První příklad nanosenzoru byl vyvinut v roce 1999 na Georgia Institute of Technology výzkumnými pracovníky inovace vytvořené z uhlíkových nanotrubic. Nanosenzor je jedinečný druh senzoru a jsou to malé platformy, které jsou navrženy pro detekci a měření chemických, biologických, fyzikálních nebo environmentálních informací na úrovni nanoměřítek. Tyto senzory jsou ideální hlavně pro snímací aplikace díky svým jedinečným vlastnostem nanočástic, jako je; jejich obrovský poměr plochy povrchu k úrovni. Tento článek poskytuje stručné informace o nanosenzorech, jejich fungování, typech a jejich aplikacích.
Definice nanosenzoru
Typ senzoru s charakteristickými rozměry několika nanometrů je známý jako nanosenzor. Jedná se o mechanický nebo chemický senzor, který se používá k detekci výskytu nanočástic a chemických látek nebo ke kontrole různých fyzikálních parametrů. Používají se v lékařských diagnostických aplikacích, jako je snímání kvality vody, potravin a dalších chemikálií. Tento senzor funguje podobně jako normální senzor, ale detekuje malá množství a mění je na signály, které by měly být analyzovány. Nanosenzory se používají v dopravních systémech, detekci patogenů, medicíně, výrobě, kontrole znečištění atd.
Některé příklady nanosenzorů jsou; fluorescenční nanosenzory vyrobené s DNA nebo peptidy, uhlíkové nanotrubice, kvantové tečky, nanosenzory závislé na plasmonové vazbě, zobrazování magnetickou rezonancí a fotoakustické.
Komponenty nanosensorů
Mezi komponenty nanosenzorů patří především analyt, senzor, převodník a detektor. Nanosenzory jsou schopny měřit bodovou hladinu jedné molekuly. Obecně tyto senzory fungují tak, že sledují elektrické změny v materiálech senzoru.
V tomto diagramu nejprve analyt z roztoku difunduje na povrch nanosenzoru. Poté reaguje specificky a efektivně, takže to mění fyzikálně-chemické vlastnosti povrchu převodníku, což vede ke změně elektronických (nebo) optických vlastností čela převodníku. Nakonec se to změní na elektrický signál, který je detekován
Pracovní princip nanosenzoru
Nanosensor funguje tak, že sleduje elektrické změny v materiálech senzoru. Základní části nanosenzoru jsou; analyt, převodník, detektor a zpětná vazba od detektoru směrem k bloku senzoru. Nanosenzor měří hladiny a práci jedné molekuly pouhým udržováním elektrické změny v materiálu senzoru.
Analyt v tomto senzoru nejprve difunduje z roztoku na povrch senzoru a reaguje přesně a velmi efektivně změnou fyzikálně-chemických vlastností povrchu. Poté způsobí změnu vlastností elektronického optického měniče. Takže tato změna může být nakonec převedena na elektrický signál, který je zaznamenán.
Historie nanosenzorů
- Nanosensor jako „Nanoprobe“ byl založen v roce 1990 a vycházel z výzkumu v IBM Sindelfingen prováděného na požadovaných základních technologiích pro dávkové zpracování křemíkových AFM sond s hromadným mikroobráběním.
- Nanosensors komercializovaly AFM a SPM sondy po celém světě v roce 1993. Takže jejich vývoj v rámci technologií dávkového zpracování pro vytváření AFM sond přispěl k uvedení mikroskopů atomových sil do průmyslu času.
- Při identifikaci této realizace tyto senzory rozeznaly Cenu Dr.-Rudolf-Eberle Innovation pro Německou spolkovou zemi Bádensko-Württembersko, Německou cenu za inovaci v průmyslu v roce 1995 a Förderkreis für die Mikroelektronik e.V Innovation Award v roce 1999. Nanosensors v roce 2002 byl získán a integrován do švýcarského NanoWorld, což je nezávislá obchodní jednotka.
- V roce 2003 tyto senzory představily novou inovativní sondu typu AFM, jako je AdvancedTEC™. Umožňuje přesné polohování a zajišťuje, že tato sonda poskytuje skutečnou viditelnost špičky v celém optickém systému mikroskopu atomárních sil, i když je sonda AFM mírně nakloněna kvůli její montáži.
- Společnost Sensors v roce 2003 jmenovala NanoAndMore GmbH svým novým oficiálním distributorem pro Turecko, Izrael a Evropu.
- V roce 2004 byl představen PointProbe® Plus, který spojuje známé osvědčené funkce řady PointProbe®, jako je kompatibilita a vysoká všestrannost aplikací s komerčními AFM.
- V roce 2005 byl ohlášen Q30K-Plus, což je nová sonda AFM skenující blízkost s vynikajícím Q-faktorem a vylepšeným poměrem S/N pro UHV aplikace.
- Nanosensors 2006 změnil severoamerickou distribuční síť, která je členem NanoWorld Group,
- Společnost NanoAndMore USA Corp. se stala oficiálním distributorem Nanosensoru v USA, Mexiku a Kanadě.
- Společnost Nanosensors 2007 uvedla na trh novou řadu křemíkových sond MFM AFM, představila řadu sond PointProbe® Plus XY-Alignment, uvedla na trh řadu sond Plateau Tip AFM a oznámila řadu sond PointProbe® Plus AFM.
- V roce 2008 představila samočinnou a samočinnou sondu Akiyama.
- Společnost Nanosensor 2011 nahrála svůj počáteční seznam speciálních vývojů a oznámila novou řadu vodivých sond AFM odolných proti opotřebení a sondy Platinum Silicid AFM.
- V roce 2013 jsou na svém kanálu YouTube oznámeny dva primární screencasty.
- V roce 2013 představila novou řadu sond AFM známou jako uniqprobe™.
Techniky výroby nanosenzorů
Je navrženo několik technik, aby se tyto senzory podobaly; litografie shora dolů, montáž zdola nahoru a molekulární samoskládání.
- Přístupy shora dolů
- Litografie: Tato metoda zahrnuje leptání vzorů v nanoměřítku na substráty pomocí technik, jako je elektronová litografie (EBL) nebo fotolitografie. Zejména EBL nabízí vysoké rozlišení, které umožňuje přesné vzorování nezbytné pro vytváření prvků v nanoměřítku.
- Leptání: Metody mokrého i suchého leptání se používají k selektivnímu odstranění materiálu z povrchu substrátu za účelem vytvoření struktur v nanoměřítku. Reaktivní iontové leptání (RIE) je oblíbená technika suchého leptání pro svou přesnost a schopnost vytvářet složité vzory.
- Přístupy zdola nahoru
- Chemická depozice z plynné fáze (CVD): CVD je proces, při kterém plynné reaktanty tvoří pevné materiály na substrátech a vytvářejí tenké filmy a nanostruktury. Varianty jako plasma-enhanced CVD (PECVD) zlepšují proces použitím plazmy ke zvýšení reakční rychlosti.
- Vlastní montáž: Tato technika zahrnuje spontánní organizaci molekul do strukturovaných uspořádání. DNA nanotechnologie například využívá vlastnosti DNA párování bází k vytvoření složitých nanostruktur.
- Zpracování sol-gel: To zahrnuje přechod systému roztoku z kapalného „sol“ na pevnou „gelovou“ fázi. Je zvláště užitečný pro vytváření keramických a skelných nanostruktur.
- Hybridní přístupy
Nanotisková litografie (NIL): To kombinuje aspekty přístupu shora dolů i zdola nahoru. Zahrnuje vtlačení nanostrukturní formy do polymerní vrstvy a následné vytvrzení polymeru, aby se přenesly rysy v nanoměřítku.
Typy nanosenzorů
Existují různé typy nanosenzorů, které jsou popsány níže.
Fyzikální nanosenzory
Tyto senzory se používají pro měření změn fyzikálních veličin, jako je rychlost, teplota, tlak, elektrické síly, posunutí, hmotnost a mnoho dalších. Tyto nanosenzory se používají v různých aplikacích v každodenním životě a také v průmyslu. Společnost Nanowear Inc. využívá fyzické nanosenzory pro výrobu nositelného spodního prádla, aby zjistila možné srdeční selhání dříve, než k němu dojde u chronicky nemocných pacientů, a to sledováním změn v elektrických signálech z našeho těla.
Chemické nanosenzory
Tyto senzory pomáhají při detekci různých chemikálií (nebo) chemických vlastností, jako je hodnota pH. To je užitečné, kdykoli se díváte na ekologické znečištění (nebo) pro farmaceutickou analýzu. Obvykle jsou tyto senzory vyrobeny z různých nanomateriálů, jako jsou kovové nanočástice nebo grafen, protože reagují na výskyt konkrétních cílových chemikálií, které je třeba vypočítat.
Nejlepším příkladem tohoto senzoru je detekce hodnoty pH kapaliny. Zkoumaná skupina byla schopna postavit takový typ senzoru pomocí polymerních kartáčků pokrytých zlatými nanočásticemi pro detekci hodnoty pH pomocí spektroskopické techniky.
Nano-biosenzory
Nano biosenzory v medicíně a zdravotnictví dokážou přesně detekovat patogeny, toxiny, nádory a biomarkery. Tyto senzory převádějí odezvu molekul na optické nebo elektrické signály a mají tu výhodu, že jsou schopny extrémně přesně zacílit na to, co je třeba měřit. Kdykoli se velikost objektu a jeho poměr povrchu k objemu zvětší, pak mají tyto senzory velkou výhodu pro větší biosenzory, které poskytují lepší snímání, když reakce prostřednictvím cílových molekul nastává častěji.
Tyto senzory používá tchajwanský start-up Instant NanoBiosensors Co., Ltd. K detekci různých biologických sloučenin využívají optické vlákno pokryté zlatými nanočásticemi a protilátkami.
Optický nanosenzor
Optické nanosenzory mají nanoměřítko (nebo) nanostrukturní senzorové materiály, které demonstrují odlišnou reakci na optických frekvencích na elektromagnetické buzení. Tyto senzory se používají hlavně pro analytické účely pro monitorování a identifikaci chemických nebo biologických procesů. Tyto senzory také mění data na signály pro důležité informace.
Výhody a nevýhody
The výhody nanosenzorů zahrnout následující.
- Nanosenzory mohou snadno interagovat na nanoúrovni a pozorují jedinečný vývoj na nanoúrovni, který se liší od makroúrovně.
- Tyto senzory mají vysokou citlivost, která umožňuje větší přesnost.
- Jsou odolné, stabilní, přenosné, vysoce citlivé, malé, robustní odezva, detekce v reálném čase, selektivita a lehké,
- Tento senzor má nízkou spotřebu energie
- Vyžaduje malý objem vzorku pro analýzu a způsobuje co nejmenší rušení pozorovaného materiálu.
- Doba odezvy tohoto senzoru je nízká a má vyšší rychlost než jiné senzory, což jim umožňuje provádět analýzu v reálném čase.
- Tento senzor detekuje různé věci současně, což umožňuje různé funkce.
- Nanosenzory zobrazují významné rozsahy citlivosti (nebo) rozlišení detekce.
- Tyto senzory pracují v menším měřítku.
- Mají větší citlivost a větší přesnost.
Mezi nevýhody nanosenzorů patří následující.
- Tyto senzory jsou obvykle méně selektivní hlavně pro biologická měření, protože postrádají vyšší specificitu pro bioreceptory, jako je DNA a protilátky.
- Nanosenzor vyrobený shora dolů má omezené rozlišení a je drahý.
- Nanosenzory typu zdola nahoru jsou velmi málo účinné, mají velké měřítko a jsou extrémně drahé ve srovnání s ostatními.
Aplikace
Aplikace nanosenzorů zahrnují následující.
- Nanosenzory se používají hlavně pro velké množství aplikací v rostlinných vědách, jako jsou; stálý přísun energie, detekce metabolických aktivit, ukládání a výpočet informací a také k detekci a reakci na širokou škálu ekologických podnětů.
- Jedná se o unikátní typ senzoru, určený především k detekci a měření chemických, biologických, environmentálních (nebo) fyzikálních informací na úrovni nanoměřítek.
- Jedná se o mechanické nebo chemické senzory, které se používají v různých aplikacích, od biomedicínského průmyslu až po environmentální průmysl.
- Některé běžné aplikace těchto senzorů zahrnují zejména;
- Tyto senzory pomáhají při detekci různých chemikálií v plynech pro monitorování znečištění.
- Nanosenzor se používá k monitorování fyzických parametrů, jako je výchylka, průtok a teplota.
- Nanosenzory pomáhají při monitorování rostlinné signalizace a metabolismu k pochopení rostlinné biologie.
- Pomáhá při studiu neurotransmiterů v mozku k rozpoznání neurofyziologie.
- Tyto senzory lze použít jako akcelerometry v zařízeních MEMS, jako jsou senzory airbagů.
- Používá se ke shromažďování měření stavu půdy v reálném čase, jako je; pH, živiny, vlhkost a zbytkové pesticidy především pro zemědělské účely.
- Tento senzor se používá k detekci pesticidů na zelenině a ovoci k detekci karcinogenů v potravinách.
- Detekuje patogeny v potravinách jako prvek zabezpečení potravin a opatření kontroly kvality.
- Tento senzor detekuje a monitoruje metabolity s malými molekulami.
- Používá se pro monitorování metabolické aktivity rakovinných buněk v reálném čase v reakci na terapeutickou intruzi.
Tedy, toto je přehled nanosenzoru , jejich fungování, typy, výhody, nevýhody a aplikace. Nanosenzor je zařízení v nanoměřítku, které měří fyzikální veličiny a také se mění na signály, které lze detekovat i analyzovat. Tyto senzory jsou k dispozici v různých typech používaných v různých aplikacích, jako je obrana, zdravotnictví a environmentální průmysl. Pro výrobu těchto typů senzorů jsou k dispozici různé techniky; litografie shora dolů, druhá je montáž zdola nahoru a třetí je molekulární samoskládání. Zde je otázka pro vás, nanosensor je vynalezen?
