重磅!新开发可穿戴式汗液生物传感器收集“人体大数据”

【背景】

出汗率是可穿戴式汗液生物传感中需要测量的重要参数，特别是多汗症诊断以及实时液体脱水，不同的出汗率将直接影响分析物浓度。汗液含有丰富的分析物(例如电解质、蛋白质和皮质醇)，可从周围毛细血管和间质液体渗入汗管。商用流量传感器多在＞3ul min -1 下工作，动态范围为1-2倍。

【本文章的亮点工作】

作者开发了一套数字容积分配系统(DVD)，可以用于出汗率检测，实现25nl min-1至 900000 nL min-1范围的流速检测 。

【数字容积分配系统（DVD）的工作原理】

（1）液体（即汗液）由压力驱动从通道出口（即汗腺管）通过小孔进入腔室。

（2）液滴在两个电极之间形成毛细管桥，使两电极短路。

（3）发生强烈的吸芯，毛细管桥破坏并被重置。

腔室高度h由多层双面胶粘合剂和PET薄膜构成，h可以控制液滴体积v。

入口直径D较小时会导致液滴在入口附近容易破裂，从而使h和v均较小。

向电极施加小电压0.5V，液滴连通两电极时使电极短路，产生几uA的电流尖峰，持续时间为50-500mS。

流速Q=f X Vt，f

为数字化频率，即尖峰之间的时间

的倒数，

Vt为液滴体积。通过液滴与衬底平面的有效接触角θ可算每个液滴的体积。由于层厚h固定，故液滴体积固定，从而流量可直接由测得的数字化频率计算。

其中，实际测试后，发现当厚度大于447um时，使用球体积公式计算得到的数值与实际值更符合，而偏差来自水滴从DVD出口拉出的液体，可以通过减小D来改善。

构造一个液滴需要正拉普拉斯压力：

，其中水的压力公式如下所示：

。

【芯片的构造】

腔室和进气孔可覆盖超疏水层使液滴在腔室中形成球帽或部分球形。

左图左侧为迷你版DVD，右侧为可穿戴式DVD。右图显示使用疏水性涂层更有利于形成球形液滴。

汗液收集器使用3D打印制造（Formlabs Form II 3D打印机和透明FLGPCL04感光树脂）。

选取1.5mm厚度的亚克力薄片，激光切割成25*29mm矩形，中间有一个直径0.79mm的孔，底部汗液收集器的通道直径

必须大于0.79mm，这样在耦合到DVD时才能使流体与底部电极接触（DVD工作原理图a）。底部电极为喷溅到DVD基片底部的50nm金膜。通过一层shadow mask将超级疏水涂层（Rust-Oleum NeverWet?)）喷涂到丙烯酸板材顶部，仅覆盖腔室区域。

腔室由5mil(0.127 mm)聚酯、3M1522型胶粘剂(0.16mm)和3M9965型微流控胶带(0.09mm)组成，在薄层压板上激光切割直径3mm的孔。使用镍网电极，它使液滴在50-500ms内破裂，在较低的采样率下很容易检测到。电极(0.8 mm×25 mm)是从机织导电织物(200×200×0.08 mm镀铜和镀镍尼龙；Adafruit)激光切割而成，放在9965胶粘剂上，使电极通过孔与液滴接触。

根据受试者的预期出汗率控制腔室高度h：（1）大量出汗（体积475nL，h=0.951 mm）（2）少量出汗（体积221nL，h=0.664mm），汗液收集器用橡皮筋和1522胶带绑在前臂上。

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