無掩膜光刻機(jī)助力可穿戴柔性微流控芯片研發(fā)，實(shí)現(xiàn)汗液實(shí)時(shí)監(jiān)測

論文標(biāo)題：Wearable Microfluidic Sweat Chip for Detection of Sweat Glucose and pH in Long-Distance Running Exercise

發(fā)表期刊：Biosensors (IF 5.4)

DOI：https://doi.org/10.3390/bios13020157

【引言】

在傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練監(jiān)測中，通常需要對被研究對象進(jìn)行血液樣品采集。通過對所采集的血液進(jìn)行各類分析獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)，達(dá)到運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練監(jiān)測的目的。由于從血液樣品中獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確程度高，所獲得的數(shù)據(jù)被認(rèn)定為是運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練監(jiān)測領(lǐng)域的黃金標(biāo)準(zhǔn)。然而，在采集血液樣品的過程中，通常會(huì)給被研究對象帶來一定痛感，被研究對象對相關(guān)監(jiān)測工作的配合意愿度低，導(dǎo)致數(shù)據(jù)收集存在一定的困難。由于血液和汗液的成分是滲透相關(guān)的，因此汗液中的某些代謝物也可反映疾病狀態(tài)。隨著技術(shù)的發(fā)展，汗液，唾液，眼淚等體液的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練監(jiān)測方法日益受到重視。收集這類的體液樣本不僅不會(huì)給被研究對象帶來痛感，還可以對運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練進(jìn)行時(shí)時(shí)監(jiān)控，從而更好地了解整個(gè)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練過程。

近日，北京體育大學(xué)與上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，通過將柔性微流控監(jiān)測芯片和智能手機(jī)的相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對長跑訓(xùn)練者汗液中的血糖值和PH值的時(shí)時(shí)監(jiān)控，從而更加精準(zhǔn)地監(jiān)控長跑訓(xùn)練過程中的相關(guān)細(xì)節(jié)。相關(guān)研究工作在SCI期刊《Biosensors》上發(fā)表。

本文中所使用的小型臺(tái)式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3無需掩膜版，可在光刻膠上直接曝光繪出所要的圖案。設(shè)備采用集成化設(shè)計(jì)，全自動(dòng)控制，可靠性高，操作簡便，同時(shí)其還具備結(jié)構(gòu)緊湊（70 cm X 70 cm X 70 cm）、直寫速度快，分辨率高（XY：<1 μm）等特點(diǎn)。靈活多變的前沿光刻技術(shù)，有助于柔性微流控監(jiān)測芯片的研發(fā)。

小型臺(tái)式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3

【圖文導(dǎo)讀】

圖1. 制備可穿戴柔性微流控芯片的概要圖和光學(xué)照片。A) 微流控芯片的概念解析圖。B)和C) 對汗液中葡萄糖和PH值監(jiān)測的原理解釋圖。D) 用微流控芯片收集汗液的示意圖。E) 柔性微流控芯片結(jié)構(gòu)示意圖。 F) 利用MicroWriter ML3制備的柔性微流控芯片實(shí)物圖。

圖2. 用TritonX-100對聚二甲基硅氧烷（PDMS）進(jìn)行親水性處理。A) 不同TritonX-100量對PDMS親水性的影響。B) 不同量的TritonX-100對PDMS親水處理后，水接觸角隨時(shí)間的變化。

圖3. 芯片中色彩和汗液中葡萄糖和PH值的對應(yīng)關(guān)系。A）色彩和葡萄糖數(shù)值的對應(yīng)關(guān)系。B）色彩和葡萄糖數(shù)值對應(yīng)關(guān)系的擬合結(jié)果。C) 汗液PH值和色彩之間的對應(yīng)關(guān)系。D) 色彩和汗液PH值的擬合結(jié)果。

圖4. 用人工汗液樣本對柔性微流控芯片對汗液中葡萄糖和PH值進(jìn)行檢測。A) 芯片與不同人工汗液樣品反應(yīng)后的結(jié)果。B) RGB顏色值與葡萄糖對應(yīng)的關(guān)系，以及相對應(yīng)的擬合結(jié)果。C) RGB顏色值與汗液中PH值的對應(yīng)關(guān)系，以及擬合結(jié)果。

圖5. 柔性微流控監(jiān)測芯片對長跑過程中汗液的葡萄糖和PH值的監(jiān)測效果。A) 使用血糖儀和制備的芯片分別在運(yùn)動(dòng)10分鐘，20分鐘和30分鐘后對受試者進(jìn)行血糖監(jiān)控。B) 血液中的葡萄糖和汗液中的葡萄糖隨著運(yùn)動(dòng)的變換比較。C) 在運(yùn)動(dòng)10分鐘，20分鐘和30分鐘后，汗液的PH值的變換。并對受試者在飲用蘇打水前后汗液PH值的變化進(jìn)行了對比。D) 運(yùn)動(dòng)飲料的補(bǔ)充方案。

【結(jié)論】

北京體育大學(xué)和上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究的研究人員，使用小型臺(tái)式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3對負(fù)性光刻膠曝光，制備出符合實(shí)驗(yàn)要求的芯片模板，再利用倒模技術(shù)獲得PDMS微流控芯片。通過TritonX-100對PDMS進(jìn)行親水性處理，最終獲得適用于監(jiān)測運(yùn)動(dòng)時(shí)汗液中葡萄糖和PH值的可穿戴柔性微流控監(jiān)測芯片。該研究為柔性穿戴設(shè)備在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練監(jiān)測方面的應(yīng)用和發(fā)展提供了可能性和相應(yīng)的方案。該成果最主要的優(yōu)勢是能夠制備出基于PDMS的柔性微流控監(jiān)測芯片。在制備該芯片過程中，需要及時(shí)修改相應(yīng)的參數(shù)，得到優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，十分依賴靈活多變的光刻手段。MicroWirter ML3無掩膜激光直寫機(jī)可以任意調(diào)整光刻圖形，對負(fù)性光刻膠進(jìn)行精準(zhǔn)光刻，幫助用戶快速實(shí)現(xiàn)柔性芯片的制備，助力體育運(yùn)動(dòng)學(xué)科的研究。

【相關(guān)產(chǎn)品】

小型臺(tái)式無掩膜直寫光刻系統(tǒng)-MicroWriter：http://tenergyglobal.com/show1equip.asp?equipid=5025418