顯微鏡下的傳感器表面：研究小組從金屬微粒中生長出細小的金屬絲和尖峰，這些金屬微粒特別擅長捕獲氣體分子。圖片來源：功能納米材料工作組

高靈敏度傳感器的生產(chǎn)是一個復(fù)雜的過程：它需要許多步驟，并且需要特殊潔凈室?guī)缀鯚o塵的環(huán)境。來自基爾大學(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)工程的研究團隊現(xiàn)已開發(fā)出一種程序，可以使用3D打印來生產(chǎn)極其靈敏且節(jié)能的傳感器。該團隊最近在著名的專業(yè)期刊《納米能源》（Nano Energy）中解釋說，這種簡單且經(jīng)濟高效的生產(chǎn)方法也適用于工業(yè)生產(chǎn)。。他們在這里展示的他們的傳感器能??夠使用納米級的特殊結(jié)構(gòu)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(guān)，因此研究小組希望邁出一步，為糖尿病患者提供呼吸測試，以代替每天用手指刺檢查血糖水平。

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)在直徑約20納米的納米線叢中。納米線/長釘增加了傳感器表面的尺寸，因此創(chuàng)造了很高的靈敏度。倫納德·西伯特（Leonard Siebert）解釋說：“為了制造這種特殊的結(jié)構(gòu)，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。使用特殊開發(fā)的墨水，我們可以使用3-D打印機將這些微粒精確地施加到各種表面上�！彼�謂的“直接墨水書寫”。作為CAU的功能納米材料工作組的博士研究員，他正在研究增材生產(chǎn)技術(shù)，例如3-D打印等。

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(huán)境空氣中進行。這樣，在幾分鐘之內(nèi)可以同時創(chuàng)建多個傳感器，而這通常需要在無塵室中花費幾個小時。起始材料也可以有針對性地變化，從而改變尺寸和結(jié)構(gòu)，并能夠檢測某種氣體。基爾大學(xué)工作組負責(zé)人Rainer Adelung教授說：“這仍然是基礎(chǔ)研究，但最重要的是，但是將來可以使用該原理來開發(fā)用于氫氣或其他爆炸性和有害氣體的傳感器。”

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。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：“正確的表面積與體積之比至關(guān)重要�！� 作為洪堡人，他在基爾工作組研究了六個月的過程。在生產(chǎn)方面，對傳感器的靈敏度有利的挑戰(zhàn)已成為挑戰(zhàn)：而較小的顆�？梢允褂靡呀�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，此處使用的微粒已經(jīng)太大了。材料科學(xué)家西伯特說：“基于這個原因，我們考慮使用3D打印機來施加微粒�！� “摩爾多瓦技術(shù)大學(xué)的同事在材料和設(shè)備方面的知識以及我們在納米材料和3-D打印方面的經(jīng)驗在這里完美地互補�！�

能源效率實現(xiàn)了移動應(yīng)用

當有機分子與成品傳感器中的眾多導(dǎo)線相遇時，它們彼此之間會發(fā)生強烈反應(yīng)。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�！耙虼宋覀兊膫鞲衅鲀H消耗很少的能量，” Lupan解釋道�！斑@也使小型便攜式測量設(shè)備成為可能，例如可以通過智能手機直接讀取�！�

研究人員希望這可以使這些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(chǎn)生新陳代謝產(chǎn)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(shù)），而I型或II型糖尿病患者的呼吸中丙酮含量超過2 ppm。