本申請要求享有2014年8月11日提交的第62/035,823號美國臨時(shí)專利申請和2015年4月3日提交的第62/142,877號美國臨時(shí)專利申請的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)，每個(gè)所述美國臨時(shí)專利申請以整體引用的方式納入本文。關(guān)于聯(lián)邦政府贊助研究或開發(fā)的聲明不適用。
背景技術(shù)：
：：新興的可穿戴的傳感器技術(shù)為連續(xù)的個(gè)人健康/保健評估、法醫(yī)檢查、患者監(jiān)控以及運(yùn)動(dòng)識別提供有吸引力的解決方案。表皮電子器件中的最新進(jìn)展通過實(shí)現(xiàn)與皮膚緊密接觸以供長期、可靠的健康監(jiān)控的物理樣式提供許多種類的皮膚安裝的傳感器和相關(guān)聯(lián)的電子器件。在這樣的器件中，一個(gè)重要測量模式可能涉及體液(例如，血液、間質(zhì)流體、汗液、唾液和淚液)的分析，以增加對生理健康的各個(gè)方面的深入了解。通常在可穿戴的傳感器且尤其是表皮電子器件中，這樣的功能相對而言未被探索?，F(xiàn)有的器件或是使用復(fù)雜的用于樣品處理的微流體系統(tǒng)，或是單純涉及基于濃度的測量而沒有樣品收集和存儲(chǔ)或?qū)εc數(shù)量和速率相關(guān)的參數(shù)的訪問。另外，維持這些器件與皮膚的接觸通常需要的機(jī)械固定裝置、系帶(strap)和/或膠帶(tape)不是非常適合于連續(xù)的、長期監(jiān)控且沒有不舒適。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：公開了用于監(jiān)控生物流體的皮膚安裝的器件或表皮器件以及方法。所述器件包括一個(gè)機(jī)械(mechanically)匹配和/或熱(thermally)匹配到皮膚以提供持久粘附以供長期穿戴的功能襯底。該功能襯底允許生物流體從皮膚到測量和/或檢測生物參數(shù)(諸如，生物流體產(chǎn)生速率、生物流體體積和生物標(biāo)記濃度)的一個(gè)或多個(gè)傳感器的微流體運(yùn)輸。所述器件內(nèi)的傳感器可以是機(jī)械的、電子的或化學(xué)的，其中比色指示器是通過裸眼可觀察的或用便攜式電子器件(例如，智能手機(jī))可觀察的。通過監(jiān)控個(gè)體的健康狀態(tài)隨時(shí)間的改變，所公開的器件可以提供異常狀況的早期指示。本文中所公開的表皮器件可以用來監(jiān)控參數(shù)，諸如，溫度、壓力、電勢、阻抗和生物標(biāo)記濃度?？梢酝ㄟ^所公開的器件檢測的分析物包括但不限制于鐵離子、銅離子、鉻離子、汞離子、鈉離子、鉀離子、鈣離子、氯離子、水合氫離子、氫氧化物、銨、碳酸氫鹽、尿素、乳酸鹽、葡萄糖、肌酸酐、乙醇、酮、亞硝酸鹽、硝酸鹽、尿酸、谷胱甘肽、血尿素氮(BUN)、人血清白蛋白(HSA)、高靈敏度C-反應(yīng)蛋白(hs-CRP)、白細(xì)胞介素6(IL-6)、膽固醇、腦尿鈉肽(BNP)和糖蛋白。表1.生物流體的實(shí)施例以及它們的相應(yīng)采樣方法表2.用于定量比色檢測的潛在生物標(biāo)記所公開的器件可以通過機(jī)械機(jī)制、電機(jī)制和/或熱機(jī)制(包括但不限制于表面芯吸、微針提取、反向離子電滲和/或熱微磨損)來使生物流體流通和訪問生物流體。在一個(gè)實(shí)施方案中，一個(gè)器件包括至少一個(gè)微針或一個(gè)微針陣列，用于訪問間質(zhì)流體或血液。微針可以例如是使用已知的微加工技術(shù)由聚合物材料、硅或玻璃制造的。公開了一些用于制作和使用微針和微針陣列的方法，例如，在E.V.Mukerjee中，“Microneedlearrayfortransdermalbiologicalfluidextractionandinsituanalysis”，SensorsandActuatorsA,114(2004)267-275。在一個(gè)實(shí)施方案中，一個(gè)微針或微針陣列可以被布置在一個(gè)表皮器件的一個(gè)表面處，例如，在微通道開口處。一方面，一種用于監(jiān)控生物流體的器件包括：一個(gè)功能襯底，其被機(jī)械匹配到皮膚；其中該功能襯底提供該生物流體的微流體運(yùn)輸；以及至少一個(gè)傳感器，其由該功能襯底支撐。一方面，一種用于監(jiān)控生物流體的器件包括：一個(gè)功能襯底，其被熱匹配到皮膚；其中該功能襯底提供該生物流體的微流體運(yùn)輸；以及至少一個(gè)傳感器，其由該功能襯底支撐。一方面，一種用于監(jiān)控生物流體的器件包括：一個(gè)功能襯底，其提供該生物流體穿過一個(gè)或多個(gè)微流體通道的微流體運(yùn)輸，所述一個(gè)或多個(gè)微流體通道的每個(gè)具有大體上均勻的側(cè)向尺寸；以及至少一個(gè)傳感器，其由該功能襯底支撐。在一個(gè)實(shí)施方案中，一種用于監(jiān)控生物流體的器件還包括一個(gè)用于從受試者提取間質(zhì)流體或血液的部件。例如，該用于提取間質(zhì)流體或血液的部件可以選自微針部件、反向離子電滲(reverseiontophoresis)部件和熱微磨損(microabrasion)部件。在一個(gè)實(shí)施方案中，功能襯底是彈性體襯底。在一個(gè)實(shí)施方案中，該功能襯底是大體上無色的且大體上透明的。在一個(gè)實(shí)施方案中，該功能襯底具有小于或等于100MPa且可選地在一些實(shí)施方案中小于或等于10MPa的模量。在一個(gè)實(shí)施方案中，該功能襯底具有選自10kPa到10MPa的范圍且在一些實(shí)施方案中選自100kPa到1MPa的范圍的模量。在一個(gè)實(shí)施方案中，該功能襯底具有選自500μm到2mm的范圍且在一些實(shí)施方案中選自500μm到1mm的范圍的厚度。在一些實(shí)施方案中，該功能襯底選自由聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯、纖維素紙、纖維素海綿、聚氨酯海綿、聚乙烯醇海綿、硅樹脂海綿、聚苯乙烯、聚酰亞胺、SU-8、蠟狀物、烯烴共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚碳酸酯組成的組。在一些實(shí)施方案中，該功能襯底具有大于或等于2.0的電介質(zhì)常數(shù)。在一些實(shí)施方案中，該功能襯底具有選自2.20到2.75的范圍的電介質(zhì)常數(shù)。在一些實(shí)施方案中，該功能襯底具有小于或等于700mm2的側(cè)向尺寸或直徑。在一些實(shí)施方案中，該功能襯底對于該生物流體具有大于或等于0.2g/hm2的滲透性。在一些實(shí)施方案中，該功能襯底具有選自1/℃(×10-6)到3/℃(×10-4)的范圍的熱膨脹系數(shù)。在一些實(shí)施方案中，該功能襯底具有大于或等于0.5的孔隙率。在一些實(shí)施方案中，微流體運(yùn)輸是經(jīng)由毛細(xì)作用力的自發(fā)微流體運(yùn)輸。在一些實(shí)施方案中，一種用于監(jiān)控生物流體的器件包括具有大體上均勻的側(cè)向尺寸的至少一個(gè)微流體通道。例如，該微流體通道可以具有選自1mm到7cm的范圍且可選地在一些實(shí)施方案中選自1cm到5cm的范圍的長度。在一些實(shí)施方案中，微流體通道具有選自100μm到1mm的范圍且可選地在一些實(shí)施方案中選自200μm到700μm的范圍的寬度。在一些實(shí)施方案中，該生物流體選自由汗液、淚液、唾液、齦溝液、間質(zhì)流體、血液以及其組合物組成的組。在一些實(shí)施方案中，該器件的一個(gè)傳感器是非pH比色指示器(colorimetricindicator)。在一些實(shí)施方案中，該器件的該傳感器可以包括電傳感器、化學(xué)傳感器、生物傳感器、溫度傳感器、阻抗傳感器、光學(xué)傳感器、機(jī)械傳感器或磁性傳感器。在一些實(shí)施方案中，該器件的該傳感器是LC共振器。在一些實(shí)施方案中，該器件還包括一個(gè)致動(dòng)器。例如，該致動(dòng)器可以生成電磁輻射、聲學(xué)能量、電場、磁場、熱量、RF信號、電壓、化學(xué)變化或生物學(xué)改變。在一些實(shí)施方案中，該致動(dòng)器包括加熱器、含有能夠?qū)е禄瘜W(xué)變化或生物改變的化學(xué)劑的儲(chǔ)器、電磁輻射源、電場源、RF能量源或聲學(xué)能量源。在一些實(shí)施方案中，該器件還包括一個(gè)發(fā)射器、接收器或收發(fā)器。在一些實(shí)施方案中，該器件還包括至少一個(gè)線圈。例如，該至少一個(gè)線圈可以是一個(gè)近場通信線圈或一個(gè)感應(yīng)線圈。在一些實(shí)施方案中，該至少一個(gè)線圈包括一個(gè)蛇形跡線。在一些實(shí)施方案中，該傳感器是一個(gè)比色指示器。例如，該比色指示器可以被布置在該功能襯底的一個(gè)腔內(nèi)。該腔可以通過一個(gè)微流體通道連接到該功能襯底的一個(gè)表面處的一個(gè)開口。在一些實(shí)施方案中，該比色指示器響應(yīng)于該生物流體中的分析物而改變顏色。在一些實(shí)施方案中，該比色指示器被嵌入選自由濾紙、聚甲基丙烯酸羥乙酯水凝膠(pHEMA)、瓊脂糖凝膠、溶膠-凝膠以及其組合物組成的組的基體(matrix)材料內(nèi)。在一些實(shí)施方案中，該比色指示器包括二氯化鈷鹽。在一些實(shí)施方案中，該比色指示器包括選自由葡萄糖氧化酶、過氧化物酶、碘化鉀以及其組合物組成的組的化學(xué)品。在一些實(shí)施方案中，該比色指示器包括選自乳酸脫氫酶、心肌黃酶、甲瓚染料以及其組合物的化學(xué)品。在一些實(shí)施方案中，該比色指示器包括與汞離子或鐵離子復(fù)合的2,4,6-三羥甲基氨基甲烷(2-吡啶基)均三嗪(TPTZ)。在一些實(shí)施方案中，該比色指示器包括2,2’-二辛可寧酸。在一些實(shí)施方案中，該比色指示器包括1,10-鄰二氮雜菲。在一些實(shí)施方案中，該比色指示器包括通用pH指示器。在一些實(shí)施方案中，該器件是皮膚安裝的傳感器。在一些實(shí)施方案中，該皮膚安裝的傳感器定量地和/或定性地監(jiān)控受試者的生物流體。在一些實(shí)施方案中，該器件具有的模量和厚度在受試者的皮膚的表皮層的模量和厚度的1000倍內(nèi)，可選地對于一些實(shí)施方案在受試者的皮膚的表皮層的模量和厚度的10倍內(nèi)，且可選地對于一些實(shí)施方案在受試者的皮膚的表皮層的模量和厚度的2倍內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件具有的平均模量等于或小于100倍的且可選地小于或等于10倍的界面處的皮膚的平均模量。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件具有的平均厚度小于或等于3000微米且可選地對于一些實(shí)施方案小于或等于1000微米。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，該器件具有的平均厚度是在1微米到3000微米的范圍上選擇的，可選地對于一些應(yīng)用是在1微米到1000微米的范圍上選擇的。在一些實(shí)施方案中，該器件具有的平均模量小于或等于100MPa，可選地對于一些實(shí)施方案小于或等于500kPa，可選地對于一些實(shí)施方案小于或等于200kPa，且可選地對于一些實(shí)施方案小于或等于100kPa。在一些實(shí)施方案中，該器件具有的平均模量選自0.5kPa到100MPa的范圍，可選地對于一些實(shí)施方案0.5kPa到500kPa的范圍，且可選地對于一些實(shí)施方案1kPa到100kPa的范圍。在一些實(shí)施方案中，該器件具有的凈抗彎剛度小于或等于1mNm，可選地對于一些實(shí)施方案小于或等于1nNm。在一些實(shí)施方案中，該器件具有的凈抗彎剛度選自0.1nNm到1Nm的范圍，可選地對于一些實(shí)施方案選自0.1nNm到1mNm的范圍，且可選地對于一些實(shí)施方案選自0.1nNm到1nNm的范圍。在一些實(shí)施方案中，該器件具有的覆蓋區(qū)(footprint)選自10mm2到2000cm2的范圍，且可選地選自300mm2到2000cm2的范圍。一方面，一種制作用于監(jiān)控生物流體的器件的方法包括：提供一個(gè)機(jī)械匹配到皮膚的功能襯底；其中該功能襯底提供該生物流體的微流體運(yùn)輸；以及提供由該功能襯底支撐的至少一個(gè)傳感器。一方面，一種制作用于監(jiān)控生物流體的器件的方法包括：提供一個(gè)熱匹配到皮膚的功能襯底；其中該功能襯底提供該生物流體的微流體運(yùn)輸；以及提供由該功能襯底支撐的至少一個(gè)傳感器。一方面，一種制作用于監(jiān)控生物流體的器件的方法包括：提供一個(gè)功能襯底，該功能襯底提供該生物流體穿過一個(gè)或多個(gè)微流體通道的微流體運(yùn)輸，所述一個(gè)或多個(gè)微流體通道中的每個(gè)具有大體上均勻的側(cè)向尺寸；以及提供由該功能襯底支撐的至少一個(gè)傳感器。一方面，一種用于監(jiān)控生物流體的方法包括：提供一個(gè)包括機(jī)械匹配到皮膚的功能襯底的器件；其中該功能襯底提供該生物流體的微流體運(yùn)輸；以及由該功能襯底支撐的至少一個(gè)傳感器；將該器件施加到受試者的皮膚；以及從所述至少一個(gè)傳感器獲得數(shù)據(jù)；其中所述數(shù)據(jù)提供關(guān)于該受試者的該生物流體的定量信息和/或定性信息。一方面，一種用于監(jiān)控生物流體的方法包括：提供一個(gè)包括熱匹配到皮膚的功能襯底的器件；其中該功能襯底提供該生物流體的微流體運(yùn)輸；以及由該功能襯底支撐的至少一個(gè)傳感器；將該器件施加到受試者的皮膚；以及從所述至少一個(gè)傳感器獲得數(shù)據(jù)；其中所述數(shù)據(jù)提供關(guān)于該受試者的該生物流體的定量信息和/或定性信息。一方面，一種用于監(jiān)控生物流體的方法包括：提供一個(gè)功能襯底，所述功能襯底提供該生物流體穿過一個(gè)或多個(gè)微流體通道的微流體運(yùn)輸，所述一個(gè)或多個(gè)微流體通道中的每個(gè)具有大體上均勻的側(cè)向尺寸；以及由該功能襯底支撐的至少一個(gè)傳感器；將該器件施加到受試者的皮膚；以及從所述至少一個(gè)傳感器獲得數(shù)據(jù)；其中所述數(shù)據(jù)提供關(guān)于該受試者的該生物流體的定量信息和/或定性信息。附圖說明圖1.(a)設(shè)計(jì)成用于感測來自皮膚表面的汗液的無源無線電容性傳感器的示意性例示。(b)縱向變形狀態(tài)的器件的圖片和(c)橫向變形狀態(tài)的器件的圖片以及(d)在手指之間褶皺的器件的圖片。(e)未變形配置、(f)單向拉伸配置以及(g)雙向拉伸配置的安裝在皮膚上的器件的圖片。圖2.(a)在涂覆有薄硅樹脂膜的PUR襯底上的傳感器的掃描電子顯微照片；以黃色著色的區(qū)域代表叉指式金電極。(b)在志愿者的臂上用于體內(nèi)測試的汗液傳感器和參考傳感器的圖片。(c)在初級線圈下面的汗液傳感器的圖片。插入到該傳感器內(nèi)的注射器針通過注射器泵遞送受控量的緩沖溶液。(d)示出了在引入0.6mL緩沖溶液之后該傳感器的響應(yīng)(共振頻率，f0)作為時(shí)間的函數(shù)(被標(biāo)注為1)的代表性數(shù)據(jù)。初始響應(yīng)(被標(biāo)注為2)對應(yīng)于該溶液到多孔襯底內(nèi)的芯吸，以在f0下產(chǎn)生穩(wěn)定的總體偏移(被標(biāo)注為3)。因?yàn)樵撊芤涸诮酉聛淼膸讉€(gè)小時(shí)內(nèi)蒸發(fā)，所以f0近似恢復(fù)到初始值。插圖示出了在主框中指示的三個(gè)時(shí)間點(diǎn)處通過該初級線圈測量的相位差。(e、f)對兩名志愿者測試的結(jié)果，與使用緊挨著所述傳感器放置的類似的多孔襯底(不具有檢測線圈)評價(jià)的重量改變比較。示出了f0和由f0校準(zhǔn)的傳感器的重量，連同與參考襯底的重量的比較。(g)在從0到27％的雙向應(yīng)變下傳感器的相位響應(yīng)。(h)相位響應(yīng)作為氯化鈉的濃度(從0到4.5g/L)的函數(shù)。(i)在0.6mL緩沖溶液的受控注射期間CP襯底上的汗液傳感器的f0的改變作為時(shí)間的函數(shù)。圖3.(a)基于不同多孔襯底的無線汗液傳感器。(b)為了促進(jìn)傳感器和襯底之間的化學(xué)粘合而涂覆有薄硅樹脂層的襯底的SEM圖像。(c)與沉浸在水中相關(guān)聯(lián)的不同襯底材料的重量增加。(d)襯底材料的孔隙率。(e)襯底材料的條帶在被部分地沉浸到具有紅色染料的水中時(shí)的圖像。(f)襯底材料的水滲透性。圖4.(a)例示了基于透明度隨水吸收而系統(tǒng)增加的簡單比色檢測方案的圖像。(b)對于與(a)中例示的傳感器類似的傳感器，RGB強(qiáng)度的比率作為水吸收的函數(shù)。(c)對應(yīng)于一個(gè)傳感器和由于水吸收而造成的它的膨脹的圖像和矢量圖。(d)一個(gè)摻雜有pH指示器的傳感器的一系列圖片，每個(gè)圖片是在不同pH值的吸收水的情況下收集的。(e)在不同的pH值下RGB通道的吸光度。(f)在不同的銅濃度下RGB通道的吸光度。(g)在不同的鐵濃度下RGB通道的吸光度。圖5.(a)同軸電纜探針在與注射有0.6mL緩沖溶液的CP襯底和PUR襯底上的傳感器接觸時(shí)的電容值。(b)在從25℃到45℃的溫度下汗液傳感器的穩(wěn)定性。(c)硅樹脂襯底上的汗液傳感器的f0響應(yīng)于0.6mL緩沖溶液的注射的時(shí)間變化。(d)在3小時(shí)的延長周期內(nèi)在干燥狀態(tài)下傳感器輸出的漂移和穩(wěn)定性。圖6.(a)在0到27％的應(yīng)變下通過兩個(gè)垂直的拉伸器雙向拉伸傳感器。(b)該傳感器的表面面積響應(yīng)于水吸收的膨脹。圖7.(a)多孔材料的SEM圖像，示出PUR和硅樹脂敷料的孔是均勻的以及RCS、PVAS和CP的孔是無定形的。(b)通過將多孔材料的條帶部分地沉浸到用紅色顏色染色的水內(nèi)執(zhí)行的接觸角測量，并且記錄在兩種材料的界面處的角。圖8.(a)當(dāng)游離銅濃度從0改變到1mg/L時(shí)傳感器中的顏色改變，(b)當(dāng)鐵濃度從0改變到0.8mg/L時(shí)傳感器中的顏色改變。圖9.(a)-(g)無線汗液傳感器的制造過程。圖10.包括一個(gè)近場通信線圈的比色傳感器的分解視圖。圖11.粘附到受試者的皮膚的圖10的器件的照片。圖12.制造方法和在皮膚上的粘附測試。圖13.使用注射器以12μL/hr的速率供給人造汗液的人造汗液孔測試。圖14.使用用于自監(jiān)控和早期診斷的汗液傳感器對各種生物標(biāo)記的比色檢測。圖15.例示了可以用來確定出汗體積和出汗速率的反應(yīng)劑的顏色改變的吸收頻譜。圖16.例示了可以用來確定汗液pH的反應(yīng)劑的顏色改變的吸收頻譜和圖例，汗液pH可以與鈉濃度相關(guān)聯(lián)，向使用者指示與水化合的恰當(dāng)時(shí)間。圖17.例示了可以用來確定汗液中的葡萄糖濃度的反應(yīng)劑的顏色改變的吸收頻譜和圖例，汗液中的葡萄糖濃度可以與血液葡萄糖濃度相關(guān)聯(lián)。圖18.例示了可以用來確定汗液中的乳酸鹽濃度的反應(yīng)劑的顏色改變的吸收頻譜和圖例，汗液中的乳酸鹽濃度可以提供休克、低氧和/或運(yùn)動(dòng)不耐受的指示。圖19.納入比色生物標(biāo)記指示器的汗液傳感器提供可以通過裸眼觀察的和/或通過檢測器件(諸如，智能手機(jī))無線地觀察的定性數(shù)據(jù)和定量數(shù)據(jù)。圖20.(A)與無線通信電子器件合并的提供出汗體積和出汗速率以及汗液中的生物標(biāo)記濃度的信息的表皮微流體汗液傳感器的示意性例示。(B)柔性的且可拉伸的表皮微流體的制造過程。(C)在各種機(jī)械應(yīng)力下安裝在皮膚上的制造的汗液傳感器的圖片。圖21.(A)指示用于汗液分析的信息檢測方案的所制造的表皮汗液傳感器的圖片。(B)裝配的體外人造汗液孔系統(tǒng)。(C)施加在人造孔隔膜(membrane)上的汗液傳感器的光學(xué)圖像。(D)人造孔隔膜的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。插圖示出了單個(gè)孔的放大圖像。(E)當(dāng)模擬出汗事件5小時(shí)時(shí)人造汗液孔系統(tǒng)上的汗液補(bǔ)片的代表性圖像。在微流體系統(tǒng)內(nèi)連續(xù)地流動(dòng)的汗液連同相應(yīng)地顏色改變。圖22.汗液中的關(guān)鍵生物標(biāo)記的分析比色檢測和相應(yīng)的紫外-可見頻譜。(A)無水氯化鈷(II)(藍(lán)色)和六水合氯化鈷(II)(淡粉色)的頻譜。在頻譜中呈現(xiàn)的顏色對應(yīng)于用裸眼觀察的顏色。(B)濾紙所得到的顏色改變的光學(xué)圖像作為各種pH值和分析物濃度的函數(shù)。(C)用在pH5.0-8.5的范圍內(nèi)的各種緩沖溶液的通用pH化驗(yàn)的頻譜。(D-F)汗液中的生物標(biāo)記的頻譜作為分析物的濃度的函數(shù):葡萄糖(D)、乳酸鹽(E)和氯化物(F)。每個(gè)頻譜呈現(xiàn)的顏色對應(yīng)于在紙基比色結(jié)果上展現(xiàn)的顏色，所述顏色被呈現(xiàn)在圖像(B)中。插圖指示與光學(xué)圖像(B)中的濃度對應(yīng)的相應(yīng)的分析物的校準(zhǔn)曲線。所有頻譜是在室溫下確定的。圖23.(A)與近場通信電子器件合并的制造的汗液傳感器的圖像。(B)經(jīng)由智能手機(jī)進(jìn)行無線通信的展示圖片。RGB信息是使用安卓圖像分析應(yīng)用確定的。圖24.(A)與無線通信電子器件和粘合劑層合并的、提供關(guān)于出汗體積和出汗速率以及汗液中的生物標(biāo)記的濃度的信息的表皮微流體汗液傳感器的示意性例示。(B)施加到表皮微流體汗液傳感器的圖像處理標(biāo)記的示意性例示。圖25.水損失作為出口通道(A)寬度和(B)長度的函數(shù)的圖形表示。圖26.通道內(nèi)部的背壓的圖形表示，示出較短的出口通道和較大的通道寬度產(chǎn)生較低的背壓。圖27.(A)由于壓力而變形的微流體通道的橫截面的示意性例示。(B)表皮微流體汗液傳感器的截面的俯視透視圖的示意性例示，示出了微流體通道的寬度。(C)示出為由于壓力造成的體積改變的變形的圖形表示。圖28.(A)使用測力計(jì)(Mark-10，Copiague，NY)的用于90°剝離粘附屬性測試(標(biāo)準(zhǔn)ISO29862:2007)的實(shí)驗(yàn)裝置。(B)用測力計(jì)粘附在皮膚上的保持器件的圖像和(C)在90°角下剝離器件的圖像(C)。(D)當(dāng)使器件以300mm/min的速率移位時(shí)的力測量，由灰色區(qū)域指示發(fā)生剝離的面積。確定的平均剝離力是5.7N。圖29.肌酸酐的比色測定。(A)在多種肌酸酐濃度(即，15-1000μM)下的紫外-可見頻譜和(B)基于此頻譜構(gòu)建的校準(zhǔn)。每個(gè)頻譜呈現(xiàn)的顏色對應(yīng)于作為肌酸酐濃度的函數(shù)在紙基比色檢測儲(chǔ)器上展現(xiàn)的顏色，所述顏色被呈現(xiàn)在光學(xué)圖像(C)中。圖30.乙醇的比色測定。(A)在多種乙醇濃度(即，0.04％-7.89％(w/v))下的紫外-可見頻譜，以及(B)基于此頻譜構(gòu)建的校準(zhǔn)。每個(gè)頻譜呈現(xiàn)的顏色對應(yīng)于作為乙醇濃度的函數(shù)在紙基比色檢測儲(chǔ)器上展現(xiàn)的顏色，所述顏色被呈現(xiàn)在光學(xué)圖像(C)中。圖31.(A)-(D)多種微流體汗液傳感器設(shè)計(jì)。圖32.多種類型的環(huán)狀通道設(shè)計(jì)和相應(yīng)地計(jì)算出的通道屬性。具體實(shí)施方式總之，本文中所使用的術(shù)語和短語具有它們的領(lǐng)域公認(rèn)的含義，可以通過參考標(biāo)準(zhǔn)文本、雜志參考文獻(xiàn)和本領(lǐng)域技術(shù)人員知曉的背景找到這些術(shù)語和短語。提供了以下定義以澄清它們在本發(fā)明的背景下的特定用途?！肮δ芤r底”指用于器件的襯底部件，其除了為布置在襯底上或內(nèi)的部件提供機(jī)械支撐外，還具有至少一個(gè)功能和目的。在一個(gè)實(shí)施方案中，功能襯底具有至少一個(gè)皮膚相關(guān)的功能或目的。在一個(gè)實(shí)施方案中，本器件和方法的功能襯底展現(xiàn)微流體功能，諸如，提供體液穿過襯底的運(yùn)輸或在襯底內(nèi)的運(yùn)輸，例如，經(jīng)由自發(fā)毛細(xì)管作用或經(jīng)由有源致動(dòng)方式(例如，泵等)。在一個(gè)實(shí)施方案中，功能襯底具有機(jī)械功能，例如，提供用于在與組織(諸如，皮膚)的界面處建立共形接觸的物理屬性和機(jī)械屬性。在一個(gè)實(shí)施方案中，功能襯底具有熱功能，例如，提供足夠小的熱負(fù)荷或熱質(zhì)量，以避免干擾生理參數(shù)(諸如，生物流體的成分和量)的測量和/或表征。在一個(gè)實(shí)施方案中，本器件和方法的功能襯底是生物可兼容的或生物惰性的。在一個(gè)實(shí)施方案中，功能襯底可以促進(jìn)功能襯底和受試者的皮膚的機(jī)械匹配、熱匹配、化學(xué)匹配和/或電匹配，使得功能襯底和皮膚的機(jī)械屬性、熱屬性、化學(xué)屬性和/或電屬性在彼此的20％，或15％，或10％，或5％內(nèi)。在一些實(shí)施方案中，機(jī)械匹配到組織(諸如，皮膚)的功能襯底提供了一個(gè)例如對于建立與組織的表面的共形接觸有用的可共形的界面。某些實(shí)施方案的器件和方法機(jī)械地合并包括軟材料(例如，展現(xiàn)柔性和/或可拉伸性，諸如，聚合物材料和或彈性體材料)的功能襯底。在一個(gè)實(shí)施方案中，機(jī)械匹配的襯底具有的模量小于或等于100MPa，且可選地對于一些實(shí)施方案，小于或等于10MPa，且可選地對于一些實(shí)施方案，小于或等于1MPa。在一個(gè)實(shí)施方案中，機(jī)械匹配的襯底具有的厚度小于或等于0.5mm，且可選地對于一些實(shí)施方案，小于或等于1cm，且可選地對于一些實(shí)施方案，小于或等于3mm。在一個(gè)實(shí)施方案中，機(jī)械匹配的襯底具有的抗彎剛度小于或等于1nNm，可選地小于或等于0.5nNm。在一些實(shí)施方案中，機(jī)械匹配的功能襯底由以下表征：對于皮膚的表皮層，一個(gè)或多個(gè)機(jī)械屬性和/或物理屬性在相同的參數(shù)的規(guī)定倍數(shù)(諸如，10倍或2倍)內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施方案中，例如，功能襯底具有的楊氏模量或厚度在與本發(fā)明的器件的界面處的組織(諸如，皮膚的表皮層)的楊氏模量或厚度的20倍內(nèi)，或可選地對于一些應(yīng)用在10倍內(nèi)，或可選地對于一些應(yīng)用在2倍內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施方案中，機(jī)械匹配的功能襯底可以具有等于或低于皮膚的質(zhì)量或模量的質(zhì)量或模量。在一些實(shí)施方案中，熱匹配到皮膚的功能襯底具有足夠小的熱質(zhì)量以至器件的部署不導(dǎo)致組織(諸如，皮膚)上的熱載荷，或足夠小以免影響生理參數(shù)(諸如，生物流體的特性(例如，成分、釋放速率等))的測量和/或表征。在一些實(shí)施方案中，例如，熱匹配到皮膚的功能襯底具有足夠低的熱質(zhì)量，使得在皮膚上部署導(dǎo)致的溫度增加小于或等于2攝氏度，且可選地對于一些應(yīng)用，小于或等于1攝氏度，且可選地對于一些應(yīng)用，小于或等于0.5攝氏度，且可選地對于一些應(yīng)用，小于或等于0.1攝氏度。在一些實(shí)施方案中，例如，熱匹配到皮膚的功能襯底具有足夠低的熱質(zhì)量，以至于不顯著中斷來自皮膚的水損失，諸如，避免水損失改變1.2倍或更多倍。因此，該器件大體上不誘發(fā)出汗或不顯著中斷來自皮膚的經(jīng)皮的水損失。在一個(gè)實(shí)施方案中，該功能襯底可以是至少部分地親水的和/或至少部分地疏水的。在一個(gè)實(shí)施方案中，該功能襯底可以具有的模量小于或等于100MPa，或小于或等于50MPa，或小于或等于10MPa，或小于或等于100kPa，或小于或等于80kPa，或小于或等于50kPa。此外，在一些實(shí)施方案中，該器件可以具有的厚度小于或等于5mm，或小于或等于2mm，或小于或等于100μm，或小于或等于50μm，且具有的凈抗彎剛度小于或等于1nNm，或小于或等于0.5nNm，或小于或等于0.2nNm。例如，該器件可以具有的凈抗彎剛度選自0.1nNm到1nNm，或0.2nNm到0.8nNm，或0.3nNm到0.7nNm，或0.4nNm到0.6nNm的范圍?！安考庇脕韽V泛地指代器件的一個(gè)個(gè)體部分?！案袦y”指檢測物理屬性和/或化學(xué)屬性的存在、缺乏、量、量級或強(qiáng)度。對于感測有用的器件部件包括但不限制于：電極元件、化學(xué)或生物傳感器元件、pH傳感器、溫度傳感器、應(yīng)變傳感器、機(jī)械傳感器、位置傳感器、光學(xué)傳感器和電容傳感器?！爸聞?dòng)”指刺激、控制或以其他方式影響結(jié)構(gòu)、材料或器件部件。對于致動(dòng)有用的器件部件包括但不限制于：電極元件、電磁輻射發(fā)射元件、發(fā)光二極管、激光器、磁元件、聲學(xué)元件、壓電元件、化學(xué)元件、生物元件和加熱元件。術(shù)語“直接地和間接地”描述一個(gè)部件相對于另一個(gè)部件的動(dòng)作或物理位置。例如，“直接地”作用在另一個(gè)部件上或接觸另一個(gè)部件的部件在沒有來自媒介物的介入下實(shí)現(xiàn)此動(dòng)作。相反地，“間接地”作用在另一個(gè)部件上或接觸另一個(gè)部件的部件通過媒介物(例如，第三部件)實(shí)現(xiàn)此動(dòng)作?！鞍?encapsulate)”指一個(gè)結(jié)構(gòu)的定向使得它至少部分地、且在一些情況下完全地，被一個(gè)或多個(gè)其他結(jié)構(gòu)(諸如，襯底、粘合劑層或包封層)包圍。“部分地包封”指一個(gè)結(jié)構(gòu)的定向，使得它被一個(gè)或多個(gè)其他結(jié)構(gòu)部分地包圍，例如，其中該結(jié)構(gòu)的30％或可選地50％或可選地90％的外表面被一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)包圍?！巴耆匕狻敝敢粋€(gè)結(jié)構(gòu)的定向使得它被一個(gè)或多個(gè)其他結(jié)構(gòu)完全地包圍?！半娊橘|(zhì)”指非導(dǎo)電材料或絕緣材料?！熬酆衔铩敝赣赏ㄟ^共價(jià)化學(xué)鍵連接的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元組成的大分子或一個(gè)或多個(gè)單體的聚合產(chǎn)物組成的大分子，常常由高分子量表征。術(shù)語聚合物包括均聚物，或基本上由單個(gè)重復(fù)單體亞單位組成的聚合物。術(shù)語聚合物還包括共聚物，或基本上由兩種或更多種單體亞單位組成的聚合物，如無規(guī)共聚物、嵌段共聚物、交替共聚物、多嵌段共聚物、接枝共聚物、錐形共聚物以及其他共聚物。有用的聚合物包括非晶、半非晶、晶體或部分地晶體狀態(tài)的有機(jī)聚合物或無機(jī)聚合物。對于某些應(yīng)用，具有聯(lián)接的單體鏈的交聯(lián)聚合物是特別有用的。在所公開的方法、器件和部件中可使用的聚合物包括但不限制于：塑料、彈性體、熱塑性彈性體、彈性塑料、熱塑性塑料和丙烯酸酯。示例性聚合物包括但不限制于：縮醛聚合物、生物可降解聚合物、纖維素聚合物、含氟聚合物、尼龍、聚丙烯腈聚合物、聚酰胺-酰亞胺聚合物、聚酰亞胺、聚芳酯、聚苯并咪唑、聚丁烯、聚碳酸酯、聚酯、聚醚酰亞胺、聚乙烯、聚乙烯共聚物以及改性聚乙烯、聚酮、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚甲基戊烯、聚苯醚和聚苯硫醚、聚鄰苯二甲酰胺、聚丙烯、聚氨酯、苯乙烯樹脂、砜基樹脂、乙烯基樹脂、橡膠(包括天然橡膠、苯乙烯-丁二烯橡膠、聚丁二烯橡膠、氯丁橡膠、乙烯-丙烯橡膠、丁基橡膠、丁腈橡膠、硅樹脂)、丙烯酸類樹脂、尼龍、聚碳酸酯、聚酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚烯烴或它們的任意組合物。“彈性體”指可以被拉伸或變形且返回到其原始形狀而沒有顯著永久性變形的聚合物材料。彈性體通常經(jīng)歷大體上彈性的變形。有用的彈性體包含包括聚合物、共聚物、復(fù)合材料或聚合物與共聚物的混合物的那些。彈性體層指包括至少一個(gè)彈性體的層。彈性體層也可以包括摻雜物和其他非彈性體材料。有用的彈性體包括但不限制于，熱塑性彈性體、苯乙烯材料、烯屬材料、聚烯烴、聚氨酯熱塑性彈性體、聚酰胺、合成橡膠、PDMS、聚丁二烯、聚異丁烯、聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)、聚氨酯、聚氯丁二烯和硅樹脂。例示性彈性體包括但不限制于，含硅聚合物，諸如，包括聚(二甲基硅氧烷)(即，PDMS和h-PDMS)、聚(甲基硅氧烷)、部分烷基化的聚(甲基硅氧烷)、聚(烷基甲基硅氧烷)和聚(苯基甲基硅氧烷)的聚硅氧烷、硅改性彈性體、熱塑性彈性體、苯乙烯材料、烯屬材料、聚烯烴、聚氨酯熱塑性彈性體、聚酰胺、合成橡膠、聚異丁烯、聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)、聚氨酯、聚氯丁二烯和硅樹脂。在一個(gè)實(shí)施例中，聚合物是彈性體?！翱晒残蔚摹敝溉缦碌钠骷⒉牧匣蛞r底，其具有足夠低的抗彎剛度以允許該器件、材料或襯底采用任何期望的輪廓，例如，允許與具有浮雕特征圖案的表面共形接觸的輪廓。在某些實(shí)施方案中，期望的輪廓是皮膚的輪廓。“共形接觸”指在器件與接收表面之間建立的接觸。在一方面，共形接觸涉及器件的一個(gè)或多個(gè)表面(例如，接觸表面)對一個(gè)表面的總體形狀的宏觀適應(yīng)。在另一方面，共形接觸涉及器件的一個(gè)或多個(gè)表面(例如，接觸表面)對一個(gè)表面的微觀適應(yīng)，導(dǎo)致大體上無空隙的緊密接觸。在一個(gè)實(shí)施方案中，共形接觸涉及器件的接觸表面對接收表面的適應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)該緊密接觸，例如，其中小于20％的該器件的接觸表面的表面面積未物理地接觸該接收表面，或可選地小于10％的該器件的接觸表面未物理地接觸該接收表面，或可選地小于5％的該器件的接觸表面未物理地接觸該接收表面?！皸钍夏Ａ俊笔遣牧稀⑵骷?qū)拥臋C(jī)械屬性，楊氏模量指對于給定的物質(zhì)，應(yīng)力與應(yīng)變的比。可以由下述表達(dá)式提供楊氏模量：其中E是楊氏模量，L0是平衡長度，ΔL是在所施加的應(yīng)力下的長度改變，F(xiàn)是所施加的力，且A是上面施加了力的面積。也可以根據(jù)Lame常數(shù)通過下述方程式表達(dá)楊氏模量：其中λ和μ是Lame常數(shù)。高楊氏模量(或“高模量”)和低楊氏模量(或“低模量”)是給定的材料、層或器件中楊氏模量的量級的相關(guān)描述符。在一些實(shí)施方案中，高楊氏模量大于低楊氏模量，對于一些應(yīng)用優(yōu)選地是大約10倍，對于其他應(yīng)用更優(yōu)選地是大約100倍，且對于其他應(yīng)用甚至更優(yōu)選地是大約1000倍。在一個(gè)實(shí)施方案中，低模量層具有小于100MPa的楊氏模量，可選地小于10MPa，且可選地選自0.1MPa至50MPa的范圍內(nèi)的楊氏模量。在一個(gè)實(shí)施方案中，高模量層具有大于100MPa的楊氏模量，可選地大于10GPa，且可選地選自1GPa至100GPa的范圍內(nèi)的楊氏模量。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的器件具有一個(gè)或多個(gè)具有低楊氏模量的部件。在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的器件具有總體低楊氏模量?！暗湍Ａ俊敝妇哂械臈钍夏Ａ啃∮诨虻扔?0MPa、小于或等于5MPa或者小于或等于1MPa的材料?！翱箯潉偠取笔遣牧?、器件或?qū)拥臋C(jī)械屬性，描述該材料、器件或?qū)訉λ┘拥膹澢氐牡挚?。通常，抗彎剛度被定義為材料、器件或?qū)拥哪Ａ颗c面積慣性矩的乘積。可選地，可以按照針對整個(gè)材料層的“本體”抗彎剛度或“平均”抗彎剛度描述具有非均勻抗彎剛度的材料。通過以下非限制性實(shí)施例可以進(jìn)一步了解本發(fā)明。實(shí)施例1：用于汗液的表皮表征的可拉伸的、無線傳感器和功能襯底此實(shí)施例介紹了用于安裝在功能彈性體襯底上用于生物流體的表皮分析的超薄的、可拉伸的無線傳感器的材料和架構(gòu)。經(jīng)由電介質(zhì)檢測和比色法測量汗液的體積和化學(xué)屬性展示了一些能力。在此，包括具有電容性電極的LC共振器的感應(yīng)耦合傳感器示出了對收集在多微孔襯底中的汗液的系統(tǒng)化響應(yīng)。詢問通過在物理上接近器件所放置的外部線圈發(fā)生。襯底允許通過毛細(xì)作用力進(jìn)行的自發(fā)的汗液收集，而不需要復(fù)雜的微流體處理系統(tǒng)。此外，通過將指示器化合物引入到襯底的深處內(nèi)，比色測量模式在相同的系統(tǒng)內(nèi)是可能的，用于感測汗液中的特定成分(OH-、H+、Cu+和Fe2+)。完整的器件提供類似于皮膚的楊氏模量，因此在沒有外部固定裝置的情況下允許高度有效的且可靠的皮膚集成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示具有0.06μL/mm2的精度、具有良好穩(wěn)定性和低漂移的出汗體積測量。對pH和多種離子濃度的比色響應(yīng)提供了與汗液分析相關(guān)的能力。類似的材料和器件設(shè)計(jì)可以在監(jiān)控其他體液中使用。1.介紹新興的可穿戴的傳感器技術(shù)為連續(xù)的、個(gè)人健康/保健評估[1,2]、法醫(yī)檢查[3]、患者監(jiān)控[4,5]以及運(yùn)動(dòng)識別[6,7]提供了有吸引力的解決方案。表皮電子器件[8]中的最新進(jìn)展以實(shí)現(xiàn)與皮膚緊密、共形接觸的物理形式提供許多種類的皮膚安裝的傳感器和相關(guān)聯(lián)的電子器件。此接觸的軟的、無刺激性性質(zhì)產(chǎn)生一個(gè)同時(shí)提供生物生理參數(shù)(諸如，溫度[9]、水合作用[10]、應(yīng)變[11]和生物電勢[12])的高精度、準(zhǔn)確測量的界面。這樣的表皮傳感器是超薄的、可呼吸的且可拉伸的，具有緊密匹配皮膚它本身的機(jī)械屬性和熱屬性，以實(shí)現(xiàn)對自然過程具有最小約束的有效的皮膚集成。所述結(jié)果在長期的、可靠的健康監(jiān)控中提供獨(dú)特的能力。在這樣的器件中，一個(gè)重要的測量模式可以涉及體液(血液、間質(zhì)流體、汗液、唾液和淚液)的分析，以增加對生理健康的各個(gè)方面的伸入了解[13-16]。通?？纱┐鞯膫鞲衅髑矣绕涫潜砥る娮悠骷?，這樣的功能相對而言還未被探索?，F(xiàn)有的器件或是使用復(fù)雜的用于樣品處理的微流體系統(tǒng)或是單純涉及基于濃度的測量而沒有樣品收集和存儲(chǔ)[17-20]，或?qū)εc數(shù)量和速率相關(guān)的參數(shù)的訪問[21-23]。另外，通常需要維持這些器件與皮膚的接觸的機(jī)械固定裝置、系帶和/或膠帶本身不是非常適合于連續(xù)的、長期的監(jiān)控且沒有不舒適[24]。在下文中，報(bào)告了一組在此領(lǐng)域中提供先進(jìn)的能力的材料和器件架構(gòu)。關(guān)鍵構(gòu)思涉及功能軟襯底的使用以用作用于微流體收集、分析以及對共集成的電傳感器和/或外部攝像機(jī)系統(tǒng)呈現(xiàn)的裝置。這些襯底的孔自發(fā)地填充有從皮膚出現(xiàn)的體液，其中它們誘發(fā)襯底中的比色改變并且更改集成電天線結(jié)構(gòu)的無線電頻率特性。結(jié)果提供對汗液的屬性和體積以及它們與身體溫度[25]、流體和電解質(zhì)平衡[26]以及疾病狀態(tài)[27]中的波動(dòng)的關(guān)系的有價(jià)值的見解。器件還消除了對直接皮膚-電極接觸的需要，從而使可能由皮膚和某些金屬之間的接觸導(dǎo)致的刺激最小化[28]，而同時(shí)在由運(yùn)動(dòng)偽像誘發(fā)的最小噪聲下實(shí)現(xiàn)單個(gè)器件的重復(fù)使用。傳感器利用感應(yīng)耦合方案，沒有片上檢測電路但具有可兼容地使用在便攜式消費(fèi)電子器件中越來越多地發(fā)現(xiàn)的近場通信系統(tǒng)的某些潛能。整個(gè)感測系統(tǒng)提供柔性的且可拉伸的結(jié)構(gòu)，具有接近表皮電子器件的那些形狀因素的形狀因素。2.結(jié)果和討論圖1a示出了包括一個(gè)感應(yīng)線圈和一個(gè)形成有叉指式電極的平面電容器的典型器件(襯底的表面面積為22×28mm2，且傳感器的尺寸為10×15mm2)的圖像和示意性例示。所述線圈由四匝呈既提供柔性又提供可拉伸性的似絲蛇形設(shè)計(jì)的薄銅跡線構(gòu)成。所述跡線的寬度是140μm，且內(nèi)匝和外匝的長度分別是4.8mm和9.5mm。所述電極由具有在6.5mm到8.4mm之間的長度的蛇形導(dǎo)線(寬度為50μm)構(gòu)成，以形成具有600μm的指到指(digit-to-digit)間距的9指寬。多微孔支撐襯底的電介質(zhì)屬性強(qiáng)有力影響結(jié)構(gòu)的電容。以此方式，汗液傳感器實(shí)現(xiàn)該襯底的電介質(zhì)屬性的改變的電容性檢測，因?yàn)橐r底的孔填充有生物流體(例如，汗液)。外部初級線圈生成誘發(fā)該傳感器內(nèi)的電流流動(dòng)的時(shí)變電磁場。該傳感器的阻抗然后通過該襯底內(nèi)的汗液的量來確定；此阻抗影響接近器件放置的初級線圈的阻抗。該傳感器的共振頻率(f0)可以從初級線圈的相位-頻率頻譜中相位暫降(phasedip)(或從下面有傳感器的初級線圈的相位和下面沒有傳感器的初級線圈的相位的相減獲得的相位差Δθ的峰值)的頻率確定[29-32]。在在此檢查的測量頻率(100到200MHz)下，自由水分子在δ寬松的影響下[33]。功能聚合物襯底的響應(yīng)僅涉及來自感應(yīng)電荷的貢獻(xiàn)。水分子的移動(dòng)以及感應(yīng)電荷的動(dòng)力學(xué)足夠快速地響應(yīng)于外部電磁場。因此，襯底和汗液的結(jié)合電介質(zhì)屬性在寬范圍的頻率上展現(xiàn)不變的電介質(zhì)響應(yīng)(圖5(a))。出于本目的，襯底的電介質(zhì)屬性中的頻率依賴性可以被忽略。所述傳感器提供與皮膚的機(jī)械屬性類似的機(jī)械屬性(彈性模量≈80kPa)。[34]襯底的厚度(1mm)連同它的側(cè)向尺寸以及孔隙率限定它可以捕獲的流體的量。所述器件在軸向拉伸(圖1b和圖1c)和其他更復(fù)雜的變形模式下(圖1d)展現(xiàn)魯棒的、彈性行為。使用薄層的商業(yè)噴涂繃帶作為粘合劑將所述傳感器附接到皮膚上(圖1e)導(dǎo)致可以承受皮膚的顯著延伸和壓縮、具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度以防止分層(圖1f和圖1g)的可逆皮膚/傳感器粘合。體外實(shí)驗(yàn)涉及在≈40分鐘的過程內(nèi)用注射器泵將0.6mL緩沖溶液(磷酸鹽緩沖鹽水，Sigma-AldrichCorporation,St.Louis,Mo,USA)緩慢地引入到襯底上(圖2d)。所述傳感器的共振頻率(f0)，如通過接近器件放置的初級線圈(圖2c)的相位峰值的偏移測量的，隨著襯底中緩沖溶液含量增加而減少。此響應(yīng)反映由于在襯底的孔中空氣被替換成緩沖溶液產(chǎn)生的介電常數(shù)增加，導(dǎo)致與它們與襯底的接近度相關(guān)聯(lián)的叉指式電極的電容增加。對于典型的多孔聚氨酯(PUR)(在空氣中在0.93的孔隙率下，PUR介電常數(shù)＝7[35]，PUR襯底介電常數(shù)＝1.42)(圖2a)，在此實(shí)驗(yàn)中，f0從195.3MHz偏移到143.3MHz(圖2d)。所述傳感器在空氣中在室溫下的干燥導(dǎo)致f0的恢復(fù)，最后在≈6小時(shí)的周期內(nèi)恢復(fù)到原始值(195.3MHz)，指示具有對可能保持在襯底內(nèi)的剩余的鹽的相對不敏感性的可逆響應(yīng)。用人受試者的性能評估涉及傳感器在附接到兩名志愿者的臂的纖維素紙(CP)和硅樹脂襯底上的使用。緊密接近所述傳感器放置的具有類似大小的由相同材料制成的參考襯底提供用于確定準(zhǔn)確度和建立校準(zhǔn)響應(yīng)的裝置(圖2b)。監(jiān)控包括在2小時(shí)的周期內(nèi)每5分鐘測量所述傳感器的f0的值和參考襯底的重量。結(jié)果指示f0與參考傳感器的重量成反比例，使得可以用任何兩個(gè)測量重量校準(zhǔn)該響應(yīng)。校準(zhǔn)結(jié)果精確遵循參考襯底中0.4g(圖2e)和0.2g(圖2f)的重量改變，對應(yīng)于感測面積上0.4mL和0.2mL的汗液。與由汗液吸收導(dǎo)致的皮膚變形或器件膨脹相關(guān)聯(lián)的尺寸改變可設(shè)想地可以導(dǎo)致f0的改變?？梢酝ㄟ^雙軸拉伸器件并且在多種變形狀態(tài)下測量f0來檢查應(yīng)變誘發(fā)效應(yīng)(圖6(a))。結(jié)果示出對于27％的雙軸應(yīng)變，僅≈0.9MHz的改變(圖2g)，其與由吸收水導(dǎo)致的雙軸應(yīng)變(圖6(b))相當(dāng)。在雙軸拉伸下f0的適度改變可以歸因于傳感器線圈的對稱設(shè)計(jì)以及叉指式電極的長度和間距的改變的相互補(bǔ)償。溫度的影響也是小的。尤其，數(shù)據(jù)指示(圖5b)，當(dāng)溫度從25℃改變到45℃時(shí)，f0從199.25MHz偏移到196.63MHz。最終，盡管汗液的鹽度和離子含量可以導(dǎo)致電導(dǎo)率和介電常數(shù)二者的改變，用具有多種氯化鈉濃度(0到4.5g/L)的緩沖溶液的實(shí)驗(yàn)僅顯示f0的小變化(≈0.6MHz；圖2h)。所述傳感器展現(xiàn)極好的可重復(fù)性并且適合于重復(fù)使用。多個(gè)(即，5個(gè))使用CP和硅樹脂襯底上的傳感器的測量用作展示。在每個(gè)測量之間，沉浸在水中之后在一個(gè)加熱板上干燥來使器件再生。對于涉及注射0.6mL緩沖溶液的實(shí)驗(yàn)(圖2i和圖5(c))，f0的改變是可重復(fù)的。對于CP上的傳感器，f0的平均改變是58.3MHz，具有1.1MHz的標(biāo)準(zhǔn)偏差；硅樹脂的對應(yīng)的值分別是60.1MHz和3.6MHz。f0的改變經(jīng)歷不同的時(shí)間模式，如由于這兩種襯底的化學(xué)、微觀結(jié)構(gòu)、孔幾何結(jié)構(gòu)上的差異從而可以是預(yù)期的。在3小時(shí)內(nèi)的測量示出f0未漂移(圖5(d))。噪聲水平是＜0.7MHz；此參數(shù)連同在22×28mm2的表面面積上對于0.6mL緩沖溶液的58.3MHz到60.1MHz的f0的平均改變表明≈0.06mL/mm2的測量準(zhǔn)確度。線圈結(jié)構(gòu)可以被安裝到多種類型的功能襯底上。展示的實(shí)施例包括可回收纖維素海綿(RCS)、聚氨酯海綿(PUR)、聚乙烯醇海綿(PVAS)、纖維素紙(CP)和硅樹脂海綿(圖3a)。用熱線設(shè)備切割(PUR、硅樹脂)或用剃刀刀片切割(其他)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膫?cè)向尺寸和厚度。具有準(zhǔn)確控制的厚度(≈10μm；圖3b)的旋涂的硅樹脂膜通過表面化學(xué)功能化實(shí)現(xiàn)這些功能襯底中的每個(gè)與所述傳感器之間的強(qiáng)粘合，同時(shí)防止所述傳感器和汗液之間的直接接觸?？紤]水吸收的相關(guān)特性也是重要的，如下文所描述的。在浸沒在水中以后各種多孔材料的重量的百分比增加限定它們保持流體的能力；結(jié)果是≈2300％(RCS)、≈1200％(PUR)、≈750％(PVAS)、≈350％(CP)和≈1500(硅樹脂)(圖3c)。這些數(shù)據(jù)連同測量的體積改變產(chǎn)生孔隙率水平：0.97(RCS)、0.93(PUR)、0.90(PVAS)、0.83(CP)和0.95(硅樹脂)(圖3d)?？梢酝ㄟ^結(jié)合Darcy定律[36]和Hagen-Poiseuille方程式[37]從毛細(xì)管水吸收確定水滲透性。襯底的條帶(寬度為3mm且長度為28mm)被部分地沉浸到具有紅色染料的水內(nèi)(在水下3mm)。攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)吸收的水的高度的改變作為時(shí)間的函數(shù)的測量(圖3e)。CP材料展現(xiàn)最快速的吸收速率(在≈6s內(nèi)完全填充)，之后是RCS(≈25s)。PUR示出最小的速率，其中在130s內(nèi)高度增加8.3mm。這些速率強(qiáng)有力取決于孔大小和互聯(lián)性程度以及接觸角。后者可以以光學(xué)方式確定(圖7(b))；前者可以通過掃描電子顯微鏡獲得(圖7(a))或通過在長時(shí)間周期下計(jì)算和測量吸收的水的高度獲得(細(xì)節(jié)在輔助信息中)。五個(gè)襯底的滲透性是2.4(RCS)、0.3(PUR)、0.4(PVAS)、8.7(CP)、和8.6(硅樹脂)μm2(圖3f)。除了電介質(zhì)響應(yīng)之外，水的吸收由于折射率匹配效應(yīng)而改變透明度且由于膨脹而改變總體尺寸(圖4a和圖4c)。這些效應(yīng)可以被用作附加的測量參數(shù)以補(bǔ)充先前描述的電數(shù)據(jù)。光學(xué)行為可以通過將傳感器放置在皮膚的具有臨時(shí)紋身圖案的區(qū)域上來例示。緩沖溶液連續(xù)引入，直到0.6mL的總量，導(dǎo)致增加的透明度水平。圖4a中的圖像的選擇的區(qū)域可以用來獲得在不同位置處的RGB(紅色、綠色和藍(lán)色)強(qiáng)度。得到的數(shù)據(jù)(圖4b)指示，水含量與傳感器和皮膚上的RGB強(qiáng)度的比率成反比。水還誘發(fā)側(cè)向尺寸的改變。這些改變可以通過以光學(xué)方式追蹤器件上的不透明點(diǎn)的陣列(Cr，通過電子束蒸發(fā)穿過遮光掩膜)的位移來測量(圖4c)。結(jié)果指示引入0.2mL緩沖溶液的大位移響應(yīng)(≈2.3mm點(diǎn)位移)，但是對于附加的0.4mL具有減小的響應(yīng)(≈0.5mm點(diǎn)位移)。盡管如此，這些運(yùn)動(dòng)，其可能受與安裝在皮膚上相關(guān)聯(lián)的機(jī)械約束限制，可能在測量汗液損失中具有某些效用。從光學(xué)角度來看，通過化學(xué)品或固定化生物分子的引入，可以使襯底變得功能更強(qiáng)大?？梢酝ㄟ^電介質(zhì)測量或簡單地比色檢測來評價(jià)得到的與汗液的相互作用。例如，摻雜有比色指示器的硅樹脂襯底致使對相關(guān)的生物物理參數(shù)/化學(xué)參數(shù)的靈敏度，所述參數(shù)是諸如pH值(圖4d)、游離銅濃度(圖8(a))以及鐵濃度(圖8(b))。為了展示pH檢測，將pH值為4到9的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液引入到用幾個(gè)不同的pH指示器(溴百里酚藍(lán)、甲基紅、甲基黃、百里酚藍(lán)和酚酞)的混合物染色的襯底內(nèi)。這些化學(xué)品與緩沖溶液內(nèi)的自由-OH基團(tuán)和/或質(zhì)子可逆地反應(yīng)，導(dǎo)致吸收頻譜中的改變。因此，該襯底經(jīng)歷一系列的顯示pH值(圖4d)的顏色改變。此外，具有銅(圖8(a))和鐵(圖8(b))的緩沖溶液在生理濃度(0.8mg/L到1mg/L)下也可以使用類似的比色方案檢測。從圖像提取的個(gè)體顏色(紅色、綠色和藍(lán)色)的強(qiáng)度確定分析物濃度的改變(圖4e、圖4f和圖4g)。此種類型的策略當(dāng)與在此介紹的無線方案種類結(jié)合使用時(shí)具有潛在效用。例如，近場通信[38]使能的器件(諸如，蜂窩電話)還提供數(shù)字圖像捕捉能力，用于同時(shí)比色測量。3.結(jié)論在此呈現(xiàn)的結(jié)果提供用于將柔性的且可拉伸的無線傳感器集成在功能襯底上的材料和設(shè)計(jì)策略。緊密地安裝在皮膚上的展示器件實(shí)現(xiàn)汗液損失的非侵入性、無線量化以及汗液成分的比色檢測。類似的策略可以用來開發(fā)用于監(jiān)控不僅與汗液相關(guān)聯(lián)而且與其他體液相關(guān)聯(lián)的許多關(guān)鍵參數(shù)的傳感器。4.實(shí)驗(yàn)部分為了制造所述器件，首先將聚二甲基硅氧烷(PDMS,20μm厚)層旋涂到一個(gè)玻璃載片上(圖9(a))。使該P(yáng)DMS在120℃下固化10分鐘并且用反應(yīng)離子蝕刻(RIE)處理它的表面5分鐘(20sccmO2，300毫托壓力，150W功率)允許聚酰亞胺(PI；1μm厚)層在頂上的共形旋涂。通過電子束(ebeam)蒸發(fā)沉積的鉻(5nm)和金(200nm)的雙分子層通過光學(xué)光刻方法被圖案化以形成蛇形的叉指式電極(圖9(b))。附加的旋涂PI(1μm)層使電極圖案的表面電絕緣，同時(shí)通過RIE蝕刻該P(yáng)I層上的選擇性區(qū)域獲得通過使電子束沉積的銅層(6μm)(圖9(c))圖案化形成的電極和蛇形線圈之間的電接觸。整個(gè)圖案由另一個(gè)旋涂的PI層(1μm)包封。圖案化的RIE產(chǎn)生一個(gè)開放式網(wǎng)狀物布局，能夠通過使用水溶性膠帶(AquasolASWT-2，AquasolCorporation，NorthTonawanda，NY，USA)釋放到靶標(biāo)襯底的表面上。為了制備功能襯底，將一個(gè)未固化的硅樹脂層(10μm厚)旋涂到一個(gè)水溶性膠帶上，所述水溶性膠帶在其邊緣上通過Scotch膠帶固定到一個(gè)玻璃載片。使該硅樹脂在150℃下預(yù)固化1分鐘將液體前體轉(zhuǎn)化成發(fā)粘的、軟的固體(圖9(e))。將用溫柔的壓力將襯底放置在硅樹脂膜上允許部分地固化的膜與表面上的多孔結(jié)構(gòu)交聯(lián)。然后使硅樹脂和襯底在120℃下充分固化以實(shí)現(xiàn)魯棒的粘合(圖9(f))。將得到的結(jié)構(gòu)從玻璃移除，并且用水沖洗以移除水溶性膠帶。Ti/SiO2(5/60nm)到傳感器的暴露的背部上的沉積在UV臭氧活化之后促進(jìn)到功能襯底上的PDMS膜的化學(xué)粘合。使水溶性膠帶溶解產(chǎn)生具有極好的機(jī)械可拉伸性水平和柔性水平的集成器件(圖9(g)和圖1b)?？梢詫⒐δ芤r底沉浸到比色指示器內(nèi)，之后在加熱板上在100℃下烘烤以使器件干燥。五個(gè)親水的多孔襯底用作汗液吸收材料，包括WhatmanGB003纖維素紙(GEHealthcareLifeSciences,Pittsburgh,PA,USA)、Scotch-Brite可回收纖維素海綿(3MCooperation,St.Paul,MN,USA)、聚乙烯醇海綿(Perfect&GloryEnterpriseCo.,Ltd.,Taipei)、Kendall親水聚氨酯泡沫敷料(CovidienInc.,Mans-feld,MA,USA)和Mepilex硅樹脂泡沫敷料(HealthCareAB,Sweden)。對于比色檢測，通用pH指示器(pH2-10)(RiccaChemical,Arlington,TX,USA)對具有良好限定的pH的緩沖溶液(Sigma-AldrichCorporation,St.Louis,Mo,USA)產(chǎn)生響應(yīng)。比色銅和鐵離子檢測通過銅色盤測試套件(CU-6,HachCompany,Loveland,Colorado,USA)和鐵色盤測試套件(IR-8,HachCompany,Loveland,Colorado,USA)使能，同時(shí)銅和鐵的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液被稀釋以實(shí)現(xiàn)不同的離子濃度?？梢詫⑺鰝鞲衅骷傻狡つw上。簡言之，首先將噴霧繃帶(NexcareNoStingLiquidBandageSpray,3MCooperation,St.Paul,MN,USA)施加到對應(yīng)的皮膚區(qū)域上。溶劑的蒸發(fā)導(dǎo)致發(fā)粘的、水可滲透的膜，所述膜不顯著影響從皮膚的經(jīng)皮膚的水損失并且提供足夠的粘附以將汗液傳感器固定到皮膚上。然后在幾秒內(nèi)用持續(xù)的壓力將所述傳感器施加到皮膚上。粘合是可逆的，但是足夠強(qiáng)的以使適應(yīng)大量排汗和剪切力。使用具有1MHz到1.8GHz的頻率范圍的HP4291A阻抗分析器(AgilentTechnologies,SantaClara，CA，USA)來評價(jià)所述傳感器的電響應(yīng)。該分析器連接到一個(gè)單匝手繞的銅初級線圈，該初級線圈的共振頻率顯著不同于該汗液傳感器。該線圈在測量期間被放置成遠(yuǎn)離該汗液傳感器2mm。然而，該線圈和該汗液傳感器之間的距離的小變化是可容許的，其對結(jié)果具有可忽略的影響。xyz機(jī)械臺和旋轉(zhuǎn)平臺允許該初級線圈相對于該汗液傳感器的位置和定向的手動(dòng)調(diào)整。該初級線圈提供在該汗液傳感器內(nèi)感應(yīng)交流電壓的時(shí)變電磁場。該傳感器的襯底內(nèi)的汗液含量的改變導(dǎo)致該汗液傳感器的電容和其f0的改變。注射器泵(KDScientificInc.,Holliston，MA，USA)用來在體外實(shí)驗(yàn)期間將緩沖溶液遞送到所述傳感器。具有CP襯底和硅樹脂多孔材料的汗液傳感器在體內(nèi)測試中被安裝在兩名志愿者的臂上2小時(shí)，其中相同材料和大小的參考襯底緊密接近所述汗液傳感器放置(圖2b)。在第一小時(shí)內(nèi)，志愿者連續(xù)地運(yùn)動(dòng)以生成汗液，并且然后停止以在第二小時(shí)內(nèi)休息。在該測量期間，所述汗液傳感器保持在皮膚上，同時(shí)所述參考傳感器每5分鐘被剝離以使用精確天平記錄它們的重量并且然后被重新附接到相同位置。通過使用imageJ來訪問實(shí)驗(yàn)圖像上的選擇區(qū)域的RGB(紅色、綠色、藍(lán)色)值來從數(shù)字圖像估計(jì)吸光度值[39]。平均RGB值是從包圍在通過具有被稱為“測量RGB”的插件的ImageJ繪制的矩形框內(nèi)的多個(gè)像素確定的。然后使用以下公式計(jì)算被定義為透射比(In/Iblank)的負(fù)對數(shù)的吸光度(A)：A＝-log(In/Iblank)(1)其中In表示用于功能襯底的R值、G值或B值并且Iblank表示用于背景的R值、G值或B值，二者都是從實(shí)驗(yàn)圖像獲得的。參考文獻(xiàn)[1]M.Chan，EstC，J.-Y.Fourniols，C.Escriba，E.Campo，Artif.Intell.Med.2012，56，137.[2]A.Lay-Ekuakille，S.Mukhopadhyay，A.Lymberis，inWearableandAutonomousBiomedicalDevicesandSystemsforSmartEnvironment，Vol.75，Springer，BerlinHeidelberg，237.[3]A.J.Bandodkar，A.M.O’Mahony，J.Ramirez，l.A.Samek，S.M.Anderson，J.R.Windmiller，J.Wang，Anal.2013，138，5288.[4]P.Bonato，IEEEEng.Med.Biol.Mag.2010，29，25.[5]P.M.Deshmukh，C.M.Russell，L.E.Lucarino，S.N.Robinovitch，Enhancingclinicalmeasuresofposturalstabilitywithwearablesensors，presentedatEngineeringinMedicineandBiologySociety(EMBC)，2012AnnualInternationalConferenceoftheIEEE，Aug.282012-Sept.12012.[6]J.Varkey，D.Pompili，T.Walls，Pers.Ubiquit.Comput.2011，16，897.[7]J.R.Windmiller，J.Wang，Electroanal.2013，25，29.[8]D.-H.Kim，N.Lu，R.Ma，Y.-S.Kim，R.-H.Kim，S.Wang，J.Wu，S.M.Won，H.Tao，A.Islam，K.J.Yu，T.-i.Kim，R.Chowdhury，M.Ying，L.Xu，M.Li，H.-J.Chung，H.Keum，M.McCormick，P.Liu，Y.-W.Zhang，F(xiàn).G.Omenetto，Y.Huang，T.Coleman，J.A.Rogers，Science2011，333，838.[9]R.C.Webb，A.P.Bonifas，A.Behnaz，Y.Zhang，K.J.Yu，H.Cheng，M.Shi，Z.Bian，Z.Liu，Y.S.Kim，W.H.Yeo，J.S.Park，J.Song，Y.Li，Y.Huang，A.M.Gorbach，J.A.Rogers，Nat.Mater.2013，12，938.[10]X.Huang，H.Cheng，K.Chen，Y.Zhang，Y.Liu，C.Zhu，S.C.Ouyang，G.W.Kong，C.Yu，Y.Huang，J.A.Rogers，IEEETrans.Biomed.Eng.2013，60，2848.[11]N.Lu，C.Lu，S.Yang，J.Rogers，Adv.Funct.Mater.2012，22，4044.[12]W.-H.Yeo，Y.-S.Kim，J.Lee，A.Ameen，L.Shi，M.Li，S.Wang，R.Ma，S.H.Jin，Z.Kang，Y.Huang，J.A.Rogers，Adv.Mater.2013，25，2773.[13]K.Virkler，I.K.Lednev，F(xiàn)orensci.Sci.Int.2009，188，1.[14]T.L.Guidotti，J.McNamara，M.S.Moses，IndianJ.Med.Res.2008，128，524.[15]V.Sikirzhytski，K.Virkler，I.K.Lednev，Sensors2010，10，2869.[16]S.Hu，J.A.Loo，D.T.Wong，Proteomics2006，6，6326.[17]P.Salvo，F(xiàn).DiFrancesco，D.Costanzo，C.Ferrari，M.G.Trivella，D.De-Rossi，IEEESens.J.2010，10，1557.[18]Y.Haixia，L.Dachao，R.C.Roberts，X.Kexin，N.C.Tien，J.Micro-electromech.Syst.2012，21，917.[19]A.Lay-Ekuakille，S.Mukhopadhyay，S.Coyle，F(xiàn).Benito-Lopez，R.Byrne，D.Diamond，inWearableandAutonomousBiomedical輔助信息1.用于確定重量增加、孔隙率以及滲透性的方法襯底的百分比重量增加(w％)可以是通過測量處于干燥狀態(tài)的材料的重量(Wdry)和水飽和狀態(tài)的材料的重量(Wsat)獲得的。因此，W％可以被表達(dá)為：材料的孔隙率(φ)是通過孔的體積(Vpores)與媒介的總體積(Vbulk)的比確定的，因此，通過以下方程式限定：其中ρwater和ρbulk分別是水的密度和襯底材料的密度。為了獲得襯底的水滲透性，可以使用達(dá)西定律[1]，其描繪多孔材料中的水流動(dòng)。發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致水在多孔材料中流動(dòng)的壓力梯度可以通過以下方程式描述：其中q是體積平均速度(或流量)，其代表每單位面積的排出量，具有長度/時(shí)間的單位。因素K是材料的滲透性且μ是水的粘性。的確定典型地涉及含有兩個(gè)具有良好控制的壓力的室的實(shí)驗(yàn)裝備。一種替代方法使用Hagen-Poiseuille方程式[2]通過將多孔材料看作毛細(xì)管束來確定因此，壓力梯度可以被進(jìn)一步表達(dá)為：其中是壓力損失，L是管的長度，μ是動(dòng)態(tài)粘度，Q是體積流動(dòng)速率(每單位時(shí)間傳遞通過管的表面的流體的體積)，R是毛細(xì)管的半徑。組合方程式(3)和方程式(4)產(chǎn)生：在此，Q/πR2代表流動(dòng)的間質(zhì)速度，而q代表流動(dòng)的表面速度。因此，Q/πR2與q之間的比率等同于材料的孔隙率因此，方程式(5)可以被簡化為：一個(gè)毛細(xì)管內(nèi)流動(dòng)的線性動(dòng)量平衡可以被表達(dá)為：其中項(xiàng)從左到右分別指毛細(xì)管壓力項(xiàng)、液體靜壓力項(xiàng)、粘性壓力損失項(xiàng)和慣性項(xiàng)。在方程式(7)中，σ是水的表面張力，h是在時(shí)間t時(shí)毛細(xì)管中水的高度，且θ是在毛細(xì)管和水的界面處的接觸角。因?yàn)槎嗫撞牧峡赡懿痪哂芯鶆虻腞(特別是對于具有無定形孔的多孔材料)，諸如，圖7(a)中的RCS、PVAS和CP，所以將方程式(7)中的R替換成更一般的項(xiàng)Rs，其代表多孔材料的靜態(tài)半徑并且其可以是從靜態(tài)情況下的平衡高度(heq)(當(dāng)t達(dá)到∞時(shí)多孔材料內(nèi)吸收的水的高度)獲得的。靜態(tài)半徑Rs可以從以下方程式計(jì)算出：因此，通過考慮其中慣性影響以及重力影響可以被忽略的流動(dòng)狀態(tài)可以將方程式(7)進(jìn)一步表達(dá)為：因此，方程式(8)可以被簡化成：或在初始條件h(0)＝0的條件下解此常微分方程式導(dǎo)致Lucas-Washburn方程式[4]。根據(jù)方程式(6)，方程式(12)可以被進(jìn)一步表達(dá)為：因此，然后可以使用以下方程式來確定介電常數(shù)(K)：其中個(gè)體材料的h、t、φ和Rs全都可以用實(shí)驗(yàn)方法確定，如表3中所總結(jié)的。表3：用于功能襯底的多孔材料的參數(shù)2.用于確定重量增加、孔隙率和滲透性的實(shí)驗(yàn)Rs可以是從heq測量確定的，其中50cm的多孔材料條帶被部分地沉浸到水內(nèi)(近似1cm的條帶在水內(nèi))，同時(shí)測量在一天沉浸之后條帶中水的高度。因?yàn)镻UR和硅樹脂具有更均勻的孔大小(圖7(a))，所以它們的Rs也可以是通過測量它們的SEM圖像中10個(gè)孔的半徑并且取平均數(shù)來確定的。接觸角θ可以是通過分析由攝像機(jī)在水和多孔材料的界面上拍攝的圖像測量到的(圖7(b))。h和t之間的關(guān)系可以是在整個(gè)水吸收過程期間捕捉的視頻獲得的。參考文獻(xiàn)[1]N.Fries，CapillaryTransportProcessesinPorousMaterials：ExperimentandModel，Cuvillier.[2]S.P.Sutera，R.Skalak，Annu.Rev.FluidMech.1993，25，1.[3]E.W.Washburn，Phys.Rev.1921，17，273[4]A.Hamraoui，T.Nylander，J.ColloidInterf.Sci.2002，250，415實(shí)施例2：表皮微流體汗液補(bǔ)片此實(shí)施例公開了一種表皮微流體汗液補(bǔ)片，該補(bǔ)片納入布置在該補(bǔ)片的腔內(nèi)的多個(gè)比色指示器和至少一個(gè)微流體通道。該補(bǔ)片可選地包括一個(gè)近場通信線圈。表4示出了與汗液監(jiān)控相關(guān)的參數(shù)濃度和化學(xué)品種類。表4：與汗液監(jiān)控相關(guān)的參數(shù)和化學(xué)品種類圖10示出了包括一個(gè)近場通信線圈的比色傳感器的分解視圖。圖11是粘附到受試者的皮膚的圖10的器件的照片。圖12例示了用于汗液補(bǔ)片的制造方法和在皮膚上的粘附測試。圖13例示了使用注射器以12μL/hr的速率供給人造汗液的人造汗液孔測試。圖14示出了用于自監(jiān)控和早期診斷的納入多種生物標(biāo)記的比色檢測的汗液補(bǔ)片。例如，圖15示出了一個(gè)例示可以用來確定出汗體積和出汗速率的反應(yīng)劑的顏色改變的吸收頻譜。圖16示出了一個(gè)例示可以用來確定汗液pH的反應(yīng)劑的顏色改變的吸收頻譜和圖例，汗液pH可能與鈉濃度相關(guān)聯(lián)，向使用者指示與水化合的恰當(dāng)時(shí)間。圖17示出了一個(gè)例示可以用來確定汗液中的葡萄糖濃度的反應(yīng)劑的顏色改變的吸收頻譜和圖例，汗液中的葡萄糖濃度可能與血液葡萄糖濃度相關(guān)聯(lián)。圖18示出了一個(gè)例示可以用來確定汗液中的乳酸鹽濃度的反應(yīng)劑的顏色改變的吸收頻譜和圖例，汗液中的乳酸鹽濃度可以提供休克、低氧和/或運(yùn)動(dòng)不耐受的指示。如圖19中示出的，納入比色生物標(biāo)記指示器的汗液傳感器提供可以通過裸眼觀察的和/或通過檢測器件(諸如，智能手機(jī))無線地觀察的定性和定量數(shù)據(jù)。實(shí)施例3：汗液補(bǔ)片概述本文中提供的是作為高度可共形的且可拉伸的作為個(gè)人健康護(hù)理監(jiān)控系統(tǒng)的以供日常穿戴的表皮微流體汗液補(bǔ)片。所述補(bǔ)片允許出汗速率、出汗體積和生物標(biāo)記濃度的非侵入性確定，從而提供臨床上可靠的信息。此技術(shù)涉及用于通過借助于裸眼或用便攜式電子器件(例如，智能手機(jī))追蹤器件內(nèi)的指示器的顏色改變來監(jiān)控個(gè)人的健康狀態(tài)的自診斷系統(tǒng)。通過監(jiān)控隨時(shí)間的改變或趨勢，所公開的器件可以提供異常狀況的早期指示。所公開的汗液傳感器經(jīng)由多種定量比色化驗(yàn)實(shí)現(xiàn)出汗體積和出汗速率以及汗液中的生物標(biāo)記(例如，pH、葡萄糖、乳酸鹽、氯化物、肌酸酐和乙醇)的濃度的測量。在一個(gè)實(shí)施方案中，比色指示器被納入到聚二甲基硅氧烷(PDMS)襯底內(nèi)，因?yàn)镻DMS是被認(rèn)可用于寬范圍的醫(yī)療應(yīng)用的硅基有機(jī)聚合物，所述醫(yī)療應(yīng)用包括隱形眼鏡和醫(yī)療器材。表皮微流體用于汗液監(jiān)控的微流體分析器件是基于聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)內(nèi)的不具有泵、閥或流體檢測器的二維通道系統(tǒng)開發(fā)的。PDMS的化學(xué)特性和物理特性使它適合于表皮應(yīng)用。例如，PDMS是光學(xué)透明的、彈性體的、無毒的、對于大多數(shù)試劑化學(xué)惰性的且擁有低表面能量1。制造的表皮汗液補(bǔ)片由四個(gè)個(gè)體定量比色檢測儲(chǔ)器和一個(gè)環(huán)狀外圈蛇形流體通道組成(圖21A)。每個(gè)生物標(biāo)記檢測儲(chǔ)器包含4μL，同時(shí)環(huán)狀水檢測通道含有24μL。位于器件的底部處的樣品入口(0.5cm2)可以覆蓋大約50個(gè)汗腺，因此將汗液引入到該器件內(nèi)，填充檢測儲(chǔ)器，并且允許汗液在基于對于人12μL/小時(shí)·cm2的平均出汗速率計(jì)算的近似6小時(shí)內(nèi)流動(dòng)通過外圈通道。由于PDMS的界面滲透性，其對液態(tài)水是不可滲透的但對于氣體是可滲透的，汗液補(bǔ)片的水損失是濕度的(在傳感器使用期限期間是總體積的3％)。該器件的直徑是3cm且厚度是500μm，其由導(dǎo)致145kPa的模量的30:1(v/v)堿：固化劑組成的PDMS構(gòu)造。該器件的質(zhì)量是～970mg。表皮微流體汗液傳感器是使用軟光刻制造的。示意性例示和制造過程示出在圖20中。主器件是由硅晶圓通過光學(xué)光刻和浸漬蝕刻生成具有300μm深的通道的顛倒的圖像來制備的。為了生產(chǎn)復(fù)制品，PDMS的30:1(v/v)堿：固化劑的混合物被傾瀉到涂覆有薄聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)層并且在70℃下固化1小時(shí)的該主器件之上。一旦PDMS被充分固化，就從該主器件釋放復(fù)制品。然后用PDMS膜通過氧等離子體粘合1分鐘以激活表面硅烷醇基團(tuán)以形成硅氧烷鍵密封制備的復(fù)制品。最后，制造的微流體器件經(jīng)由氧等離子體粘合附接到一個(gè)商業(yè)醫(yī)療敷料(即，)并且被施加到皮膚表面上。此表皮微流體汗液監(jiān)控器件能夠承受皮膚的相當(dāng)大的張緊、壓縮和扭曲同時(shí)維持足夠的粘附(圖20C)。生物標(biāo)記的定量比色測試比色測定在定量分析中對于診斷擁有很大的優(yōu)點(diǎn)。在此汗液傳感器中，為能夠自診斷并且監(jiān)控多種疾病的關(guān)鍵生物標(biāo)記引入四個(gè)比色分析。每個(gè)檢測儲(chǔ)器代表用于確定(1)水(用于出汗體積和出汗速率評價(jià))、(2)pH、(3)葡萄糖濃度、(4)乳酸鹽濃度以及(5)氯化物濃度的不同分析物。熱調(diào)節(jié)和脫水與出汗速率和出汗體積高度地相關(guān)，且因此連續(xù)監(jiān)控是一種用于評估個(gè)人的健康狀態(tài)并且提供與電解質(zhì)平衡和再水合相關(guān)的信息的重要工具。汗液傳感器中的環(huán)狀通道被涂覆有包含在聚甲基丙烯酸羥乙酯水凝膠(pHEMA)基體中的氯化鈷(II)(即，CoCl2)。當(dāng)汗液被引入到該通道內(nèi)時(shí)，藍(lán)色的無水氯化鈷(II)與水反應(yīng)轉(zhuǎn)變成呈現(xiàn)淺紫色的六水合氯化鈷(即，CoCl2·6H2O)(圖22A)。通過確定在特定的時(shí)間周期期間該通道內(nèi)顏色改變的距離，可以評估出汗速率和出汗體積。不僅物理汗液分析是必要的，而且汗液中生物標(biāo)記的化學(xué)檢測是必要的。在一些實(shí)施方案中，用單獨(dú)位于汗液傳感器中間的紙基儲(chǔ)器展示定量比色化驗(yàn)。除了其他材料(例如，水凝膠、溶膠-凝膠和瓊脂糖凝膠)以外選擇濾紙作為基體材料，因?yàn)橛H水纖維素纖維以快速的吸收速率芯吸生物流體，以及為化驗(yàn)試劑提供固體支撐并且允許關(guān)于顏色改變的清晰對比2。開發(fā)了由四個(gè)關(guān)鍵生物標(biāo)記檢測儲(chǔ)器(pH、葡萄糖、乳酸鹽和氯化物)組成的比色汗液傳感器。眾所周知，汗液的pH值展現(xiàn)與出汗速率和鈉離子濃度的比例關(guān)系。作為給使用者的恰當(dāng)水合作用時(shí)間的指示器，汗液pH是使用由多種pH染料(例如，溴百里酚藍(lán)、甲基紅以及酚酞)組成的通用pH指示器確定的，該pH指示器覆蓋寬范圍的pH值。當(dāng)汗液被引入儲(chǔ)蓄器內(nèi)時(shí)，該pH指示器根據(jù)Henderson-Hasselbalch方程式基于該指示器的弱酸的比率及其共軛堿形式改變顏色。顏色改變是根據(jù)在如圖22B中示出的在醫(yī)學(xué)上可靠的范圍(即，pH4.0-7.0)內(nèi)的緩沖溶液的各個(gè)pH值觀察的并且其相應(yīng)的頻譜被呈現(xiàn)在圖22C中。汗液中的葡萄糖濃度是用于監(jiān)控健康狀態(tài)的最關(guān)鍵的生物標(biāo)記之一，尤其起用于改善糖尿病治療的關(guān)鍵作用。在此器件中，基于支配測量選擇性的酶促反應(yīng)檢測葡萄糖。物理上固定化葡萄糖氧化酶產(chǎn)生與葡萄糖的氧化和氧氣的還原相關(guān)聯(lián)的過氧化氫，接下來，碘負(fù)離子通過過氧化物酶被氧化成碘，過氧化物酶也包含在紙基儲(chǔ)器內(nèi)3。因此，觀察到從黃色到褐色(碘負(fù)離子和碘的相應(yīng)顏色)的顏色改變，以指示葡萄糖的濃度3。例示葡萄糖濃度的顏色改變被呈現(xiàn)在圖22B中并且相應(yīng)的頻譜被呈現(xiàn)在圖22D中。因此，此器件通過每天以完全非侵入性方式使汗水葡萄糖濃度相關(guān)聯(lián)不僅可以警告糖尿病患者異常的血液葡萄糖濃度而且可以警告前驅(qū)糖尿病人和健康的人異常的血液葡萄糖濃度4。汗液乳酸鹽濃度是運(yùn)動(dòng)不耐受、組織低氧、壓迫性缺血甚至病理狀況(例如，癌癥、糖尿病和乳酸性酸中毒)的指示器5。乳酸鹽是通過厭氧能量代謝從外分泌腺產(chǎn)生的，因此汗水中的乳酸鹽濃度是用于確定個(gè)人忍受劇烈運(yùn)動(dòng)(尤其對于運(yùn)動(dòng)員和軍事人員而言)和/或重體力活動(dòng)同時(shí)維持生命的能力的良好標(biāo)準(zhǔn)6。乳酸鹽和輔助因子NAD+之間通過乳酸脫氫酶和心肌黃酶的酶促反應(yīng)允許顯色試劑(即，甲瓚染料)的顏色改變，得到橙色。如圖22B和圖22E中示出的，關(guān)于在醫(yī)學(xué)上相關(guān)的1.5-100mM的范圍內(nèi)的乳酸鹽濃度觀察檢測儲(chǔ)器內(nèi)的顏色改變。代表性汗液測試依賴于汗水中的氯離子濃度的確定。這些測試可以診斷囊性纖維化(CF)，因?yàn)楫?dāng)汗腺中存在有缺陷的氯化物通道時(shí)排泄的氯化物含量增加7。因此，氯化物的水平被認(rèn)為是水合作用的指標(biāo)。因此，使用通過Hg2+和Fe2+與2,4,6-三羥甲基氨基甲烷(2-吡啶基)均三嗪(TPTZ)之間的競爭性結(jié)合的比色檢測確定汗液中的氯化物的水平。在存在氯離子時(shí)，鐵離子優(yōu)選與TPTZ結(jié)合而Hg2+作為HgCl2參與，其導(dǎo)致結(jié)合相應(yīng)的金屬離子的從透明到藍(lán)色的顏色改變。定量比色結(jié)果示出在圖22B和圖22F中。通過比色化驗(yàn)不僅可以檢測上文提及的生物指示器，而且可以檢測汗液中的銅離子、鐵離子以及乙醇濃度。汗液中的微量銅離子是使用1，2-二辛可寧酸(BCA)確定的。銅與BCA復(fù)合展現(xiàn)出展示從0到1mg/mL的定量顏色改變的強(qiáng)烈的紫色8。類似地，鐵離子通過在0-0.8mg/L的范圍內(nèi)的與1，10-鄰二氮雜菲形成的著色的復(fù)合物檢測8b。因此，使用由乙醇脫氫酶、過氧化物酶和甲瓚染料組成的酶促反應(yīng)展示乙醇的比色檢測。總的來說，這些定量比色分析提供了汗液中的多種生物標(biāo)記的預(yù)診斷信息。通過將比色器件與遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)結(jié)合，此汗液補(bǔ)片可以提供用于日常穿戴的用戶友好型的自監(jiān)控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)為了用智能手機(jī)提供個(gè)人化臨床健康護(hù)理，近場通信(NFC)電子器件被施加到汗液補(bǔ)片。使用超低模量材料將NFC通信器件制造成具有超薄結(jié)構(gòu)，超低模量材料使得能夠在日常使用中在極端變形下進(jìn)行無線通信9。NFC線圈被納入汗液補(bǔ)片上，如圖23A中示出的。通過拍攝示出儲(chǔ)蓄器的顏色改變的汗液傳感器的圖像(圖23B)來定量地分析汗液的生物醫(yī)學(xué)信息。使用無線NFC電子器件與智能手機(jī)通信允許基于RGB數(shù)字顏色規(guī)范檢查所述圖像、允許將所述圖像轉(zhuǎn)換成健康信息學(xué)(例如，生物標(biāo)記的濃度)且可選地允許將所述圖像從個(gè)人的智能手機(jī)傳送到醫(yī)務(wù)人員或醫(yī)療記錄數(shù)據(jù)庫。參考文獻(xiàn)1.McDonald，J.C.；Whitesides，G.M.，Poly(dimethylsiloxane)asaMaterialforFabricatingMicrofluidicDevices.AccountsofChemicalResearch2002，35(7)，491-499.2.Mart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達(dá)被用作對術(shù)語的描述而非限制，且并非意在使用這些術(shù)語和表述排除所示出的和所描述的特征或其部分的任何等同物，而且應(yīng)認(rèn)識到，在本發(fā)明要求保護(hù)的范圍內(nèi)可以有多種改型。因此，應(yīng)理解，盡管通過優(yōu)選實(shí)施方式、示例性實(shí)施方案和可選的特征具體公開了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以采用本文中所公開的構(gòu)思的改型以及變體，且這樣的改型和變體被認(rèn)為在由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。本文中提供的具體實(shí)施方案是本發(fā)明的有用的實(shí)施方案的實(shí)施例，且本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)明了，可以使用本說明書中闡明的器件、器件部件以及方法步驟的大量變體來執(zhí)行本發(fā)明。如對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，對本實(shí)施方案有用的方法和器件能夠包括大量可選的組成和處理元件和步驟。當(dāng)本文公開了一組取代基時(shí)，應(yīng)該理解，該組和所有子組的所有個(gè)體成員，包含該組成員的任何同分異構(gòu)體、對映異構(gòu)體和非對映異構(gòu)體被分別公開。當(dāng)本文使用馬庫什組或其他分組時(shí)，該組的所有個(gè)體成員和該組可能的所有組合和子組合意在被單獨(dú)地包含在本公開內(nèi)容中。當(dāng)本文以這樣的方式描述化合物，即，未指定特定的同分異構(gòu)體、對映異構(gòu)體或非對映異構(gòu)體時(shí)，例如，用分子式或化學(xué)名稱描述化合物時(shí)，該描述意在包括單獨(dú)地或以任何組合方式描述的化合物的每個(gè)同分異構(gòu)體和對映異構(gòu)體。此外，除非另有說明，否則本文所公開化合物的所有同位素變體都意在被本公開內(nèi)容包含。例如，應(yīng)理解，公開的分子中的任何一個(gè)或多個(gè)氫可被氘或氚替代。分子的同位素變體通常可在用于所述分子的試驗(yàn)以及在涉及所述分子或其用途的化學(xué)研究和生物研究中用作標(biāo)準(zhǔn)物。用于制作這樣的同位素變體的方法是本領(lǐng)域已知的?；衔锏奶囟Q意在是例示性的，因?yàn)橐阎绢I(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠以不同的方式命名相同的化合物。以下參考文獻(xiàn)通常涉及用于制作電子器件的制造方法、結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)，并且在與此申請中的公開內(nèi)容不一致的程度上通過引用納入本文。本文中所描述或例示的成分的每一個(gè)配方或組合可以被用于實(shí)踐本發(fā)明，除非另有說明。每當(dāng)在本說明書中給出范圍(例如，數(shù)量范圍、溫度范圍、時(shí)間范圍、成分范圍或濃度范圍)時(shí)，所有中間范圍和子范圍，以及包含在給定的范圍中的所有個(gè)體值都意在被包含于本公開內(nèi)容中。應(yīng)理解，包含在本文中的描述中的一個(gè)范圍或子范圍中的任何子范圍或個(gè)體值可以被從本文中的權(quán)利要求排除。說明書中提及的所有專利和出版物都指示本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員的技術(shù)水平。本文中引用的參考文獻(xiàn)以整體引用的方式納入本文以指示自它們的公開日期或提交日期起的現(xiàn)有技術(shù)且如果需要?jiǎng)t旨在可以在本文中采用此信息以排除現(xiàn)有技術(shù)中的特定實(shí)施方案。例如，當(dāng)要求保護(hù)物質(zhì)的組合物時(shí)，應(yīng)理解，申請人的發(fā)明之前的現(xiàn)有技術(shù)中已知的且可用的化合物(包括在本文中引用的參考文獻(xiàn)中為其提供了啟示公開內(nèi)容的化合物)并非旨在被包含于本文中的物質(zhì)的組合物權(quán)利要求中。如本文中所使用的，“包括”是與“包含”、“含有”或“其特征在于”同義的，且是包括性的或開放式的，并且不排除附加的、未列舉的元件或方法步驟。如本文中所使用的，“由...組成”排除了權(quán)利要求元素中未指定的任何元素、步驟或組成。如本文中所使用的，術(shù)語“基本上由...組成”不排除不會(huì)實(shí)質(zhì)上影響權(quán)利要求的基礎(chǔ)和新穎特性的材料或步驟。在本文中的每種情況下，術(shù)語“包含”、“基本上由...組成”和“由...組成”中的任一可以用其它兩個(gè)術(shù)語中的任何一個(gè)代替?？梢栽谌鄙俦疚闹形淳唧w地公開的任何一個(gè)元件或多個(gè)元件和/或一個(gè)限制或多個(gè)限制的情況下恰當(dāng)?shù)貙?shí)施本文中例示性描述的發(fā)明。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)理解，可以在不做過度試驗(yàn)的情況下，在本發(fā)明的實(shí)踐中采用除具體示例那些以外的起始材料、生物材料、試劑、合成方法、純化方法、分析方法、化驗(yàn)方法以及生物方法。任何這樣的材料與方法的所有本領(lǐng)域已知的功能等同物旨在被包含在本發(fā)明中。已經(jīng)被采用的術(shù)語和表達(dá)被用作對術(shù)語的描述而非限制，且并非意在使用這些術(shù)語和表述排除示出和描述的特征或其部分的任何等同物，而且應(yīng)認(rèn)識到，在本發(fā)明要求保護(hù)的范圍內(nèi)可以有多種改型。因此，應(yīng)理解，盡管通過優(yōu)選實(shí)施方式和可選的特征具體公開了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以采用本文中所公開的概念的改型以及變體，但這樣的改型和變體仍被認(rèn)為在由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。必須注意，如本文中和所附權(quán)利要求中所使用的，單數(shù)形式“一個(gè)(a)”、“一個(gè)(an)”和“該”包含復(fù)數(shù)引用，除非上下文清楚地指定其他情況。因此，例如，提及“一個(gè)單元”包含多個(gè)這樣的單元和本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其等同物等。另外，術(shù)語“一個(gè)(a)”(或“一個(gè)(an)”)、“一個(gè)或多個(gè)”和“至少一個(gè)”在本文中可以互換使用。還應(yīng)注意，術(shù)語“包括”、“包含”和“具有”也可以互換使用。“權(quán)利要求XX-YY中任一的”的表達(dá)(其中XX和YY是指權(quán)利要求編號)意在以替代方式提供多項(xiàng)從屬權(quán)利要求，并且在一些實(shí)施方案中是可與“根據(jù)權(quán)利要求中XX-YY中的任一項(xiàng)權(quán)利要求”的表達(dá)互換的。除了另有限定，否則本文中所使用的所有技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語具有與本發(fā)明所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
：中普通技術(shù)人員通常理解的意義相同的意義。盡管可以在本發(fā)明的實(shí)踐或測試中使用與本文中所描述的方法和材料類似或等同的任何方法和材料，但是描述了優(yōu)選的方法和材料。當(dāng)前第1頁1 2 3 當(dāng)前第1頁1 2 3