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

高靈敏度傳感器的生產(chǎn)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程：它需要許多步驟，并且需要特殊潔凈室?guī)缀鯚o(wú)塵的環(huán)境。來(lái)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(tuán)隊(duì)現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出一種程序，可以使用3D打印來(lái)生產(chǎn)極其靈敏且節(jié)能的傳感器。該團(tuán)隊(duì)最近在著名的專業(yè)期刊《納米能源》（Nano Energy）中解釋說(shuō)，這種簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)高效的生產(chǎn)方法也適用于工業(yè)生產(chǎn)。。他們?cè)谶@里展示的他們的傳感器能??夠使用納米級(jí)的特殊結(jié)構(gòu)精確地測(cè)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(cè)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(zhǎng)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(shuō)：“為了制造這種特殊的結(jié)構(gòu)，我們加熱了簡(jiǎn)單的金屬微粒，直到其上形成許多細(xì)的納米線和納米釘。使用特殊開(kāi)發(fā)的墨水，我們可以使用3-D打印機(jī)將這些微粒精確地施加到各種表面上。”所謂的“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(dòng)3D打印過(guò)程可以在正常的環(huán)境空氣中進(jìn)行。這樣，在幾分鐘之內(nèi)可以同時(shí)創(chuàng)建多個(gè)傳感器，而這通常需要在無(wú)塵室中花費(fèi)幾個(gè)小時(shí)。起始材料也可以有針對(duì)性地變化，從而改變尺寸和結(jié)構(gòu)，并能夠檢測(cè)某種氣體�；鶢柎髮W(xué)工作組負(fù)責(zé)人Rainer Adelung教授說(shuō)：“這仍然是基礎(chǔ)研究，但最重要的是，但是將來(lái)可以使用該原理來(lái)開(kāi)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(shuō)：“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(gè)月的過(guò)程。在生產(chǎn)方面，對(duì)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(shuō)：“基于這個(gè)原因，我們考慮使用3D打印機(jī)來(lái)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(shí)以及我們?cè)诩{米材料和3-D打印方面的經(jīng)驗(yàn)在這里完美地互補(bǔ)�！�

能源效率實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)應(yīng)用

當(dāng)有機(jī)分子與成品傳感器中的眾多導(dǎo)線相遇時(shí)，它們彼此之間會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)。這樣，它們會(huì)改變傳感器的電阻并釋放出清晰可測(cè)的信號(hào)。但是，原則上，只有極少量的電流通過(guò)細(xì)線�！耙虼宋覀兊膫鞲衅鲀H消耗很少的能量，” Lupan解釋道。“這也使小型便攜式測(cè)量設(shè)備成為可能，例如可以通過(guò)智能手機(jī)直接讀取。”

研究人員希望這可以使這些傳感器將來(lái)用于糖尿病患者的移動(dòng)便攜式呼氣測(cè)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(cè)量其呼吸中的丙酮含量。當(dāng)缺乏胰島素時(shí)會(huì)產(chǎn)生新陳代謝產(chǎn)物，并通過(guò)呼吸釋放出來(lái)。研究報(bào)告稱，高度靈敏的傳感器可以確定丙酮值低于1 ppm（每百萬(wàn)個(gè)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(guò)2 ppm。