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澳大利亚Asadnia教授:人耳听觉传感器的高仿制备及优异性能
发布时间: 2020-07-28 发布人: 打印 关闭

生物传感器可以将生物反应转换为可测量信号。它的特征包括高灵敏度、宽动态范围和机械坚固性。目前为止,研究人员已投入大量精力来模仿生物毛细胞传感器,尤其是鱼侧线系统。使用这些仿真感官毛细胞可以准确地检测出水的流速和方向。根据感测方法,此类传感器主要可以分为压阻效应,压电效应,电容原理和离子聚合物-金属复合材料(IPMC)等。在高效流量生物传感器中发挥关键作用的两个主要因素是高灵敏度和分辨率。

 Development of an Ultra‑Sensitive and Flexible Piezoresistive Flow Sensor Using Vertical Graphene Nanosheets

Sajad Abolpour Moshizi, Shohreh Azadi, Andrew Belford, Amir Razmjou, Shuying Wu, Zhao Jun Han, Mohsen Asadnia*

Nano‑Micro Lett.(2020) 12:109

https://doi.org/10.1007/s40820-020-00446-w

本文亮点:

1. 新型仿生流量传感器基于垂直生长的具有迷宫状结构的石墨烯纳米片,高度模仿人耳听觉毛细胞的结构。

2. 传感器拥有103.91 mV(mm/s)-1的超高灵敏度,极低的速度检测阈值(1.127 mm s-1),以及在各种频率范围(0.1-25 Hz)中均具有出色的性能,可用于水下感应。

3. 该传感器显示出在开发人工外侧半规管领域的强大潜力。

澳大利亚麦格理大学工程学院的Mohsen Asadnia教授团队提出了一种基于具有迷宫状结构的垂直石墨烯纳米片(VGN)的柔性、轻便和超灵敏压阻流量传感器的开发设计。该传感器针对稳态和振荡水流进行监控表征,结果表明在稳态流量监测中传感器具有高灵敏度(103.91 mV(mm/s)-1)和极低的速度检测阈值(1.127 mm s-1)。同时该流量传感器可以高度模仿容纳在半规管(SCC)内的前庭毛细胞传感器。该传感器被嵌入到人工外侧半规管中,并进行了各种生理运动测试。结果表明,流量传感器能够区分各类物理几何形状旋转轴、频率和振幅的微小变化。这项研究不仅将传感器技术扩展到前庭器官假体,而且还将会扩展到其他应用,例如血液/尿液流量监测,静脉治疗(IV),漏水监测和无人水下机器人设备包装等。

I VGN和VGNs/PDMS流量传感器的制备

通过PDMS渗透合成VGNs,从而使VGNs以及固化的PDMS轻松从基材上剥离,制造过程如图1所示。然后,使用通用测试仪和应力控制剪切流变仪测量所得混合物的机械性能和流变性能。通过比较机械性能的结果,选择PDMS预聚物和固化剂的重量比为25:1,以便使其对信号具有高灵敏度。为了塑造流量传感器的形状,用激光切割机从VGNs/PDMS薄膜上切割出宽度为1 mm,高度为6.5 mm,厚度为0.5 mm的长方体形状,以创建两个独立的支脚。为了使传感器保持垂直,流量传感器被嵌入PDMS底座中。VGNs站立结构的最终高度为4.5 mm。

图1. VGN和VGN/PDMS流量传感器的制备过程图解。

II VGNs/PDMS流量传感器的表征和感应

通过SEM表征了VGNs及其PDMS纳米复合材料的形态,并使用在传感器附近振动的振荡球(偶极子)来测量传感器响应动态流量的性能。空气和水中偶极子的实验装置如图2a所示。发生器被连接到功率放大器上,并以特定的增益(10 dB)放大信号。偶极子引起的传感器偏转会导致VGN的电阻发生变化,并通过惠斯通电桥电路将其转换为电压(图2a)。流量传感器具有随幅度变化的大致线性上升趋势。振幅增加会导致传感器进一步弯曲,这意味着传感器上弯曲角度的增加会在VGNs上产生更高的应变,从而改变电阻。在VGNs/PDMS纳米复合材料经历的拉伸循环过程中,由VGNs形成的导电网络发生了变化,导致接触电阻和隧穿电阻增加。石墨烯纳米片的固有压电电阻率也可能有助于VGNs/PDMS的整体压电电阻率。释放负载后,纳米复合材料恢复到变形前的状态,从而导致电阻恢复。

图2. 传感器(空气中)接触振荡刺激的实验装置示意图和性能。

VGNs/PDMS流量传感器的主要目标是在振荡流量的条件下工作,因此在流量周期性变化时观察传感器的响应至关重要。在水中,偶极子在传感器附近的振动会导致水的运动,产生使传感器偏转的波,从而改变其电阻。如图3a所示,在振幅扫描测试中可以观察到呈线性趋势的上升趋势,而平均峰峰值传感器输出随频率的增加呈指数趋势,如图3b所示。

图3.传感器(水中)接触振荡刺激的示意图和性能。

III VGNs/PDMS对稳态流响应的压阻

为了更好地显示各种流速对传感器输出的影响,在两个单独的图中展示了低流速和高流速的结果。如图4b,c所示,低速时的响应时间(稳态响应)约为5秒,高速时的响应时间约为3秒。此外,作者还设计了单独的实验来检查VGNs/PDMS流量传感器在增大和减小的流速下的情况。以5 mL/min的恒定间隔从10到25 mL/min的四个流速作用于传感器,并记录每种情况下的传感器输出。如图4d所示,结果表明,传感器对流速阶跃变化具有高度的响应能力。此外,每种流速下的传感器输出值保持相同,无论是在流速的上升趋势还是下降趋势下。

图4. 直通道内进行稳态流量测试的实验装置示意图与测试结果。

IV VGNs/PDMS流量传感器的应用

制造这种流量传感器的主要作用是模仿位于人内耳中的感觉毛细胞的功能,是半规管(SCC)的一部分。这些细小的毛细胞在稳定头部移动过程中的注视和空间定向方面起着至关重要的作用。第一步是对半规管进行建模。SCC由三个相互连接的导管组成。为了简单起见,作者根据人类形态学数据,通过3D打印机技术模拟了该组织(图5c)。

图5. 内耳和头部运动旋转轴的模拟。

下一步是模拟人头的运动,如图6a所示,作者设计了一种能够模拟磁头绕旋转轴旋转的旋转平台。为了演示人体平衡流量传感器的性能,VGNs/PDMS流量传感器通过捕获由于载物台旋转而产生的振荡流体信号来模拟LSCC内部的感觉毛细胞。在图6b-e中,对于60度振幅和四个不同频率的偏航轴旋转,载物台和传感器输出分别以蓝色和红色表示。这些图显示了传感器输出和载物台位置之间的相位差。显然,每个循环中LSCC内部的流体惯性都会导致旋转和流体流动之间的明显且固定的延迟。通过在输出电压处存在两个峰值信号值以及在每个周期内这两个峰值之间的近似恒定差,流量传感器能够检测到流体速度和方向的变化。

图6. 实验装置以及60度振幅和各种频率的传感器台位置的示意图。

作者简介

Mohsen Asadnia

本文通讯作者

澳大利亚麦格理大学工程学院

主要研究领域

物理和化学传感系统;生物感测。

Email: mohsen.asadnia@mq.edu.au

Nano-Micro Letters 是上海交通大学主办的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯,在 Springer 开放获取(open-access)出版。

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