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无掩膜光刻机助力可穿戴柔性微流控芯片研发,实现汗液实时监测!

更新时间:2023-08-07点击次数:394

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论文标题:Wearable Microfluidic Sweat Chip for Detection of Sweat Glucose and pH in Long-Distance Running Exercise

发表期刊:Biosensors (IF 5.4)

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


【引言】

在传统的运动训练监测中,通常需要对被研究对象进行血液样品采集。通过对所采集的血液进行各类分析获取相应数据,达到运动训练监测的目的。由于从血液样品中获得的相关数据准确程度高,所获得的数据被认定为是运动训练监测领域的黄金标准。然而,在采集血液样品的过程中,通常会给被研究对象带来一定痛感,被研究对象对相关监测工作的配合意愿度低,导致数据收集存在一定的困难。由于血液和汗液的成分是渗透相关的,因此汗液中的某些代谢物也可反映疾病状态。随着技术的发展,汗液,唾液,眼泪等体液的运动训练监测方法日益受到重视。收集这类的体液样本不仅不会给被研究对象带来痛感,还可以对运动训练进行时时监控,从而更好地了解整个运动训练过程。

近日,北京体育大学与上海微系统与信息技术研究所强强联合,通过将柔性微流控监测芯片和智能手机的相结合,实现对长跑训练者汗液中的血糖值和PH值的时时监控,从而更加精准地监控长跑训练过程中的相关细节。相关研究工作在SCI期刊《Biosensors》上发表。

本文中所使用的小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3无需掩膜版,可在光刻胶上直接曝光绘出所要的图案。设备采用集成化设计,全自动控制可靠性高操作简便,同时其还具备结构紧凑(70 cm X 70 cm X 70 cm)直写速度快分辨率高(XY:<1 μm)等特点。灵活多变的前沿光刻技术,有助于柔性微流控监测芯片的研发。


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小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3


【图文导读】


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图1. 制备可穿戴柔性微流控芯片的概要图和光学照片。A) 微流控芯片的概念解析图。B)和C) 对汗液中葡萄糖和PH值监测的原理解释图。D) 用微流控芯片收集汗液的示意图。E) 柔性微流控芯片结构示意图。 F) 利用MicroWriter ML3制备的柔性微流控芯片实物图。


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图2. 用TritonX-100对聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行亲水性处理。A) 不同TritonX-100量对PDMS亲水性的影响。B) 不同量的TritonX-100对PDMS亲水处理后,水接触角随时间的变化。


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图3. 芯片中色彩和汗液中葡萄糖和PH值的对应关系。A)色彩和葡萄糖数值的对应关系。B)色彩和葡萄糖数值对应关系的拟合结果。C) 汗液PH值和色彩之间的对应关系。D) 色彩和汗液PH值的拟合结果。


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图4. 用人工汗液样本对柔性微流控芯片对汗液中葡萄糖和PH值进行检测。A) 芯片与不同人工汗液样品反应后的结果。B) RGB颜色值与葡萄糖对应的关系,以及相对应的拟合结果。C) RGB颜色值与汗液中PH值的对应关系,以及拟合结果。


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图5. 柔性微流控监测芯片对长跑过程中汗液的葡萄糖和PH值的监测效果。A) 使用血糖仪和制备的芯片分别在运动10分钟,20分钟和30分钟后对受试者进行血糖监控。B) 血液中的葡萄糖和汗液中的葡萄糖随着运动的变换比较。C) 在运动10分钟,20分钟和30分钟后,汗液的PH值的变换。并对受试者在饮用苏打水前后汗液PH值的变化进行了对比。D) 运动饮料的补充方案。


【结论】

北京体育大学和上海微系统与信息技术研究的研究人员,使用小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3对负性光刻胶曝光,制备出符合实验要求的芯片模板,再利用倒模技术获得PDMS微流控芯片。通过TritonX-100对PDMS进行亲水性处理,最终获得适用于监测运动时汗液中葡萄糖和PH值的可穿戴柔性微流控监测芯片。该研究为柔性穿戴设备在运动训练监测方面的应用和发展提供了可能性和相应的方案。该成果最主要的优势是能够制备出基于PDMS的柔性微流控监测芯片。在制备该芯片过程中,需要及时修改相应的参数,得到优化的实验结果,十分依赖灵活多变的光刻手段。MicroWirter ML3无掩膜激光直写机可以任意调整光刻图形,对负性光刻胶进行精准光刻,帮助用户快速实现柔性芯片的制备,助力体育运动学科的研究。



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