CN111624248A - 可穿戴式汗液pH值检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可穿戴式汗液pH值检测装置，其包括：汗液采集贴，用于贴在皮肤上收集汗液；所述汗液采集贴中形成有汗液流道；pH检测模块；所述pH检测模块包括电极对、以及连接在所述电极对之间的碳纳米管桥；所述碳纳米管桥由羧基化的碳纳米管对齐排列而成；所述碳纳米管桥位于汗液流道中；检测电路，用于检测所述碳纳米管桥的电阻信息；以及摩擦纳米发电机，用于给所述检测电路供电。上述可穿戴式汗液pH值检测装置，可以将汗液采集贴粘贴在皮肤上，即可实现对汗液的pH值检测，实时，简单，快捷。
Description
技术领域
本发明属于汗液pH检测技术领域，涉及一种可穿戴式汗液pH值检测装置。
背景技术
随着物质生活水平的不断提高，人们对于健康的要求也不断提升。汗液是人体经由汗腺分泌的液体，汗液的分泌量与分泌速度、pH值、离子浓度以及葡萄糖浓度等多项指标可以反映人体的健康状况。在正常情况下，皮肤汗液是一种微酸性生物流体(pH值范围为4.0～6.8)。汗液pH值的变化在皮炎、痤疮以及真菌感染、糖尿病等疾病的发病机制中起着重要的作用。如今汗液的检测只能在医院进行。
因此，实时、简便、个人即可完成的检测装置就成为了一种亟需解决的问题。
发明内容
基于此，有必要提供一种可穿戴式汗液pH值检测装置。
一种可穿戴式汗液pH值检测装置，包括：
汗液采集贴，用于贴在皮肤上收集汗液；所述汗液采集贴中形成有汗液流道；
pH检测模块；所述pH检测模块包括电极对、以及连接在所述电极对之间的碳纳米管桥；所述碳纳米管桥由羧基化的碳纳米管对齐排列而成；所述碳纳米管桥位于汗液流道中；
检测电路，用于检测所述碳纳米管桥的电阻信息；
以及摩擦纳米发电机，用于给所述检测电路供电。
上述可穿戴式汗液pH值检测装置，可以将汗液采集贴粘贴在皮肤上，即可实现对汗液的pH值检测，实时，简单，快捷。
在其中一个实施例中，所述汗液流道包括垂直与所述汗液采集贴的垂直通道、以及用于将垂直通道中的汗液导向所述碳纳米管桥的水平流道。
在其中一个实施例中，所述水平流道呈阿基米德螺旋线。
在其中一个实施例中，所述汗液采集贴包括基底以及形成在所述基底上的PET层；所述汗液流道位于所述PET层内。
在其中一个实施例中，所述汗液采集贴还包括用于粘贴皮肤的医用胶带、以及用于将所述医用胶带与所述基底粘结的双面胶。
在其中一个实施例中，所述电极对集成在所述汗液流道中。
在其中一个实施例中，所述碳纳米管桥通过介电泳形成。
在其中一个实施例中，所述羧基化的碳纳米管为羧基化的单壁碳纳米管。
在其中一个实施例中，所述摩擦纳米发电机通过桥式整流电路与检测电路相连。
在其中一个实施例中，所述检测电路包括电流表以及电压表。
附图说明
图1为本发明一实施例的可穿戴式汗液pH值检测装置的结构示意图。
图2为图1中的汗液采集贴的截面结构示意图。
图3为电极对的结构示意图。
图4为碳纳米管桥的制备过程示意图。
图5为电极对和碳纳米管桥的结构示意图。
图6为电极对和碳纳米管桥的局部放大结构示意图。
图7为摩擦纳米发电机的发电原理图。
图8为可穿戴式汗液pH值检测装置的电路示意图。
图中，1、汗液采集贴，2、摩擦纳米发电机，3、电极对，4、皮肤，5、第一引线，6、第二引线，7、含有碳纳米管的液滴，8、汗液，11、PET层，12、医用胶带，13、双面胶，14、基底，15、水平流道，16、垂直通道，21、第一摩擦电极，22、第一摩擦材料，23、第二摩擦材料，24、第二摩擦电极，25、桥式整流电路，26、电流表，27、电压表，31、第一电极，32、第二电极，33、碳纳米管桥。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
结合图1-8，重点参见图1，一种可穿戴式汗液pH值检测装置，包括汗液采集贴1、pH检测模块、检测电路、以及摩擦纳米发电机2。
其中，汗液采集贴1的主要作用是，用于贴在皮肤上收集汗液。
具体地，重点参见图2，汗液采集贴1中形成有汗液流道。汗液流道用于将皮肤4上的汗液8收集并引流至pH检测模块处。更具体地，汗液流道包括垂直于汗液采集贴的垂直通道16、以及用于将垂直通道16中的汗液8导向pH检测模块处的水平流道15。
在其中一个优选实施例中，水平流道15呈阿基米德螺旋线(如图1所示)。这样更有利于汗液的引流。当然，可以理解的是，水平流道并不局限于阿基米德螺旋线，还可以是其它螺线，亦或其它形状。
具体地，汗液采集贴包括基底14以及形成在基底14上的PET层11；汗液流道位于PET层11内。优选地，通过光刻技术在PET层中加工出垂直通道16与水平流道15。
使用PET材料制作的汗液采集贴，PET材料对于人体皮肤无毒无害，有较好的生物相容性，柔性好，适于制作可穿戴设备，且在发生形变后对于pH值的测量几乎无影响。
优选地，汗液采集贴1还包括用于粘贴皮肤4的医用胶带12、以及用于将所述医用胶带12与所述基底14粘结的双面胶13。这样医用胶带12与皮肤4接触，进而避免其它非医用品直接与皮肤4，进而避免引起的皮肤不适。
其中，pH检测模块是pH检测的核心部件。pH检测模块集成在汗液采集贴1中。重点参见图5，所述pH检测模块包括电极对3、以及连接在所述电极对3之间的碳纳米管桥33；电极对3由间隔设置的第一电极31和第二电极32构成。碳纳米管桥33即位于第一电极31和第二电极32之间，碳纳米管桥33将第一电极31和第二电极32电连通。
碳纳米管桥33由羧基化的碳纳米管对齐排列而成；碳纳米管桥33位于汗液流道中；这样当汗液流到此处汗液流道中时，pH检测模块检测流经的汗液。
在其中一个优选实施例中，电极对集成在所述汗液流道中。这样可以使结构更加紧凑。更优选地，PET膜11旋涂在基底14上，通过光刻技术加工出汗液流道，并在相应位置利用光刻与剥离工艺，制造电极对3。
在其中一个实施例中，碳纳米管桥33通过介电泳形成。
介电泳(DEP)是指电介质粒子在非均匀电场中由于极化效应所引起的位移现象。当一滴含有碳纳米管的液滴通过交流电场引入平行电极时，电场会在碳纳米管中感应出偶极矩。作用在碳纳米管上的介电泳扭矩使它们的纵轴与电场线平行。与电场线对准的细长碳纳米管上的介电泳力如下式：
m(t)＝εmVCNTKE(t)
εm和VCNT分别是介质和碳纳米管体积的物理介电常数的实部，K是克劳修斯·莫索提系数(CMF)的实部。由以上公式推导，介电泳的平均力大小为：
由于作用在碳纳米管上的介电泳扭矩会使它们的纵轴与电场线平行，所以当含有碳纳米管的溶液液滴7放在电极对3之间，如图4时，在电极对3上施加交流电，经过一段时间的沉积，碳纳米管会在电极对3之间形成整齐的碳纳米管桥33，连接第一电极31与第二电极32，从而使检测电路导通。
在其中一个实施例中，所述羧基化的碳纳米管为羧基化的单壁碳纳米管。
单壁碳纳米管被确定为以空穴为主要载体的p型半导体，羧基官能化的单壁碳纳米管也显示出p型半导体行为。当汗液到这些羧基官能化的单壁碳纳米管中，H+和OH-离子能够与羧基相互作用并影响羧基官能化的单壁碳纳米管中空穴和电子的生成，从而导致碳纳米管桥33的电阻变化。将pH响应确定为电阻的相对变化为：
其中R与R0分别是存在和不存在汗液8时电极对3的电阻。根据资料可知pH值与电阻变化量之间呈线性关系，且相对电阻变化随pH值每次增加大有0.285，所以电阻变化量与pH值之间存在如下的关系：
从汗液采集贴1的第一电极处引出第一引线5，从第二电极处引出第二引线6，第一引线以及第二引线与检测电路电连接。
其中，摩擦纳米发电机2的主要作用是，用于给所述检测电路供电。
摩擦纳米发电机的发电原理如图7所示，当两个束缚电子能力不同的摩擦材料接触时，束缚电子能力强的材料上会带负电，束缚电子能力弱的材料带正电，当反复接触时，一个摩擦材料先达到饱和。另一个材料仍然在得/失电子，此时，与之相连接的电极就会产生电子的转移。然后，两电极之间形成电势差。
摩擦纳米发电机2包括第一摩擦电极21与第二摩擦电极24，第一摩擦电极21位于第一摩擦材料22上，用于将第一摩擦材料22产生的电荷导出；第二摩擦电极24位于第二摩擦材料23上，用于将第二摩擦材料23产生的电荷导出。
将第一摩擦电极21与第二摩擦电极24粘贴在运动中会不断重合张开的部位，如两手掌心、皮肤与衣服内表面等，当待检测者进行运动时，第一摩擦材料22与第二摩擦材料23会不断张合，在相对应的电极(第一摩擦电极21以及第二摩擦电极24)上产生电势差。
重点参见图8，摩擦纳米发电机2通过桥式整流电路25与检测电路相连。使用桥式整流电路25将摩擦纳米发电机2产生的交流电整流为稳定的直流电，进行电阻的测量。
在其中一个实施例中，检测电路还包括电流表26以及电压表27。电流表以及电压表可以用于测算电阻值，即使用伏安法测得电极对的电阻值。
以下对可穿戴式汗液pH值检测装置的工作原理进行说明。
将汗液采集贴1粘贴在皮肤表面上，当待检测者运动时，汗液从汗腺分泌出来，在汗液采集贴1覆盖的区域，由于医用胶带12的作用，汗液无法向外部流出，只能在垂直通道16内不断聚集，直到进入水平流道15。当汗液流经电极对3所在的地方时，汗液中的H+或OH-与羧基相互作用并影响碳纳米管中空穴和电子的生成，从而导致碳纳米管桥中电阻变化。同时检测者进行运动时，摩擦纳米发电机2第一摩擦材料22与第二摩擦材料23会不断张合，在相对应的电极(第一摩擦电极21以及第二摩擦电极24)上产生电势差。摩擦纳米发电机2产生的交流电经过桥式整流电路25整流为直流电，在使用伏安法测得电极对的电阻值。
本发明利用摩擦纳米发电机2作为检测电路的供电电源，取代传统电机，简化了装置结构，并且在运动的同时实现了实时检测。使用桥式整流电路将摩擦纳米发电机产生的交流电整流为稳定的直流电，进行电阻的测量。
本发明检测部分采用羧基化的碳纳米管，可以检测pH3～9范围内的液体，适用于汗液的检测。
本发明使用PET材料制作可穿戴设备，PET材料对于人体皮肤无毒无害，有较好的生物相容性，柔性好，适于制作可穿戴设备，且在发生形变后对于pH值的测量几乎无影响。
本发明基于微流控技术实现了汗液检测的微量化，在通道内对少量的汗液进行检测，就可以达到检测目的。同时配合摩擦纳米发电机，用摩擦纳米发电机作为检测电源，继而实现可穿戴式的汗液pH值的检测装置。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种可穿戴式汗液pH值检测装置，其特征在于，包括：
汗液采集贴，用于贴在皮肤上收集汗液；所述汗液采集贴中形成有汗液流道；
pH检测模块；所述pH检测模块包括电极对、以及连接在所述电极对之间的碳纳米管桥；所述碳纳米管桥由羧基化的碳纳米管对齐排列而成；所述碳纳米管桥位于汗液流道中；
检测电路，用于检测所述碳纳米管桥的电阻信息；
以及摩擦纳米发电机，用于给所述检测电路供电。
2.根据权利要求1所述的可穿戴式汗液pH值检测装置，其特征在于，所述汗液流道包括垂直与所述汗液采集贴的垂直通道、以及用于将垂直通道中的汗液导向所述碳纳米管桥的水平流道。
3.根据权利要求2所述的可穿戴式汗液pH值检测装置，其特征在于，所述水平流道呈阿基米德螺旋线。
4.根据权利要求1所述的可穿戴式汗液pH值检测装置，其特征在于，所述汗液采集贴包括基底以及形成在所述基底上的PET层；所述汗液流道位于所述PET层内。
5.根据权利要求1所述的可穿戴式汗液pH值检测装置，其特征在于，所述汗液采集贴还包括用于粘贴皮肤的医用胶带、以及用于将所述医用胶带与所述基底粘结的双面胶。
6.根据权利要求1所述的可穿戴式汗液pH值检测装置，其特征在于，所述电极对集成在所述汗液流道中。
7.根据权利要求1所述的可穿戴式汗液pH值检测装置，其特征在于，所述碳纳米管桥通过介电泳形成。
8.根据权利要求1所述的可穿戴式汗液pH值检测装置，其特征在于，所述羧基化的碳纳米管为羧基化的单壁碳纳米管。
9.根据权利要求1所述的可穿戴式汗液pH值检测装置，其特征在于，所述摩擦纳米发电机通过桥式整流电路与检测电路相连。
10.根据权利要求1所述的可穿戴式汗液pH值检测装置，其特征在于，所述检测电路包括电流表以及电压表。
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