当涉及到几乎所有的生物学测量时,许多感兴趣的参数的范围都比许多工程师所熟悉的范围低几个数量级。生物生活世界的频率不是单位兆赫,甚至不是千赫兹,而是在一个或几位数的赫兹范围内,例如,典型的人的心脏每分钟约有60多个节拍(BPM),心脏和神经的毫伏和微伏水平信号,皮安和飞安电流流动。
压力和流体流量值也位于“向下”区域(图1)中国机械网okmao.com。考虑收缩压的平均范围,通常在100至150 mmHg的范围内。这相当于适度的2到3磅/平方英寸(psi)或大约15到20千帕斯卡(kPa; 1帕斯卡=每平方米一牛顿的力)。流速(速度)也很低,在毫米/秒甚至是微米/秒的范围内。此外,由于“管”的“壁”是柔性的并且随着每次搏动而膨胀/收缩,并且难以使血管/容积形成湍流而不是层流,因此难以精确地对流量/体积进行建模。
图1:可以比较的血管之间的关系包括:(a)血管直径,(b)总横截面积,(c)平均血压和(d)血流速度。图片:流明学习)
这些低值对传感器工程提出了挑战,特别是在寻求可接受的分辨率时,尽管存在环境噪声和不可避免的物理噪声和动力学。挑战还增加了许多“就地”感测情况所需的传感器尺寸,例如,血管范围从相对较大的动脉到较小的静脉乃至毛细血管(图2)。
图2:动脉和小动脉的肌肉壁相对较厚,因为其中的血压很高,并且因为它们必须调节直径以维持血压并控制血流。静脉和小静脉的壁比动脉和小动脉更薄,肌肉更少,这主要是因为静脉和小静脉的压力要低得多。静脉可能会扩张以适应增加的血液量。(图片:默克公司的子公司默克夏普公司)
用于低流速感测的技术包括非接触式超声多普勒速度方案,但是很难将超声能量聚焦在感兴趣的特定位置上,特别是当该能量在通过组织时会扩散。其他传感器使用摩擦电效应(与静电有关),但存在两难境地:这种传感器安装到位时显得相对较大且具有侵入性(纳米线阵列中为几立方毫米),但是尺寸仍然很小,因此其输出微不足道。通常被掩埋在电气和运动噪声下。
现在,马萨诸塞大学(阿默斯特分校)的一个研究团队已经设计并测试了一种高性能的基于石墨烯的纳米传感器,该传感器易于电连接。同样重要的是,他们的长期测试表明传感器性能的漂移可以忽略不计,这是另一个重要的因素,经常会影响流体接触情况下传感器的实用性。这项工作部分由美国国防部空军科学研究所资助。
由三部分组成的文章的这一部分着眼于与感测纳米流有关的基本问题,例如在血管中。下一部分将介绍石墨烯,这将使这种新型纳流传感器成为可能。