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新型納米材料傳感器

來源: 2022/7/27 9:26:17??????點擊:
當今科技的發展要求材料的超微化、智能化、元件的高集成、高密度存儲和超快傳輸等特性,為納米科技和納米材料的應用提供了廣闊的空間。
利用納米技術制作的傳感器,尺寸減小、精度提高、性能大大改善,納米傳感器是站在原子尺度上,從而極大地豐富了傳感器的理論,推動了傳感器的制作水平,拓寬了傳感器的應用領域。納米傳感器現已在生物、化學、機械、航空、軍事等領域獲得廣泛的發展。
一、納米材料及傳感器
納米材料是指在三維空間中至少有一維處于0.1~100nm尺度范圍或由它們作為基本單元構成的材料。
由于納米材料的表面與界面效應、小尺寸效應、量子尺寸效應 及宏觀量子隧道效應等特性使得納米材料在各個領域都有很好的應用。而應用納米技術研究開發納米傳感器,有兩種情況:一是采用納米結構的材料(包括粉粒狀納米材料和薄膜狀的納米材料)制作傳感器;二是研究操作單個或多個納米原子有序排列成所需結構而制作傳感器。
納米材料具有巨大的比表面積和界面,對外部環境的變化十分敏感。溫度、光、濕度和氣氛的變化均會引起表面或界面離子價態和電子輸出的迅速改變,而且響應快,靈敏度高。因此,利用納米固體的界面效應、尺寸效應、量子效應,可制成傳感器。傳感器的研究開發與納米材料的研究相比,主要體現在應用得更加具體化。傳感器上所用的納米材料主要是陶瓷材料。
二、納米傳感器的特點
與傳統的傳感器相比,納米傳感器由于可以在原子和分子尺度上進行操作,充分利用了納米材料的反應活性、拉曼光譜效應、催化效率、導電性、強度、硬度、韌性、超強可塑性和超順磁性等特有性質,因而具有許多顯著特點:
1、靈敏度高。
用于探測有毒氣體的碳納米管傳感器,利用納米晶或多孔納米材料可以增加與毒性氣體分子接觸的表面積,其靈敏度可以增加幾倍。若利用氧化錫、氧化銻、氧化鋅的納米顆粒做成傳感器,靈敏度也將大為提高。研究人員運用碳納米管與納米薄膜技術,研制出具有高靈敏度、高穩定性的柔性可穿戴仿生觸覺傳感器——人造仿生電子皮膚,可對人體不同生理狀態進行準確檢測和疾病前期診斷。
2、功耗小。
隨著微機電技術和微納材料技術的發展,使得納米傳感器向著超微型化、智能化方向迅速發展,納米級機器人傳感器已經可以通過血液注入的方式進入人體,對人體的生理參數進行實時監測,并有望對于癌變細胞、致病基因進行靶向精確治療。與傳統傳感器相比,納米傳感器還可具有自供電能力、從環境中收集光輻射和電磁輻射能量的能力。
3、成本低。
隨著納米材料制備技術的成熟,制造過程的可重復性和批量化生產已不存在太大的問題,納米傳感器的制造成本亦可以大大降低。低成本、小微型化節點的納米傳感器進行大量布撒,可以形成無線納米傳感器網絡,這一優勢可以使納米傳感器的探測能力大大擴展,為氣候監測與環境保護等領域帶來革命性的變化。
4、多功能集成。
傳統的傳感器一般為具有單一功能的傳感器,納米傳感器則可以將成千上萬的具有不同功能的納米傳感器組成的陣列加工在一個小微型化芯片上,使其具有多功能探測與分析能力,并具有越來越強大的數據處理、存儲與分析的能力,若與互聯網相連接,還將具備數據遠程分析處理的能力。其“傻瓜化”特征使其操作十分簡便。
納米傳感器的這些特點將使其在構建各類物聯網的進程中擁有可觀的發展前景和巨大的應用潛力,納米傳感器技術也有望成為推動世界范圍內新一輪科技革命、產業革命和軍事革命的“顛覆性”技術。
三、納米特性傳感器
納米特性傳感器即利用納米材料特性制成的傳感器,納米特性傳感器的特征是比表面積大。隨著接觸面積的增大,便出現了許多特異的性能,可滿足傳感器功能要求的敏感度、應答速度、檢測范圍等。下面是幾種納米特性傳感器的原理及應用舉例。
1、氣敏傳感器

半導體納米氣體傳感器是利用半導體納米陶瓷與氣體接觸時電阻的變化來檢測低濃度氣體。半導體納米陶瓷表面吸附氣體分子時,根據半導體的類型和氣體分子的種類不同,材料的電阻率也隨之發生不同的變化。半導體納米材料表面吸附氣體時,如果外表原子的電子親合能大于表面逸出功,原子將從半導體表面得到電子,形成負離子吸附。相反,形成正離子吸附。N型半導體發生負離子吸附時,其能帶的變化如圖1所示。

2、濕敏傳感器
濕度傳感器的工作原理是半導體納米材料制成的陶瓷電阻隨濕度的變化關系決定的。納米固體具有明顯的濕敏特性。對外界環境濕氣十分敏感。環境濕度迅速引起其表面或界面離子價態和電子運輸的變化。例如,納米晶體電導隨水分變化顯著,響應時間短,2min即可達到平衡。濕度傳感器的濕敏機制有電子導電和質子導電等。例如納米陶瓷的導電機制是離子導電,質子是主要的電荷載體,其導電性由于吸附水而增高。
3、壓敏傳感器
氧化鋅系納米傳感器,由于其具有均勻的晶粒尺寸,它不但適用于低電壓器件,而且更適用于高電壓電力站,它能量吸收容量高,在大電流時非線性好,響應時間短,電學性能極好,且壽命長。納米氧化鋅壓敏傳感器高度的非線性電壓-電流關系,主要由絕緣晶界層決定。兩個ZnO分解,形成填隙Zni原子,同時產生氧空位,如下式所示:
Zni及經一次和二次電離,就形成為載流子的N型半導體了。
4、納米超薄膜化學傳感器
利用2nm的金粒子做核,以巰基烷基酸做有機連接劑,連接劑通過氫鍵互相作用把納米粒子組裝成多孔納米超薄膜(圖2)。這種納米超薄膜可以涂覆到電極上用來響應電活化的金屬離子。納米粒子間氫鍵連接形成的通道大小可以通過pH值以及電極電壓進行調整,用做電化學傳感器,對特定的金屬離子進行響應、監測。

5、新型超敏感納米傳感器
新型超敏感傳感器能夠通過光線的反射來檢測跟分子一樣小的物質,這樣就使得傳感器的可檢測范圍進一步擴大,從可爆炸物到癌癥分子均可被新型傳感器所檢測[3]。此新型傳感器所使用的芯片上布滿了金屬立柱,這些金屬立柱能夠用來增強從物體反射回來的光信號。新型傳感器的傳感能力是現有傳感器能力的l0億倍。這種新設備被稱為“磁盤耦合柱點天線陣列”或D2PA,生產制備簡單且成本低廉。
四、納米生物傳感器
隨著生命科學研究的不斷發展.人們對生物體的研究也由器官、組織達到了細胞、亞細胞層次,微型化、動態、多參數、實時無損檢測,已成為生物傳感器發展的趨勢[4]。納米生物技術是國際生物技術領域的前沿和熱點問題,在醫藥衛生,食品生產和監控,環境監測等領域有著廣泛的應用和明確的產業化前景。目前人們已研制出了尺寸在微米、納米量級的生物傳感器和生物圖像傳感器。下面是幾個納米生物傳感器的例子。
1、 納米微懸梁生物傳感器
IBM公司和瑞典Basel大學的研究人員開發了一種新型的納米微懸梁生物傳感器,利用DNA分子的雙螺旋機構,作為分子特異性識別能力的模型。器件的核心是硅懸梁天平陣列,長500μm,寬100μm,厚度為1μm。由于生物分子的結合,從而引起懸梁臂的彎曲,通過激光反射技術,該器件能夠檢測到10~20nm的彎曲。在懸梁天平陣列表面固定具有不同識別性的分子,構成陣列式生物傳感器可以同時檢測多項指標(如圖3所示)。

2、模擬離子通道開關的生物傳感器
澳大利亞AMBRI有限公司悉尼實驗室的專家,研制出的一種手持式納米生物傳感器(圖4),可以探測空氣中的病原體,比如說炭疽熱病菌等,非常適合生物武器的現場檢測。這種傳感器通過模擬細胞膜,形成具有開關功能的離子通道,當敏感膜與樣本中的受體結合,引起離子通道的關閉,從而影響導電性能。其用途非常廣泛,一個拇指指甲大小的傳感器能在幾分鐘內,幫助醫生從病人的體液中確認病因。另外,這種傳感器可以用來控制環境污染等。

3、光纖納米免疫傳感器
免疫傳感器是指用于檢測抗原抗體反應的傳感器而光纖納米免疫傳感器是在其基礎上將敏感部制成納米級,既保留了光學免疫傳感器的諸多優點,又使之能適用于單個細胞的測量。
Dinh等人成功地研制出一種用于檢測BPT的光纖納米免疫傳感器[5],傳感器頭部的生物探針上結合了特異性單克隆抗體,通過抗原抗體特異性結合,能夠檢測單個細胞內的生物化學物質。BPT納米傳感器制好后,在專用于單細胞操作的顯微操縱儀/顯微注射器上進行細胞穿刺及檢測實驗(見圖5)。

Dinh和他的同事還將一根納米傳感器探針攜帶一束激光刺入一個活細胞,從而探測多種細胞內物質,監控活細胞的蛋白和其它所感興趣的生物化學物質(圖6)。

五、納米傳感器技術在生活中的應用
1、采用納米腔傳感器探測病毒
紐約Rochester大學研究者發明了一種納米傳感器可檢測出千萬億分之一克的生物學物質或病毒[6]。將來這種傳感器可能用于檢測流感、SARS、禽流感或其它病毒。傳感器由微小的六邊形腔構成,每個腔直徑240nm,用光電子技術在一個非常薄的硅板上雕刻而成,一塊板整個面積為40mm,當光束直接通過晶體,光譜中特殊的部分與晶體作用并通過。但當有一粒子被其中一個納米腔捕獲,傳輸的光譜將發生輕微改變,然后探測器就可感應到被改變的光譜。當在某一大小范圍內,病毒在某一納米腔被捕獲,傳送的光譜將不同于沒有病毒粒子存在的光譜。
2、利用納米傳感器快速檢測癌癥
美國耶魯大學的科研人員研發出了一種可快速檢測癌癥的納米傳感器[7]。這種儀器可以從病人的血液中找到前列腺癌、乳腺癌和其他癌癥的生物標記,與傳統檢測方法相比,其檢測結果更加準確,而且成本不高。其操作方便,醫生只需從病人手指上取一點血,便可很快完成檢測,整個過程只需20分鐘。由于血液的成分復雜,為找到能監測癌癥的生物標記,研究人員使用了一個類似過濾器的裝置,使這種納米傳感器能直接從血液中過濾出所需檢測的物質,其精度相當于從一個巨大的游泳池中找到一顆鹽粒。雖然這種儀器目前還不能馬上投入實際應用,但在進一步對其完善的基礎上可以制造出更簡便快捷的癌癥診斷儀器。
3、可自行發電的納米傳感器
美國化學學會的科學家們發明了一種能實現自行發電的新型傳感器。它能夠實現30英尺距離無電池參與下的運行,這意味著它能夠利用環境自行發電,能源來源包括太陽能、聲波、震動、化學、氣流和熱能,無線數據的傳輸都由設備自行供電,用一個電容器來實現電力存儲。這種傳感器不僅僅用于醫療,還可以用于空中攝像機、可穿戴電子產品等,套用威廉吉布森的話,未來已經來臨。
納米技術是21世紀三大技術之一,它必將對人們的生產和生活帶來巨大的進步和飛躍,而在納米技術中,對社會生活和生產方式將產生最深刻而廣泛影響的納米器件的研究水平和應用程度標志著一個國家納米科技的總體水平,而納米傳感器恰恰就是納米器件研究中的一個極其重要的領域。因此,新型納米傳感器的研究將更上一層樓,納米材料在傳感器領域的應用也會層出不窮。




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