Nanosensor: komponenty, typy, działanie, techniki wytwarzania, typy i ich zastosowania

Pierwszy przykład nanosensora został opracowany w 1999 roku w Georgia Institute of Technology przez naukowców jako innowacja stworzona z nanorurek węglowych. Nanosensor to wyjątkowy rodzaj czujnika. Są to małe platformy przeznaczone do wykrywania i pomiaru informacji chemicznych, biologicznych, fizycznych lub środowiskowych na poziomie nanoskali. Te czujniki są idealne głównie do zastosowań związanych z wykrywaniem ze względu na ich unikalne właściwości nanocząstek, takie jak; ich ogromny stosunek powierzchni do poziomu. W artykule zawarto krótkie informacje na temat nanosensorów, ich działania, typów i zastosowań.

Definicja nanosensora

Rodzaj czujnika o charakterystycznych wymiarach kilku nanometrów nazywany jest nanosensorem. Jest to czujnik mechaniczny lub chemiczny, służący do wykrywania występowania nanocząstek i związków chemicznych lub sprawdzania różnych parametrów fizycznych. Są one wykorzystywane w medycznych zastosowaniach diagnostycznych, takich jak wykrywanie jakości wody, żywności i innych substancji chemicznych. Ten czujnik działa podobnie do normalnego czujnika, ale wykrywa małe ilości i zamienia je na sygnały, które należy przeanalizować. Nanosensory są stosowane w systemach transportowych, wykrywaniu patogenów, medycynie, produkcji, kontroli zanieczyszczeń itp.

Oto niektóre przykłady nanosensorów; fluorescencyjne nanosensory wykonane z DNA lub peptydów, nanorurki węglowe, kropki kwantowe, nanosensory zależne od sprzężenia plazmonowego, rezonans magnetyczny i fotoakustyka.

Elementy nanosensorów

Elementy nanosensora obejmują głównie analit, czujnik, przetwornik i detektor. Nanosensory są w stanie mierzyć poziom punktowy pojedynczej cząsteczki. Ogólnie rzecz biorąc, czujniki te działają w oparciu o zmiany elektryczne w materiałach czujników.

Na tym schemacie analit z roztworu dyfunduje najpierw na powierzchnię nanosensora. Następnie reaguje specyficznie i wydajnie, co zmienia właściwości fizykochemiczne powierzchni przetwornika, co prowadzi do zmiany właściwości elektronicznych (lub) optycznych powierzchni przetwornika. Na koniec zostaje on zamieniony na wykrywany sygnał elektryczny

Zasada działania nanosensora

Nanosensor działa poprzez śledzenie zmian elektrycznych w materiałach czujnika. Podstawowymi częściami nanosensora są: analit, przetwornik, detektor i linię sprzężenia zwrotnego od detektora do bloku czujnika. Nanosensor mierzy poziomy pojedynczych cząsteczek i działa, po prostu utrzymując zmianę elektryczną w materiale czujnika.

Analit w tym czujniku dyfunduje najpierw z roztworu na powierzchnię czujnika i reaguje dokładnie i bardzo skutecznie, zmieniając właściwości fizykochemiczne powierzchni. Następnie powoduje zmianę właściwości elektronicznego przetwornika optycznego. Ostatecznie tę zmianę można przekształcić w zauważalny sygnał elektryczny.

Historia nanosensorów

• Nanosensor jako „Nanoprobe” został założony w 1990 roku i opierał się na badaniach w IBM Sindelfingen przeprowadzonych w zakresie wymaganych podstawowych technologii przetwarzania wsadowego sond krzemowych AFM z mikroobróbką masową.
• Nanosensory wprowadziły na rynek globalny sondy AFM i SPM w roku 1993. Zatem ich rozwój w zakresie technologii przetwarzania wsadowego w celu tworzenia sond AFM przyczynił się do wprowadzenia mikroskopów sił atomowych do przemysłu czasu.
• W identyfikacji tej realizacji czujniki te wyróżniono Nagrodą Dr.-Rudolfa-Eberle Innovation dla niemieckiego kraju związkowego Badenia-Wirtembergia, niemiecką Nagrodą za innowację w przemyśle w roku 1995 oraz Nagrodą za innowacyjność Förderkreis für die Mikroelektronik e.V w roku 1999. W 2002 roku nabyto firmę Nanosensors i zintegrowano ją ze szwajcarską firmą NanoWorld, która jest niezależną jednostką biznesową.
• W 2003 roku w czujnikach tych wprowadzono nową, innowacyjną sondę typu AFM, taką jak AdvancedTEC™. Umożliwia dokładne pozycjonowanie i sprawia, że ​​sonda zapewnia rzeczywistą widoczność końcówki w całym układzie optycznym mikroskopu sił atomowych, nawet gdy sonda AFM jest lekko przechylona ze względu na jej montaż.
• W 2003 roku firma Sensors wyznaczyła firmę NanoAndMore GmbH na swojego nowego oficjalnego dystrybutora w Turcji, Izraelu i Europie.
• W 2004 roku wprowadzono PointProbe® Plus, który łączy w sobie znane i sprawdzone cechy serii PointProbe®, takie jak kompatybilność i wysoka wszechstronność zastosowań z komercyjnymi AFM.
• W 2005 roku ogłoszono Q30K-Plus, który jest nowatorską sondą AFM skanującą bliskość, z doskonałym współczynnikiem Q i ulepszonym stosunkiem sygnału do szumu do zastosowań UHV.
• Nanosensors 2006 zmieniły północnoamerykańską sieć dystrybucji, członek NanoWorld Group,
• NanoAndMore USA Corp. została oficjalnym dystrybutorem Nanosensor w USA, Meksyku i Kanadzie.
• Firma Nanosensors 2007 wprowadziła na rynek nową serię krzemowych sond MFM AFM, wprowadziła serię PointProbe® Plus XY-Alignment, wprowadziła na rynek serię sond Plateau Tip AFM i ogłosiła serię sond PointProbe® Plus AFM.
• W 2008 roku wprowadziła samouruchamiającą i samoczującą sondę Akiyama.
• Nanosensor 2011 przesłał swoją wstępną listę projektów specjalnych i ogłosił nową serię odpornych na zużycie, przewodzących sond AFM oraz sond AFM z krzemianem platynowym.
• W 2013 roku na swoim kanale YouTube ogłoszono dwa główne screencasty.
• W 2013 roku wprowadziła nową serię sond AFM znaną jako uniqprobe™.

Techniki wytwarzania nanosensorów

Istnieje kilka technik, dzięki którym te czujniki mogą być takie jak: litografia odgórna, montaż oddolny i samoorganizacja molekularna.

1. Podejścia odgórne
   • Litografia: Metoda ta polega na wytrawianiu wzorów w nanoskali na podłożach przy użyciu technik takich jak litografia wiązką elektronów (EBL) lub fotolitografia. W szczególności EBL oferuje wysoką rozdzielczość, pozwalającą na precyzyjne modelowanie niezbędne do tworzenia cech w nanoskali.
   • Akwaforta: Do selektywnego usuwania materiału z powierzchni podłoża w celu utworzenia struktur w nanoskali stosuje się zarówno metody trawienia na mokro, jak i na sucho. Reaktywne trawienie jonowe (RIE) to popularna technika trawienia na sucho ze względu na jej precyzję i zdolność do tworzenia złożonych wzorów.
2. Podejścia oddolne
   • Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD): CVD to proces, w którym reagenty gazowe tworzą materiały stałe na podłożach, tworząc cienkie warstwy i nanostruktury. Warianty takie jak CVD wzmocnione plazmą (PECVD) usprawniają proces, wykorzystując plazmę w celu zwiększenia szybkości reakcji.
   • Samodzielny montaż: Technika ta polega na spontanicznej organizacji cząsteczek w ustrukturyzowane układy. Na przykład nanotechnologia DNA wykorzystuje właściwości DNA w zakresie parowania zasad do tworzenia skomplikowanych nanostruktur.
   • Przetwarzanie zol-żel: Obejmuje to przejście układu roztworu z fazy ciekłej „zolu” do fazy stałej „żelu”. Jest szczególnie przydatny do tworzenia nanostruktur ceramicznych i szklistych.
3. Podejścia hybrydowe

                      Litografia nanoimprintowa (NIL): Łączy w sobie aspekty podejścia odgórnego i oddolnego. Polega na wciśnięciu nanostrukturalnej formy w warstwę polimeru, a następnie utwardzaniu polimeru w celu przeniesienia cech w skali nano.

Rodzaje nanosensorów

Istnieją różne typy nanosensorów, które omówiono poniżej.

Fizyczne nanosensory

Czujniki te służą do pomiaru zmian w obrębie wielkości fizycznych, takich jak prędkość, temperatura, ciśnienie, siły elektryczne, przemieszczenie, masa i wiele innych. Te nanosensory są wykorzystywane w różnych zastosowaniach w życiu codziennym, a także w przemyśle. Nanowear Inc. wykorzystuje fizyczne nanosensory do produkcji bielizny do noszenia, aby wykryć możliwą niewydolność serca, zanim wystąpi ona u przewlekle chorych pacjentów, analizując zmiany w sygnałach elektrycznych wysyłanych przez nasz organizm.

Nanosensory chemiczne

Czujniki te pomagają w wykrywaniu różnych substancji chemicznych (lub) właściwości chemicznych, takich jak wartość pH. Jest to więc przydatne, gdy patrzymy na zanieczyszczenia ekologiczne (lub) do analizy farmaceutycznej. Zwykle czujniki te są wykonane z różnych nanomateriałów, takich jak nanocząstki metali lub grafen, ponieważ reagują one na występowanie określonych docelowych substancji chemicznych, które należy obliczyć.

Najlepszym przykładem tego czujnika jest wykrywanie wartości pH cieczy. Badanej grupie udało się zbudować tego typu czujnik wykorzystując szczotki polimerowe pokryte nanocząsteczkami złota do wykrywania wartości pH techniką spektroskopową.

Nano-biosensory

Nanobioczujniki w medycynie i opiece zdrowotnej mogą dokładnie wykrywać patogeny, toksyny, nowotwory i biomarkery. Czujniki te przekształcają reakcję cząsteczek na sygnały optyczne lub elektryczne i mają tę zaletę, że umożliwiają niezwykle precyzyjne namierzenie tego, co ma zostać zmierzone. Ilekroć rozmiar obiektu i jego stosunek powierzchni do objętości stają się większe, czujniki te przynoszą dużą korzyść większym biosensorom, zapewniając lepsze wykrywanie, gdy reakcja przez docelowe cząsteczki zachodzi częściej.

Czujniki te są używane przez tajwański start-up Instant NanoBiosensors Co., Ltd. Wykorzystują światłowód pokryty nanocząsteczkami złota i przeciwciałami do wykrywania różnych związków biologicznych.

Nanosensor optyczny

Nanoczujniki optyczne składają się z materiałów czujnikowych o nanoskali (lub) nanostrukturze, które wykazują odmienną reakcję przy częstotliwościach optycznych na wzbudzenie elektromagnetyczne. Czujniki te wykorzystywane są głównie do celów analitycznych, do monitorowania i identyfikacji procesów chemicznych lub biologicznych. Czujniki te przekształcają również dane w sygnały zawierające ważne informacje.

Zalety i wady

The zalety nanosensorów uwzględnij poniższe.

• Nanosensory mogą z łatwością wchodzić w interakcje na poziomie nano i obserwować unikalne zmiany na poziomie nano, które różnią się od poziomu makro.
• Czujniki te mają wysoką czułość, która pozwala na większą dokładność.
• Są to trwałe, stabilne, przenośne, o wysokiej czułości, małej, solidnej reakcji, wykrywaniu w czasie rzeczywistym, selektywności i lekkości,
• Czujnik ten charakteryzuje się niskim zużyciem energii
• Wymaga małej objętości próbki do analizy i powodowania najmniejszych zakłóceń obserwowanego materiału.
• Czas reakcji tego czujnika jest krótki i ma większą prędkość niż inne czujniki, co pozwala na przeprowadzanie analiz w czasie rzeczywistym.
• Ten czujnik wykrywa różne rzeczy jednocześnie, co pozwala na różnorodne funkcje.
• Nanosensory wykazują znaczny zakres czułości (lub) rozdzielczości wykrywania.
• Czujniki te działają na mniejszą skalę.
• Mają większą czułość i większą dokładność.

Wady nanosensorów są następujące.

• Czujniki te są zwykle mniej selektywne, głównie do pomiarów biologicznych, ponieważ brakuje im większej specyficzności w stosunku do bioreceptorów, takich jak DNA i przeciwciała.
• Nanosensor wytwarzany od góry do dołu ma ograniczoną rozdzielczość i jest drogi.
• Nanosensory typu oddolnego są bardzo mało wydajne, mają duże skalowanie i są niezwykle drogie w porównaniu do innych.

Aplikacje

Zastosowania nanosensorów obejmują:

• Nanosensory są wykorzystywane głównie do wielu zastosowań w naukach o roślinach, takich jak: stałe dostawy energii, wykrywanie aktywności metabolicznych, przechowywanie i obliczanie informacji, a także wykrywanie i reagowanie na szeroki zakres bodźców ekologicznych.
• Jest to unikalny typ czujnika, przeznaczony głównie do wykrywania i pomiaru informacji chemicznych, biologicznych, środowiskowych (lub) fizycznych na poziomie nanoskali.
• Są to czujniki mechaniczne lub chemiczne stosowane w różnych zastosowaniach, od przemysłu biomedycznego po przemysł środowiskowy.
• Niektóre typowe zastosowania tych czujników obejmują głównie;
• Czujniki te pomagają w wykrywaniu różnych substancji chemicznych w gazach w celu monitorowania zanieczyszczeń.
• Nanosensor służy do monitorowania parametrów fizycznych, takich jak przemieszczenie, przepływ i temperatura.
• Nanosensory pomagają w monitorowaniu sygnalizacji i metabolizmu roślin w celu zrozumienia biologii roślin.
• Pomaga w badaniu neuroprzekaźników w mózgu w celu rozpoznania neurofizjologii.
• Czujniki te można wykorzystać jako akcelerometry w urządzeniach MEMS, takich jak czujniki poduszek powietrznych.
• Służy do gromadzenia w czasie rzeczywistym pomiarów stanu gleby, takich jak; pH, składniki odżywcze, wilgoć i pozostałości pestycydów, głównie do celów rolniczych.
• Ten czujnik służy do wykrywania pestycydów w warzywach i owocach w celu wykrycia czynników rakotwórczych w żywności.
• Wykrywa patogeny w żywności jako element środków bezpieczeństwa i kontroli jakości żywności.
• Ten czujnik wykrywa i monitoruje metabolity drobnocząsteczkowe.
• Służy do monitorowania w czasie rzeczywistym aktywności metabolicznej komórek nowotworowych w odpowiedzi na ingerencję terapeutyczną.

Zatem to jest przegląd nanosensora , ich działanie, rodzaje, zalety, wady i zastosowania. Nanosensor to urządzenie w skali nano, które mierzy wielkości fizyczne, a także zamienia je na sygnały, które można wykryć i przeanalizować. Czujniki te są dostępne w różnych typach i wykorzystywane w różnych zastosowaniach, takich jak przemysł obronny, opieka zdrowotna i ochrona środowiska. Dostępne są różne techniki wytwarzania tego typu czujników; litografia odgórna, druga to montaż oddolny, a trzecia to samoorganizacja molekularna. Oto pytanie do Ciebie, nanosensor został wynaleziony przez?