微传感器(超灵敏的基于石墨烯的微流量传感器可用于生物流体监测)

Posted 2023-05-26

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微传感器(超灵敏的基于石墨烯的微流量传感器可用于生物流体监测)

超灵敏的基于石墨烯的微流量传感器可用于生物流体监测

【导读：】

马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校的科学家已经开发出最薄，最敏感的流量传感器，这有可能给医学研究和应用显著的影响，根据新的研究最近出版的自然通讯（"流感官接触石墨烯的电气化"）。该研究由机械和工业工程学助理教授Jinglei Ping以及三位机械工程学博士领导。学生：制作传感器并进行测量的张晓宇，埃里克·基亚（Eric Chia）和小凡。

这些发现为未来在研究超低流量生命现象的全电子，体内流量监测方面的研究铺平了道路，而超低流量生命现象尚未在代谢过程，视网膜血液流变学和神经科学领域进行研究。

流量传感器，也称为流量计，是用于测量液体或气体流速的设备。生物流体流动的速度是关键的生理参数，但是现有的流量传感器要么体积庞大，要么缺乏精度和稳定性。

UMass Amherst团队开发的新型流量传感器基于石墨烯，石墨烯是排列在蜂窝晶格中的单层碳原子，用于从连续的水流中吸取电荷。这种现象提供了一种有效的流量感应策略，该策略是自供电的，并且所提供的关键性能指标比其他电气方法要高数百倍。

石墨烯流量传感器可以检测到每秒低至每秒微米的流量，即每小时少于4毫米，并具有区分毛细管中血流最小变化的潜力。石墨烯流量传感器的性能在超过半年的时间内一直保持稳定。

使用石墨烯单微电极装置将血流速度转换为电流：

全血流量和石墨烯之间接触带电电荷转移的库仑测定。石墨烯由灰色蜂窝状晶格表示。全血包含多种成分，如示意图中所示的红细胞。蓝色箭头表示整个血液流动的方向。粗曲线代表沿垂直于石墨烯-水界面（x – y）的z轴的流速（v）和电势（ψ）的曲线。飞机）。流速场由速度曲线所包围的细黑箭头表示。白黄色箭头指示的电荷转移是通过ψ轮廓上突出显示的石墨烯缺陷状态进行的。光学显微镜图像显示了单层石墨烯微电极跨过丙烯酸芯片中的微流体通道。比例尺为200μm。石墨烯微电极连接到金触点，该金触点连接到基于带有反馈电容器的运算放大器的静电计。b对于不同的血流速度，所测量的石墨烯器件的不平滑电荷转移随时间变化。该图示出了当血流速度大小（v）改变时，在石墨烯缺陷位点处的电势变化以及通过缺陷状态的电子传递的相应变化。垂直虚线表示在石墨烯/血液界面处的石墨烯缺陷状态。箭头表示净电子流的方向。

Ping说，他的团队创建的设备是第一个具有自供电功能和高性能的设备，并且具有植入该设备以进行长期生物流体流量监测的潜力。他补充说，最直接的应用可能是医疗保健。

要像他的团队开发的那样在微型血管中植入微型流量监测器，比现有的流量计更简单，更安全，因为现有的流量计不适用于低流量测量，需要安装在较大的血管中。Ping补充说，科学家和医生可能会发现它对他们的研究和临床应用很有用，例如监视深脑血管中的血流速度以了解控制血流的神经元的功能。

平说，石墨烯是传感器开发中的关键材料。石墨烯固有特性的独特组合，例如超高灵敏度，超低电噪声，与水溶液的最小接触带电，出色的化学和机械性能稳定性以及对生物污染的抵抗力，共同发挥了石墨烯的高性能流量传感器。

Ping和他的团队的下一步包括将流量传感器集成到一个自持式流量监控设备中，并探索该设备在医疗保健中的应用。