2025年12月01日
2025年11月17日
出汗是人体调节体温、维持皮肤屏障和水合作用的重要途径。极端环境或高强度活动会导致汗液大量蒸发，同时伴随着关键电解质的流失，其失衡可引发包括低钠血症在内的严重健康问题，甚至危及生命。因此，汗液的动态监测对于及时揭示生理状态、预警健康风险至关重要。然而，现有基于电阻法和电容法的传感技术在汗液充满流道后难以实现对流速的连续、实时监测，这极大限制了其在动态健康管理与生理学研究中的应用深度。为此，我们提出一种基于应变响应的微流道流速传感器。该传感器通过弯曲微流道结构，将流体流动产生的切向力高效转化为可精确测量的应变信号，从而突破了传统传感器的核心瓶颈。我们通过原位电加热调控 PDMS 流道壁的厚度，并利用材料对亲疏水界面的选择性精确附着 CNT 传感网络在流道壁上，显著提升了传感器的灵敏度和稳定性。结果表明，该传感器能够在 0.05–5 mL/min 的动态范围内实现对汗液流速的精确、连续监测，且实验数据与 COMSOL 仿真结果高度吻合。这项工作不仅为可穿戴健康监测设备提供了高鲁棒性的连续汗液分析新策略，也为早期疾病预警、个性化精准医疗以及优化特殊行业工作效率与安全性开辟了新途径。
实验材料 聚二甲基硅氧烷（PDMS）购自美国陶氏化学（Dow Corning）。超高纯度单壁碳纳米管（SWCNT）购自中国先丰纳米（XFNano）。二氯甲烷、纳米二氧化硅（Silica nanoparticles）及重铬酸铵（ammonium dichromate）均由中国阿拉丁（Aladdin）公司提供。聚四氟乙烯（PTFE）薄膜购自中国道冠（Daoguan）。聚乙烯醇（PVA）购自德国默克（Merck）。
器件制备 首先，将PDMS基底与固化剂以20:1的质量比混合，随后将混合物置于-0.1 MPa真空环境中脱气30分钟，以去除内部气泡。将一根直径为500 μm、长度为15 cm的铁铬铝合金丝（OCr25Al5）嵌入PDMS预聚体中，并施加2A电流进行初步的原位电加热。经过5秒离心后，再次进行电加热。随后，将形成的微流控结构浸入二氯甲烷中进行脱模，并用紫外光照射处理20分钟。将经过紫外处理的微通道结构放置于内衬有PTFE薄膜的模具中。接着，使用移液枪将1 mL的CNT溶液精确注入模具。最后，将器件置于60°C烘箱中固化，最终制得基于应变的微流控流速传感器。
器件表征 使用计算机控制的拉伸剥离试验机（中国广东中野精科仪器有限公司）对PDMS的力学性能进行表征。在模量测量中，将PDMS样品切割成特定几何形状（见补充图1）。为研究传感器的拉伸-电阻特性，我们将微流控器件固定于水平拉伸测试平台上，并将其拉伸至预定长度。使用源测量单元（Keithley 2450，美国）对CNT网络的电学特性进行表征，以评估其电流-电压（I-V）特性。使用扫描电子显微镜（Zeiss Sigma 300，德国）观察CNT的微观形貌。在成像前，对PDMS基底进行60秒的溅射镀膜，以增强其表面导电性。使用微量注射泵（Duke SPLab01）以0.1、0.5、1、2、3、4、5、6和7 mL/min的流速将液体注入微通道中。所有力学仿真均通过COMSOL Multiphysics?软件进行。
本项目提出的低成本、易制备汗液流速传感器，以其高度的可复制性与市场推广潜力，旨在有效破除现有可穿戴传感技术在汗液流速连续监测方面的核心瓶颈。该成果形成了一种以精准生理数据为导向的创新解决方案，不仅填补了我国在可穿戴连续汗液监测领域精准传感技术的空白，更能为下游健康监测设备的设计、制造与市场化运营提供关键技术支撑。其应用价值在于提升个体健康管理水平和优化高风险行业的作业效能，通过早期健康预警降低医疗开支、提升药物研发效率，并减少特殊行业因人员超越生理极限造成的经济损失，从而显著促进我国大健康与高新制造产业的发展，对相关产业升级具有重要的经济拉动作用。更深远地，本项目的技术突破将有力支撑我国主动健康管理模式的构建和特殊岗位人群健康安全保障体系的升级。特别针对在极端或高负荷环境下作业的关键岗位人员（如消防员、军人等），本传感器能提供可靠的生理状态实时监测与预警，打通从生理数据获取到即时干预的壁垒，实现对个体健康的“实时守护”与“精准管理”，引领个体化健康保障新模式。因此，项目成果将有力推动“健康中国2030”国家战略的实施，提升国民健康素养，保障国家关键领域的人力资源安全，为构建和谐健康的社会环境贡献重要的科技力量。
项目简介
出汗是人体调节体温、维持皮肤屏障和水合作用的重要途径。极端环境或高强度活动会导致汗液大量蒸发，同时伴随着关键电解质的流失，其失衡可引发包括低钠血症在内的严重健康问题，甚至危及生命。因此，汗液的动态监测对于及时揭示生理状态、预警健康风险至关重要。然而，现有基于电阻法和电容法的传感技术在汗液充满流道后难以实现对流速的连续、实时监测，这极大限制了其在动态健康管理与生理学研究中的应用深度。为此，我们提出一种基于应变响应的微流道流速传感器。该传感器通过弯曲微流道结构，将流体流动产生的切向力高效转化为可精确测量的应变信号，从而突破了传统传感器的核心瓶颈。我们通过原位电加热调控 PDMS 流道壁的厚度，并利用材料对亲疏水界面的选择性精确附着 CNT 传感网络在流道壁上，显著提升了传感器的灵敏度和稳定性。结果表明，该传感器能够在 0.05–5 mL/min 的动态范围内实现对汗液流速的精确、连续监测，且实验数据与 COMSOL 仿真结果高度吻合。这项工作不仅为可穿戴健康监测设备提供了高鲁棒性的连续汗液分析新策略，也为早期疾病预警、个性化精准医疗以及优化特殊行业工作效率与安全性开辟了新途径。
开发方式
实验材料
聚二甲基硅氧烷（PDMS）购自美国陶氏化学（Dow Corning）。超高纯度单壁碳纳米管（SWCNT）购自中国先丰纳米（XFNano）。二氯甲烷、纳米二氧化硅（Silica nanoparticles）及重铬酸铵（ammonium dichromate）均由中国阿拉丁（Aladdin）公司提供。聚四氟乙烯（PTFE）薄膜购自中国道冠（Daoguan）。聚乙烯醇（PVA）购自德国默克（Merck）。
器件制备
首先，将PDMS基底与固化剂以20:1的质量比混合，随后将混合物置于-0.1 MPa真空环境中脱气30分钟，以去除内部气泡。将一根直径为500 μm、长度为15 cm的铁铬铝合金丝（OCr25Al5）嵌入PDMS预聚体中，并施加2A电流进行初步的原位电加热。经过5秒离心后，再次进行电加热。随后，将形成的微流控结构浸入二氯甲烷中进行脱模，并用紫外光照射处理20分钟。将经过紫外处理的微通道结构放置于内衬有PTFE薄膜的模具中。接着，使用移液枪将1 mL的CNT溶液精确注入模具。最后，将器件置于60°C烘箱中固化，最终制得基于应变的微流控流速传感器。
器件表征
使用计算机控制的拉伸剥离试验机（中国广东中野精科仪器有限公司）对PDMS的力学性能进行表征。在模量测量中，将PDMS样品切割成特定几何形状（见补充图1）。为研究传感器的拉伸-电阻特性，我们将微流控器件固定于水平拉伸测试平台上，并将其拉伸至预定长度。使用源测量单元（Keithley 2450，美国）对CNT网络的电学特性进行表征，以评估其电流-电压（I-V）特性。使用扫描电子显微镜（Zeiss Sigma 300，德国）观察CNT的微观形貌。在成像前，对PDMS基底进行60秒的溅射镀膜，以增强其表面导电性。使用微量注射泵（Duke SPLab01）以0.1、0.5、1、2、3、4、5、6和7 mL/min的流速将液体注入微通道中。所有力学仿真均通过COMSOL Multiphysics?软件进行。
预期成果
本项目提出的低成本、易制备汗液流速传感器，以其高度的可复制性与市场推广潜力，旨在有效破除现有可穿戴传感技术在汗液流速连续监测方面的核心瓶颈。该成果形成了一种以精准生理数据为导向的创新解决方案，不仅填补了我国在可穿戴连续汗液监测领域精准传感技术的空白，更能为下游健康监测设备的设计、制造与市场化运营提供关键技术支撑。其应用价值在于提升个体健康管理水平和优化高风险行业的作业效能，通过早期健康预警降低医疗开支、提升药物研发效率，并减少特殊行业因人员超越生理极限造成的经济损失，从而显著促进我国大健康与高新制造产业的发展，对相关产业升级具有重要的经济拉动作用。更深远地，本项目的技术突破将有力支撑我国主动健康管理模式的构建和特殊岗位人群健康安全保障体系的升级。特别针对在极端或高负荷环境下作业的关键岗位人员（如消防员、军人等），本传感器能提供可靠的生理状态实时监测与预警，打通从生理数据获取到即时干预的壁垒，实现对个体健康的“实时守护”与“精准管理”，引领个体化健康保障新模式。因此，项目成果将有力推动“健康中国2030”国家战略的实施，提升国民健康素养，保障国家关键领域的人力资源安全，为构建和谐健康的社会环境贡献重要的科技力量。