本发明涉及电位型电化学检测，通过结合运动医学领域，实时检测人体液k离子浓度，研制柔性可穿戴电化学检测电极装置。全球范围内，超重和肥胖是心血管疾病、癌症、2型糖尿病等慢性非传染性疾病的重大风险因素，并导致过早死亡。肥胖的诊断与脂肪代谢和分布异常密切相关。在高强度运动和疾病诊断中，与人体的生理过程有关的汗液生物标记物通常是被检测的主要对象。汗液是人体调节体温和排出毒素的主要形式，同时是人体除尿液之外的第二大排盐方式，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。人体血液以及汗液中的钾离子等电解质与人体水合状态有关，可用于诊断、追踪以及预测肥胖等疾病的运动治疗效果。人体k+的浓度能够预测肌肉的活动，与各种原因导致的低钾血症及其高钾血症有着密切的联系，可以对肥胖病人运动过程可能产生的突发心脑血管疾病给出预警。而人体k+浓度可以通过监测汗液或者血液中k+的浓度来进行判断。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。电化学传感器作为一种重要的分析工具，在国内外的研究领域都具有广泛的应用前景。其在环境监测、医疗诊断和食品安全等领域都有重要应用。目前的电化学传感器技术具有诸多优势，比如高灵敏度、高选择性、较好的稳定性、低成本且可以实现连续的在线监测。发明了一种检测液体k离子的柔性电极装置。针对人体不同体液中k离子进行浓度检测。拥有两种柔性流道设计，一种流道实现在人体皮肤出汗状态下汗液自吸收，另一种流道实现血液或者尿液中血细胞及杂质过滤功能。两种流道均可以适用于本发明的双通道电化学传感器，吸收的汗液或者过滤后的血液会通过流道进入反应腔，与传感器接触后发生化学反应，引起电位变化。电化学传感器采用三电极形式，主要通过在工作电极表面修饰k离子敏感膜等物质实现离子选择，双通道的设计使得传感器拥有两个工作电极，冗余的工作电极可以用于其它离子选择膜或者葡萄糖、乳酸等物质的检测，从而实现高效快速的检测分析。通过这一创新的小体积柔性电化学汗液离子检测装置，不仅可以实现运动人体汗液中离子实时检测，还可以完成血液中离子浓度检测。小体积设计更加便携，可以运用于户外运动人群，更具有自由便捷性。通过体液中离子检测有望评估人体健康状况。
背景技术：
技术实现思路
1、技术目的
2、本发明提出了一种钾离子检测装置。涉及到通过小型电化学传感器完成浓度监测以及液体收集两大内容。本发明选择三电极芯片作为检测传感器，工作电极、辅助电极和参比电极的集成可以提供准确的电位控制和监测，所设计的三电极芯片需要完成k离子的检测，测量过程不会受汗液或者血液中其它的复杂成分的影响。传统电化学传感器为刚性材料，需要满足耐磨损以及耐高温等需求，本发明需要设计一款柔性传感器，需要顺利贴合皮肤以及小型舒适性。人体汗腺分布在各个区域点，为满足汗液检测需求，在传感器检测过程中，需要汗液液体接触到电极表面，所以要设计微流控流通池收集以及锁住当前汗液覆盖在电极上，以便于完成测量。
3、本发明的液体装置检测溶液对象适用于人外部体液（血液、汗液、尿液），需要微流道过滤体液中细胞及杂质等物质的影响，微流控通道还可以实时收集汗液，收集各个小汗腺产生的微量汗液，多个区域汗腺产生的汗液汇集后传送至电极所在的反应腔室。对于血液或尿液，在流道中设计微柱过滤血细胞及杂质，流通池也需要达到柔性需求，与传感器结合成柔性检测装置。这些都有助于获得更加准确和可靠的实验结果。
4、技术方案
5、为达到上述目的，本发明运用如下方案实现：
6、检测离子的柔性电化学装置主要包括柔性电化学传感器以及微流控液体流道两部分。所述柔性电化学传感器和微流控液体流道之间通过pdms固化连接在一起。
7、所述的柔性电化学传感器由三电极体系构成，包括工作电极、参比电极和对电极。工作电极主要负责与待测物发生反应；对电极与工作电极形成回路；参比电极冷凝凝固后形成膜覆盖在电传导金属表面，有助于提高柔性电化学传感器输出信号的稳定性。整个柔性电化学传感器设计为“∞形状”，包括两个衔接在一起的大圆弧作为对电极，还有两个完整的小圆形，分别在大圆弧下方，作为两个工作电极，以及两个圆形（工作电极）中间的矩形作为参比电极。工作电极、参比电极和对电极向下延伸出长方形的部分作为电流传感，连接检测电路装置。
8、所述的微流控液体流道包含四部分，分别是液体收集腔、液体过滤腔、液体反应腔和液体排出腔。微流控液体流道整体为长方形，中心为液体反应腔，微流控液体流道的轮廓与电化学传感器中对电极的外轮廓形状相同，都是“∞形状”，中间部分镂空形成储存液体的腔室。所述液体过滤腔通过过滤流道与液体收集腔连接，微流控液体过滤通道会排列微柱结构，微柱结构用于遮挡以及过滤细胞和杂质，使得流入反应腔室的液体不受细胞或者杂质影响；所述液体收集腔通过微流道与液体反应腔连接，液体反应腔通过微流道液体排出流道与液体排出腔连接。
9、所述工作电极为两个，根据工作电极上修饰物质的不同，能够同时完成多参数检测，选择修饰其中一个工作电极，另外一个工作电极作为冗余通道备用。在三电极传感芯片上，首先覆盖金膜作为电流传感，在工作电极上覆盖pedot：pss膜，然后再覆盖k离子选择膜，使得柔性电化学传感器具有k离子选择透过性。参比电极上先覆盖氯化银，然后覆盖pvb膜，增加检测的灵敏度和稳定性。
10、进一步地，所述工作电极、对电极的电极材料为金、铂、碳等惰性固体材料；参比电极选择ag/agcl惰性液体材料。
11、进一步地，微流道与微流道液体排出流道均是细长流道，分布在液体反应腔周围。液体收集腔直接连通在待测液体收集腔处；液体首先通过收集流道进入装置，然后通过过滤流道进入液体收集腔，随着微流道流入液体反应腔，当液体收集腔不断收集液体，液体反应腔逐步被灌满，液体反应腔正上方就是电化学传感器，液体会在液体反应腔接触电化学传感器，形成电压变化。液体反应腔被注满后，随着液体收集腔内的液体一直进入，多余的液体会从液体排出腔流道排走。
12、进一步地，所述柔性电化学传感器材质为可弯曲材料pet，微流道材料为pdms，在模具中加入固化剂和液态pdms，柔性电化学传感器放置于pdms上，模具的液体反应腔与柔性电化学传感器的电极部分垂直对应。加热固化后，柔性电化学传感器和微流控液体流道结合成一体。
13、进一步地，对于血液、尿液等样本检测，所述的微流控液体过滤通道排列微柱结构，微柱排列距离为5µm，通过增加压力泵完成液体传输，经过微柱过滤血细胞、皮屑等杂质。对于汗液样本检测，所述的微流控液体过滤通道不需要排列微柱结构，液体过滤通道直径小于100微米，产生毛细力，无需压力泵，汗液收集时拥有自驱动能力，所述的液体收集流道通过毛细力驱动人体皮肤汗液转移到电极检测区域。
14、进一步地，所述的微流控液体流道，通过pdms制备成柔软特性，能满足可穿戴检测需求。
15、进一步地，所述的柔性电化学传感器形状与微流道匹配，位于微流道正上方，与流道之间形成反应腔。电传导位于反应腔正上方，接触待测液体。
16、本发明提供了装置和传感器敏感膜的制备修饰方法
17、1.柔性电化学传感器制备
18、1) 掩模制作：双面胶（300lse）的a面揭下后粘在硬纸板上作为掩模底板，使用激光工艺，将传感器掩模进行激光切割；
19、2) 三电极制作：将硬纸板剥离开双面胶a面，将双面胶掩模a面贴在透明pet膜上，使用pi胶带遮挡住参比电极部分，然后放入磁控溅射仪器进行溅射。溅射金属膜（金、铂、碳）；
20、3) 工作电极修饰：
21、聚(4-苯乙烯磺酸)pedot：pss滴在工作电极上，等待20min，重复滴加2~3次。
22、将k离子选择性膜溶液，取5~10µl滴至工作电极金电极表面，在室温条件下自然晾干。即制得k离子选择性电极；
23、4) 参比电极修饰：撕下(2)中遮挡参比电极的pi胶带，将ag浆涂抹至参比电极位置，放入烘箱，70℃烘干1h。将pvb和nacl溶解在无水甲醇中制备混合液，将混合液点涂到ag/agcl参比电极上，室温下干燥。
24、步骤(2)中pet为聚对苯二甲酸乙二醇酯，具有优良机械性，使用温度可达120℃，价格低廉，材料越厚，硬度越高，优选地采用厚度0.075mm~0.125mm。
25、步骤(2)中溅射导电层材料，优选地，选择金(au), 厚度为100nm~200nm。
26、步骤(3)中pedot：pss是一种水凝胶，作为离子-电子转换介体，可以减小电势漂移，优选每次滴加0.4~1.0µl。
27、步骤(3)中k离子选择性膜作用为实现电极对k离子的选择性识别，对其它离子(na、ca、mg)不敏感，增加检测准确性。
28、步骤(4)中pvb 膜会将电极包裹，维持参比电极稳定性。所述pvb优选为50-100mg，所述nacl优选为20-70mg，所述甲醇优选为0.6-1ml。
29、2.微流控流通池制备
30、1) 铣床切割透明pmma模具；使用光刻工艺制作流道模具；
31、所述的流通池根据传感器形状设计匹配。
32、2) 浇筑pdms ：pdms于固化剂混合搅拌，倒入模具内，然后抽真空（真空计示数0.07~0.09）20~40min，直至无气泡产生。放在加热板加热固化；
33、3) 从模具上剥离流通池。
34、步骤(2)所述的pdms是最广泛使用的硅基有机聚合物，pdms与固化剂比值越大，流通池硬度越小，越柔软，优选比例为7：1~15：1。
35、优选地，步骤(3)所述的真空计示数越高，抽真空时间越短。加热时间不宜过长，会影响流道硬度。
36、所述的电化学传感器制备中的电化学传感器在步骤(2)固化前，放置在模具上，与还未凝固的液态pdms接触，一起加热固化后取下，电化学传感器会与流道结合在一起。最终完成整个装置的制备。优选地，人体实验可穿戴通过弹性绑带将装置贴合在人身上。
37、3. 步骤(3)中k离子选择敏感膜制备
38、1) 依次将缬氨霉素、四(4-氯苯基)硼酸钾(ktclpb)、癸二酸二正辛酯(dos)溶解到四氢呋喃(thf)中，用涡旋混匀器搅拌5min，再超声振荡30min，使其完全溶解；
39、2) 向上述溶液中加入高分子质量聚合物聚氯乙烯(pvc)，用涡旋混匀器搅拌使其溶解，得到k离子选择性膜溶液。
40、步骤(1)所述的钾离子敏感膜液中钾离子载体为缬氨霉素，将钾离子从溶液(水)界面萃取到聚合物敏感膜中的特殊化合物，对钾离子具有选择性识别的能力，可以保证顺利完成聚合。缬氨霉素在四氢呋喃溶液中的浓度优选为0.002g/ml~0.01g/ml。四(4-氯苯基)硼酸钾(ktclpb) 的试剂量优选为0.0002 g/ml -0.0010 g/ml。癸二酸二正辛酯(dos)为敏感膜溶液的增塑剂，可以增强化合物的流动性，在四氢呋喃溶液中的浓度优选为5.98g/ml~6.87 g/ml。
41、配制溶液的溶剂为四氢呋喃(thf)，试剂量优选为0.5-1ml。
42、步骤(2)所述的非导电高分子聚合物（聚丙烯酸酯、聚丁基丙烯酸酯、聚氨酯、聚硅氧烷）作为基底材料，增强试剂的化学稳定性，优选聚氯乙烯(pvc),所述pvc优选质量百分比为30.5%~48.6%，
43、优选地，步骤(2)pvc粘度大，最后溶解在步骤(1)所述的溶液中。
44、优选地，步骤(2)得到的钾离子选择膜溶液，溶剂四氢呋喃(thf)具有挥发性，保存试剂需要密封真空，存放在低温-4℃冰柜冷冻。
45、有益效果
46、从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益增益效果：
47、本发明设计了一种小型电化学传感单元，具有尺寸小、以及电极的离子选择性。制作工艺简单，耗材试剂少，使用本发明的传感器电极，可以解决仪器庞大，操作复杂等问题。
48、本发明的三电极具有双通道特性，除了敏感膜修饰好的工作电极以外，还设计冗余了一个工作电极，以便将来测量其他物质使用。双通道的设计满足两种物质同时检测，对比单通道具有高效性和便捷性。
49、本发明电化学传感器装置具有柔软可弯曲性，能够满足在人体在运动过程中皮肤发生的延展形变情况下，依旧紧密贴合皮肤的条件，使整个检测过程可以实时连续，检测信号不会因为传感器接触不良导致传输被中断影响。
50、本发明的微流道装置不仅可以柔软贴合皮肤，还设计了多个微流道吸收人体汗液，将各个方向吸收到的汗液集中在同一个大腔室，大腔室下对应传感器三电极。由于人体运动汗液会随着重力作用或者跑步产生的惯性力等流动，使得运动过程中人体排汗时汗液的实时收集成为难题，本发明的微流道可以有效解决该问题，在大腔室募集后的旧汗液会随着新汗液的注入而从排汗流道排出。使得汗液的实时收集问题得以解决。
51、本发明可以实现在体佩戴，实时检测人体排汗过程汗液中k离子的检测。整个装置只需要使用绑带将其佩戴在额头上，或者其它汗腺数量多的地方（手臂、腰背）。不仅给使用者增加了检测过程中的舒适性，还可以将使用范围扩大，不只局限于跑步机，可以为户外运动人群提供实时测量需求，为运动后电解质补充提供一定参考。
52、本发明可以实现在血液尿液中k离子的检测。将收集到的体液(血液、尿液)，通过泵输送到微流道装置中，微流道里增加微柱结构过滤流道，体液输送到过滤流道后完成血细胞以及杂质的过滤，然后再进入反应腔与传感器反应。本发明可以成功避免体液中血细胞以及杂质对传感器的影响，有助于提高检测准确性和稳定性。一体化的设计成功减少了额外过滤步骤，使得检测过程便捷高效。
53、本发明将电极检测部分以及液体收集部分结合在一起，一体化的设计使装置的体积大大缩小。
1.一种检测液体k离子的柔性电极装置，其特征在于，包括柔性电化学传感器以及微流控液体流道两部分；所述柔性电化学传感器和微流控液体流道之间通过pdms固化连接在一起；
2.根据权利要求1所述的一种检测液体k离子的柔性电极装置，其特征在于，所述工作电极、对电极的电极材料为金、铂、碳惰性固体材料；参比电极选择ag/agcl惰性液体材料。
3.根据权利要求1所述的一种检测液体k离子的柔性电极装置，其特征在于，微流道与微流道液体排出流道均是细长流道，分布在液体反应腔周围；液体收集腔直接连通在待测液体收集腔处；液体首先通过收集流道进入装置，然后通过过滤流道进入液体收集腔，随着微流道流入液体反应腔，当液体收集腔不断收集液体，液体反应腔逐步被灌满，液体反应腔正上方就是电化学传感器，液体会在液体反应腔接触电化学传感器，形成电压变化；液体反应腔被注满后，随着液体收集腔内的液体一直进入，多余的液体会从液体排出腔流道排走。
4.根据权利要求1所述的一种检测液体k离子的柔性电极装置，其特征在于，所述柔性电化学传感器材质为可弯曲材料pet，微流道材料为pdms，在模具中加入固化剂和液态pdms，柔性电化学传感器放置于pdms上，模具的液体反应腔与柔性电化学传感器的电极部分垂直对应；加热固化后，柔性电化学传感器和微流控液体流道结合成一体。
5.根据权利要求1所述的一种检测液体k离子的柔性电极装置，其特征在于，所述的柔性电化学传感器形状与微流道匹配，位于微流道正上方，与流道之间形成反应腔；电传导位于反应腔正上方，接触待测液体。
6.根据权利要求1所述的一种检测液体k离子的柔性电极装置，其特征在于，柔性电化学传感器制备过程如下：
7.根据权利要求6所述的一种检测液体k离子的柔性电极装置，其特征在于，步骤2)中溅射导电层材料选择金，厚度为100nm~200nm；
