当涉及到几乎所有的生物测量时,许多感兴趣的参数的范围比许多工程师所熟悉的参数要低几个数量级。生物世界不是兆赫,甚至是千赫兹,而是在单赫兹或两位数的范围内,例如一个典型的人类心脏大约每分钟60次以上跳动(BPM),心脏和神经信号的毫伏和微伏水平,以及皮安和飞斯托安电流流。
压力和流体流量值也在“下面”区域(图1)。考虑收缩压的平均范围,通常在100到150毫米汞柱。这相当于适中的2到3磅/平方英寸(psi)或大约15到20千帕(kPa;1帕斯卡= 1牛顿每平方米的力)。流速(速度)也很低,在毫米/秒甚至微米/秒区域。此外,由于“管道”的“壁”是灵活的,并且随着每一个节拍膨胀/收缩,而且血管瓣膜使流动变成紊流而不是层流,因此很难精确地模拟流量/体积。
这些低数值挑战了传感器工程,特别是在寻找可接受的分辨率时,尽管环境和不可避免的物理噪声和动态。增加挑战的是传感器的小尺寸需要许多“到位”的传感情况,如血管从相对较大的动脉到较小的静脉,甚至毛细血管(图2)。
在用于低流量传感的技术中,有非接触式超声多普勒速度方案,但很难将超声能量集中在感兴趣的特定位置,特别是当这种能量通过组织时扩散。其他传感器使用摩擦电效应(与静电),但这些带来了一个难题:这种传感器出现相对较大和侵入当设置(几个立方毫米在纳米线阵列)然而,规模还很小所以极小的输出通常埋在电噪声和运动。现有方法的缺点和对微、纳米级传感的需求——特别是对生物环境的需求——正在推动对更好的传感器的研究,这些传感器在这些水平上工作得很好,也将与测试对象的场景兼容。
现在,马萨诸塞大学(阿默斯特)的一个研究小组已经设计并测试了一种高性能石墨烯基纳米传感器,这种传感器易于电子接口。同样重要的是,他们的长期测试显示传感器性能的漂移可以忽略不计,这是另一个经常影响传感器在流体接触情况下实用性的重要因素。这项工作部分由美国国防部空军科学研究办公室资助。
这三篇文章的这一部分着眼于与传感纳米流相关的基本问题,比如在血管中。下一部分着眼于石墨烯,它使这种新的纳米流量传感器成为可能。
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外部引用
石墨烯相关
- 大英百科全书公司,"石墨”
- 石墨烯的信息。”石墨烯是什么?”
- 曼彻斯特大学,美国国家石墨烯研究所
- 《科学美国人》。”碳仙境”(2008)
- APS的消息。”石墨烯的发现”(2004)
- 科学”,原子薄碳薄膜中的电场效应(2004)(付费墙背后)
- ResearchGate。”原子薄碳薄膜中的电场效应”(不收费)
- YouTube。”原子薄碳薄膜中的电场效应”(20分钟的视频)
流量传感器相关
- 自然通讯。”石墨烯流-感觉接触带电”(pdf)
- 自然通讯。”石墨烯流-感觉接触带电(非pdf网页版本)
- 自然通讯。”补充信息”
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- 马萨诸塞大学马萨诸塞大学阿默斯特研究人员开发超灵敏流量微传感器”