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3D打印气体传感器+穿戴设备,有望改变糖尿病检测方式

时间:2020-04-18 10:48 来源:3D科学谷 作者:中国3D打印网 阅读:

      高灵敏度传感器的生产是一个复杂过程,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,通过3D打印技术实现了经济高效的传感器制造。该团队最近在著名的专业期刊Nano Energy 中发表了相关研究论文,论文指出这一技术的4个亮点:

  • “墨水直写”3D打印传感器,可以克服传统技术所必须的洁净室环境;
  • 混合金属氧化物传感器可以通过增材制造常见的金属微粒轻松制造;
  • 开放的多孔半导体结构可实现灵敏的VOC检测;
  • 高基极电阻使得传感器功耗低,高能效。

这种具有纳米级特殊结构的3D打印传感器可应用于多种气体检测,例如用于检测糖尿病患者呼吸中的丙酮气体。

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显微镜下的传感器表面,从金属上“生长出”细小的电线和尖峰。来源:Phys org.

block 更大的表面积,更灵敏的传感器

     在高分辨率电子显微镜下可以显示出新型传感器的特殊表面。像丙酮这样的气体分子特别容易缠结在直径约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。而这种具有特殊纳米线结构的传感器,是通过研究团队研发的特殊墨水和基于墨水直写工艺的3D打印技术制造的,在进行增材制造时,打印机将墨水中的微粒材料精确地施加到各种表面上。

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来源:ScienceDirect.

       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,并且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才能完成。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。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线。在设计传感器时,表面和体积之间正确的高比例至关重要,怎样设计对传感器的灵敏度有利,是一个挑战。虽然,喷雾或真空蒸发系统等现有技术可以将较小的颗粒轻松地施加到表面上,但其中的微粒仍然比较大。因此,研究团队考虑通过3D打印技术制造更小的微粒。

       这项研究指出,这种3D打印气体传感器需要消耗的电能非常少,这将使小型便携式测量设备成为可能,甚至可以通过智能手机直接读取检测结果。原因是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,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。

研究小组的负责人表示,这是一项基础研究,但是可以通过该技术开发多种气体检测的传感器。

      研究人员希望将这种3D打印传感器,用于糖尿病患者的移动便携式呼气检测设备中。因为这种3D打印传感器可以测量患者呼吸中的丙酮含量,丙酮是患者缺乏胰岛素时产生的新陈代谢产物,通过呼吸释放出来。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。这种方法有望替代目前手指点刺检测血糖水平的方式。

论文题目为:Facile fabrication of semiconducting oxide nanostructures by direct ink writing of readily available metal microparticles and their application as low power acetone gas sensors,发表于Nano Energy. Volume 70, April 2020, 104420.

(责任编辑:中国3D打印网)

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