一种非介入检测汗腺汗液离子状况的传感器.pdf

本发明公开了一种非介入检测汗液离子状况的传感器，可简单、快速、无创伤的检测出人体皮肤汗腺汗液离子状况的变化。该传感器由活性电极对和惰性电极对组成，在外部给予特定的直流电压下，活性电极对用来测试汗腺汗液离子的电化学反应状况，惰性电极对用来进行自身校正。活性电极和惰性电极的有效测试面积均不小于0.1cm2，且活性电极和惰性电极的面积成倍数关系。电极与测试部位接触的一面为镜面，镜面粗糙度要求Ra值小于0.006微米，Rz值小于0.01微米。

权利要求书
1.  一种非介入检测汗腺汗液离子状况的传感器，其特征在于，传感器由一对活性电极和一对惰性电极构成；活性电极对用来测试汗腺汗液离子的电化学反应状况，惰性电极对用来对活性电极测试出来的电化学信号进行自身校正。

2.  根据权利要求1所述的一种非介入检测汗腺汗液离子状况的传感器，其特征在于，传感器的阳极是由同侧的一个活性电极和一个惰性电极组成，阴极是由另一侧的一个活性电极和另外一个惰性电极组成。

3.  根据权利要求1所述的一种非介入检测汗腺汗液离子状况的传感器，其特征在于，活性电极对和惰性电极对以并联的方式连接到测量电路中。

4.  根据权利要求1所述的一种非介入检测汗腺汗液离子状况的传感器，其特征在于，在施加0.5～12V直流电的条件下，活性电极对能与汗液中的氢离子或氯离子产生电化学反应，惰性电极不与汗液中任何离子产生化学反应。

5.  根据权利要求1所述的一种非介入检测汗腺汗液离子状况的传感器，其特征在于，活性电极是镍电极或银/氯化银电极，优选镍电极。

6.  根据权利要求1所述的一种非介入检测汗腺汗液离子状况的传感器，其特征在于，惰性电极是铜电极或钛电极，优选铜电极。

7.  根据权利要求1所述的一种非介入检测汗腺汗液离子状况的传感器，其特征在于，活性电极和惰性电极的有效测试面积均不小于0.1cm2，镍电极与铜电极相互不接触，且活性电极和惰性电极的面积成倍数关系。

8.  根据权利要求1～7所述的电极，其特征在于，电极的形状是片（块）状，也可以是圆柱状、半圆柱状、弧状或半弧状。

9.  根据权利要求1所述的一种非介入检测汗腺汗液离子状况的传感器，其特征在于，电极与测试部位接触的一面为镜面，镜面粗糙度要求Ra值小于0.006微米，Rz值小于0.01微米。

10.  根据权利要求9所述的电极抛光，其特征在于，加工方法可以是研磨抛光、电化学抛光、磁变流体抛光的一种；抛光加工后的电极表面不能有除电极本身材质外的任何残留材质。

11.  根据权利要求1和5所述的镍电极，其特征在于，制备镍电极的原材料为纯度99.5%以上的镍。

12.  根据权利要求1、5和11所述的镍电极，其特征在于，原材料镍的形态是硬态，硬度HV大于180；原材料镍的表面粗糙度小于0.01微米，板材平整度小于0.05微米，厚度公差尺寸小于0.05微米。

13.  根据权利要求1和6所述的铜电极，其特征在于，制备铜电极的原材料为纯度99.5%以上的铜。

14.  根据权利要求1、6和13所述的铜电极，其特征在于，原材料铜的形态为硬态，硬度HV大于180；原材料铜的表面粗糙度小于0.01微米，板材平整度小于0.05微米，板材厚度公差尺寸小于0.05微米。

说明书一种非介入检测汗腺汗液离子状况的传感器
技术领域
本发明涉及生化传感器领域，具体地涉及一种非介入检测汗腺汗液离子状况的传感器。
背景技术
自主神经是完整神经的一个不可缺少的组成部分，其分布到皮肤上的纤维与感觉纤维分布相同，感觉消失区与无汗区相符合。支配汗腺的自主神经纤维主要为胆碱能神经纤维。神经纤维损伤后感觉丧失区内的皮肤干燥无汗，随着神经的再生，出汗逐渐增多。因此检查泌汗功能，能判断神经损伤及再生的程度。
目前临床中关于泌汗功能的检查主要包括泌汗轴突反射定量试验、汗印试验、温控排汗试验等，但大多由于较复杂、方法操作繁琐、设备昂贵不易实施；或受周围环境、温度影响，难以客观定量，而不适用于临床研究。中国专利（申请号为201120399122.4）一种汗腺活动传感器及心理测试仪，包括电源单元、保护电阻单元、平行板电容单元和电压信号输出单元，平行板电容单元的两极板间用于承载被检测部位，电压信号输出单元用于根据平行板电容电源输出电压信号。
交感神经皮肤电反应（SSR）是人体接受刺激后出现的皮肤反射性电位，它来源于交感神经传出纤维释放冲动诱发汗腺的同步活动，属于催汗运动。临床发现很多糖尿病患者下肢SSR异常率高于上肢， 糖尿病自主神经病的特点为起病隐匿，进展缓慢，下肢的症状重于上肢，且先于上肢出现，感觉障碍重于运动障碍，下肢神经传导速度的异常率高于上肢。自主神经功能损害可能与感觉神经损害的特点相似，或者由于下肢传导路长、易衰减有关。糖尿病患者的SSR与病程呈正相关，即发病时间越长，合并有自主神经功能障碍的发病率也越高，SSR异常也越明显。所以SSR是一种敏感的定量检查自主神经功能的方法，对早期诊断糖尿病患者自主神经功能损害是一个较为敏感的非创伤性手段。然而其受环境和受试者的状态影响很大，降低了测试结果的可靠程度。
因此需要提供一种简单、无创伤且能快速检测汗腺排汗性问题的技术手段和设备。
汗腺遍布全身皮肤，汗腺分泌汗液，经导管部排泄到皮肤表面，能湿润皮肤，排出部分水和离子，有助于调节体温和水盐平衡。汗腺又分为大汗腺和小汗腺，小汗腺的分布极广，遍及全身各处，总数共约有160～400万个，不同人种和个体差异很大。小汗腺有活动性汗腺和非活动性汗腺之分，分泌活动受气温和湿度的影响，分泌液以水分为主。小汗腺的分泌密度因部位而异，手掌，脚掌密度最大，其次为额部，手背，再次为四肢，躯干最少。
汗液可分为无机成分和有机成分两类，无机成分主要是氯化钠、碳酸钙等盐类。维持体内的盐平衡和电平衡，还有传导神经冲动。汗液中，钙离子浓度约为2.25～2.58mmol/l，钾离子浓度约为3.5～5.5 mmol/l，钠离子浓度约为135～145mmol/l，氯离子浓度约为95～105mmol/l。
氯离子起着各种生理学作用。许多细胞中都有氯离子通道，它主要负责控制静止期细胞的膜电位以及细胞体积；在膜系统中，特殊神经元里的氯离子可以调控甘氨酸和γ-氨基丁酸的作用，氯离子还与维持血液中的酸碱平衡有关。体液中的氯离子和氢离子浓度不会因年龄的增长而改变。通常，人在20岁以后体液氯化物浓度基本保持平稳，从而可以保证电化学检测汗液离子状况时检测不受年龄的限制。
用电化学测试汗腺汗液离子状况，是通过施加在皮表的电化学装置，在特定的电压下，产生电化学反应。在置于皮表上的电化学装置施加一个电压，阳离子被吸附到阴极、阴离子被吸附到阳极。
在低直流电压下，脂肪层具有很高的电容，通常汗液中的离子不能穿过组织角质层。汗液中的离子在此电场中，唯一移动的途径就是汗腺的汗管，因而在电化学测试汗液离子的时候，测试结果不会随外界环境的改变而变化，因而可以保证检测的可行性和一致性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非介入检测汗腺汗液离子状况的传感器，运用反向离子法和电化学法原理，在施加特定电压（0.5～12V）条件下，通过测试汗液氯离子或氢离子状况来精确地反应生理状况或健康状况。
为实现上述目的，本发明的解决方案是发明一种非介入检测汗腺汗液离子状况的传感器，具体如下：
本发明的第一方面提供了一种用来检测皮肤汗腺离子状况变化的传感器，包括一对用来测试汗腺汗液离子的电化学反应状况活性电极对，以及一对用来对活性电极对测试出来的电化学信号进行自身校正的惰性电极对，活性电极对和惰性电极对是以并联的方式接到外部的测量电路中。传感器的阳极是由同侧的一个活性电极和一个惰性电极组成，阴极是由另一侧的一个活性电极和另外一个惰性电极组成。传感器的在外部施加特定电压的条件下，活性电极能与汗腺汗液中的氯离子或氢离子产生电化学反应，而惰性电极不能与汗腺汗液任何离子产生电化学反应。传感器的活性电极感知的信号是包括电化学反应信号在内的多种信号的混合信号，该信号受测试者自身的状态的影响；为消除影响，采用惰性电极信号对其进行自身校正。
优选地，传感器放置部位是受试者小汗腺发达的部位，如背部、额头、四肢等部位的皮表，更优选地部位是下肢脚掌或上肢手掌。
优选地，活性电极是镍电极或银/氯化银电极等，更优选地是镍电极，用来感知电化学反应。
优选地，惰性电极是铜电极或钛电极等，更优选地是用来作为自身校正电极。
本发明的第二方面提供了一种用来检测皮肤汗腺离子状况变化的传感器的制备方法，包括活性电极的治制备方法以及惰性电极的制备方法。
优选地，镍电极和铜电极的加工方法可以是电化学抛光、研磨抛光、磁变流体抛光的一种。
进一步地，镍电极表面电化学抛光加工流程为：超声波化学除油→水洗→酸洗→水洗→电化学除油→水洗→酸洗→水洗→电化学抛光→水洗→水洗→水洗→烘干。电化学抛光的工艺参数如下表1。
表1 镍电极电化学抛光工艺参数
原材料及操作条件工艺范围磷酸65%硫酸15%铬酐6%水14%密度1.74电压12-18/V阴极电流密度30-40A/dm2温度室温时间0.3-2min阴极材料铅板
经过电化学抛光加工后，表面粗糙度达到0.003微米。
进一步地，铜电极表面电化学抛光工艺流程为：除油→铜抛光→清洗→蒸馏水或去离子水清洗→浸RT防铜变色剂→蒸馏水或去离子水清洗→离心干燥或压缩空气吹干或烘干(温度70～90℃)。电化学抛光的工艺参数如下表2。
表2 电极电化学抛光工艺参数
原料及操作条件工艺范围磷酸800ml/L添加剂A100ml/L添加剂B100ml/L温度10-30℃阳极电流密度5-6A/dm2电压6-12V时间1-8min阴极不锈钢
进一步地，镍电极表面研磨抛光工序为粗磨、精磨、粗抛、精抛。研磨液为金刚砂研磨液，研磨时间分别为40分钟、40分钟、30分钟、40分钟。研磨后进行超声清洗，烘干，密封包装。
经上述研磨抛光后，镍电极表面粗糙度为0.004微米。
进一步地，铜电极表面加工研磨抛光工序为粗磨、精磨、粗抛、精抛。研磨液为金刚砂研磨液，研磨时间分别为30分钟、20分钟、20分钟、40分钟。研磨后进行超声清洗，烘干，密封包装。
铜电极经过抛光之后必须经过钝化处理才能保证抛光后的产品不会被氧化。钝化工艺如下表3。
表3 铜电极钝化工艺参数
原料及操作条件工艺范围铜仿变色剂50ml/L水950ml/L温度室温时间1-2min
优选地，加工后的镍电极和铜电极表面不能有除电极本身材质外的任何残留材质。
优选地，选取纯度为99.5%以上的镍为制备镍电极的原材料。
进一步地，镍电极原材料镍的形态为硬态，硬度HV大于180；表面粗糙度小于0.01微米，板材平整度小于0.05微米，厚度公差尺寸小于0.05微米。
优选地，选取纯度为99.5%以上的铜作为制备铜电极的原材料。
进一步地，铜电极原材料铜的形态为硬态，硬度HV大于180；表面粗糙度小于0.01微米，板材平整度小于0.05微米，板材厚度公差尺寸小于0.05微米。
优选地，镍电极和铜电极的形状可以是片（块）状，也可以是圆柱状，或半圆柱状等。
优选地，镍电极和铜电极的有效测试面积均不小于0.1cm2，镍电极与铜电极相互不接触，且镍电极和铜电极的面积成倍数关系，更优选地，面积相等。
优选地，与皮表部位接触的镍/铜电极表面加工成镜面，镜面粗糙度Ra值小于0.006微米，Rz值小于0.01微米。
本发明运用反向离子法和电化学法原理，采用惰性电极进行活性电极信号的自身校正，可以将环境干扰信号消除，因而，灵敏度高、测试的离子浓度范围宽，结果准确。同时，本发明测试的是汗腺汗管中汗液离子变化，该离子的变化是由于患者自身机能（如自主神经的变化，心脏病等）的影响导致，是非突变性的。因而本传感器可用于与自主神经、心脏等相关的疾病检测。
附图说明
图1是传感器结构示意图；
图2是实施例一传感器阳极（或阴极）剖面示意图；
图3是实施例二传感器电极剖面示意图；
图4是实施例三传感器电极横向剖面示意图；
图5是实施例三传感器阳极剖面示意图
图6是经过电化学抛光后镍电极表面放大50倍图
图7是经研磨抛光后镍电极表面放大150倍图
图中1是传感器阳极，2是传感器阴极，1a是阳极镍电极，1b是阳极铜电极，2a是阴极镍电极，2b是阴极铜电极，3是绝缘棒。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明作进一步的说明。下面的说明是采用例举的方式，但本发明的保护范围不应局限于此。
图1是以下实施例传感器结构示意图：其中1为阳极，由一个活性镍电极1a和惰性铜电极1b组成；其中2为阴极，由一个活性镍电极2a和惰性铜电极2b组成。其中镍电极和铜性电极分别通过导线与外部测量电路相连，连接方式为并联方式。
实施例一：
图2为本实施例传感器阳极（或阴极）的剖面示意图。
镍电极和铜电极的有效测试面积均为200cm2，形状为正方形，镍电极与铜电极之间不接触。镍电极表面粗糙度Ra值为0.003微米，Rz值0.007微米，铜电极表面粗糙度Ra值为0.003微米，Rz值0.006微米。
实施例二：
图3为本实施例传感器电极剖面示意图：其中1为阳极，由一个半圆柱形的活性镍电极1a和一个半圆柱形惰性铜电极1b组成；其中2为阳极，由一个半圆柱形的活性镍电极2a和一个半圆柱形惰性铜电极2b组成；其中镍电极和铜性电极分别通过导线与外部测量电路相连，连接方式为并联方式。
镍电极和铜电极的半径相等，为20mm，在保证有效测试面积的前提下，其他半径也可以考虑。镍电极与铜电极之间不接触。镍电极表面粗糙度Ra值为0.004微米，铜电极表面粗糙度Ra值为0.004微米。
实施例三：
图4为本实施例传感器电极横向剖面示意图。其中3是一塑胶绝缘棒，外面包覆一弧形镍片作为活性镍电极以及一弧形铜片作为铜电极。其中镍电极和铜电极分别通过导线与外部测量电路相连，连接方式为并联方式。镍电极和铜电极的有效测试面积均为100cm2，镍电极与铜电极之间不接触。镍电极表面粗糙度Ra值为0.004微米，铜电极表面粗糙度Ra值为0.004微米。
图5为本实施例传感器阳极剖面示意图。
以上三个实施例的传感器电极加工方法采用电化学抛光法或研磨抛光法。
镍电极表面加工电化学抛光方法：镍材料为99.9%纯镍板，长60mm，宽50mm，厚3mm，冷扎板材，硬度HV为220，表面粗糙度0.01微米，板材平整度0.05微米。不加工的一面焊接螺钉，从而保护电极以防止被腐蚀。进行电化学抛光，加工流程如下：
超声波化学除油→水洗→酸洗→水洗→电化学除油→水洗→酸洗→水洗→电化学抛光→水洗→水洗→水洗→烘干。
电化学抛光的工艺参数如下：
原材料及操作条件工艺范围磷酸65%硫酸15%铬酐6%水14%密度1.74电压12-18/V阴极电流密度30-40A/dm2温度室温时间0.3-2min阴极材料铅板
经过电化学抛光加工后，表面粗糙度达到0.003微米，图6为经过电化学抛光后放大50倍镍电极表面图。
铜电极表面加工电化学抛光方法：铜材料为99.9%纯铜板，长60mm，宽50mm，厚3mm，冷扎板材，表面粗糙度0.01微米，板材平整度0.05微米。
电化学抛光工艺流程：除油→铜抛光→清洗→蒸馏水或去离子水清洗→浸RT防铜变色剂→蒸馏水或去离子水清洗→离心干燥或压缩空气吹干或烘干(温度70～90℃)，电化学抛光工艺参数如下。
原料及操作条件工艺范围磷酸800ml/L添加剂A100ml/L添加剂B100ml/L温度10-30℃阳极电流密度5-6A/dm2电压6-12V时间1-8min阴极不锈钢
镍电极表面加工研磨抛光方法：镍材料为99.9%纯镍板，长120mm，宽60mm，厚3mm，冷扎板材，硬度HV为280，表面粗糙度0.01微米，板材平整度0.06微米。研磨工序为粗磨、精磨、粗抛、精抛四道工序，研磨液为金刚砂研磨液，研磨时间分别为40分钟、40分钟、30分钟、40分钟。研磨后进行超声清洗，烘干，密封包装。
经上述研磨抛光后，镍电极表面粗糙度为0.004微米。图7为经研磨抛光后放大150倍镍电极表面图。
铜电极表面加工研磨抛光方法：铜材料为99.9%纯铜板，长120mm，宽60mm，厚3mm，冷扎板材，表面粗糙度0.01微米，板材平整度0.05微米。研磨工序为粗磨、精磨、粗抛、精抛四道工序，研磨液为金刚砂研磨液，研磨时间分别为30分钟、20分钟、20分钟、40分钟。研磨后进行超声清洗，烘干，密封包装。
铜电极经过抛光之后必须经过钝化处理才能保证抛光后的产品不会被氧化。钝化工艺如下：
原料及操作条件工艺范围铜仿变色剂50ml/L水950ml/L温度室温时间1-2min