3-D打印传感器可以使糖尿病患者进行呼气测试

显微镜下的传感器表面：研究小组从金属微粒中生长出细小的金属丝和尖峰，这些金属微粒特别擅长捕获气体分子。图片来源：功能纳米材料工作组

高灵敏度传感器的生产是一个复杂的过程：它需要许多步骤，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团队现已开发出一种程序，可以使用3D打印来生产极其灵敏且节能的传感器。该团队最近在著名的专业期刊《纳米能源》（Nano Energy）中解释说，这种简单且经济高效的生产方法也适用于工业生产。。他们在这里展示的他们的传感器能??够使用纳米级的特殊结构精确地测量丙酮蒸气的浓度。由于呼吸中的丙酮浓度与血糖水平相关，因此研究小组希望迈出一步，为糖尿病患者提供呼吸测试，以代替每天用手指刺检查血糖水平。

更大的表面使传感器更灵敏

新传感器的特殊表面在高分辨率电子显微镜下可以看到：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/长钉增加了传感器表面的尺寸，因此创造了很高的灵敏度。伦纳德·西伯特（Leonard Siebert）解释说：“为了制造这种特殊的结构，我们加热了简单的金属微粒，直到其上形成许多细的纳米线和纳米钉。使用特殊开发的墨水，我们可以使用3-D打印机将这些微粒精确地施加到各种表面上。”所谓的“直接墨水书写”。作为CAU的功能纳米材料工作组的博士研究员，他正在研究增材生产技术，例如3-D打印等。

丙酮和其他气体的多方面程序

由于其特殊的传感器概念，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。这样，在几分钟之内可以同时创建多个传感器，而这通常需要在无尘室中花费几个小时。起始材料也可以有针对性地变化，从而改变尺寸和结构，并能够检测某种气体。基尔大学工作组负责人Rainer Adelung教授说：“这仍然是基础研究，但最重要的是，但是将来可以使用该原理来开发用于氢气或其他爆炸性和有害气体的传感器。”

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钉。摩尔多瓦技术大学生物医学工程的Oleg Lupan博士解释说：“正确的表面积与体积之比至关重要。” 作为洪堡人，他在基尔工作组研究了六个月的过程。在生产方面，对传感器的灵敏度有利的挑战已成为挑战：而较小的颗粒可以使用已建立的技术（例如喷雾或真空蒸发系统）轻松地将其应用于表面，此处使用的微粒已经太大了。材料科学家西伯特说：“基于这个原因，我们考虑使用3D打印机来施加微粒。” “摩尔多瓦技术大学的同事在材料和设备方面的知识以及我们在纳米材料和3-D打印方面的经验在这里完美地互补。”

能源效率实现了移动应用

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。这样，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。“因此我们的传感器仅消耗很少的能量，” Lupan解释道。“这也使小型便携式测量设备成为可能，例如可以通过智能手机直接读取。”

研究人员希望这可以使这些传感器将来用于糖尿病患者的移动便携式呼气测试中。糖尿病患者不必每天用手指刺几次检查血糖水平，而是可以测量其呼吸中的丙酮含量。当缺乏胰岛素时会产生新陈代谢产物，并通过呼吸释放出来。研究报告称，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。

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