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国外研发出可进行糖尿病呼气测试的3D打印传感器

2020-03-31

高灵敏度传感器的生产是一个复杂的过程:它需要许多步骤,并且需要特殊洁净室几乎无尘的环境。来自基尔大学(CAU)的材料科学和摩尔多瓦技术大学的生物医学工程的研究小组现已开发出一种程序,可以使用3D打印来生产极其灵敏且节能的传感器。

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来自基尔大学(CAU)的材料科学系和摩尔多瓦技术大学的生物医学工程的研究人员已经开发出一种生产3D打印传感器的过程,该传感器可以测量人的呼吸中的丙酮水平以测量血糖水平。(基尔大学)

该团队最近在著名的专业期刊《纳米能源》上解释说,这种简单且经济高效的生产方法也适用于工业生产。他们展示的传感器能够使用纳米级的特殊结构精确地测量丙酮蒸气的浓度。由于呼吸中的丙酮浓度与血糖水平相关,因此研究小组希望向前迈出一步,为糖尿病患者提供呼气测试,以代替每天用手指点刺检查血糖的水平。

更大的表面使传感器更灵敏

新传感器的特殊表面在高分辨率电子显微镜下可以看到:像丙酮这样的气体分子特别容易缠结在直径仅为20纳米的纳米线丛中。纳米线增加了传感器表面的尺寸,因此产生了很高的灵敏度。

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显微镜下的传感器表面

伦纳德·西伯特(Leonard Siebert)解释说:“为了制造这种特殊的结构,我们加热了简单的金属微粒,直到其上形成许多细的纳米线和纳米钉。通过一种开发的特别墨水,我们可以使用3D打印机将这些微粒精确地施加到各种表面上。”作为CAU的功能纳米材料工作组的博士研究员,他正在研究3D打印等添加剂生产技术。

丙酮和其他气体的多方面程序

由于其特殊的传感器概念,研究中介绍的自动3D打印过程可以在正常的环境空气中进行。这样,在几分钟之内可以同时创建多个传感器,而过去在无尘室中要花费几个小时。一般情况下,作为传感器起始材料的金属颗粒必须具有一定的尺寸,以形成特殊的金属丝和纳米钉。而该传感器的起始材料也可以有针对性地变化,改变尺寸和结构,并能够检测某种气体。

基尔大学工作组负责人雷纳·阿德隆(Rainer Adelung)教授说:“这仍然是基础研究,但仍然是最重要的基础,但是将来可以将这一原理用于开发氢气或其他爆炸性和有害气体的传感器。”

摩尔多瓦技术大学生物医学工程学的Oleg Lupan博士解释说:“表面和体积之间正确的高比例至关重要。对于传感器的灵敏度而言,在生产时人们经常面临挑战:较小的颗粒可以使用已建立的技术(例如喷雾或真空蒸发系统)轻松地将其应用于表面,而此处需要使用的微粒相对而言有些太大了。基于这个原因,我们考虑使用3D打印机来施加微粒。摩尔多瓦技术大学的同事在材料和设备方面的知识以及我们在纳米材料和3D打印方面的经验在这里完美地进行了互补。”

能源效率实现了移动应用

研究人员介绍说,当有机分子与成品传感器中的众多导线相遇时,它们彼此之间会发生强烈反应。这样,它们会改变传感器的电阻并释放出清晰可测的信号。但是,原则上,只有极少量的电流通过细线。因此该传感器仅消耗很少的能量,这也使小型便携式测量设备成为可能,例如可以通过智能手机直接读取。

研究人员希望这项研究可以使该传感器将来用于糖尿病患者的移动便携式呼气测试中。糖尿病患者不必每天用手指刺几次检查血糖水平,而是可以测量其呼吸中的丙酮含量。当缺乏胰岛素时会产生新陈代谢产物,并通过呼吸释放出来。研究报告称,高度灵敏的传感器可以确定丙酮值低于1 ppm(每百万个空气分子中的颗粒数),而I型或II型糖尿病患者的呼吸中丙酮含量超过2 ppm。


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