Az első nanoszenzoros példát 1999-ben fejlesztették ki kutatók a Georgia Institute of Technology-ban, egy szén nanocsövekből létrehozott innovációt. A nanoszenzor egy egyedülálló fajta szenzor, és kis platformok, amelyeket kémiai, biológiai, fizikai vagy környezeti információk nanoméretű szintű észlelésére és mérésére terveztek. Ezek érzékelők elsősorban érzékelő alkalmazásokhoz ideálisak egyedi nanorészecske tulajdonságaik miatt, mint pl. hatalmas felületi régió és szint arányuk. Ez a cikk rövid tájékoztatást nyújt a nanoszenzorokról, működésükről, típusukról és alkalmazásaikról.
Nanoszenzor definíció
A néhány nanométeres jellemző méretű érzékelő típusát nanoszenzornak nevezik. Ez egy mechanikus vagy kémiai érzékelő, amelyet nanorészecskék és kémiai anyagok előfordulásának kimutatására vagy különböző fizikai paraméterek ellenőrzésére használnak. Ezeket orvosi diagnosztikai alkalmazásokban használják, mint például a vízminőség, az élelmiszerek és más vegyi anyagok érzékelése. Ez az érzékelő hasonlóan működik, mint egy normál érzékelő, de kis mennyiségeket észlel, és azokat elemezni kell. A nanoszenzorokat a közlekedési rendszerekben, a kórokozók kimutatásában, az orvostudományban, a gyártásban, a környezetszennyezés ellenőrzésében stb.
Néhány példa a nanoszenzorokra; DNS-sel vagy peptidekkel készült fluoreszcens nanoszenzorok, szén nanocsövek, kvantumpontok, plazmoncsatolástól függő nanoszenzorok, mágneses rezonancia képalkotás és fotoakusztikus.
Nanoszenzor alkatrészek
A nanoszenzor komponensei főként egy analitot, érzékelőt, átalakítót és detektort tartalmaznak. A nanoszenzorok képesek az egymolekulás pontszint mérésére. Általában ezek az érzékelők úgy működnek, hogy követik az érzékelő anyagokon belüli elektromos változásokat.
Ezen a diagramon először az oldatból származó analit diffundál a nanoszenzor felületére. Ezt követően specifikusan és hatékonyan reagál, így ez megváltoztatja a jelátalakító felületének fizikai-kémiai tulajdonságait, ami a jelátalakító felületének elektronikus (vagy) optikai tulajdonságain belüli változáshoz vezet. Végül ez elektromos jellé alakul, amelyet érzékel
Nanoszenzor működési elve
A nanoszenzor az érzékelő anyagokon belüli elektromos változások nyomon követésével működik. A nanoszenzor alapvető részei: az analit, jelátalakító, detektor és a visszacsatoló vezeték a detektortól az érzékelőblokk felé. A nanoszenzor egyetlen molekula szintjét méri és úgy működik, hogy egyszerűen fenntartja az elektromos változást az érzékelő anyagában.
Az érzékelőben található analit először az oldatból diffundál az érzékelő felületére, és pontosan és nagyon hatékonyan reagál a felület fizikai-kémiai tulajdonságainak megváltoztatásával. Ezt követően változást okoz az elektronikus optikai jelátalakító tulajdonságaiban. Így végül ez a változás elektromos jellé alakítható, amely észrevehető.
Nanoszenzor története
- A Nanosensor néven „Nanoprobe”-t 1990-ben alapították, és az IBM Sindelfingennél végzett kutatásokra épült, amelyeket a szilícium AFM szondák ömlesztett mikromegmunkálással történő kötegelt feldolgozásához szükséges alaptechnológiákon végeztek.
- A nanoszenzorok 1993-ban világszerte forgalmazták az AFM és SPM szondákat. Így az AFM szondák létrehozására szolgáló kötegelt feldolgozási technológiákon belüli fejlesztéseik hozzájárultak az atomerő-mikroszkópok beindításához az időiparban.
- Ennek a felismerésnek az azonosításában ezek az érzékelők megkülönböztették a Dr.-Rudolf-Eberle Innovációs Díjat a német Baden-Württemberg állam számára, a Német Ipari Innovációs Díjat 1995-ben és a Förderkreis für die Mikroelektronik e.V Innovációs Díjat az évben. 1999. A Nanosensors-t 2002-ben szerezték be és integrálták a svájci székhelyű NanoWorldbe, amely egy független üzleti egység.
- 2003-ban ezek az érzékelők egy innovatív, új AFM típusú szondát vezettek be, mint például az AdvancedTEC™. Lehetővé teszi a pontos pozicionálást, és ez a szonda valós hegyláthatóságot biztosít az atomerő-mikroszkóp optikai rendszerében, még akkor is, ha az AFM szonda kissé meg van döntve a rögzítés miatt.
- A Sensors 2003-ban a NanoAndMore GmbH-t nevezte ki új hivatalos forgalmazójává Törökországban, Izraelben és Európában.
- 2004-ben bemutatták a PointProbe® Plus-t, amely egyesíti a jól bevált PointProbe® sorozat jellemzőit, például a kompatibilitást és az alkalmazási sokoldalúságot a kereskedelmi AFM-ekkel.
- 2005-ben bejelentették a Q30K-Plus-t, amely egy újszerű AFM szonda szkennelési közelség, kiváló Q-tényezővel és megnövelt S/N aránnyal az UHV alkalmazásokhoz.
- A Nanosensors 2006 megváltoztatta az észak-amerikai elosztóhálózatot, a NanoWorld Group tagja,
- A NanoAndMore USA Corp. lett a Nanosensor hivatalos forgalmazója az USA-ban, Mexikóban és Kanadában.
- A Nanosensors 2007 elindított egy új szilícium MFM AFM szonda sorozatot, bemutatta a PointProbe® Plus XY-Alignment sorozatot, elindította a Plateau Tip AFM szondák sorozatát, és bejelentette a PointProbe® Plus AFM szonda sorozatot.
- 2008-ban bemutatta az önműködő és önérzékelő Akiyama szondát.
- A Nanosensor 2011 feltöltötte kezdeti speciális fejlesztési listáját, és bejelentett egy új kopásálló, vezetőképes AFM szondasorozatot, valamint a Platinum Silicide AFM szondákat.
- 2013-ban bejelentették, hogy a YouTube-csatornáján lesz az elsődleges két képernyőközvetítés.
- 2013-ban bemutatta az uniqprobe™ néven ismert új AFM szondák sorozatát.
Nanoszenzor gyártási technikák
Számos technikát javasoltak ezeknek az érzékelőknek hasonlóvá tételére; felülről lefelé irányuló litográfia, alulról felfelé történő összeszerelés és molekuláris önösszeállítás.
- Felülről lefelé irányuló megközelítések
- Litográfia: Ez a módszer magában foglalja a nanoméretű minták hordozóra maratását olyan technikák alkalmazásával, mint az elektronsugaras litográfia (EBL) vagy a fotolitográfia. Az EBL különösen nagy felbontást kínál, lehetővé téve a precíz mintázást, amely elengedhetetlen a nanoméretű jellemzők létrehozásához.
- Rézkarc: Mind a nedves, mind a száraz maratási módszereket alkalmazzák az anyag szelektív eltávolítására a szubsztrátum felületéről nanoméretű struktúrák létrehozása érdekében. A reaktív ionmaratás (RIE) egy népszerű száraz maratási technika a pontossága és összetett minták létrehozására való képessége miatt.
- Alulról felfelé irányuló megközelítések
- Kémiai gőzleválasztás (CVD): A CVD egy olyan folyamat, amelyben a gáznemű reagensek szilárd anyagokat képeznek a szubsztrátumokon, vékony filmeket és nanostruktúrákat hozva létre. Az olyan változatok, mint a plazmával javított CVD (PECVD), javítják a folyamatot azáltal, hogy plazmát használnak a reakciósebesség növelésére.
- Önösszeszerelés: Ez a technika magában foglalja a molekulák spontán szerveződését strukturált elrendezésekbe. A DNS nanotechnológia például a DNS bázispárosító tulajdonságait használja fel bonyolult nanostruktúrák létrehozására.
- Sol-Gel feldolgozás: Ez magában foglalja az oldatrendszer folyékony „szol”-ból szilárd „gél” fázisba való átmenetét. Különösen hasznos kerámia és üveges nanostruktúrák létrehozásához.
- Hibrid megközelítések
Nanoimprint litográfia (NIL): Ez egyesíti a felülről lefelé és az alulról felfelé irányuló megközelítés szempontjait. Ez magában foglalja egy nanostrukturált öntőformát egy polimer rétegbe préselve, majd a polimer kikeményítését a nanoméretű jellemzők átviteléhez.
Nanoszenzorok típusai
Különféle típusú nanoszenzorok léteznek, amelyeket az alábbiakban tárgyalunk.
Fizikai nanoszenzorok
Ezeket az érzékelőket olyan fizikai mennyiségek változásainak mérésére használják, mint a sebesség, hőmérséklet, nyomás, elektromos erők, elmozdulás, tömeg és még sok más. Ezeket a nanoszenzorokat különféle alkalmazásokban használják a mindennapi életben és az iparban is. A Nanowear Inc. fizikai nanoszenzorokat használ hordható alsóneműk készítéséhez, hogy a testünkből érkező elektromos jelek változásait vizsgálva feltárja a lehetséges szívelégtelenséget, mielőtt az előfordulna krónikus betegeknél.
Kémiai nanoszenzorok
Ezek az érzékelők segítenek a különböző vegyi anyagok (vagy) kémiai tulajdonságok, például a pH-érték észlelésében. Tehát ez hasznos lehet, amikor az ökológiai szennyezést (vagy) gyógyszerészeti elemzéshez vizsgáljuk. Általában ezeket az érzékelőket különböző nanoanyagokból, például fém nanorészecskékből vagy grafénből gyártják, mivel ezek reagálnak bizonyos célvegyi anyagok előfordulására, amelyeket ki kell számítani.
Ennek az érzékelőnek a legjobb példája a folyadék pH-értékének érzékelése. Egy vizsgált csoportnak sikerült egy ilyen típusú szenzort építeni arany nanorészecskékkel borított polimer kefék segítségével a pH érték spektroszkópiai technikával történő detektálására.
Nano-bioszenzorok
A nano bioszenzorok az orvostudományban és az egészségügyben pontosan képesek kimutatni a kórokozókat, toxinokat, daganatokat és biomarkereket. Ezek az érzékelők a molekulák válaszát optikai vagy elektromos jelekké alakítják át, és megvan az az előnyük, hogy rendkívül specifikusan képesek megcélozni azt, amit meg kell mérni. Amikor egy objektum mérete és felület-térfogat aránya megnő, akkor ezek az érzékelők nagy előnyt jelentenek a nagyobb bioszenzorokhoz képest, mivel jobb érzékelést tesznek lehetővé, amikor a megcélzott molekulákon keresztüli reakció gyakrabban megy végbe.
Ezeket az érzékelőket a tajvani induló Instant NanoBiosensors Co., Ltd. használja. Arany nanorészecskékkel és antitestekkel borított optikai szálat használnak különféle biológiai vegyületek kimutatására.
Optikai nanoszenzor
Az optikai nanoszenzorok nanoméretű (vagy) nanoszerkezetű érzékelőanyagokkal rendelkeznek, amelyek optikai frekvenciákon eltérő reakciót mutatnak az elektromágneses gerjesztésre. Ezeket az érzékelőket elsősorban analitikai okokból monitorozásra, valamint kémiai vagy biológiai folyamatok azonosítására használják. Ezek az érzékelők az adatokat is jelekké alakítják a fontos információk érdekében.
Előnyök és hátrányok
A A nanoszenzorok előnyei a következőket tartalmazzák.
- A nanoszenzorok könnyen kölcsönhatásba léphetnek nano szinten, és egyedi fejlesztéseket figyelnek meg nano szinten, amelyek eltérnek a makroszinttől.
- Ezek az érzékelők nagy érzékenységgel rendelkeznek, ami nagyobb pontosságot tesz lehetővé.
- Ezek tartósak, stabilak, hordozhatóak, nagy érzékenységűek, kicsi, robusztus válaszreakciók, valós idejű észlelés, szelektivitás és könnyű,
- Ennek az érzékelőnek alacsony az energiafogyasztása
- Alacsony mintatérfogatot igényel az elemzéshez, és a legkisebb zavarást okozza a megfigyelt anyagban.
- Ennek az érzékelőnek a reakcióideje alacsony, és gyorsabb, mint a többi érzékelőé, így valós idejű elemzést végezhetnek.
- Ez az érzékelő egyidejűleg többféle dolgot érzékel, ami sokféle funkciót tesz lehetővé.
- A nanoszenzorok jelentős érzékelési érzékenységi (vagy felbontási) tartományokat jelenítenek meg.
- Ezek az érzékelők kisebb léptékben működnek.
- Nagyobb érzékenységgel és pontossággal rendelkeznek.
A nanoszenzorok hátrányai a következők.
- Ezek az érzékelők általában kevésbé szelektívek, főleg a biológiai méréseknél, mivel hiányzik belőlük a nagyobb specifitás a bioreceptorokra, például a DNS-re és az antitestekre.
- A felülről lefelé gyártott nanoszenzor felbontása korlátozott, és drágák.
- Az alulról felfelé építkező nanoszenzorok nagyon alacsony hatásfokúak, nagy méretarányúak és rendkívül drágák másokhoz képest.
Alkalmazások
A nanoszenzorok alkalmazásai a következők.
- A nanoszenzorokat főként számos növénytudományi alkalmazáshoz használják, mint pl. Az állandó energiaellátás, az anyagcsere-tevékenységek észlelése, az információk tárolása és számítása, valamint az ökológiai ingerek széles körének észlelése és reagálása.
- Ez egy egyedülálló típusú érzékelő, amelyet elsősorban kémiai, biológiai, környezeti (vagy) fizikai információk nanoméretű szintű észlelésére és mérésére terveztek.
- Ezek mechanikai vagy kémiai érzékelők, amelyeket különböző alkalmazásokban használnak, az orvosbiológiai ipartól a környezetvédelmi iparágakig.
- Ezeknek az érzékelőknek néhány általános alkalmazása elsősorban a következőket tartalmazza:
- Ezek az érzékelők segítenek a gázokban lévő különféle vegyi anyagok észlelésében a szennyezés nyomon követése érdekében.
- A nanoszenzort olyan fizikai paraméterek figyelésére használják, mint az elmozdulás, az áramlás és a hőmérséklet.
- A nanoszenzorok segítenek a növények jelátvitelének és anyagcseréjének nyomon követésében a növénybiológia megértéséhez.
- Segít az agyban található neurotranszmitterek tanulmányozásában, hogy felismerje a neurofiziológiát.
- Ezek az érzékelők gyorsulásmérőként használhatók MEMS-eszközökben, például légzsák-érzékelőkben.
- Valós idejű talajállapot-mérések gyűjtésére szolgál, mint pl. pH, tápanyagok, nedvesség és maradék peszticidek főként mezőgazdasági célokra.
- Ez az érzékelő a növényvédő szerek észlelésére szolgál zöldségeken és gyümölcsökön, hogy kimutathassa a rákkeltő anyagokat az élelmiszerekben.
- Az élelmiszer-biztonsági és minőség-ellenőrzési intézkedések elemeként kimutatja a kórokozókat az élelmiszerekben.
- Ez az érzékelő észleli és figyeli a kis molekulájú metabolitokat.
- A terápiás behatolásra válaszul valós idejű metabolikus rákos sejtek aktivitásának monitorozására szolgál.
Tehát ez az egy nanoszenzor áttekintése , működésük, típusuk, előnyei, hátrányai és alkalmazásaik. A nanoszenzor egy nanoméretű eszköz, amely fizikai mennyiségeket mér, és jelekké változtat, amelyek detektálhatók és elemezhetők. Ezek az érzékelők különböző típusokban állnak rendelkezésre különféle alkalmazásokban, például a védelmi, egészségügyi és környezetvédelmi iparban. Különféle technikák állnak rendelkezésre az ilyen típusú érzékelők gyártására; felülről lefelé irányuló litográfia, a második az alulról felfelé történő összeszerelés, a harmadik pedig a molekuláris önszerveződés. Íme egy kérdés, a nanoszenzor feltalálója?
