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柔性可穿戴传感器在汗液监测中的应用综述

医疗卫生装备 2020年第12期41卷 90-96页

作者：余梦珂张国军湖北中医药大学检验学院纳米生物传感中心武汉430065

介绍了柔性可穿戴传感器应用于汗液监测的优势,综述了柔性可穿戴传感器在监测汗液中的葡萄糖、乳酸、pH值及多种标志物中的研究进展,分析了柔性可穿戴汗液传感器目前存在的不足和局限性,指出了未来柔性可穿戴汗液传感器应向低成本、制... 详细信息

介绍了柔性可穿戴传感器应用于汗液监测的优势,综述了柔性可穿戴传感器在监测汗液中的葡萄糖、乳酸、pH值及多种标志物中的研究进展,分析了柔性可穿戴汗液传感器目前存在的不足和局限性,指出了未来柔性可穿戴汗液传感器应向低成本、制造简便、高选择性和灵敏度方向发展。

关键词：柔性可穿戴传感器汗液监测汗液生物传感器可穿戴设备

可穿戴电化学汗液传感器的研究进展及其在运动监测中的应用

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分析化学 2024年第06期52卷 751-762页

作者：刘兰财宋巨华王涛高红方李海玉无锡学院体育部无锡学院环境工程学院

可穿戴电化学传感器具有柔韧性好、微型化、便携性、生物相容性好和检测成本低等特点，可对汗液中的生理信号进行准确、安全和实时无创监测，有助于了解运动员在训练过程中的各项生理指标、预测运动风险、防止运动损伤以及科学化指导运... 详细信息

可穿戴电化学传感器具有柔韧性好、微型化、便携性、生物相容性好和检测成本低等特点，可对汗液中的生理信号进行准确、安全和实时无创监测，有助于了解运动员在训练过程中的各项生理指标、预测运动风险、防止运动损伤以及科学化指导运动训练，因此，在运动监测领域中拥有巨大的应用潜力。本文基于汗液中生物标志物与运动训练的关系，介绍了可穿戴电化学汗液传感器的基底材料、汗液采样策略、传感单元、信号传输和电源系统等方面的最新研究进展，归纳并总结了其在运动监测领域中的应用现状、机遇和挑战，并对其未来发展进行了展望。

关键词：可穿戴电化学传感器运动监测汗液监测评述

来源：博看期刊

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基于直接电子转移的柔性纤维葡萄糖传感器

高分子学报 2024年第7期55卷 872-880页

作者：李金妍唐成强李雯君黄滔孙雪梅彭慧胜聚合物分子工程国家重点实验室复旦大学高分子科学系纤维电子材料与器件研究院先进材料实验室上海200438

酶基电化学葡萄糖传感器具有优异的选择性和灵敏度,基于直接电子转移原理的第三代传感器有望解决第一、二代传感器所面临的易受氧气浓度干扰、电子介体不稳定等问题.因此,本研究基于聚3,4-乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)和葡... 详细信息

酶基电化学葡萄糖传感器具有优异的选择性和灵敏度,基于直接电子转移原理的第三代传感器有望解决第一、二代传感器所面临的易受氧气浓度干扰、电子介体不稳定等问题.因此,本研究基于聚3,4-乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)和葡萄糖脱氢酶(GDH)双组分开发了柔性纤维第三代葡萄糖传感器.该纤维传感器在10~500μmol/L范围内具有良好的线性(R^(2)=0.9968),灵敏度可达62.53μA/(mmol·L^(-1)·cm^(2)),且不受氧气影响.纤维传感器还具有良好的柔性和可编织性,将其集成到织物中,实现了人在运动时汗液中葡萄糖的连续实时监测,为制备满足可穿戴需求的第三代葡萄糖传感器提供了新思路.

关键词：柔性纤维葡萄糖传感器直接电子转移汗液监测聚3,4-乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐

基于蓝牙的可穿戴汗液多参数电化学传感器监测系统的研制

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基于蓝牙的可穿戴汗液多参数电化学传感器监测系统的研制

作者：刘罡广州大学

学位级别：硕士

针对运动中汗液检测领域对检测系统可穿戴,高精度,长时间检测的需求,设计并制作了一种多参数、可穿戴的无线电化学检测系统。此系统的硬件电路部分以微功耗放大器ADA4505-2为核心构成微型恒电位仪电路和开路电位采集电路,低噪声24位Σ-... 详细信息

针对运动中汗液检测领域对检测系统可穿戴,高精度,长时间检测的需求,设计并制作了一种多参数、可穿戴的无线电化学检测系统。此系统的硬件电路部分以微功耗放大器ADA4505-2为核心构成微型恒电位仪电路和开路电位采集电路,低噪声24位Σ-Δ型模数转换器(ADC)AD7124-4作为转换电路,双通道、12位模数转换器(DAC)AD5623为基准电压源和控制电位发生器件,低功耗蓝牙(BLE)芯片CC2640R2F作为主控制器,采用ADP1711AUJZ-3.3-R7和TPS79933DDCT芯片分别作为前端模拟电路和转换电路和主控制器电路供电。采用370m Ah锂电池供电时,可连续工作5小时以上,满足监测时长需要,系统具有三个通道电位和两个通道电流的同步检测能力,可同时实现最多5种不同物质的浓度监测,为了验证系统可靠性和精度,通过外部信号源分别进行了电位监测和电流监测能力测试,测试结果表明,电压分辨率达到1μV,电流分辨率达到1nA。改进后的柔性监测装置可监测6种不同汗液电解质的浓度监测,监测系统整体可佩戴于腕部、腿部、头部等位置。本文基于电化学基本原理,设计制作了玻碳电极和基于丝网印刷技术的柔性ISE传感器,用于验证监测装置监测多参数汗液物质的可行性。分别采用离子选择性电极进行钾离子浓度梯度测试和电流型传感器进行尿酸浓度梯度测试,并将测试结果与实验室台式电化学分析仪器相比对,验证了此监测系统对汗液物质浓度的变化的检测能力;应用自制的基于PET材料的柔性ISE传感器结合本系统对多通道人造汗液离子的浓度变化以及人体运动过程中汗液里pH的变化进行实时监测,实验结果满足预期要求,验证了本系统实际监测应用的可行性。本论文基于Android Studio开发了与硬件电路通信的智能移动设备应用程序,可实现蓝牙连接、断开、数据传输,数据显示、图像显示以及数据保存等多个功能,实现了多个通道数据的实时监测,以散点图的形式直观的呈现采集的数据。综上所述,本研究提供的适用于运动场景下的多参数汗液监测装置,可实时监测人体在运动状态下汗液物质浓度变化,从而对运动员在训练时监测生理负荷有较好的应用前景。

关键词：汗液监测电化学传感器柔性印刷技术穿戴式设备低功耗蓝牙监测

基于水凝胶全固态钾离子选择性电极及可穿戴汗液传感

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基于水凝胶全固态钾离子选择性电极及可穿戴汗液传感

作者：刘思怡广州大学

学位级别：硕士

可穿戴电位离子传感器是一种基于经典离子载体的分析设备。它集成了新材料和电子电路,能实时监测体内离子浓度,从而满足了人们日益增长的健康监测需求。全固态离子选择性电极的开发为可穿戴传感器开辟了新路径,它不仅消除了离子通量造... 详细信息

可穿戴电位离子传感器是一种基于经典离子载体的分析设备。它集成了新材料和电子电路,能实时监测体内离子浓度,从而满足了人们日益增长的健康监测需求。全固态离子选择性电极的开发为可穿戴传感器开辟了新路径,它不仅消除了离子通量造成的影响,还提高了电极的寿命和耐用性,同时使电极的微型化变得更加容易。然而,这类电极也存在一些显著的缺点,如水层效应的影响、高昂的售价以及生物相容性不佳等问题,这些因素制约了电极在可穿戴汗液离子传感领域中的广泛应用。因此,本研究旨在基于水凝胶材料构建具有生物相容性的K+传感器,并进一步探索其在柔性可穿戴汗液离子传感领域的应用,具体研究内容如下:1.基于离子选择性膜（ISM）的固态离子选择性电极（SC-ISES）是用于电解质分析的可穿戴汗液传感器的主要装置。尽管可穿戴汗液传感器具有诸多优势,但ISM需要直接与皮肤接触,特别是ISM中的离子载体,如缬氨霉素（K+离子载体）,其生物毒性成为了一个亟待解决的问题。因此,我们提出了在ISM上涂覆氧化石墨烯-聚乙烯醇（GO-PVA）水凝胶以制造基于水凝胶的SC-ISES。GO片和PVA链之间的氢键相互作用可形成交联网络增强机械强度。综合电化学测试表明,与未涂覆的K+-SC-ISEs相比,涂覆水凝胶的K+-SC-ISEs保持了高灵敏度、高选择性和抗干扰能力。更重要的是,结合固态参比电极制作的K+传感器,可实现对汗液K+的实时监测。这项工作强调了水凝胶涂层在构建具备生物相容性的可穿戴汗液离子传感器具有巨大潜力。2.目前,SC-ISEs主要由基底、固接层（SC）和ISM层组成。ISM中的离子载体成分的泄漏不仅会缩短传感器的使用寿命,还会损害人体皮肤。因此,在本章中我们提出了一种基于普鲁士蓝-聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚苯乙烯磺酸-聚乙烯醇(K1.3Fe[Fe（CN）6]-PEDOT:PSS-PVA)水凝胶的无ISM的K+-SC-ISEs。K1.3Fe[Fe（CN）6]（KFFCN）不仅能够在晶体中储存离子,而且Fe金属中心的氧化还原能力能够发生电子转移,可实现离子浓度信号与电子信号之间的转换。综合电化学测试表明,基于KFFCN-PEDOT:PSS-PVA水凝胶所构建的无ISM的K+-SC-ISEs展现了与传统K+-SC-ISEs相媲美的灵敏度和抗干扰性。值得注意的是,柔性水凝胶电极在不同的弯曲状态下分析性能基本一致;而且将其与固态参比电极相结合,可实现对汗液中K+的实时监测。这项工作首次提出了基于水凝胶的无ISM的概念,并强调开发其对可穿戴汗液离子传感领域具有重要意义。3.在上一个工作中我们基于K1.3Fe[Fe（CN）6]-PEDOT:PSS-PVA水凝胶构建了无ISM的K+-SC-ISEs,但其在选择性方面表现不佳。因此,本章我们提出了基于普鲁士蓝-聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚苯乙烯磺酸-聚乙烯醇(K2Fe[Fe（CN）6]-PEDOT:PSS-PVA)水凝胶的K+-SC-ISEs。此外,K2Fe[Fe（CN）6]（KFe HCF）也是一种可将离子浓度信号和电子信号进行转换的双功能传感材料。综合电化学测试表明,与传统的K+-SC-ISEs相比,基于KFe HCF-PEDOT:PSS-PVA水凝胶的K+-SC-ISEs保持了良好的灵敏度和抗干扰能力;同时所制备的柔性电极也具有一定的柔韧性和灵敏度,并且可成功应用于人体汗液K+的实时监测。未来,随着传感器技术的不断发展,传感器的灵活性、舒适性将会得到进一步提升,为其在可穿戴传感领域的应用奠定了坚实的基础。

关键词：离子选择性电极可穿戴传感器水凝胶汗液监测

基于水伏效应的太阳能光热电集成器件及自供能皮肤贴片的应用研究

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基于水伏效应的太阳能光热电集成器件及自供能皮肤贴片的应用研究

作者：张大东云南大学

学位级别：硕士

淡水短缺和能源短缺是现阶段困扰人类的两大难题。自然界拥有丰富的太阳能资源和水资源,如何利用好水中的能源一直是研究者们关注的焦点。近年来,纳米材料的发展将水能的利用带入纳米领域,越来越多的纳米水伏发电机被研制出来,实现了水... 详细信息

淡水短缺和能源短缺是现阶段困扰人类的两大难题。自然界拥有丰富的太阳能资源和水资源,如何利用好水中的能源一直是研究者们关注的焦点。近年来,纳米材料的发展将水能的利用带入纳米领域,越来越多的纳米水伏发电机被研制出来,实现了水(多种形式)与纳米材料相互作用产生电能,但是它们大都基于石墨烯、碳纳米管等纳米材料,不利于大规模实际应用。因此本论文从水伏效应的实际应用出发,一方面,以产量大成本低廉便于大规模应用的生物质柚子皮碳材料为基础,构建了高柔性高稳定性高产电性能的水伏发电器件,并将该器件用于皮肤贴片的自驱动传感,为新型水伏发电器件的设计提供了新的方法和理论依据;另一方面,基于柚子皮碳材料良好的光热转换性能,设计制造了多级太阳能光热电集成系统,由柚子皮碳材料吸收太阳光转换为热能,使海水蒸发,随后利用多级装置实现蒸汽焓的循环利用,同时利用蚕丝基湿度发电器件进行发电,最终实现同时获得饮用水和电能的目标,实现了太阳能的超高效利用。主要研究内容和研究结果如下:(1)以生物质废弃物柚子皮为原料,制备了疏松多孔的柚子皮碳颗粒,然后对其进行表面改性处理。基于柚子皮碳材料制备了持续供水、滴水供水的水伏发电机,拓宽了水伏发电的应用场景。采用一端持续供水的模式下,器件能够产生0.15V的开路电压,持续超过2天;采用一端滴模拟汗液的供水模式下,器件能够产生0.2 V的开路电压持续50分钟。针对水源受限的问题,进一步制备了湿度发电器件,实现了从空气中吸取水分从而供给器件发电。氯乙酸处理后的柚子皮碳与PSSA复合制备的湿度发电器件,在70%的环境湿度条件下最高可以持续输出0.5 V的开路电压,持续超过10小时。(2)设计并制备了集柚子皮水伏发电器件、湿度发电器件、温度传感器和微流控集汗孔道于一体的集成化汗液监测皮肤贴片。实验结果表明该皮肤贴片能够自驱动监测汗液流速,水伏发电器件对监测人体汗液p H值具有灵敏性。(3)设计并构建了集成湿度发电模块的多级太阳能蒸发系统,实现利用太阳能同时生产饮用水和电力的双功能。10级太阳能光热蒸发系统凭借柚子皮碳材料的优异光热性能以及多级蒸汽潜热的循环利用达到了2.79 L·m·h)的水生产速率(187%的光热转换效率)。同时,利用第7级产生的高湿度,位于第8、9、10级蚕丝基湿度发电器件能够产生80 m V的电压,并可持续8小时之久。

关键词：水伏效应湿度发电生物质碳材料汗液监测海水淡化

基于导电MOF的无酶电化学传感织物及可穿戴应用

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基于导电MOF的无酶电化学传感织物及可穿戴应用

作者：袁梦显东华大学

学位级别：硕士

伴随着人民健康意识的提高,用于人体健康监测的柔性可穿戴式传感器越来越受到重视。可穿戴式传感器可以将诸如电、光、温度、化学作用等非电信号转换为电信号。它通常包括检测部件、转换部件、控制电路和信号转换电路等组件。可穿戴式... 详细信息

伴随着人民健康意识的提高,用于人体健康监测的柔性可穿戴式传感器越来越受到重视。可穿戴式传感器可以将诸如电、光、温度、化学作用等非电信号转换为电信号。它通常包括检测部件、转换部件、控制电路和信号转换电路等组件。可穿戴式传感器大致可被划分为三种类型:可穿戴式物理传感器、可穿戴式化学传感器和可穿戴式生物传感器。在医疗、体育、军事等领域,行业内人士都相信可穿戴式传感器有着巨大的应用潜力。当电化学生物传感器用于实时监测体液时,皮肤接触有助于收集、分析和转移汗液、眼泪、唾液和其他体液,以提供有关汗液p H值和血糖、乳酸、金属离子盐、重金属等的实时信息。体液信息在实时监测个体生命体征和疾病诊断中起着重要作用。但是,人们研究的方向很少聚焦在人体皮肤安全性、舒适性上。因此,如何制造一种能够兼顾灵敏度和穿着舒适性的可穿戴式传感器业已成为亟待解决的课题。金属有机框架（MOF）是一种结构多样且易于修饰的多孔性材料。凭借着超高的空隙率和巨大的表面积,MOF材料在催化、分离、传感器和气体吸附等领域都有着良好的应用前景。基于此,本文从MOF的制备出发,制备了柔性电化学传感器。以双金属Ni Co-MOF作为电极修饰材料,乙烯-醋酸乙烯共聚物作为粘连材料,构筑了立体多层柔性织物基电化学汗液传感器。具体内容如下:单金属离子Ni-MOF的制备:在溶剂热反应中制备单金属Ni-MOF,以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和乙腈作为形状导向剂,将硝酸镍前体与对苯二甲酸（HBDC）配体结合。与传统镍基材料相比,分层片状的Ni-MOF葡萄糖循环伏安测试的氧化还原峰更显著。分层片状Ni-MOF电极修饰材料的灵敏度为0.884μA·m M,检出限（Lo D）为2.647 m M（S/N=3）,但是具有长期稳定性差的缺陷。双金属离子Ni Co-MOF的制备:采用一锅法制备双金属Ni Co-MOF,并对比单金属离子MOF和双金属离子MOF的葡萄糖催化氧化性能。由于Ni离子和Co离子的协同效应,双金属离子MOF的葡萄糖电催化氧化性能优于单金属离子MOF且长期稳定性好于单金属MOF。Ni Co-MOF电极修饰材料的灵敏度从单金属MOF的0.884μA·m M提升到了1.293μA·m M,检出限（Lo D）从2.647 m M降低至1.522 m M（S/N=3）。所以,最终选择Ni Co-MOF作为电极修饰材料,直接滴涂在工作电极上对汗液进行监测。织物基底的选择与多层电化学传感织物的构建:使用丝网印刷法在织物基底上制作三电极。采用滴涂法将电极修饰材料负载在工作电极上,并对比各类织物负载MOF后基底的实用性（包括耐水洗性和生物细胞相容性）和穿戴舒适性。探究了不同含量的MOF电极修饰材料对于柔性传感器的电化学性能的影响,确定了在最佳MOF含量时柔性汗液传感器的葡萄糖标准曲线。最终,由吸湿层（丙纶）、检测层（尼龙）和疏水层（涤纶）组成多层织物器件。与传统的可穿戴器件相比,多层织物器件在保留了织物原本柔性的同时,具备了对汗液的微流控功能。通过电化学测试,表明该多层织物器件的灵敏度为2.935μA·m M,检出限为1.686 m M（S/N=3）,可以满足汗液监测的需要。这为制备柔性可穿戴传感器开发提供了一种新的途径。

关键词： MOF 电化学传感电催化氧化柔性织物器件汗液监测

可穿戴式分子膜栅AlGaN/GaN HEMT传感器的研制及测试

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可穿戴式分子膜栅AlGaN/GaN HEMT传感器的研制及测试

作者：刘昕升成都理工大学

学位级别：硕士

过去十年,可穿戴传感器因其在监测佩戴者的健康、健身和周围环境方面的巨大潜力而备受关注。柔固结合的可穿戴电化学传感器衬底具有柔软轻薄,可形变的优势,能与人体的皮肤曲面进行有效的贴合。而衬底上小型的固体传感器具有灵敏度好,选... 详细信息

过去十年,可穿戴传感器因其在监测佩戴者的健康、健身和周围环境方面的巨大潜力而备受关注。柔固结合的可穿戴电化学传感器衬底具有柔软轻薄,可形变的优势,能与人体的皮肤曲面进行有效的贴合。而衬底上小型的固体传感器具有灵敏度好,选择性高,简单方便,检测快速等特点。近年来,这样的传感器在人体体征信号(如血压、心率、体温等)实时监测和体液代谢物连续快速分析方面展现出了巨大的应用前景,而且这样的传感器可以在分子水平为表皮生理信息传感和汗液代谢物分析提供丰富的化学信息。但是目前为止报道的一些可穿戴设备中,离子选择性电极(ISE)和场效应晶体管(ISFET)占大多数,因为它们提供了快速,廉价的并行传感和超灵敏的无标记检测。然而,不能进行长期的可重复检测,并且Ag/Ag Cl参比电极的设计复杂,以及体积过大,这阻碍了ISE和ISFET生物传感器成为真正的可穿戴健康监测平台。本文提出一种基于AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的新型可穿戴检测平台。利用微机械(MEMS)加工技术加工出来的AlGaN/GaNHEMT,作为一种小型化,具有可重复性,超灵敏监测的生物传感器,在柔固结合的可穿戴汗液监测传感器中尚未见报道。在该平台上,利用防汗带连续收集汗水,通过修饰不同的敏感膜形成p H检测单元和钾离子检测单元,实现对p H和钾离子的长期稳定且可重复的检测。具体的研究内容包括:1.首先本文对可穿戴汗液监测的传感器进行了简单介绍,可穿戴汗液监测传感器一般需要有灵敏度好,检测限低,化学稳定性好,生物相容性好,重复性好,小型化,能够进行集成等优点,从而引出AlGaN/GaN HEMT生物传感器。2.根据AlGaN/GaN HEMT生物传感器的工作原理,设计了汗液监测平台的具体结构,包括AlGaN/GaN HEMT生物传感器的尺寸,两个传感单元的设计,聚酰亚胺膜的连接,汗液带的设计等,对可穿戴的传感器进行了工艺开发,具体包括光刻、刻蚀、镀膜、退火、封装等相关工艺。3.设计了一个柔性的传感器衬底,利用聚酰亚胺膜为材料,作为连接电路连接传感器与交互设备。还设计了一个汗液带用于收集和传输汗液。4.完成了AlGaN/GaN HEMT生物传感器的表面修饰,利用原子层沉积(ALD)了一层氧化铝作为H敏感膜用于连续监测H。制作了一层5μm厚的K离子选择性膜用于连续监测K。5.对可穿戴汗液监测平台进行性能测试,主要包括灵敏度,稳定性和重复性。并且利用汗液进行实时监测,实验数据表明,基于AlGaN/GaN HEMT的可穿戴检测平台具有良好的灵敏度(p H 3-7灵敏度为45.72μA/p H;p H7.4-9灵敏度为51.073μA/p H;K灵敏度为4.94μA/lgαK),稳定性(28天)和可重复性(p H3-7灵敏度的相对标准偏差(RSD)为2.6%,p H 7.4-9灵敏度的RSD为2.1%,K灵敏度的RSD为7.3%)。本文最新提出的可穿戴平台在预测分析和个性化医疗方面具有巨大的潜力。

关键词： AlGaN/GaN HEMT 电化学传感器汗液监测

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人体汗液生化微信号无创连续采集传输系统

电子制作 2022年第11期30卷 15-19,46页

作者：毛禹皓李佳清杨敬涵张雅涵马烨波王卓然秦伟郭强李庆利魏高峰陈建刚华东师范大学通信与电子工程学院/上海市多维度信息处理重点实验室上海200241 上海中医药大学中医智能康复教育部工程研究中心上海201203 中国人民解放军海军军医大学海军医学系上海200433

本文介绍了一种人体汗液生化微信号实时连续采集及无线传输模块的开发。该模块可采集汗液生化传感芯片所输入的微小电信号并经多级放大,滤波降噪电路处理,输出稳定的钾、钙、钠、氯四种离子浓度信号。无线传输模块采用蓝牙5.0通讯协议的... 详细信息

本文介绍了一种人体汗液生化微信号实时连续采集及无线传输模块的开发。该模块可采集汗液生化传感芯片所输入的微小电信号并经多级放大,滤波降噪电路处理,输出稳定的钾、钙、钠、氯四种离子浓度信号。无线传输模块采用蓝牙5.0通讯协议的CC26XX系列,具有低功耗,高速率,小数据等特点;配备可与硬件连接的移动端数据处理应用软件,以动态折线图的形式实时显示四种离子的浓度信号。本系统的微小信号无线传输功能不仅可以应用在汗液离子浓度信号传输,在大多数短距离传输微小电信号的领域都可以发挥作用。

关键词：微小信号汗液监测低功耗移动端无线传输