后取4μL混合液滴涂于钾离子工作电极还原氧化石墨烯层上，待其干燥后形成钾离子选择性透过膜层。进一步的，所述五个离子工作电极中的氢离子工作电极进行了多层修饰，从下而上依次是金纳米颗粒层、聚苯胺层，这两层修饰物沉积在氢离子工作电极碳基底上。进一步的，所述金纳米颗粒层的制作方法如下：将0.1wt％的氯金酸溶于0.5M的硫酸钠溶液中，取适量混合液滴加在氢离子工作电极上，采用循环伏安法扫描三圈，扫描电压-1.4V-1V，扫描速率0.1V/s，扫描结束后得到金纳米颗粒层。进一步的，所述聚苯胺层的制作方法如下：将0.1M苯胺溶于1M盐酸中，滴加到金纳米颗粒层上，使用循环伏安法扫描四圈，扫描电压-0.2V-1V，扫描速率0.1V/s，扫描结束后形成聚苯胺层。进一步的，所述一个公用参比电极进行了一层修饰，具体修饰方法如下：取50mg氯化钠、79.1mg聚乙烯醇缩丁醛、2mg泊洛沙姆、0.2mg多壁碳纳米管溶于1mL甲醇中，待其溶解后取4μL混合液滴加于公用参比电极上，待其干燥后形成公用参比电极修饰层。进一步的，所述五个离子工作电极中的钙离子工作电极进行了多层修饰，从下而上依次是修饰了金纳米颗粒的还原氧化石墨烯层、钙离子选择性透过膜层，这两层修饰物沉积在钙离子工作电极碳基底上。进一步的，所述修饰了金纳米颗粒的还原氧化石墨烯层的制作方法如下：取0.1wt％氯金酸溶于0.5M的硫酸钠溶液中，滴加于钙离子工作电极上，采用循环伏安法扫描三圈，扫描电压-1.4V-1V，扫描速率0.1V/s；扫描结束后滴加0.8mg/mL氧化石墨烯溶液，采用循环伏安法扫描十圈，扫描电压-2V-0V，扫描速率0.05V/s，扫描结束后形成修饰了金纳米颗粒的还原氧化石墨烯层。进一步的，所述钙离子选择性透过膜层的制作方法如下：取1wt％钙离子载体、0.5wt％四苯硼钠、65.5wt％癸二酸二辛脂、33wt％聚氯乙烯的混合物共100mg溶于660μL四氢呋喃中，取4μL滴涂于修饰了金纳米颗粒的还原氧化石墨烯层上，待其干燥后即形成钙离子选择性透过膜层。进一步的，所述五个离子工作电极中的氯离子工作电极采用了银-氯化银作为氯离子工作电极。本专利技术的另一目的是提供一种应用上述用于体表汗液离子检测的无线无源柔性传感装置进行汗液离子浓度检测的方法，包括如下步骤：(1)用该传感装置检测不用浓度的离子标准样品溶液：a.配制不同浓度的氯化钠标准样品溶液：将具有NFC模块的移动终端靠近NFC天线，使传感装置工作。在钠离子工作电极表面依次滴加配制好的不同浓度的氯化钠标准样品溶液，移动终端持续接收传感装置测得的电压信号，每个浓度下连续记录适当时间内的检测数据作为该浓度下的电压响应本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于汗液离子浓度检测的无线无源柔性传感装置，其特征在于，它包括可重复使用的电路和可更换的电极两个独立的部分，其中可重复使用的电路包括第一基底(5)和加工在第一基底(5)且依次相连的NFC天线(1)、NFC芯片及其外围电路(2)、单片机芯片及其外围电路(3)、电极离子信号处理电路(4)、连接器(6)；可更换的电极包括离子电极阵列(7)，离子电极阵列(7)与连接器(6)连接；汗液中的钠离子、钾离子、氢离子、钙离子、氯离子在离子电极阵列(7)上发生相应的电化学反应，反应产生的响应电压通过连接器(6)传到离子信号处理电路(4)，经过信号调理后送入单片机芯片及其外围电路(3)进行模数转换，转换后的数据传输至NFC芯片及其外围电路(2)；具有NFC模块的移动终端通过天线之间的电感耦合与NFC天线(1)及NFC芯片及其外围电路(2)发生无线数据交互以及能量传输，读取到包含上述五种离子浓度信息的电压转换数据。

【技术特征摘要】
1.一种用于汗液离子浓度检测的无线无源柔性传感装置，其特征在于，它包括可重复使用的电路和可更换的电极两个独立的部分，其中可重复使用的电路包括第一基底(5)和加工在第一基底(5)且依次相连的NFC天线(1)、NFC芯片及其外围电路(2)、单片机芯片及其外围电路(3)、电极离子信号处理电路(4)、连接器(6)；可更换的电极包括离子电极阵列(7)，离子电极阵列(7)与连接器(6)连接；汗液中的钠离子、钾离子、氢离子、钙离子、氯离子在离子电极阵列(7)上发生相应的电化学反应，反应产生的响应电压通过连接器(6)传到离子信号处理电路(4)，经过信号调理后送入单片机芯片及其外围电路(3)进行模数转换，转换后的数据传输至NFC芯片及其外围电路(2)；具有NFC模块的移动终端通过天线之间的电感耦合与NFC天线(1)及NFC芯片及其外围电路(2)发生无线数据交互以及能量传输，读取到包含上述五种离子浓度信息的电压转换数据。2.根据权利要求1所述的一种用于汗液离子检测的无线无源柔性传感装置，其特征在于，所述离子电极阵列(7)包括第二基底(77)和加工在第二基底(77)上的钠离子工作电极(71)、钾离子工作电极(72)、氢离子工作电极(73)、离子电极阵列公用参比电极(74)、钙离子工作电极(75)、氯离子工作电极(76)。3.根据权利要求2所述的一种用于汗液离子检测的无线无源柔性传感装置，其特征在于，所述钠离子工作电极(71)修饰有两层，分别为钠离子选择性透过膜(713)、钠离子工作电极还原氧化石墨烯层(712)，这两层修饰物沉积在钠离子工作电极碳基底(711)上。4.根据权利要求2所述的一种用于汗液离子检测的无线无源柔性传感装置，其特征在于，所述钾离子工作电极(72)修饰有两层，分别为钾离子选择性透过膜(723)、钾离子工作电极还原氧化石墨烯层(722)，这两层修饰物沉积在钾离子工作电极碳基底(721)上。5.根据权利要求2所述的一种用于汗液离子检测的无线无源柔性传感装置，其特征在于，所述氢离子工作电极(73)修饰有两层，分别为金纳米颗粒电镀层(733)、聚苯胺沉积层(732)，这两层修饰物沉积在氢离子工作电极碳基底(731)上。6.根据权利要求2所述的一种用于汗液离子检测的无线无源柔性传感装置，其特征在于，所述离子电极阵列公用参比电极(74)修饰有一层，即聚乙烯醇缩丁醛层(742)，这一层修饰物沉积在离子电极阵列参比电极银-氯化银基底(741)上。7.根据权利要求2所述的一种用于汗液离子检测的无线无源柔性传感装置，其特征在于，所述钙离子工作电极(75)修饰有两层，分别为修饰有金纳米颗粒的还原氧化石墨烯层(752)、钙离子选择性透过膜(753)，这两层修饰物沉积在钙离子工作电极碳基底(751)上。8.根据权利要求2所述的一种用于汗液离子检测的无线无源柔性传感装置，其特征在于，所述氯离子工作电极(76)有一层，即银-氯化银基底(761)。9.一种权利要求1-8任一项所述的用于体表汗液离子检测的无线无源柔性传感装置进行汗液离子浓度检测的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)用该传感装置检测不用浓度的离子标准样品溶液：a.配制不同浓度的氯化钠标准...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘清君，许刚，程晨，刘朝阳，卢妍利，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33