Nanosensor: komponenty, typy, práca, výrobné techniky, typy a ich aplikácie

Prvý príklad nanosensora bol vyvinutý v roku 1999 na Georgia Institute of Technology výskumníkmi, inováciou vytvorenou z uhlíkových nanorúrok. Nanosenzor je jedinečný druh senzora a sú to malé platformy, ktoré sú určené na detekciu a meranie chemických, biologických, fyzikálnych alebo environmentálnych informácií na úrovni nanometrov. Títo senzory sú ideálne hlavne pre snímacie aplikácie kvôli svojim jedinečným vlastnostiam nanočastíc, ako sú; ich obrovský pomer plochy povrchu k úrovni. Tento článok poskytuje stručné informácie o nanosenzoroch, ich činnosti, typoch a ich aplikáciách.

Definícia nanosenzora

Typ senzora s charakteristickými rozmermi niekoľkých nanometrov je známy ako nanosenzor. Ide o mechanický alebo chemický senzor, ktorý sa používa na detekciu výskytu nanočastíc a chemických druhov alebo kontrolu rôznych fyzikálnych parametrov. Používajú sa v lekárskych diagnostických aplikáciách, ako je snímanie kvality vody, potravín a iných chemikálií. Tento senzor funguje podobne ako normálny senzor, ale deteguje malé množstvá a mení ich na signály, ktoré je potrebné analyzovať. Nanosenzory sa používajú v dopravných systémoch, detekcii patogénov, medicíne, výrobe, kontrole znečistenia atď.

Niektoré z príkladov nanosenzorov sú; fluorescenčné nanosenzory vyrobené s DNA alebo peptidmi, uhlíkové nanorúrky, kvantové bodky, nanosenzory v závislosti od plazmónovej väzby, zobrazovanie magnetickou rezonanciou a fotoakustické.

Komponenty nanosensorov

Komponenty nanosenzorov zahŕňajú hlavne analyt, senzor, prevodník a detektor. Nanosenzory sú schopné merať bodovú úroveň jednej molekuly. Vo všeobecnosti tieto senzory fungujú tak, že sledujú elektrické zmeny v materiáloch senzorov.

V tomto diagrame najprv analyt z roztoku difunduje na povrch nanosenzora. Potom reaguje špecificky a efektívne, takže to mení fyzikálno-chemické vlastnosti povrchu meniča, čo vedie k zmene elektronických (alebo) optických vlastností čela meniča. Nakoniec sa to zmení na elektrický signál, ktorý je detekovaný

Pracovný princíp nanosensora

Nanosenzor funguje tak, že sleduje elektrické zmeny v materiáloch senzora. Základné časti nanosenzora sú; analyt, prevodník, detektor a spätná väzba od detektora smerom k bloku senzora. Nanosenzor meria hladiny a prácu jednej molekuly jednoduchým udržiavaním elektrickej zmeny v materiáli senzora.

Analyt v tomto senzore najprv difunduje z roztoku na povrch senzora a reaguje presne a veľmi efektívne zmenou fyzikálno-chemických vlastností povrchu. Potom spôsobí zmenu vlastností elektronického optického prevodníka. Nakoniec sa táto zmena môže premeniť na elektrický signál, ktorý si všimnete.

História nanosensorov

• Nanosensor ako „Nanoprobe“ bol založený v roku 1990 a nadväzuje na výskum v IBM Sindelfingen vykonaný na požadovaných základných technológiách pre dávkové spracovanie kremíkových AFM sond s hromadným mikroobrábaním.
• Nanosenzory globálne komercializovali AFM a SPM sondy v roku 1993. Takže ich vývoj v rámci technológií dávkového spracovania na vytváranie AFM sond prispel k iniciovaniu mikroskopov atómových síl v časovom priemysle.
• Pri identifikácii tejto realizácie tieto senzory rozoznali Cenu Dr.-Rudolf-Eberle Innovation pre nemeckú spolkovú krajinu Bádensko-Württembersko, Nemeckú cenu za inováciu v priemysle v roku 1995 a cenu Förderkreis für die Mikroelektronik e.V Innovation Award v roku 1999. Nanosensors v roku 2002 bol získaný a integrovaný do švajčiarskeho NanoWorld, ktorý je nezávislou obchodnou jednotkou.
• V roku 2003 tieto senzory predstavili novú inovatívnu sondu typu AFM, ako je AdvancedTEC™. Umožňuje presné umiestnenie a robí túto sondu skutočne viditeľnou špičkou v celom optickom systéme mikroskopu atómovej sily, aj keď je sonda AFM mierne naklonená kvôli jej montáži.
• Spoločnosť Sensors v roku 2003 vymenovala NanoAndMore GmbH za svojho nového oficiálneho distribútora pre Turecko, Izrael a Európu.
• V roku 2004 bol predstavený PointProbe® Plus, ktorý spája známe osvedčené funkcie radu PointProbe®, ako je kompatibilita a vysoká všestrannosť aplikácií s komerčnými AFM.
• V roku 2005 bol ohlásený Q30K-Plus, čo je nová AFM sonda skenujúca blízkosť s vynikajúcim Q-faktorom a vylepšeným pomerom S/N pre UHV aplikácie.
• Nanosensors 2006 zmenili severoamerickú distribučnú sieť, člen NanoWorld Group,
• Spoločnosť NanoAndMore USA Corp. sa stala oficiálnym distribútorom Nanosensoru v USA, Mexiku a Kanade.
• Spoločnosť Nanosensors 2007 uviedla na trh novú sériu silikónových sond MFM AFM, predstavila sériu PointProbe® Plus XY-Alignment, uviedla sériu sond Plateau Tip AFM a predstavila sériu sond PointProbe® Plus AFM.
• V roku 2008 predstavila samočinnú a samočinnú sondu Akiyama.
• Nanosensor 2011 odovzdal svoj počiatočný zoznam špeciálneho vývoja a oznámil novú sériu vodivých sond AFM odolných voči opotrebovaniu a sondy Platinum Silicid AFM.
• V roku 2013 sú na svojom kanáli YouTube ohlásené dve primárne screencasty.
• V roku 2013 predstavila novú sériu sond AFM známu ako uniqprobe™.

Techniky výroby nanosenzorov

Existuje niekoľko navrhovaných techník, aby sa tieto senzory podobali; litografia zhora nadol, zostava zdola nahor a molekulárne samozostavenie.

1. Prístupy zhora nadol
   • Litografia: Táto metóda zahŕňa leptanie vzorov nanometrov na substráty pomocou techník, ako je litografia s elektrónovým lúčom (EBL) alebo fotolitografia. Najmä EBL ponúka vysoké rozlíšenie, ktoré umožňuje presné vzorovanie nevyhnutné na vytváranie prvkov nanometrov.
   • Leptanie: Metódy mokrého aj suchého leptania sa používajú na selektívne odstránenie materiálu z povrchu substrátu, aby sa vytvorili štruktúry nanometrov. Reaktívne iónové leptanie (RIE) je populárna technika suchého leptania pre svoju presnosť a schopnosť vytvárať zložité vzory.
2. Prístupy zdola nahor
   • Chemická depozícia z pár (CVD): CVD je proces, pri ktorom plynné reaktanty tvoria pevné materiály na substrátoch, pričom vytvárajú tenké filmy a nanoštruktúry. Varianty, ako je plazma-enhanced CVD (PECVD), zlepšujú proces použitím plazmy na zvýšenie reakčných rýchlostí.
   • Vlastná montáž: Táto technika zahŕňa spontánnu organizáciu molekúl do štruktúrovaných usporiadaní. Napríklad nanotechnológia DNA využíva vlastnosti DNA na párovanie báz na vytváranie zložitých nanoštruktúr.
   • Spracovanie sol-gélu: Ide o prechod systému roztoku z kvapalného „sólu“ na pevnú „gélovú“ fázu. Je obzvlášť užitočný na vytváranie keramických a sklenených nanoštruktúr.
3. Hybridné prístupy

                      Nanotlačová litografia (NIL): Toto spája aspekty prístupu zhora nadol aj zdola nahor. Zahŕňa vtlačenie nanoštruktúrovanej formy do polymérnej vrstvy a následné vytvrdenie polyméru, aby sa preniesli vlastnosti nanometrov.

Typy nanosenzorov

Existujú rôzne typy nanosenzorov, ktoré sú popísané nižšie.

Fyzikálne nanosenzory

Tieto senzory sa používajú na meranie zmien fyzikálnych veličín, ako je rýchlosť, teplota, tlak, elektrické sily, posunutie, hmotnosť a mnohé ďalšie. Tieto nanosenzory sa používajú v rôznych aplikáciách v každodennom živote a tiež v priemysle. Spoločnosť Nanowear Inc. využíva fyzikálne nanosenzory na výrobu nositeľnej spodnej bielizne, aby zistila možné srdcové zlyhanie skôr, ako k nemu dôjde u chronicky chorých pacientov, a to sledovaním zmien v elektrických signáloch z nášho tela.

Chemické nanosenzory

Tieto senzory pomáhajú pri zisťovaní rôznych chemikálií (alebo) chemických vlastností, ako je hodnota pH. Takže je to užitočné vždy, keď sa pozeráte na ekologické znečistenie (alebo) pre farmaceutickú analýzu. Zvyčajne sú tieto senzory vyrobené z rôznych nanomateriálov, ako sú kovové nanočastice alebo grafén, pretože reagujú na výskyt konkrétnych cieľových chemikálií, ktoré je potrebné vypočítať.

Najlepším príkladom tohto senzora je detekcia hodnoty pH kvapaliny. Skúmaná skupina bola schopná postaviť takýto typ senzora pomocou polymérových štetcov pokrytých zlatými nanočasticami na detekciu hodnoty pH spektroskopickou technikou.

Nano-biosenzory

Nano biosenzory v medicíne a zdravotníctve dokážu presne odhaliť patogény, toxíny, nádory a biomarkery. Tieto senzory premieňajú odozvu molekúl na optické alebo elektrické signály a majú tú výhodu, že sú schopné mimoriadne špecificky zamerať to, čo sa má merať. Kedykoľvek sa veľkosť objektu a jeho pomer povrchu k objemu zväčšia, potom majú tieto senzory veľkú výhodu pre väčšie biosenzory, aby poskytli lepšie snímanie, keď sa reakcia prostredníctvom cielených molekúl vyskytuje častejšie.

Tieto senzory používa taiwanský start-up Instant NanoBiosensors Co., Ltd. Využívajú optické vlákno pokryté zlatými nanočasticami a protilátkami na detekciu rôznych biologických zlúčenín.

Optický nanosenzor

Optické nanosenzory majú nanoškálové (alebo) nanoštruktúrované materiály senzorov, ktoré demonštrujú odlišnú reakciu pri optických frekvenciách na elektromagnetické budenie. Tieto senzory sa používajú hlavne na analytické účely na monitorovanie, ako aj na identifikáciu chemických alebo biologických procesov. Tieto senzory tiež menia dáta na signály pre dôležité informácie.

Výhody a nevýhody

The výhody nanosenzorov zahŕňajú nasledujúce.

• Nanosenzory môžu ľahko interagovať na nanoúrovni a pozorujú jedinečný vývoj na nanoúrovni, ktorý sa líši od makroúrovne.
• Tieto senzory majú vysokú citlivosť, ktorá umožňuje väčšiu presnosť.
• Sú odolné, stabilné, prenosné, s vysokou citlivosťou, malou, robustnou odozvou, detekciou v reálnom čase, selektivitou a nízkou hmotnosťou,
• Tento senzor má nízku spotrebu energie
• Vyžaduje malý objem vzorky na analýzu a spôsobuje najmenšie rušenie pozorovaného materiálu.
• Čas odozvy tohto senzora je nízky a má vyššiu rýchlosť ako iné senzory, čo im umožňuje vykonávať analýzu v reálnom čase.
• Tento senzor detekuje rôzne veci súčasne, čo umožňuje rôzne funkcie.
• Nanosenzory zobrazujú významné rozsahy rozlíšenia citlivosti detekcie (alebo).
• Tieto senzory pracujú v menšom rozsahu.
• Majú väčšiu citlivosť a väčšiu presnosť.

Nevýhody nanosenzorov zahŕňajú nasledujúce.

• Tieto senzory sú zvyčajne menej selektívne hlavne na biologické merania, pretože im chýba vyššia špecifickosť pre bioreceptory, ako je DNA a protilátky.
• Nanosenzor vyrobený zhora nadol má obmedzené rozlíšenie a je drahý.
• Nanosenzory typu zdola nahor sú veľmi málo účinné, majú veľké škálovanie a sú extrémne drahé v porovnaní s ostatnými.

Aplikácie

Aplikácie nanosenzorov zahŕňajú nasledujúce.

• Nanosenzory sa používajú hlavne pre veľké množstvo aplikácií v rámci rastlinných vied, ako napr. stabilný prísun energie, zisťovanie metabolických aktivít, ukladanie a počítanie informácií a tiež na zisťovanie a reagovanie na širokú škálu ekologických podnetov.
• Ide o jedinečný typ senzora, ktorý je určený hlavne na detekciu a meranie chemických, biologických, environmentálnych (alebo) fyzikálnych informácií na úrovni nanometrov.
• Sú to mechanické alebo chemické senzory, ktoré sa používajú v rôznych aplikáciách, od biomedicínskeho priemyslu po environmentálny priemysel.
• Niektoré bežné aplikácie týchto snímačov zahŕňajú najmä;
• Tieto senzory pomáhajú pri detekcii rôznych chemikálií v plynoch na monitorovanie znečistenia.
• Nanosenzor sa používa na monitorovanie fyzikálnych parametrov, ako je výtlak, prietok a teplota.
• Nanosenzory pomáhajú pri monitorovaní signalizácie a metabolizmu rastlín s cieľom pochopiť biológiu rastlín.
• Pomáha pri štúdiu neurotransmiterov v mozgu na rozpoznanie neurofyziológie.
• Tieto senzory možno použiť ako akcelerometre v rámci zariadení MEMS, ako sú senzory airbagov.
• Používa sa na zhromažďovanie meraní stavu pôdy v reálnom čase, napr. pH, živiny, vlhkosť a zvyškové pesticídy hlavne na poľnohospodárske účely.
• Tento senzor sa používa na detekciu pesticídov na zelenine a ovocí na detekciu karcinogénov v potravinách.
• Detekuje patogény v potravinách ako prvok potravinovej bezpečnosti a opatrení na kontrolu kvality.
• Tento senzor detekuje a monitoruje metabolity s malými molekulami.
• Používa sa na monitorovanie metabolickej aktivity rakovinových buniek v reálnom čase ako odpoveď na terapeutickú intrúziu.

Teda toto je prehľad nanosenzora , ich fungovanie, typy, výhody, nevýhody a aplikácie. Nanosenzor je zariadenie nanometrov, ktoré meria fyzikálne veličiny a tiež sa mení na signály, ktoré je možné detegovať a tiež analyzovať. Tieto senzory sú dostupné v rôznych typoch používaných v rôznych aplikáciách, ako je obrana, zdravotníctvo a environmentálny priemysel. Na výrobu týchto typov senzorov sú dostupné rôzne techniky; litografia zhora nadol, druhá je zostava zdola nahor a tretia je molekulárne samozostavenie. Tu je otázka pre vás, nanosensor je vynájdený?