生物傳感器可以將生物反應轉換為可測量信號。它的特徵包括高靈敏度、寬動態範圍和機械堅固性。目前為止，研究人員已投入大量精力來模仿生物毛細胞傳感器，尤其是魚側線系統。使用這些仿真感官毛細胞可以準確地檢測出水的流速和方向。根據感測方法，此類傳感器主要可以分為壓阻效應，壓電效應，電容原理和離子聚合物-金屬復合材料(IPMC)等。在高效流量生物傳感器中發揮關鍵作用的兩個主要因素是高靈敏度和解析度。
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
本文亮點：
1. 新型仿生流量傳感器基於垂直生長的具有迷宮狀結構的石墨烯納米片，高度模仿人耳聽覺毛細胞的結構。
2. 傳感器擁有103.91 mV(mm/s)-1的超高靈敏度，極低的速度檢測閾值(1.127 mm s-1)，以及在各種頻率範圍(0.1-25 Hz)中均具有出色的性能，可用於水下感應。
3. 該傳感器顯示出在開發人工外側半規管領域的強大潛力。
澳大利亞麥格理大學工程學院的Mohsen Asadnia教授團隊提出了一種基於具有迷宮狀結構的垂直石墨烯納米片(VGN)的柔性、輕便和超靈敏壓阻流量傳感器的開發設計。該傳感器針對穩態和振蕩水流進行監控表征，結果表明在穩態流量監測中傳感器具有高靈敏度(103.91 mV(mm/s)-1)和極低的速度檢測閾值(1.127 mm s-1)。同時該流量傳感器可以高度模仿容納在半規管(SCC)內的前庭毛細胞傳感器。該傳感器被嵌入到人工外側半規管中，並進行了各種生理運動測試。結果表明，流量傳感器能夠區分各類物理幾何形狀旋轉軸、頻率和振幅的微小變化。這項研究不僅將傳感器技術擴展到前庭器官假體，而且還將會擴展到其他應用，例如血液/尿液流量監測，靜脈治療(IV)，漏水監測和無人水下機器人設備包裝等。
I VGN和VGNs/PDMS流量傳感器的製備
通過PDMS滲透合成VGNs，從而使VGNs以及固化的PDMS輕鬆從基材上剝離，製造過程如圖1所示。然後，使用通用測試儀和應力控制剪切流變儀測量所得混合物的機械性能和流變性能。通過比較機械性能的結果，選擇PDMS預聚物和固化劑的重量比為25：1，以便使其對信號具有高靈敏度。為了塑造流量傳感器的形狀，用雷射切割機從VGNs/PDMS薄膜上切割出寬度為1 mm，高度為6.5 mm，厚度為0.5 mm的長方體形狀，以創建兩個獨立的支架。為了使傳感器保持垂直，流量傳感器被嵌入PDMS底座中。VGNs站立結構的最終高度為4.5 mm。
圖1. VGN和VGN/PDMS流量傳感器的製備過程圖解。
II VGNs/PDMS流量傳感器的表征和感應
通過SEM表征了VGNs及其PDMS納米復合材料的形態，並使用在傳感器附近振動的振蕩球(偶極子)來測量傳感器響應動態流量的性能。空氣和水中偶極子的實驗裝置如圖2a所示。發生器被連接到功率放大器上，並以特定的增益(10 dB)放大信號。偶極子引起的傳感器偏轉會導致VGN的電阻發生變化，並通過惠斯通電橋電路將其轉換為電壓(圖2a)。流量傳感器具有隨幅度變化的大致線性上升趨勢。振幅增加會導致傳感器進一步彎曲，這意味著傳感器上彎曲角度的增加會在VGNs上產生更高的應變，從而改變電阻。在VGNs/PDMS納米復合材料經歷的拉伸循環過程中，由VGNs形成的導電網絡發生了變化，導致接觸電阻和隧穿電阻增加。石墨烯納米片的固有壓電電阻率也可能有助於VGNs/PDMS的整體壓電電阻率。釋放負載後，納米復合材料恢復到變形前的狀態，從而導致電阻恢復。
圖2. 傳感器(空氣中)接觸振蕩刺激的實驗裝置示意圖和性能。
VGNs/PDMS流量傳感器的主要目標是在振蕩流量的條件下工作，因此在流量周期性變化時觀察傳感器的響應至關重要。在水中，偶極子在傳感器附近的振動會導致水的運動，產生使傳感器偏轉的波，從而改變其電阻。如圖3a所示，在振幅掃描測試中可以觀察到呈線性趨勢的上升趨勢，而平均峰峰值傳感器輸出隨頻率的增加呈指數趨勢，如圖3b所示。
圖3.傳感器(水中)接觸振蕩刺激的示意圖和性能。
III VGNs/PDMS對穩態流響應的壓阻
為了更好地顯示各種流速對傳感器輸出的影響，在兩個單獨的圖中展示了低流速和高流速的結果。如圖4b，c所示，低速時的響應時間(穩態響應)約為5秒，高速時的響應時間約為3秒。此外，作者還設計了單獨的實驗來檢查VGNs/PDMS流量傳感器在增大和減小的流速下的情況。以5 mL/min的恆定間隔從10到25 mL/min的四個流速作用於傳感器，並記錄每種情況下的傳感器輸出。如圖4d所示，結果表明，傳感器對流速階躍變化具有高度的響應能力。此外，每種流速下的傳感器輸出值保持相同，無論是在流速的上升趨勢還是下降趨勢下。
圖4. 直通道內進行穩態流量測試的實驗裝置示意圖與測試結果。
IV VGNs/PDMS流量傳感器的應用
製造這種流量傳感器的主要作用是模仿位於人內耳中的感覺毛細胞的功能，是半規管(SCC)的一部分。這些細小的毛細胞在穩定頭部移動過程中的注視和空間定向方面起著至關重要的作用。第一步是對半規管進行建模。SCC由三個相互連接的導管組成。為了簡單起見，作者根據人類形態學數據，通過3D印表機技術模擬了該組織(圖5c)。
圖5. 內耳和頭部運動旋轉軸的模擬。
下一步是模擬人頭的運動，如圖6a所示，作者設計了一種能夠模擬磁頭繞旋轉軸旋轉的旋轉平台。為了演示人體平衡流量傳感器的性能，VGNs/PDMS流量傳感器通過捕獲由於載物台旋轉而產生的振蕩流體信號來模擬LSCC內部的感覺毛細胞。在圖6b-e中，對於60度振幅和四個不同頻率的偏航軸旋轉，載物台和傳感器輸出分別以藍色和紅色表示。這些圖顯示了傳感器輸出和載物台位置之間的相位差。顯然，每個循環中LSCC內部的流體慣性都會導致旋轉和流體流動之間的明顯且固定的延遲。通過在輸出電壓處存在兩個峰值信號值以及在每個周期內這兩個峰值之間的近似恆定差，流量傳感器能夠檢測到流體速度和方向的變化。
圖6. 實驗裝置以及60度振幅和各種頻率的傳感器台位置的示意圖。
作者簡介
Mohsen Asadnia
本文通訊作者
澳大利亞麥格理大學工程學院
▍主要研究領域
物理和化學傳感系統；生物感測。
▍Email: [email protected]
Nano-Micro Letters 是上海交通大學主辦的英文學術期刊，主要報道納米/微米尺度相關的最新高水平科研成果與評論文章及快訊，在 Springer 開放獲取（open-access）出版。
來源： nanomicroletters