汗液标志物检测的汗液传感器以及检测方法与流程

本发明涉及生物传感器的技术领域，具体涉及汗液标志物检测的汗液传感器以及检测方法。

背景技术：

人体汗液主要是由98～99％的水(ph值4.2～7.5)、氯化钠(约300mg/100ml)、1～2％生理标志物(包括少量尿素、乳酸、脂肪酸、葡萄糖等)组成。

当人体在进行运动或者在处于高温环境作业时，会流出大量的汗液。在抢救病人时，需根据病人的出汗量输入补液量，以免病人出现生命衰竭。每升汗液中平均含na+不足58.4mg，k+不足10mg，cl-不足45.4mg时，人体将会出现一系列问题，以致于人体对视、听觉刺激明显过敏，机体的抗体的调节能力也随之降低，会出现肌肉痉挛、脱水、甚至昏迷等症状。

当前的可穿戴式的汗液检测主要分为比色法和电化学法。比色法，灵敏度不够，只能定性或半定量分析，这是比色反应本身决定的；电化学法需要设计复杂精密的双电极或三电极体系，而且需要通常配备能量(电能)供应系统，增加了整个可穿戴设备的制备和加工难度。

技术实现要素：

为解决上述问题，本申请提供汗液标志物检测的汗液传感器以及检测方法，能较为方便地检测生理标志物。

根据本申请的一个技术方案，本申请汗液标志物检测的汗液传感器，包括层叠设置的微流控芯片和sers基底，以使得吸收至所述微流控芯片的微流通道内的汗液能够抵达所述sers基底。

微流控芯片

微流控芯片是指采用类似半导体的微机电加工技术在芯片上构建几十到几百微米尺度大小的微流通道。微流控芯片的制备可采用所属领域公知的模塑法、热压法、liga技术、激光烧蚀技术和软光刻法等或者其它方式。

下面以软光刻法为例来阐述本申请中微流控芯片的一种制备方法，包括这几个步骤：i)首先，将硅晶片用异丙醇和丙酮清洗两次，用n2干燥，然后在200-250℃下烘烤60-90min以去除水分。然后，将su8-2002光致抗蚀剂以3000-3500rpm的旋转速度旋涂在清洁的硅晶片上1分钟以形成粘合剂层。之后，将su8-2075光刻胶以1000-1200rpm的速度旋涂在su8-2002光刻胶层的顶部1分钟，然后重复两次此步骤。ii)将涂有光致抗蚀剂的硅晶片与每一层用高分辨率透明掩模组装，暴露于汞灯下2.5分钟(2.5-3min)，以进行光诱导的交联反应形成图案。之后，将硅晶片在95-100℃下烘烤1010-12min。iii)将硅晶片浸入显影剂溶液中以去除未曝光的区域，然后在140-150℃下100-120min。iv)将具有脱模剂的1h，1h，2h，2h-全氟辛基二氯硅烷在60℃的烘箱中通过微流体通道连接模具40-45min。v)以10:1-15:1体积比制备聚二甲基硅氧烷(pdms)和固化剂以形成pdms预聚物。固化之前，将pdms预聚物放入真空室中以除去气泡。将一定量的不含气泡的pdms预聚物溶液均匀地倒在加工过的模具上，然后在75-80℃下烘烤25-30min，以形成pdms平板。将pdms板从模具上剥离。

本申请的微流控芯片中的微通道的具体形状可设计替换成特定形状，如适当减小微通道的横截面积，减小微通道的长度加快汗液到达sers基底的时间。

sers基底

sers，即表面增强拉曼散射法，是指将待测分子吸附在粗糙的sers材料表面，可使待测物的拉曼信号进一步增强(10-6-10-15倍)。sers活性基底的制备是获得较高拉曼增强信号的前提条件，不同的增强基底对样品的增强效果差别很大，sers活性基底的材料、纳米颗粒的形状及尺寸、探测物在活性基底上的吸附量和距离等因素都会影响sers的增强效果。

sers基底的制备可采用所属领域公知的形式，例如电化学粗糙法、分子自组装、丝网印刷、光刻等技术。

可列举出一种本申请sers基底的制备方法。首先通过气/液界面自组装和整体转移技术，在干净的n型si(100)晶片上制备出直径为150nm的ps球的均匀且密排的ps单层胶体晶体。然后，将硅基板上的ps胶体单层置于110-120℃的烘箱中60-70s，使ps球与硅基板进行平面接触。随后，在功率为210w，sf6流量为36sccm，压力为2.3pa的常规反应离子刻蚀机中进行sf6等离子刻蚀。此处，将ps胶体单层用作掩模。蚀刻30-45s后，在硅晶圆上形成了排列良好的si纳米锥阵列。通过在400℃的空气中煅烧，去除了硅纳米锥顶部的残留蚀刻ps球。最后，通过磁控溅射技术在si纳米锥阵列溅射沉积一层纳米银层，得到sers基底。

sers基底的粗糙度，优选地，其粗糙度越大，sers信号越强。

根据待检测标志物种类，某些情况下需要对sers基底进行一些公知方式的功能化修饰。

作为本申请汗液传感器，还可以包括层叠设置在微流控芯远离所述sers基底的一表面上的封装层。封装层的材质可以为石英。

作为本申请汗液传感器，还可以还包括层叠设置在sers基底远离微流控芯片的一表面上的皮肤粘接层。

本申请的再一个技术方案，汗液标志物的检测方法，采用如上述汗液传感器实施。

上述检测方法具体可以包括以下步骤：

使穿戴于皮肤上的所述汗液传感器吸附汗液；

获取经所述汗液传感器的sers基底散射后所形成的拉曼光谱信号；

以及，根据所述拉曼光谱信号获得汗液标志物的浓度。

此处“根据所述拉曼光谱信号获得汗液标志物的浓度”可以遵循系拉曼光谱定量分析浓度公知原则或方式来进行，在此略述。

本申请汗液传感器包括层叠设置的微流控芯片和sers基底，以使得吸收至所述微流控芯片的微流通道内的汗液能够抵达所述sers基底。这样，不仅能高灵敏度分析汗液标志物，还是能简化可穿戴设备的结构和加工步骤。

附图说明

图1为本申请应用例1维生素浓度与拉曼光谱波数的强度比值对应关系图。

图2为本申请应用例2皮质醇浓度与拉曼光谱波数的强度比值对应关系图。

图3为本申请应用例3皮尿酸浓度与拉曼光谱波数的强度比值对应关系图。

具体实施方式

以下是本申请的具体实施例，对本申请的技术方案作进一步的描述，但本申请并不限于这些实施例。

材料

如无特别说明，以下所涉及的材料均采用市售。

实施例1

(汗液传感器的制备)

微流控芯片通过标准的软光刻法制造加工。i)首先，将硅晶片用异丙醇和丙酮清洗两次，用氮气干燥，然后在200℃下烘烤90min以去除水分。然后，将su8-2002光致抗蚀剂以3000rpm的旋转速度旋涂在清洁的硅晶片上5分钟以形成粘合剂层。之后，将su8-2075光刻胶以1000rpm的速度旋涂在su8-2002光刻胶层的顶部5分钟，然后重复两次此步骤。ii)将涂有光致抗蚀剂的硅晶片与每一层用高分辨率透明掩模组装，暴露于汞灯下2.5min，以进行光诱导的交联反应形成图案。之后，将硅晶片在95℃下烘烤12min。iii)将硅晶片浸入显影剂溶液中以去除未曝光的区域，然后在140℃下烘烤120min。iv)将具有脱模剂的1h，1h，2h，2h-全氟辛基二氯硅烷在60℃的烘箱中通过微流体通道连接模具45min。v)以10:1体积比制备聚二甲基硅氧烷(pdms)和固化剂以形成pdms预聚物。固化之前，将pdms预聚物放入真空室中以除去气泡。将一定量的不含气泡的pdms预聚物溶液均匀地倒在加工过的模具上，然后在75℃下烘烤30min以形成pdms平板。将pdms板从模具上剥离。

sers基底的制备方法。首先通过气/液界面自组装和整体转移技术，在干净的n型si(100)晶片上制备出直径为150nm的ps球的均匀且密排的ps单层胶体晶体。然后，将硅基板上的ps胶体单层置于110℃的烘箱中70s，使ps球与硅基板进行平面接触。随后，在功率为210w，sf6流量为36sccm，压力为2.3pa的常规反应离子刻蚀机中进行sf6等离子刻蚀。此处，将ps胶体单层用作掩模。蚀刻45s后，在硅晶圆上形成了排列良好的si纳米锥阵列。通过在400℃的空气中煅烧，去除了硅纳米锥顶部的残留蚀刻ps球。最后，通过磁控溅射技术在si纳米锥阵列溅射沉积一层纳米银层，得到sers基底。将sers基底裁剪并固定在实施案例一中微通道层中的圆孔处，并用502胶水固定。

实施例2

(汗液传感器的制备)

微流控芯片通过标准的软光刻法制造加工。i)首先，将硅晶片用异丙醇和丙酮清洗两次，用氮气干燥，然后在250℃下烘烤60min以去除水分。然后，将su8-2002光致抗蚀剂以3500rpm的旋转速度旋涂在清洁的硅晶片上1分钟以形成粘合剂层。之后，将su8-2075光刻胶以1200rpm的速度旋涂在su8-2002光刻胶层的顶部1分钟，然后重复两次此步骤。ii)将涂有光致抗蚀剂的硅晶片与每一层用高分辨率透明掩模组装，暴露于汞灯下3min，以进行光诱导的交联反应形成图案。之后，将硅晶片在100℃下烘烤10min。iii)将硅晶片浸入显影剂溶液中以去除未曝光的区域，然后在150℃下烘烤100min。iv)将具有脱模剂的1h，1h，2h，2h-全氟辛基二氯硅烷在70℃的烘箱中通过微流体通道连接模具45min。v)以15:1体积比制备聚二甲基硅氧烷(pdms)和固化剂以形成pdms预聚物。固化之前，将pdms预聚物放入真空室中以除去气泡。将一定量的不含气泡的pdms预聚物溶液均匀地倒在加工过的模具上，然后在80℃下烘烤25min以形成pdms平板。将pdms板从模具上剥离。

sers基底的制备方法。首先通过气/液界面自组装和整体转移技术，在干净的n型si(100)晶片上制备出直径为150nm的ps球的均匀且密排的ps单层胶体晶体。然后，将硅基板上的ps胶体单层置于120℃的烘箱中60s，使ps球与硅基板进行平面接触。随后，在功率为250w，sf6流量为40sccm，压力为2.8pa的常规反应离子刻蚀机中进行sf6等离子刻蚀。此处，将ps胶体单层用作掩模。蚀刻30s后，在硅晶圆上形成了排列良好的si纳米锥阵列。通过在450℃的空气中煅烧，去除了硅纳米锥顶部的残留蚀刻ps球。最后，通过磁控溅射技术在si纳米锥阵列溅射沉积一层纳米银层，得到sers基底。将sers基底裁剪并固定在实施案例一中微通道层中的圆孔处，并用502胶水固定。

实施例3

(汗液传感器的制备)

微流控芯片通过标准的软光刻法制造加工。i)首先，将硅晶片用异丙醇和丙酮清洗两次，用氮气干燥，然后在220℃下烘烤72min以去除水分。然后，将su8-2002光致抗蚀剂以3200rpm的旋转速度旋涂在清洁的硅晶片上3分钟以形成粘合剂层。之后，将su8-2075光刻胶以1000-1200rpm的速度旋涂在su8-2002光刻胶层的顶部3分钟，然后重复两次此步骤。ii)将涂有光致抗蚀剂的硅晶片与每一层用高分辨率透明掩模组装，暴露于汞灯下2.8min，以进行光诱导的交联反应形成图案。之后，将硅晶片在98℃下烘烤11min。iii)将硅晶片浸入显影剂溶液中以去除未曝光的区域，然后在145℃下烘烤110min。iv)将具有脱模剂的1h，1h，2h，2h-全氟辛基二氯硅烷在60℃的烘箱中通过微流体通道连接模具43min。v)以13:1体积比制备聚二甲基硅氧烷(pdms)和固化剂以形成pdms预聚物。固化之前，将pdms预聚物放入真空室中以除去气泡。将一定量的不含气泡的pdms预聚物溶液均匀地倒在加工过的模具上，然后在78℃下烘烤28min以形成pdms平板。将pdms板从模具上剥离。

sers基底的制备方法。首先通过气/液界面自组装和整体转移技术，在干净的n型si(100)晶片上制备出直径为150nm的ps球的均匀且密排的ps单层胶体晶体。然后，将硅基板上的ps胶体单层置于115℃的烘箱中65s，使ps球与硅基板进行平面接触。随后，在功率为230w，sf6流量为38sccm，压力为2.5pa的常规反应离子刻蚀机中进行sf6等离子刻蚀。此处，将ps胶体单层用作掩模。蚀刻38s后，在硅晶圆上形成了排列良好的si纳米锥阵列。通过在420℃的空气中煅烧，去除了硅纳米锥顶部的残留蚀刻ps球。最后，通过磁控溅射技术在si纳米锥阵列溅射沉积一层纳米银层，得到sers基底。将sers基底裁剪并固定在实施案例一中微通道层中的圆孔处，并用502胶水固定。

应用例1

(汗液所含维生素检测的汗液传感器)

将约5μl的0,0.02,0.05,0.1,0.2,0.25,0.5,1,5,10mm的维生素c的pbs溶液分别滴加到6个固定有纳米银sers基底的微流控芯片的微腔中，手持式显微共焦激光拉曼光谱仪在785nm波长下对这6个分别进行检测，得到维生素c在波数为1000cm^-1、1240cm^-1、1386cm^-1、1630cm^-1四个特征峰。以维生素c的浓度为横坐标，以拉曼信号在1386cm^-1、1630cm^-1两处波数的强度比值为纵坐标建立标准曲线，如图1所示。

应用例2

(汗液所含皮质醇检测的汗液传感器)

与应用例1不同的是，皮质醇的浓度取125,250,500,750,1000nm；皮质醇的特征峰分布在1146cm^-1、1269cm^-1、1344cm^-1、1378cm^-1、1432cm^-1、1450cm^-1、1504cm^-1；以拉曼信号在1504cm^-1的信号强度对乳酸浓度做标准曲线，如图2所示。

应用例3

(汗液所含尿酸检测的汗液传感器)

与应用例1不同的是，尿酸的浓度取0,2,4,6,8,10mm；尿酸的特征峰分布在500cm^-1、690cm^-1、1390cm^-1、1600cm^-1；以拉曼信号在1600cm^-1的信号强度对尿酸浓度做标准曲线，如图3所示。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本申请精神作举例说明。本申请所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本申请的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。