摘要
汗液是由汗腺分泌的液体，包含丰富的电解质和代谢分子，在疾病诊断与健康监测领域具有巨大的潜力。与其它体液（如尿液、血液、唾液等）相比，汗液具有易获取、适合无创检测等优点，逐渐成为诊断领域的重要样本。体表汗液原位分析技术是目前汗液分析的主要技术之一。其不仅能够避免频繁的样本收集，而且可以实现对汗液中代谢物的连续监测，获取更多的生理信息。近几年，体表汗液原位分析检测的研究越来越多，然而该领域仍然存在一些技术上的问题和挑战。例如，在连续的体表原位检测时，旧汗液无法及时排离传感器，就会造成汗液在传感器表面的堆积，形成新旧汗液的混合液，影响检测的准确性。此外，在对汗液中包含的离子进行检测时，传统的离子传感器由于体积较大、工艺复杂，而无法集成到穿戴式设备中，阻碍了汗液原位检测的发展。进一步地，实现生物传感器和穿戴式设备的集成是体表汗液原位分析发展的关键。而开发具备电化学检测功能的穿戴式设备，不仅有助于推动汗液生理健康研究的发展，还能加快体表汗液原位分析技术迈向商业化的步伐。 基于此，本论文以体表汗液原位检测为研究对象，以解决该领域存在的问题为目的展开深入研究。首先，针对汗液堆积和蒸发问题，制备了低成本、工艺简单的三维纸基微流体器件，用于检测过程中的汗液收集和导流，避免长时间连续汗液检测引起的汗液堆积和新旧汗液混合问题。其次，为解决传统离子选择性电极体积大、加工工艺复杂等问题，制备了全固态离子选择性电极用于体表汗液原位检测；进一步地，研制了智能腕表电化学检测平台，将其与三维微流体器件和全固态离子传感器结合用于体表汗液的原位离子检测研究。最后，在此基础上，提出了基于柔性印刷电路板为基底的穿戴式多参数汗液检测系统，实现多参数同步实时汗液检测。本文的主要研究工作和创新点具体如下： （1）首先为解决体表汗液检测过程中存在的汗液堆积和新旧汗液混合的问题，本文研制了基于丝网印刷技术的三维纸基微流体器件（3D-PMD）。利用滤纸本身的毛细虹吸效应，本文合理化设计滤纸的三维结构，采用蜡丝网印刷的方法在亲水性滤纸表面修饰疏水层，并以裁剪、折叠的方法制备出三维沟道，实现汗液的横向和纵向流通。研究过程中，为降低3D-PMD的样本量消耗以及满足不同传感器尺寸的需求，对该结构进行了优化研究，并首次将其应用到体表汗液原位检测中。3D-PMD不仅解决了汗液堆积等问题，同时能够将传感器与皮肤隔离开，降低了传感器被污染的风险，具有较大的研究价值。 （2）其次，本文还通过Layer-by-Layer的方式在丝网印刷碳电极表面修饰敏感层，制备了葡萄糖电化学传感器。该传感器具有较宽的检测范围（5μM~1900μM），覆盖了汗液中葡萄糖的生理范围。本文将3D-PMD与葡萄糖传感器集成，实现运动场景下体表汗液葡萄糖的原位检测。结果表明，集成后的汗液葡萄糖检测设备能够成功获取体表汗液中葡萄糖的动态变化曲线，可进一步用于葡萄糖生理代谢的分析、研究。该集成设备具有成本低、制备工艺简单、可抛弃的优点，在体表汗液原位分析领域具有较好的应用前景。 （3）用于体表汗液中离子水平分析的全固态离子选择性传感器的制备研究。本文利用丝网印刷技术在柔性PET基底上制备电极，通过在电极表面修饰离子选择性膜制备全固态Na+、K+选择性传感器，并对所制备传感器的重要参数进行了表征。结果表明，所制备的Na+和K+选择性电极：具有较宽的检测范围（Na+：8mM~128mM；K+：1mM~32mM）、较好的选择性和重复性、较高的一致性（RSD lt;3.5%）、长达5.5个小时的连续稳定检测时间以及长达14天的储存时间。本文制备的全固态离子选择性传感器具有柔性可弯曲、成本低、可批量化生产、可抛弃等优点，可作为具有良好应用前景的体表汗液离子检测的技术方案。 （4）进一步地，为推进体表汗液分析技术的未来发展，本文研制了具备离子检测功能的智能腕表系统。智能腕表电路系统主要实现了双通道离子检测、电源管理以及LCD显示等功能，其中离子检测系统由开路电势检测电路实现。将所开发的智能腕表、离子选择性传感器、三维纸基微流体器件集成在一起，用于体表汗液中Na+和K+的实时监测，最后设计在体测试实验，实现了运动场景下的汗液离子动态检测。本文研制的智能腕表穿戴式设备具有功耗低、无线传输和实时显示等特点和功能，具有较大的实用价值。 （5）基于柔性印刷电路板（FPCB）材料的传感器阵列和穿戴式检测电路的研制。本文以FPCB为柔性基底材料，利用丝网印刷技术制备了电极阵列，并通过修饰敏感材料制备了Na+、K+、pH和葡萄糖传感器。本文还设计了FPCB穿戴式检测电路，与传感器阵列连接，实现汗液中多参数的同步检测。同时，还开发了用于体表汗液检测数据接收的移动手机端应用程序，实现多个汗液标志物水平的实时显示。在此基础上，设计体表汗液多参数实时检测实验，验证该集成设备的实际应用能力。本文所开发的基于FPCB的传感器阵列和检测电路，不仅成功实现了运动场景下的体表汗液多参数同时检测，还具有成本低、可批量化生产等优点，并且该穿戴式设备适合佩戴于多个身体部位，具有良好的实际研究和应用价值。
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