顯微鏡下的傳感器表面：研究小組從金屬微粒中生長(zhǎng)出細(xì)小的線和尖峰，這些金屬微粒特別擅長(zhǎng)捕獲氣體分子。

高靈敏度傳感器的生產(chǎn)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程：它需要許多步驟和特殊潔凈室?guī)缀鯚o(wú)塵的環(huán)境。來(lái)自基爾大學(xué) (CAU) 材料科學(xué)和摩爾多瓦技術(shù)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程的研究小組現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出一種使用 3D 打印生產(chǎn)靈敏和節(jié)能的傳感器的程序。該團(tuán)隊(duì)近期在的專(zhuān)業(yè)期刊《納米能源》上解釋說(shuō)，這種簡(jiǎn)單且具有成本效益的生產(chǎn)方法也適用于工業(yè)生產(chǎn). 他們?cè)谶@里展示的傳感器能??夠使用納米級(jí)的特殊結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確測(cè)量丙酮蒸氣的濃度。由于呼氣中的丙酮濃度與血糖水平相關(guān)，研究小組希望朝著為糖尿病患者生產(chǎn)呼氣測(cè)試邁出一步，該測(cè)試可以取代通過(guò)手指刺傷他們的血糖水平的日常檢查。

更大的表面使傳感器更靈敏

新型傳感器的特殊表面在高分辨率電子顯微鏡下可見(jiàn)：像丙酮這樣的氣體分子特別容易纏繞在直徑僅為 20 納米左右的納米線叢中。納米線/尖峰增加了傳感器表面的尺寸，因此產(chǎn)生了高水平的靈敏度�！盀榱酥圃爝@種特殊結(jié)構(gòu)，我們加熱簡(jiǎn)單的金屬微粒，直到在它們上面形成許多細(xì)納米線和納米尖峰。通過(guò)專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的墨水，我們可以使用 3-D 打印機(jī)將這些顆粒準(zhǔn)確地應(yīng)用于各種表面，”Leonard Siebert 解釋說(shuō)所謂的“直接墨水寫(xiě)作”。作為 CAU 功能納米材料工作組的博士研究員，他正在研究 3-D 打印等增材生產(chǎn)技術(shù)。

丙酮和其他氣體的多方面程序

由于其特殊的傳感器概念，研究中提出的自動(dòng) 3D 打印過(guò)程可以在正常環(huán)境空氣中執(zhí)行。通過(guò)這種方式，可以在幾分鐘內(nèi)同時(shí)創(chuàng)建多個(gè)傳感器，而過(guò)去在潔凈室中需要幾個(gè)小時(shí)才能完成。起始材料也可以有針對(duì)性地改變，改變尺寸和結(jié)構(gòu)，并能夠檢測(cè)某種氣體�；鶢柎髮W(xué)工作組負(fù)責(zé)人 Rainer Adelung 教授堅(jiān)信：“這仍然是首要的基礎(chǔ)研究，但這一原理未來(lái)可用于開(kāi)發(fā)氫氣或其他BZ性和危險(xiǎn)氣體的傳感器。”

作為傳感器起始材料的金屬顆粒具有一定的尺寸，以形成特殊的導(dǎo)線和納米尖峰�！氨砻婧腕w積之間正確的高比率至關(guān)重要，”摩爾多瓦技術(shù)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程的 Oleg Lupan 博士解釋說(shuō)。作為洪堡研究員，他作為基爾工作組的一部分研究了這個(gè)過(guò)程六個(gè)月。對(duì)傳感器的靈敏度有利的因素在其生產(chǎn)中被證明是一項(xiàng)挑戰(zhàn)：而較小的顆�？梢允褂靡呀�立的技術(shù)（例如噴涂或真空蒸發(fā)系統(tǒng)）輕松地將其應(yīng)用于表面，但此處使用的微粒已經(jīng)太大了，無(wú)法做到這一點(diǎn)。“出于這個(gè)原因，我們考慮使用 3D 打印機(jī)來(lái)應(yīng)用微粒，”材料科學(xué)家 Siebert 說(shuō)。“摩爾多瓦技術(shù)大學(xué)同事的材料和設(shè)備知識(shí)與我們?cè)诩{米材料和 3D 打印方面的經(jīng)驗(yàn)相得益彰。”

能源效率使移動(dòng)應(yīng)用成為可能

當(dāng)有機(jī)分子遇到成品傳感器中的眾多導(dǎo)線時(shí)，它們會(huì)相互產(chǎn)生強(qiáng)烈反應(yīng)。通過(guò)這樣做，它們會(huì)改變傳感器的電阻并釋放清晰可測(cè)量的信號(hào)。然而，原則上，只有少量的電流通過(guò)細(xì)線�！八�以我們的傳感器只使用很少的能量，”盧潘解釋說(shuō)�！斑@也使得小型便攜式測(cè)量設(shè)備成為可能，例如，可以通過(guò)智能手機(jī)直接讀取�！�

研究人員希望這可以使傳感器在未來(lái)用于糖尿病患者的移動(dòng)便攜式呼氣測(cè)試中。糖尿病患者無(wú)需每天通過(guò)手指刺幾次來(lái)檢查血糖水平，而是可以測(cè)量呼吸中的丙酮含量。當(dāng)缺乏胰島素時(shí)會(huì)產(chǎn)生代謝產(chǎn)物，并通過(guò)呼吸排出。該研究報(bào)告稱，高度敏感的傳感器可以確定低于 1 ppm（每百萬(wàn)空氣分子中的粒子數(shù)）的丙酮值，而 I 型或 II 型糖尿病患者的呼吸中丙酮含量超過(guò) 2 ppm。