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，并且需要特殊潔凈室?guī)缀鯚o(wú)塵的環(huán)境。來(lái)自基爾大學(xué)（CAU）的材料科學(xué)和摩爾多瓦技術(shù)大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程的研究小組現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出一種程序，可以使用3D打印來(lái)生產(chǎn)極其靈敏且節(jié)能的傳感器。

來(lái)自基爾大學(xué)（CAU）的材料科學(xué)系和摩爾多瓦技術(shù)大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程的研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種生產(chǎn)3D打印傳感器的過(guò)程，該傳感器可以測(cè)量人的呼吸中的丙酮水平以測(cè)量血糖水平。（基爾大學(xué)）

該團(tuán)隊(duì)最近在著名的專(zhuān)業(yè)期刊《納米能源》上解釋說(shuō)，這種簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)高效的生產(chǎn)方法也適用于工業(yè)生產(chǎn)。他們展示的傳感器能夠使用納米級(jí)的特殊結(jié)構(gòu)精確地測(cè)量丙酮蒸氣的濃度。由于呼吸中的丙酮濃度與血糖水平相關(guān)，因此研究小組希望向前邁出一步，為糖尿病患者提供呼氣測(cè)試，以代替每天用手指點(diǎn)刺檢查血糖的水平。

更大的表面使傳感器更靈敏

新傳感器的特殊表面在高分辨率電子顯微鏡下可以看到：像丙酮這樣的氣體分子特別容易纏結(jié)在直徑僅為20納米的納米線(xiàn)叢中。納米線(xiàn)增加了傳感器表面的尺寸，因此產(chǎn)生了很高的靈敏度。

顯微鏡下的傳感器表面

倫納德·西伯特（Leonard Siebert）解釋說(shuō)：“為了制造這種特殊的結(jié)構(gòu)，我們加熱了簡(jiǎn)單的金屬微粒，直到其上形成許多細(xì)的納米線(xiàn)和納米釘。通過(guò)一種開(kāi)發(fā)的特別墨水，我們可以使用3D打印機(jī)將這些微粒精確地施加到各種表面上。”作為CAU的功能納米材料工作組的博士研究員，他正在研究3D打印等添加劑生產(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，研究中介紹的自動(dòng)3D打印過(guò)程可以在正常的環(huán)境空氣中進(jìn)行。這樣，在幾分鐘之內(nèi)可以同時(shí)創(chuàng)建多個(gè)傳感器，而過(guò)去在無(wú)塵室中要花費(fèi)幾個(gè)小時(shí)。一般情況下，作為傳感器起始材料的金屬顆粒必須具有一定的尺寸，以形成特殊的金屬絲和納米釘。而該傳感器的起始材料也可以有針對(duì)性地變化，改變尺寸和結(jié)構(gòu)，并能夠檢測(cè)某種氣體。

基爾大學(xué)工作組負(fù)責(zé)人雷納·阿德隆（Rainer Adelung）教授說(shuō)：“這仍然是基礎(chǔ)研究，但仍然是最重要的基礎(chǔ)，但是將來(lái)可以將這一原理用于開(kāi)發(fā)氫氣或其他爆炸性和有害氣體的傳感器。”

摩爾多瓦技術(shù)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的Oleg Lupan博士解釋說(shuō)：“表面和體積之間正確的高比例至關(guān)重要。對(duì)于傳感器的靈敏度而言，在生產(chǎn)時(shí)人們經(jīng)常面臨挑戰(zhàn)：較小的顆粒可以使用已建立的技術(shù)（例如噴霧或真空蒸發(fā)系統(tǒng)）輕松地將其應(yīng)用于表面，而此處需要使用的微粒相對(duì)而言有些太大了。基于這個(gè)原因，我們考慮使用3D打印機(jī)來(lái)施加微粒。摩爾多瓦技術(shù)大學(xué)的同事在材料和設(shè)備方面的知識(shí)以及我們?cè)诩{米材料和3D打印方面的經(jīng)驗(yàn)在這里完美地進(jìn)行了互補(bǔ)。”

能源效率實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)應(yīng)用

研究人員介紹說(shuō)，當(dāng)有機(jī)分子與成品傳感器中的眾多導(dǎo)線(xiàn)相遇時(shí)，它們彼此之間會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)。這樣，它們會(huì)改變傳感器的電阻并釋放出清晰可測(cè)的信號(hào)。但是，原則上，只有極少量的電流通過(guò)細(xì)線(xiàn)。因此該傳感器僅消耗很少的能量，這也使小型便攜式測(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。

研究人員希望這項(xiàng)研究可以使該傳感器將來(lái)用于糖尿病患者的移動(dòng)便攜式呼氣測(cè)試中。糖尿病患者不必每天用手指刺幾次檢查血糖水平，而是可以測(cè)量其呼吸中的丙酮含量。當(dāng)缺乏胰島素時(shí)會(huì)產(chǎn)生新陳代謝產(chǎn)物，并通過(guò)呼吸釋放出來(lái)。研究報(bào)告稱(chēng)，高度靈敏的傳感器可以確定丙酮值低于1 ppm（每百萬(wàn)個(gè)空氣分子中的顆粒數(shù)），而I型或II型糖尿病患者的呼吸中丙酮含量超過(guò)2 ppm。