Forskere udvikler ultrafølsomme flow-mikrosensorer

Et team af forskere ved University of Massachusetts Amherst har udviklet den tyndeste og mest følsomme flowsensor, som kan have betydelige konsekvenser for medicinsk forskning og anvendelser, ifølge ny forskning offentliggjort for nylig i Naturkommunikation .

Forskningen blev ledet af Jinglei Ping, adjunkt i maskin- og industriteknik, sammen med en trio af maskiningeniør Ph.D. studerende:Xiaoyu Zhang, hvem fremstillede sensoren og foretog målingen, Eric Chia og Xiao Fan. Resultaterne baner vejen for fremtidig forskning i helelektronisk, in vivo flowovervågning til undersøgelse af ultra-low-flow livsfænomener, der endnu ikke er blevet undersøgt i metabolismeprocesser, retinal hæmorheologi og neurovidenskab.

Flow sensorer, også kendt som flowmålere, er enheder, der bruges til at måle hastigheden af ​​væske- eller gasstrømme. Hastigheden af ​​biofluidisk flow er en vigtig fysiologisk parameter, men eksisterende flowsensorer er enten omfangsrige eller mangler præcision og stabilitet. Den nye flowsensor udviklet af UMass Amherst-teamet er baseret på grafen, et enkelt lag af kulstofatomer arrangeret i honeycomb gitter, at trække ansvaret fra kontinuerlig vandig strøm. Dette fænomen giver en effektiv flow-sensing strategi, der er selvdrevet og leverer nøgleydelsesmålinger, der er hundredvis af gange højere end andre elektriske tilgange. Grafenflowsensoren kan registrere flowhastighed så lavt som en mikrometer pr. sekund, det er, mindre end fire millimeter i timen, og har potentialet til at skelne minimale ændringer i blodgennemstrømningen i kapillærkar. Ydeevnen af ​​grafenflowsensoren har været stabil i perioder på mere end et halvt år.

Ping siger, at den enhed, hans team skabte, er den første, der er selvdrevet og højtydende, og det har potentialet til at blive implanteret til langsigtet biofluidisk flowovervågning. Den mest ligetil applikation, han tilføjede, kan være i sundhedsvæsenet. At implantere en mikroflowmonitor som den hans team udviklede i et lille blodkar er meget enklere og sikrere end eksisterende flowmålere, som ikke er egnet til lavflowmåling og skal installeres i et større blodkar. Ping tilføjede, at videnskabsmænd og læger kan finde det nyttigt til deres forskning og kliniske anvendelser, såsom overvågning af blodgennemstrømningshastigheden i dybe hjernekar for at forstå funktionen af ​​neuroner, der styrer blodstrømmen.

Grafen er nøglematerialet i udviklingen af ​​sensoren, sagde Ping. Den unikke kombination af grafens iboende egenskaber, såsom ultrahøj følsomhed, ultra-lav elektrisk støj, minimal kontaktelektrificering med vandige opløsninger, enestående stabilitet i kemisk og mekanisk adfærd og immunitet over for biofouling, arbejde sammen for at fremkalde flowsensorens høje ydeevne.

Næste trin for Ping og hans team omfatter integration af flowsensoren i en selvopretholdt flowovervågningsenhed og udforskning af anvendelsen af ​​enheden i sundhedsvæsenet.