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國外研發出可進行糖尿病呼氣測試的3D打印傳感器

2020-03-31

高靈敏度傳感器的生產是一個復雜的過程:它需要許多步驟,并且需要特殊潔凈室幾乎無塵的環境。來自基爾大學(CAU)的材料科學和摩爾多瓦技術大學的生物醫學工程的研究小組現已開發出一種程序,可以使用3D打印來生產極其靈敏且節能的傳感器。

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來自基爾大學(CAU)的材料科學系和摩爾多瓦技術大學的生物醫學工程的研究人員已經開發出一種生產3D打印傳感器的過程,該傳感器可以測量人的呼吸中的丙酮水平以測量血糖水平。(基爾大學)

該團隊最近在著名的專業期刊《納米能源》上解釋說,這種簡單且經濟高效的生產方法也適用于工業生產。他們展示的傳感器能夠使用納米級的特殊結構精確地測量丙酮蒸氣的濃度。由于呼吸中的丙酮濃度與血糖水平相關,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試,以代替每天用手指點刺檢查血糖的水平。

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在直徑僅為20納米的納米線叢中。納米線增加了傳感器表面的尺寸,因此產生了很高的靈敏度。

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顯微鏡下的傳感器表面

倫納德·西伯特(Leonard Siebert)解釋說:“為了制造這種特殊的結構,我們加熱了簡單的金屬微粒,直到其上形成許多細的納米線和納米釘。通過一種開發的特別墨水,我們可以使用3D打印機將這些微粒精確地施加到各種表面上?!弊鳛镃AU的功能納米材料工作組的博士研究員,他正在研究3D打印等添加劑生產技術。

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3D打印過程可以在正常的環境空氣中進行。這樣,在幾分鐘之內可以同時創建多個傳感器,而過去在無塵室中要花費幾個小時。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性地變化,改變尺寸和結構,并能夠檢測某種氣體。

基爾大學工作組負責人雷納·阿德?。≧ainer Adelung)教授說:“這仍然是基礎研究,但仍然是最重要的基礎,但是將來可以將這一原理用于開發氫氣或其他爆炸性和有害氣體的傳感器?!?/p>

摩爾多瓦技術大學生物醫學工程學的Oleg Lupan博士解釋說:“表面和體積之間正確的高比例至關重要。對于傳感器的靈敏度而言,在生產時人們經常面臨挑戰:較小的顆??梢允褂靡呀⒌募夹g(例如噴霧或真空蒸發系統)輕松地將其應用于表面,而此處需要使用的微粒相對而言有些太大了?;谶@個原因,我們考慮使用3D打印機來施加微粒。摩爾多瓦技術大學的同事在材料和設備方面的知識以及我們在納米材料和3D打印方面的經驗在這里完美地進行了互補?!?/p>

能源效率實現了移動應用

研究人員介紹說,當有機分子與成品傳感器中的眾多導線相遇時,它們彼此之間會發生強烈反應。這樣,它們會改變傳感器的電阻并釋放出清晰可測的信號。但是,原則上,只有極少量的電流通過細線。因此該傳感器僅消耗很少的能量,這也使小型便攜式測量設備成為可能,例如可以通過智能手機直接讀取。

研究人員希望這項研究可以使該傳感器將來用于糖尿病患者的移動便攜式呼氣測試中。糖尿病患者不必每天用手指刺幾次檢查血糖水平,而是可以測量其呼吸中的丙酮含量。當缺乏胰島素時會產生新陳代謝產物,并通過呼吸釋放出來。研究報告稱,高度靈敏的傳感器可以確定丙酮值低于1 ppm(每百萬個空氣分子中的顆粒數),而I型或II型糖尿病患者的呼吸中丙酮含量超過2 ppm。


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