近日，南京工业大学“全印刷式可穿戴汗液传感系统用于运动效能监测：电子帽”项目获“第四届江苏省大学生生物医学工程创新设计竞赛”特等奖。据介绍，这款“电子帽”可以实时监测人体汗液中电解质的变化，不仅能防中暑还能防眩晕。

据悉，该项目由柔性电子（未来技术）学院副教授吴琼老师指导2020级博士研究生姬文辉、2021级硕士研究生杨雅和2022级硕士研究生裴思莹等学生完成。运动过程中因钠离子和钾离子变化引起的眩晕、心悸和中暑等紧急情况，一般需要到医院做血检，费时费力，且时刻存在生命危险，可穿戴汗液离子电化学生物传感器可动态、连续实时监测人体各项指标，对医疗保健至关重要。

“传统的检测方法有几个缺点，如侵入性、微创检测、高成本、耗时分析以及对样本污染的敏感性等，这限制了它们的广泛应用。”吴琼表示，探寻一种经济高效、性能稳定、能够快速大规模制造的可穿戴电化学传感器十分迫切。下面介绍一下该师生团队在设计过程中使用到的“黑科技”：

1.丝网印刷

丝网印刷属于孔版印刷，它与平印、凸印、凹印一起被称为四大印刷方法。孔版印刷包括眷写版、镂孔花版、喷花和税网印刷等。孔版印刷的原理是：印版(纸膜版或其它版的版基上制作出可通过油墨的孔眼)在印刷时，通过一定的压力使油墨通过孔版的孔眼转移到承 印物(纸张、陶瓷等)上，形成图象或文字。眷写版印刷为最简便的孔版印刷，始于19世纪末期。这种印刷是在特制的蜡纸上，通过打字机或铁笔制成蜡纸图文版，在蜡纸版上用油墨辗进行印刷，承印物上就可得到理想的印刷效果。在孔版印刷中，应用最广泛的是丝网印刷。

丝网印刷是将丝织物、合成纤维织物或金属税网绷在网框上，采用手工刻漆膜或光化学制版的方法制作丝网印版。现代丝网印刷技术，则是利用感光材料通过照相制版的方法制作。印刷时，通过刮板的挤压，使油望通过图文部分的网孔转移到承印物上，形成与原稿一样的图文。丝网印刷设备简单、操作方便，印刷、制版简易且成本低廉，适应性强。丝网印刷应用范围广，常见的印刷品有：彩色油画招贴画、名片、装帧封面、商品标牌以及印染纺织品等。

丝网印刷由五大要素构成，即丝网印版、刮印刮板、汕墨、印刷台以及承印物。丝网印刷基本原理是：利用丝网印版图文部分网孔透油墨，非图文部分网孔不透墨的基本原理进行印刷。印刷时在丝网印版端上倒入油墨，用刮印刮板在丝网印版上的油墨部位施加一定压力，同时朝丝网印版另一端移动。油墨在移动中被刮板从图文部分的网孔中挤压到承印物上。由于油墨的粘性作用而使印迹固着在一定范围之内，印刷过程中刮板始终与丝网印版和承印物呈线接触，接触线随刮板移动而移动，由于丝网印版与承印物之间保持一定的间隙，使得印刷时的丝网印版通过白身的张力而产生对刮板的反作用力，这个反作用力称为回弹力。由于回弹力的作用，使丝网印版与承印物呈移动式线接触，而税网印版其它部分与承印物为脱离状态，使油墨与税网发生断裂运动，保证了印刷尺寸精度和避免蹭脏承印物。当刮板刮过整个版面后拾起，同时丝网印版也拾起，并将油黑轻刮回初始位置。至此为一个印刷行程。

2.电化学传感器

电化学传感器主要就是来测定目标分子或者物质的电化学性质，最早的电化学传感器可以追溯到20世纪50年代，当时用于氧气监测。到了20世纪80年代中期，小型电化学传感器开始用于检测PEL范围内的多种不同有毒气体，并显示出了良好的敏感性与选择性。目前，为保护人身安全起见，各种电化学传感器广泛应用于许多静态与移动应用场合。

电化学传感器包含以下主要元件：

透气膜：用于覆盖传感（催化）电极，在有些情况下用于控制到达电极表面的气体分子量。此类屏障通常采用低孔隙率特氟隆薄膜制成。这类传感器称为镀膜传感器。或者，也可以用高孔隙率特氟隆膜覆盖，而用毛管控制到达电极表面的气体分子量。此类传感器称为毛管型传感器。除为传感器提供机械性保护之外，薄膜还具有滤除不需要的粒子的功能。为传送正确的气体分子量，需要选择正确的薄膜及毛管的孔径尺寸。孔径尺寸应能够允许足量的气体分子到达传感电极。孔径尺寸还应该防止液态电解质泄漏或迅速燥结。

电极：选择电极材料很重要。电极材料应该是一种催化材料，能够执行在长时间内执行半电解反应。通常，电极采用贵金属制造，如铂或金，在催化后与气体分子发生有效反应。视传感器的设计而定，为完成电解反应，三种电极可以采用不同材料来制作。

电解质：电解质必须能够进行电解反应，并有效地将离子电荷传送到电极。它还必须与参考电极形成稳定的参考电势并与传感器内使用的材料兼容。如果电解质蒸发过于迅速，传感器信号会减弱。

过滤器：有时候传感器前方会安装洗涤式过滤器以滤除不需要的气体。过滤器的选择范围有限，每种过滤器均有不同的效率度数。多数常用的滤材是活性炭，如图5所示。活性炭可以滤除多数化学物质，但不能滤除一氧化碳。通过选择正确的滤材，电化学传感器对其目标气体可以具有更高的选择性。

3.用于自主汗液感应的可穿戴电化学生物传感器

汗液是一种重要的体液，含有大量反映营养和代谢状况的化学物质。从血液分析到可穿戴汗液分析的进展可以为无创、连续监测对人类健康至关重要的生理生物标志物提供巨大潜力。然而，目前报道的可穿戴电化学传感器主要关注有限数量的分析物，包括电解质、葡萄糖和乳酸，因为除了离子选择性和酶电极或电活性分子的直接氧化之外缺乏合适的连续监测策略。

因此，汗液中大多数临床相关的营养物质和代谢物很少可以被现有的可穿戴传感技术探索和检测到。此外，目前的可穿戴生物传感器通常需要剧烈运动才能获得汗水。

据麦姆斯咨询报道，基于此，来自美国加州理工学院以及加利福尼亚大学的研究人员开发了一种可穿戴电化学生物传感器，该传感器可用于连续分析人体在体育锻炼和休息状态时汗液中痕量水平的多种代谢物和营养物质，包括所有必需氨基酸和维生素，通过监测代谢物以实现在早期识别异常健康状况，并促进精准营养物质补充等应用。该研究成果以“A wearable electrochemical biosensor for the monitoring of metabolites and nutrients”为题发表于nature biomedical engineering期刊。

为了实现对身体的连续代谢和营养监测，研究人员设计的柔性传感器贴片包括用于局部按需汗液感应的离子电渗模块、用于高效汗液采样的多入口微流控模块、用于连续氨基酸（AA）分析的多路激光蚀刻石墨烯-分子印迹聚合物（LEG-MIP）汗液营养物质传感器阵列，以及用于实时AA传感器校准的基于LEG的温度和电解质传感器。考虑到运动期间的出汗率会影响某些生物标志物水平，研究人员利用汗液中Na⁺水平（与出汗率呈线性相关）来进一步校准营养物质水平以进行个性化分析。这种涉及两步差分脉冲伏安法（DPV）扫描和温度/电解质校准的独特转导策略，使研究人员能够在传感器使用期间连续获得准确的汗液读数。

为了使这种可穿戴技术可以广泛适用，特别是可以适用于久坐不动的人，研究人员使用了一种定制设计的离子电渗疗法模块，该模块由LEG阳极和阴极以及含有毒蕈碱剂卡巴胆碱的水凝胶组成，用于可持续的排汗。为了最大限度地提高低容量汗液采样的效率并提高可穿戴传感的时间分辨率，研究人员还精心设计了一个紧凑的柔性微流控模块，以将汗液采样区域与离子电渗凝胶隔离开来，并进行数值模拟以优化微流控模块的几何设计，包括关于储液区几何形状的入口数量、角度跨度、方向和流动方向。

通过对汗液诱导和采样的优化设计，可以便捷地在局部诱导汗液，并在长时间内使用多入口微流控系统轻松采样。研究结果发现，在0.15 µl /min到3 µl /min的生理出汗率范围内，研究人员的可穿戴传感器贴片可以提供对AA水平动态变化的可靠和准确的分析。

通过整合可大规模生产的LEG、电化学合成的氧化还原活性纳米载体（RAR）和“人工抗体”，研究人员展示了一种强大的通用可穿戴生物传感策略，可以实现对广泛的生物标志物（包括所有必需的氨基酸、维生素、代谢物、脂质、激素和药物）监测和可靠的原位再生，在代谢综合征风险监测中具有很大的应用前景。此外，COVID-19阳性和COVID-19阴性血液样本之间Leu水平的显著差异表明了使用该技术进行COVID-19即时诊断和干预的潜力。

此外，这种可穿戴技术可以通过持续监测循环生物标志物和实现个性化营养干预，在实现精准营养补充方面发挥关键作用。该技术还可以重新配置，以持续监测各种其他生物标志物，以实现广泛的个性化预防、诊断和治疗应用。

文章来源： 现代快报，快懂百科，人人文库，MEMS