【摘要】：近年來(lái),隨著人們對(duì)個(gè)人健康的重視,移動(dòng)健康設(shè)備正逐漸進(jìn)入人們的生活,比如檢測(cè)呼吸氣體的便攜式新陳代謝儀。呼吸中的氧氣濃度不僅因人而異,也因時(shí)而異,它可以用于測(cè)量最大攝氧量、新陳代謝率等。最大攝氧量的測(cè)量可以用于心肺適能、有氧能力的評(píng)估,而新陳代謝率的測(cè)量可以用于體重管理等領(lǐng)域。因此呼吸中的氧氣濃度檢測(cè)將有助于人們對(duì)自己的健康進(jìn)行管理。目前市場(chǎng)上的新陳代謝儀中,氧氣傳感器的檢測(cè)原理主要有電化學(xué)法、比色法及熒光法。電化學(xué)方法最為常用,體積小,數(shù)據(jù)可靠,但是需要定期校正,定期更換傳感器,而且價(jià)格高。比色氧氣傳感器無(wú)需用戶校準(zhǔn),價(jià)格便宜,體積小巧,易于陣列化構(gòu)建多傳感器,但是傳感芯片壽命短,多為一次性使用,因此長(zhǎng)期使用成本較高�；诖�,本論文致力于研發(fā)適用于移動(dòng)健康設(shè)備的低成本氧氣傳感器,并側(cè)重于改善傳感器的壽命,主要內(nèi)容如下:1.帶儲(chǔ)液槽的薄層電化學(xué)氧氣傳感器為了獲得較長(zhǎng)的傳感器壽命,我們選擇恒電位式的傳感器原理用于氧氣的檢測(cè),并且使用了無(wú)消耗的平板印刷碳電極及可補(bǔ)充的儲(chǔ)液槽設(shè)計(jì)。水分蒸發(fā)是水溶液電解液不可避免的問(wèn)題,儲(chǔ)液槽設(shè)計(jì)便是為了方便補(bǔ)充傳感器的水分蒸發(fā)。碳電極具有電化學(xué)窗口寬,背景電流低、穩(wěn)定性好、制備工藝成熟、價(jià)格便宜、體積小巧等優(yōu)點(diǎn)。使用平板印刷碳電極可以避免陽(yáng)極消耗帶來(lái)的壽命短問(wèn)題,也使傳感器價(jià)格降低。為了獲得較快的響應(yīng)速度,我們?cè)O(shè)計(jì)了薄層電解液結(jié)構(gòu)使氧氣可以較快地?cái)U(kuò)散至電極發(fā)生反應(yīng)。該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜,壽命長(zhǎng),傳感器測(cè)量范圍13-24%O2,分辨率0.5%O2,△5%O2的響應(yīng)時(shí)間為14s,可以用于呼吸氣體中氧氣濃度的實(shí)時(shí)檢測(cè)(深呼吸)。2.基于光致報(bào)紙黃化的氧氣傳感器空氣中含有20.9%O2,因此傳統(tǒng)的氧氣比色傳感器芯片需要密封隔氧保存。一旦開(kāi)封,空氣中的氧氣接觸會(huì)大大縮短其使用壽命。而選取光致氧化變色材料作為氣敏材料,可以避免這個(gè)問(wèn)題。報(bào)紙含有光致氧化變色材料木質(zhì)素,在紫外線照射下,報(bào)紙迅速黃化可以用于氧氣的檢測(cè),而在室內(nèi)含氧環(huán)境下,報(bào)紙可以穩(wěn)定存放很長(zhǎng)一段時(shí)間,這提供了一種無(wú)需隔氧保存氧氣傳感器的方法。基于報(bào)紙黃化我們制備了比色傳感器及熒光傳感器用于氧氣檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,報(bào)紙?jiān)跓o(wú)光含氧氣氛中放置8個(gè)月之后其靈敏度沒(méi)有明顯變化,表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。我們還研究了兩個(gè)傳感器的其他性能,包括校準(zhǔn)曲線,交叉敏感性及一致性,傳感器具有較好的抗干擾性和一致性。我們也觀察了比色傳感器與熒光傳感器的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)二者的靈敏度具有相關(guān)性,且與報(bào)紙中的木質(zhì)素含量相關(guān)。3.光控陣列型氧氣傳感器及其長(zhǎng)壽命比色傳感器一般是一次性使用,這限制了它們?cè)谶B續(xù)檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。我們提出了一種類似數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的方法,來(lái)提高傳感器的使用次數(shù),也就是使用壽命。我們利用手機(jī)屏幕作為易配置的光陣列光源,選擇菁染料作為氧氣敏感材料。通過(guò)依次打開(kāi)手機(jī)屏幕不同位置的光,依次控制菁染料薄膜上不同位置的氧化反應(yīng),每個(gè)位置的反應(yīng)都可以用于氧氣測(cè)量,從而可以多次使用菁染料薄膜。其壽命取決于光陣列單元面積,面積越小,使用次數(shù)越多。通過(guò)構(gòu)建光控傳感器陣列,我們驗(yàn)證了該方法的可行性,每個(gè)陣列單元的使用不會(huì)影響其他陣列單元,且每個(gè)陣列單元的靈敏度具有較好的一致性。因此通過(guò)該方法可以使傳感器的使用壽命得到提高。我們也測(cè)量了傳感器的其他性能,包括校準(zhǔn)曲線,交叉敏感性,濕度影響及穩(wěn)定性,結(jié)果表明傳感器抗干擾性好且可以在含氧黑暗環(huán)境中穩(wěn)定存儲(chǔ)。受限于屏幕最大亮度及相機(jī)的噪音水平,光陣列單元的面積會(huì)影響傳感器的靈敏度及噪音水平,從而影響信噪比。面積越大,信噪比越高。檢測(cè)時(shí)間的加長(zhǎng)會(huì)增大顏色變化程度,因此對(duì)于給定的信噪比,所需的最小陣列單元面積與檢測(cè)時(shí)間成反比。通過(guò)加長(zhǎng)檢測(cè)時(shí)間,可以減小達(dá)到合適信噪比所需的陣列單元面積,從而可以最大化延長(zhǎng)傳感器的使用壽命。
【圖文】：

圖１－１移動(dòng)健康系統(tǒng)結(jié)構(gòu)２逡逑１逡逑

圖１－２血糖測(cè)量傳感器
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP212

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本文編號(hào)：2629208