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線和尖峰，這些金屬微粒特別擅長捕獲氣體分子。

高靈敏度傳感器的生產(chǎn)是一個復雜的過程：它需要許多步驟和特殊潔凈室?guī)缀鯚o塵的環(huán)境。來自基爾大學 (CAU) 材料科學和摩爾多瓦技術(shù)大學生物醫(yī)學工程的研究小組現(xiàn)已開發(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。該團隊近期在的專業(yè)期刊《納米能源》上解釋說，這種簡單且具有成本效益的生產(chǎn)方法也適用于工業(yè)生產(chǎn). 他們在這里展示的傳感器能??夠使用納米級的特殊結(jié)構(gòu)準確測量丙酮蒸氣的濃度。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)呼氣測試邁出一步，該測試可以取代通過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：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。“為了制造這種特殊結(jié)構(gòu)，我們加熱簡單的金屬微粒，直到在它們上面形成許多細納米線和納米尖峰。通過專門開發(fā)的墨水，我們可以使用 3-D 打印機將這些顆粒準確地應用于各種表面，”Leonard Siebert 解釋說所謂的“直接墨水寫作”。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 3D 打印過程可以在正常環(huán)境空氣中執(zhí)行。通過這種方式，可以在幾分鐘內(nèi)同時創(chuàng)建多個傳感器，而過去在潔凈室中需要幾個小時才能完成。起始材料也可以有針對性地改變，改變尺寸和結(jié)構(gòu)，并能夠檢測某種氣體�；鶢柎髮W工作組負責人 Rainer Adelung 教授堅信：“這仍然是首要的基礎研究，但這一原理未來可用于開發(fā)氫氣或其他BZ性和危險氣體的傳感器。”

作為傳感器起始材料的金屬顆粒具有一定的尺寸，以形成特殊的導線和納米尖峰。“表面和體積之間正確的高比率至關(guān)重要，”摩爾多瓦技術(shù)大學生物醫(yī)學工程的 Oleg Lupan 博士解釋說。作為洪堡研究員，他作為基爾工作組的一部分研究了這個過程六個月。對傳感器的靈敏度有利的因素在其生產(chǎn)中被證明是一項挑戰(zhàn)：而較小的顆粒可以使用已建立的技術(shù)（例如噴涂或真空蒸發(fā)系統(tǒng)）輕松地將其應用于表面，但此處使用的微粒已經(jīng)太大了，無法做到這一點�！俺鲇谶@個原因，我們考慮使用 3D 打印機來應用微粒，”材料科學家 Siebert 說�！澳�爾多瓦技術(shù)大學同事的材料和設備知識與我們在納米材料和 3D 打印方面的經(jīng)驗相得益彰�！�

能源效率使移動應用成為可能

當有機分子遇到成品傳感器中的眾多導線時，它們會相互產(chǎn)生強烈反應。通過這樣做，它們會改變傳感器的電阻并釋放清晰可測量的信號。然而，原則上，只有少量的電流通過細線。“所以我們的傳感器只使用很少的能量，”盧潘解釋說�！斑@也使得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�！�

研究人員希望這可以使傳感器在未來用于糖尿病患者的移動便攜式呼氣測試中。糖尿病患者無需每天通過手指刺幾次來檢查血糖水平，而是可以測量呼吸中的丙酮含量。當缺乏胰島素時會產(chǎn)生代謝產(chǎn)物，并通過呼吸排出。該研究報告稱，高度敏感的傳感器可以確定低于 1 ppm（每百萬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 2 ppm。