一种实时连续检测电解质浓度的可穿戴汗液传感器装置
阅读说明：本技术 一种实时连续检测电解质浓度的可穿戴汗液传感器装置 (Wearable sweat sensor device for real-time continuous detection of electrolyte concentration ) 是由 张珽 刘梦愿 王书琪 杨显青 冯思佳 吴越 于 2021-09-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种实时连续检测电解质浓度的可穿戴汗液传感器装置。所述传感器装置包括：汗液通道,其一端开口靠近皮肤表面设置,用于使皮肤表面所产生的汗液连续输入；检测机构,其用于对流经汗液通道的汗液进行检测,以获取所述汗液中的电解质浓度信息；吸汗机构,其与所述汗液通道远离皮肤的另一端开口配合,用于持续吸取所述汗液通道输出的汗液,以使皮肤表面所产生的汗液连续通过所述汗液通道。本发明的可穿戴汗液传感器装置可实时连续地检测汗液电解质浓度,检测结果不受新旧汗液混合的干扰,准确性高。(The invention discloses a wearable sweat sensor device for continuously detecting electrolyte concentration in real time. The sensor device includes: a sweat channel, one end opening of which is arranged near the skin surface and is used for continuously inputting sweat generated on the skin surface; the detection mechanism is used for detecting sweat flowing through a sweat channel so as to acquire electrolyte concentration information in the sweat; the sweat absorbing mechanism is matched with the opening at the other end of the sweat channel far away from the skin and is used for continuously absorbing sweat output by the sweat channel so as to enable sweat generated on the surface of the skin to continuously pass through the sweat channel. The wearable sweat sensor device can continuously detect the concentration of sweat electrolyte in real time, the detection result is not interfered by the mixing of new and old sweat, and the accuracy is high.)
技术领域
本发明属于可穿戴设备技术领域，具体涉及一种实时连续检测电解质浓度的可穿戴汗液传感器装置。
背景技术
人在高温环境工作和进行体育运动时，会由于体温调节性出汗原因导致大量体液流失，如不及时进行合理水合补充，工作和运动的耐久性将受损，并伴随着多种生理功能的改变，严重时会对人的生命健康造成威胁。汗液电解质总浓度正常范围在50～200mmol/kg，男性平均为117mmol/kg，女性平均为134mmol/kg。热和运动下汗液丢失水和电解质会造成人体电解质发生紊乱，出现低钠血症、高钠血症、低钾血症和高钾血症等，导致出现不同程度的乏力、肌肉酸痛、恶心、呕吐、昏迷等症状，甚至死亡。因此，准确监测人体电解质水平对评估健康状况具有重要意义。
在临床研究中，人体电解质水平检测和评估的指标主要包括体重变化(失水量)、血浆渗透摩尔浓度、血浆钠离子浓度等。尽管这些指标能够相对准确地判定人体电解质流失状态，然而，目前人体电解质水平的检测方法存在无法实时连续长期(侵入性)监测、检测费时昂贵以及专业需求度高等问题，导致电解质水平监测很难在体育、军事、康复等领域得到广泛研究。
然而，传统汗液研究应用于人体电解质水平监测存在诸多问题和挑战，包括：(1)传统汗液采集过程复杂费时，且无标准化设备和量化指标，汗液常发生污染、挥发、新旧汗液交叉混合、重吸收等；(2)实验室检测设备需汗液量大；(3)所采集的汗液样本非实时连续等。上述问题不仅影响了汗液非侵入和实时连续的特点，更严重限制了汗液与脱水关系的深入研究。因此，穿戴式汗液传感器为人体电解质水平的实时连续长期监测提供了新的机遇。通过对汗液电解质总浓度监测，有望直接实时评估和预警电解质流失状态，推动可穿戴设备在个体健康管理和医疗监测领域的发展。
目前，可穿戴汗液传感技术对电解质离子的检测原理主要基于电化学离子选择性电极的方法，其往往受限于电极电位的不稳定、额外的预处理过程及校准操作等问题，在实际应用中亟需开发制备简单、稳定性高、免校准的传感分析手段。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种实时连续检测电解质浓度的可穿戴汗液传感器装置，解决了现有技术中存在的问题。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种实时连续检测电解质浓度的可穿戴汗液传感器装置，其包括：
汗液通道，其一端开口靠近皮肤表面设置，用于使皮肤表面所产生的汗液连续输入；
检测机构，其用于对流经汗液通道的汗液进行检测，以获取所述汗液中的电解质浓度信息；
吸汗机构，其与所述汗液通道远离皮肤的另一端开口配合，用于持续吸取所述汗液通道输出的汗液，以使皮肤表面所产生的汗液连续通过所述汗液通道。
进一步的，所述汗液通道的内壁呈疏水性质。
进一步的，所述检测机构包括至少一对电极，每一对电极的至少局部暴露于所述汗液通道内，并能够与流经汗液通道的汗液接触。
进一步的，所述电极暴露于汗液通道内的局部表面呈疏水性质。
本发明实施例还提供了一种实时连续检测电解质浓度的可穿戴汗液传感器装置，其包括沿远离皮肤表面的方向依次设置的腔室层、电极层、多孔疏水层和吸汗层；所述腔室层中设有汗液储存室，所述电极层中设有汗液通道，所述汗液储存室与所述汗液通道的一端连通，所述汗液通道的另一端经多孔疏水层与吸汗层连通；所述电极层包括至少一对电极，每一对电极的至少局部暴露于所述汗液通道内，并能够与流经汗液通道的汗液接触。
本发明实施例还提供了一种实时连续检测汗液电解质浓度的方法，其包括：
将所述的可穿戴汗液传感器装置置于选定的皮肤表面区域；
连续采集和分析所述可穿戴汗液传感器装置产生的电导信号，实现对该选定的皮肤表面区域内的汗液电解质浓度的检测。
与现有技术相比，本发明提供的一种实时连续检测电解质浓度的可穿戴汗液传感器装置，至少具有如下有益效果：
(1)提供的可穿戴汗液传感器装置，通过设置短小的汗液通道，并在汗液通道内进行电解质浓度的检测，汗液样本体积微小，检测后的汗液能够迅速被吸汗机构吸收，不会有汗液累积，能够有效避免新旧汗液的混合，保证测试的准确性和实时性。
(2)提供的可穿戴汗液传感器装置，通过一条实时连续的电导曲线，即可实现对汗液电解质浓度的实时连续检测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1提供的一种实时连续检测电解质浓度的可穿戴汗液传感器装置附着于皮肤表面时的剖面结构示意图；
图2是本发明实施例1提供的一种实时连续检测电解质浓度的可穿戴汗液传感器装置的俯视图；
图3是本发明实施例1提供的一种实时连续检测电解质浓度的可穿戴汗液传感器装置的整体结构示意图；
图4是本发明实施例1提供的一种实时连续检测电解质浓度的可穿戴汗液传感器装置在人体皮肤上测试时的电导信号曲线；
图5是本发明实施例2提供的一种实时连续检测电解质浓度的可穿戴汗液传感器装置附着于皮肤表面时的剖面结构示意图；
图6是本发明实施例2提供的一种实时连续检测电解质浓度的可穿戴汗液传感器装置的俯视图；
图7是本发明实施例1或2提供的一种实时连续检测电解质浓度的可穿戴汗液传感器装置在微流注射泵测试条件下的电导信号曲线。
附图标记：1-人体皮肤出汗系统；11-皮肤表皮；12-下皮；13-汗液；14-汗腺；2-柔性基底；21-第二通孔；3-第二粘合层；31-第三通孔；41-主体薄膜；421-第一电导电极；422-第二电导电极；43-第一通孔；44-第一引脚；45-第二引脚；5-第一粘合层；51-第四通孔；6-多孔疏水层；7-吸汗层；8-汗液存储室。
具体实施方式
鉴于现有技术的缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例提供了一种实时连续检测电解质浓度的可穿戴汗液传感器装置，其包括：
汗液通道，其一端开口靠近皮肤表面设置，用于使皮肤表面所产生的汗液连续输入；
检测机构，其用于对流经汗液通道的汗液进行检测，以获取所述汗液中的电解质浓度信息；
吸汗机构，其与所述汗液通道远离皮肤的另一端开口配合，用于持续吸取所述汗液通道输出的汗液，以使皮肤表面所产生的汗液连续通过所述汗液通道。
其中，所述汗液通道的内壁呈疏水性质。
进一步的，所述检测机构包括至少一对电极，每一对电极的至少局部暴露于所述汗液通道内，并能够与流经汗液通道的汗液接触。
其中，所述电极暴露于汗液通道内的局部表面呈疏水性质。
进一步的，所述可穿戴汗液传感器装置还包括汗液储存室，其与所述汗液通道的一端开口连通，用于收集皮肤表面所产生的汗液。
具体的，所述可穿戴汗液传感器装置包括沿远离皮肤表面的方向依次设置的腔室层、电极层、吸汗机构，所述吸汗机构包括吸汗层，所述腔室层包括汗液储存室，所述汗液通道沿远离皮肤表面的方向贯穿电极层，所述电极层内设有至少一对所述的电极。
进一步的，所述汗液通道包括分布于所述电极层内的至少一个第一通孔，所述至少一个第一通孔与所述汗液存储室连通。其中，所述第一通孔的内壁呈疏水性质。
优选的，所述第一通孔的孔径为0.1～1.5mm。
进一步的，所述电极层包括沿远离皮肤表面的方向层叠设置的第一电极和第二电极。
在一实施方案中，所述电极层包括主体薄膜，所述主体薄膜的上下两个表面分布有至少一对第一电极和第二电极，且第二电极暴露与所述汗液存储室内。
在另一实施方案中，所述第一电极和第二电极分布于所述主体薄膜的内部。
优选的，所述主体薄膜的厚度为0.1～2mm。
优选的，所述主体薄膜包括柔性绝缘聚合物薄膜。
优选的，所述柔性绝缘聚合物为二甲基硅氧烷、硅橡胶或热塑性聚酯。
在一实施方案中，所述第一电极、第二电极为电导电极。
优选的，所述电导电极的材质为碳纳米管、石墨烯、碳黑或碳纤维。
在一些情况下，所述电导电极的材质也可以是金、铂、铜等电导测试用金属等其他材料制成的具有一定厚度和宽度的薄膜电极。
优选的，所述电导电极为薄膜电极。
优选的，所述薄膜电极的厚度为0.01～1mm。
在一实施方案中，可以直接采用疏水性材料来制备所述主体薄膜、第一电极和第二电极。
在另一实施方案中，也可以通过后期的处理来实现疏水性，例如可以在开设第一通孔后采用硅烷试剂对第一通孔内壁进行处理以实现疏水性。
进一步的，所述电极与溶液电导率检测设备电连接。
进一步的，所述腔室层包括柔性基底，所述汗液储存室包括设置于所述柔性基底上的第二通孔，所述第二通孔与所述电极层上的第一通孔连通。
优选的，所述第二通孔的内壁呈疏水性。
优选的，所述第二通孔的孔径为2～10mm。
进一步的，所述柔性基底包括柔性绝缘聚合物薄膜。
优选的，所述柔性绝缘聚合物薄膜的厚度为0.1～0.5mm。
优选的，所述柔性聚合物为二甲基硅氧烷、硅橡胶或热塑性聚酯。
进一步的，所述电极层与吸汗层之间还设有多孔疏水层，所述多孔疏水层通过第一粘合层与电极层连接，所述腔室层通过第二粘合层与电极层连接。
优选的，所述多孔疏水层包括疏水性多孔薄膜，所述疏水性多孔薄膜的材质可以是过滤网、多孔织物、热塑性弹性体等。
在一实施方案中，可以将高分子材料纺丝成膜来作为疏水层。
优选的，以热塑性聚氨酯弹性体橡胶通过静电纺丝制备单向透汗多孔薄膜作为疏水层。
优选的，所述吸汗层包括亲水性薄膜。
在一实施方案中，可以以衣物本身作为吸汗层。
优选的，以透气透汗运动紧身衣物、护腕、护掌、护肘、吸汗带、吸汗贴等作为吸汗层。
在一实施方案中，所述第一粘合层、第二粘合层为粘性薄膜，包括固定厚度的超薄双面胶、粘弹性聚合物的预聚体等。
优选的，所述粘性薄膜的厚度为0.01～0.05mm。
进一步的，所述第一粘合层上设置有与所述电极层的第一通孔匹配的至少一个第三通孔，所述第三通孔与第一通孔连通。
进一步的，所述第二粘合层上设置有第四通孔，所述第四通孔与所述第二通孔连通；
优选的，所述第四通孔的孔径为2～10mm。
在一实施方案中，可以通过激光切割、模板或机械打孔的方法在第一粘合层上制备出与电极层上的第一通孔位置对应、尺寸一致的第三通孔，使汗液从第三通孔流过并实时连续被吸汗层吸收。
优选的，所述第三通孔、第四通孔的内壁呈疏水性。
本发明提供的可穿戴汗液传感器装置通过设计短小的垂直汗液通道，并在该汗液通道内进行电导值检测，汗液样本体积非常微小，且检测后能够迅速被吸汗层吸收，不会有汗液累积，能够有效避免新旧汗液的混合，保证测试的准确性和实时性。同时，短小的汗液通道也能够有效地避免汗液中盐离子在通道内壁的吸附。
本发明提供的可穿戴汗液传感器装置，可以通过弹性的织物、弹性体材料制成的条带将所述传感器装置包裹固定与皮肤表面，也可以将所述传感器装置与运动紧身衣物、护腕、护掌、护肘、吸汗带、吸汗贴等织物集成兼容。
本发明实施例还提供了一种实时连续检测汗液电解质浓度的方法，其包括：
将所述的可穿戴汗液传感器装置置于选定的皮肤表面区域；
连续采集和分析所述可穿戴汗液传感器装置产生的电导信号，实现对该选定的皮肤表面区域内的汗液电解质浓度的检测。
具体的，可以使用用于检测溶液电导的仪器设备或可穿戴微型化检测设备连接所述电极层的电极引脚，并进行必要的柔性导线接口设计以及电气绝缘封装处理，以实时获得所述可穿戴汗液传感器装置的电导信号，并形成电导曲线，通过电导曲线分析获得实时连续的电解质总浓度信息。
其中，所述电导曲线呈连续变化，电导曲线信号开始发生突变表征人体皮肤开始分泌汗液，电导信号的数值与汗液实时的电解质浓度呈正相关。
因此，通过本发明提供的可穿戴汗液传感器装置获得实时的电导曲线，即可获得实时汗液电解质浓度变化的信息，且检测结果不受新旧汗液混合干扰，准确性高。
需要说明的是，本发明的可穿戴汗液传感器装置也可以用于其他溶液的电解质浓度测试，例如，可以通过微流注射泵将要检测的液体泵入所述可穿戴汗液传感器装置的存储腔室中，之后依据同样的原理，即根据获得的电导曲线分析所检测液体的电解质浓度信息。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅1和图2，为本实施例提供的一种实时连续检测电解质浓度的可穿戴汗液传感器装置，其包括：柔性基底2以及依次设置于柔性基底2上的第二粘合层3、电极层4、第一粘合5以及多孔疏水层6、吸汗层7。
其中，柔性基底2通过第二粘合层3与电极层4固定连接，电极层4通过第一粘合层5与多孔疏水层6固定连接。
具体的，柔性基底2和第二粘合层3上分别开设有直径相同的第二通孔21和第四通孔31，且第二通孔21和第四通孔41连通并形成汗液存储室8。
具体的，电极层4由主体薄膜41和分别分布于主体薄膜41上表面和下表面的第二电导电极422、第一电导电极421构成，且电极层4上开设有多个第一通孔43并形成汗液通道，多个第一通孔43连续贯穿第二电导电极422、主体薄膜41和第一电导电极421并与汗液存储室8连通。
具体的，主体薄膜41的厚度为0.1～2mm，第一电导电极421、第二电导电极422的厚度为0.01～1mm，第一通孔的孔径为0.1～1.5mm。
其中，第一电导电极421暴露于汗液存储室8内，第二电导电极422经第一粘合层5与多空疏水层6接触。
具体的，第一粘合层5上开设有与电极层4上的第一通孔43位置对应、尺寸一致的多个第三通孔51，且第三通孔51与第一通孔43连通，以使第一通孔43内检测后的汗液通过第三通孔并经多孔疏水层6后被吸汗层7实时连续吸收，以防止新旧汗液混合而干扰测试结果的准确性。
具体使用时，将本实施例中的可穿戴汗液传感器装置贴置于皮肤表皮11，汗液13从汗腺14分泌出时具有一定的压强，最大可以达到70000Nm-2，足以将汗液13泵入第一通孔43内；当汗液通过第一通孔43时并在向上累积的过程中，会先后接触暴露于第一通孔43内壁的第一电导电极421和第二电导电极422，第一电导电极421、第二电导电极422通过露出的第一引脚44、第二引脚45与电导检测的仪器设备或可穿戴微型化检测设备连接(如图3所示，电导检测设备未示出)，以实时获得可穿戴汗液传感器装置的电导信号，通过电导检测仪器实时记录下汗液13的连续电导数值，形成如图4所示的实时连续的电导曲线，当电导曲线信号开始发生突变时，即表征人体皮肤开始分泌汗液，且连续电导曲线的高度或幅值与第一通孔43内实时的汗液电解质总浓度呈正相关。因此，可以通过一条实时连续的电导曲线，获得实时连续的汗液电解质浓度变化情况。
其中，电极引脚与电导检测的仪器设备连接的导线可以使用柔性的导电碳布、纤维导线等，并嵌入在织物等装置里。
实施例2
请参阅图5和图6，为本实施例提供的另一种实时连续检测电解质浓度的可穿戴汗液传感器装置，其与实施例1中的可穿戴汗液传感器装置基本相同，区别在于，第一电导电极421和第二电导电极422嵌入在主体薄膜41的内部，即第一电导电极421不直接暴露于汗液存储室8内，第二电导电极422不与多孔疏水层6接触。
通过本实施例中的可穿戴汗液传感器装置，也可以得到一条实时的电导变化曲线，进而获得汗液电解质浓度信息。
本实施例还提供了电极层4的一种制备方法，其包括：
首先制备第一层主体薄膜，并在第一主体薄膜上通过丝网印刷等方法制备第一电导电极421，然后在第一主体薄膜和第一电导电极421上制备第二层主体薄膜并在第二层主体薄膜上通过丝网印刷等方法制备第二电导电极422，使第一电导电极421和第二电导电极422的主体部分上下重合，最后在第二层主体薄膜和第二电导电极422上制备第三层主体薄膜，将第一电导电极421和第二电导电极422嵌入在主体薄膜41的内部。
需要说明的是，也可以采用实施例1或实施例2中的可穿戴汗液传感器装置测试其他液体的电解质浓度时，通过微流注射泵连续的将要检测的液体泵入可穿戴汗液传感器装置的汗液存储腔室8中，之后再通过获得的实时连续的电导曲线(如图7所示)，即可分析所检测液体的电解质浓度信息。
综上所述，本发明提出的可穿戴汗液传感器装置可以通过一条实时连续的电导曲线，获得实时连续的电解质浓度变化情况；同时，检测之后的汗液能够迅速的的被上层的吸汗机构吸收，具有不被新旧汗液混合干扰其准确性特点和优点。本发明可以帮助评估和预警人体在运动或高温特种作业时机体因大量出汗而造成代谢变化，减少健康风险。
如本文中使用的，术语“包括”及其变型表示开放的术语，含义是“包括但不限于”。术语“基于”、“根据”等表示“至少部分地基于”、“至少部分地根据”。术语“第一”、“第二”等可以指代不同的或相同的对象。
应当理解，本发明的技术方案不限于上述具体实施案例的限制，凡是在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落于本发明的保护范围之内。