Nanosensorius: komponentai, tipai, darbas, gamybos būdai, tipai ir taikymas

Pirmąjį nanojutiklio pavyzdį 1999 m. Džordžijos technologijos institute mokslininkai sukūrė iš anglies nanovamzdelių sukurtą naujovę. Nanojutiklis yra unikali jutiklių rūšis ir tai yra mažos platformos, skirtos aptikti ir matuoti cheminę, biologinę, fizinę ar aplinkos informaciją nanoskalės lygiu. Šie jutikliai dėl savo unikalių nanodalelių savybių, tokių kaip; jų didžiulis paviršiaus ploto ir lygio santykis. Šiame straipsnyje pateikiama trumpa informacija apie nanojutiklius, jų veikimą, tipus ir pritaikymą.

Nanosensoriaus apibrėžimas

Kelių nanometrų būdingų matmenų jutiklis yra žinomas kaip nanojutiklis. Tai mechaninis arba cheminis jutiklis, naudojamas nanodalelių ir cheminių rūšių atsiradimui aptikti arba skirtingiems fiziniams parametrams patikrinti. Jie naudojami medicininėje diagnostikoje, pavyzdžiui, vandens, maisto ir kitų cheminių medžiagų kokybės jutimui. Šis jutiklis veikia panašiai kaip įprastas jutiklis, tačiau aptinka nedidelius kiekius ir paverčia juos signalais, kuriuos reikėtų analizuoti. Nanosensoriai naudojami transporto sistemose, patogenų aptikimo, medicinos, gamybos, taršos kontrolės ir kt.

Kai kurie nanosensorių pavyzdžiai yra; fluorescenciniai nanojutikliai, pagaminti iš DNR arba peptidų, anglies nanovamzdeliai, kvantiniai taškai, nanojutikliai, priklausomai nuo plazmono jungties, magnetinio rezonanso ir fotoakustiniai.

Nanosensoriaus komponentai

Nanojutiklio komponentai daugiausia apima analitę, jutiklį, keitiklį ir detektorių. Nanosensoriai gali išmatuoti vienos molekulės taško lygį. Paprastai šie jutikliai veikia stebėdami jutiklių medžiagų elektrinius pokyčius.

Šioje diagramoje, pirma, analitė iš tirpalo pasklinda į nanojutiklio paviršių. Po to jis reaguoja konkrečiai ir efektyviai, todėl keičiasi keitiklio paviršiaus fizikinės ir cheminės savybės, o tai lemia elektroninių (arba) keitiklio paviršiaus optinių savybių pasikeitimą. Galiausiai tai pakeičiama į aptinkamą elektrinį signalą

Nanosensoriaus veikimo principas

Nanosensorius veikia stebėdamas jutiklių medžiagų elektrinius pokyčius. Pagrindinės nanojutiklio dalys yra; analitė, keitiklis, detektorius ir grįžtamojo ryšio linija nuo detektoriaus link jutiklio bloko. Nanosensorius matuoja vienos molekulės lygius ir veikia tiesiog palaikydamas jutiklio medžiagos elektrinį pokytį.

Šiame jutiklyje esanti analitė pirmiausia pasklinda iš tirpalo į jutiklio paviršių ir reaguoja tiksliai ir labai efektyviai keisdama paviršiaus fizikines ir chemines savybes. Po to tai sukelia elektroninio optinio keitiklio savybių pasikeitimą. Taigi pagaliau šis pokytis gali būti paverstas pastebėtu elektriniu signalu.

Nanosensoriaus istorija

• Nanosensor kaip „Nanoprobe“ buvo įkurtas 1990 metais ir buvo sukurtas remiantis IBM Sindelfingen atliktais tyrimais, susijusiais su reikiamomis pagrindinėmis silicio AFM zondų paketinio apdorojimo technologijomis su masiniu mikroapdirbimu.
• 1993 m. nanojutikliai pasauliniu mastu pristatė AFM ir SPM zondus. Taigi jų paketinio apdorojimo technologijų, skirtų sukurti AFM zondus, plėtra prisidėjo prie atominių jėgų mikroskopų panaudojimo laiko pramonėje.
• Identifikuojant šią realybę, šie jutikliai įvertino Dr.-Rudolf-Eberle inovacijų apdovanojimą Vokietijos Badeno-Viurtembergo žemei, Vokietijos pramonės inovacijų prizą 1995 m. ir Förderkreis für die Mikroelektronik e.V inovacijų apdovanojimą 1995 m. 1999 m. Nanosensors 2002 m. buvo gautas ir integruotas į Šveicarijoje įsikūrusį NanoWorld, kuris yra nepriklausomas verslo padalinys.
• 2003 m. šie jutikliai pristatė naujovišką naują AFM tipo zondą, pvz., AdvancedTEC™. Tai leidžia tiksliai nustatyti padėtį, o šis zondas užtikrina tikrą galiuko matomumą visoje atominės jėgos mikroskopo optinėje sistemoje, net kai AFM zondas yra šiek tiek pakreiptas dėl jo tvirtinimo.
• Sensors 2003 m. paskyrė NanoAndMore GmbH naujuoju oficialiu platintoju Turkijoje, Izraelyje ir Europoje.
• 2004 m. buvo pristatytas „PointProbe® Plus“, kuris sujungia gerai patikrintas „PointProbe®“ serijos funkcijas, tokias kaip suderinamumas ir didelis pritaikymo universalumas su komerciniais AFM.
• 2005 m. buvo paskelbtas Q30K-Plus, kuris yra naujas AFM zondo nuskaitymo artumas su puikiu Q koeficientu ir padidintu S/N santykiu UHV taikymams.
• Nanosensors 2006 pakeitė Šiaurės Amerikos platinimo tinklą, priklausantį NanoWorld grupei,
• NanoAndMore USA Corp. tapo oficialiu Nanosensor platintoju JAV, Meksikoje ir Kanadoje.
• Nanosensors 2007 pristatė naują silicio MFM AFM zondo seriją, pristatė PointProbe® Plus XY-Alignment seriją, Plateau Tip AFM zondų seriją ir paskelbė PointProbe® Plus AFM zondo seriją.
• 2008 m. jis pristatė savaime įsijungiantį ir jutiklį Akiyama.
• „Nanosensor 2011“ įkėlė savo pradinį specialų kūrimo sąrašą ir paskelbė apie naują nusidėvėjimui atsparų, laidžių AFM zondų seriją ir Platinum Silicide AFM zondus.
• 2013 m. paskelbta, kad ji bus pirminė dvi ekrano transliacijos savo „YouTube“ kanale.
• 2013 m. ji pristatė naują AFM zondų seriją, žinomą kaip „uniqprobe™“.

Nanosensorių gamybos būdai

Siūlomi keli būdai, kaip šiuos jutiklius paversti panašiais; litografija iš viršaus į apačią, surinkimas iš apačios į viršų ir molekulinis savarankiškas surinkimas.

1. „Iš viršaus į apačią“ metodai
   • Litografija: Šis metodas apima nanoskalės raštų ėsdinimą ant substratų naudojant tokius metodus kaip elektronų pluošto litografija (EBL) arba fotolitografija. Visų pirma EBL siūlo didelę skiriamąją gebą, leidžiančią tiksliai sudaryti modelius, būtinus kuriant nanoskalės funkcijas.
   • Ofortas: Tiek šlapio, tiek sauso ėsdinimo metodai naudojami pasirinktinai pašalinti medžiagą nuo pagrindo paviršiaus, kad būtų sukurtos nanoskalės struktūros. Reaktyvusis jonų ėsdinimas (RIE) yra populiari sauso ėsdinimo technika dėl jos tikslumo ir gebėjimo sukurti sudėtingus raštus.
2. „Iš apačios į viršų“ metodai
   • Cheminis nusodinimas garais (CVD): CVD yra procesas, kurio metu dujiniai reagentai sudaro kietas medžiagas ant pagrindo, sukuriant plonas plėveles ir nanostruktūras. Variantai, tokie kaip plazma sustiprintas CVD (PECVD), pagerina procesą, naudodami plazmą, kad padidintų reakcijos greitį.
   • Savarankiškas surinkimas: Šis metodas apima spontanišką molekulių organizavimą į struktūrinius susitarimus. Pavyzdžiui, DNR nanotechnologija naudoja DNR bazių poravimosi savybes, kad sukurtų sudėtingas nanostruktūras.
   • Sol-Gel apdorojimas: Tai apima tirpalo sistemos perėjimą iš skystos „zolio“ į kietą „gelio“ fazę. Tai ypač naudinga kuriant keramines ir stiklines nanostruktūras.
3. Hibridiniai požiūriai

                      Nanospaudų litografija (NIL): Tai apjungia ir „iš viršaus į apačią“, ir „iš apačios į viršų“ metodų aspektus. Tai apima nanostruktūrinės formos presavimą į polimero sluoksnį, tada polimero sukietėjimą, kad būtų perkeltos nanoskalės savybės.

Nanosensorių tipai

Yra įvairių tipų nanojutikliai, kurie aptariami toliau.

Fiziniai nanosensoriai

Šie jutikliai naudojami fizikinių dydžių, tokių kaip greitis, temperatūra, slėgis, elektrinės jėgos, poslinkis, masė ir kt., pokyčiams matuoti. Šie nanojutikliai naudojami įvairiose kasdieniame gyvenime ir pramonėje. „Nanowear Inc.“ naudoja fizinius nanojutiklius dėvimiems apatiniams drabužiams gaminti, kad nustatytų galimą širdies nepakankamumą, kol jis nepasireiškė lėtinėmis ligomis sergantiems pacientams, atsižvelgiant į mūsų kūno elektrinių signalų pokyčius.

Cheminiai nanosensoriai

Šie jutikliai padeda aptikti įvairias chemines medžiagas (arba) chemines savybes, pvz., pH vertę. Taigi tai naudinga, kai žiūrima į ekologinę taršą (arba) atliekant farmacinę analizę. Paprastai šie jutikliai yra pagaminti iš skirtingų nanomedžiagų, tokių kaip metalo nanodalelės ar grafenas, nes jie reaguoja į tam tikrų tikslinių cheminių medžiagų, kurias reikia apskaičiuoti, atsiradimą.

Geriausias šio jutiklio pavyzdys yra skysčio pH vertės aptikimas. Ištirta grupė sugebėjo sukurti tokio tipo jutiklį, naudodama aukso nanodalelėmis padengtus polimerinius šepetėlius, kad nustatytų pH vertę spektroskopine technika.

Nano-biojutikliai

Nano biojutikliai medicinoje ir sveikatos priežiūros srityje gali tiksliai aptikti patogenus, toksinus, navikus ir biologinius žymenis. Šie jutikliai molekulių reakciją paverčia optiniais arba elektriniais signalais, o jų privalumas yra tas, kad jie gali ypač tiksliai nustatyti tai, ką reikia išmatuoti. Kai objekto dydis ir jo paviršiaus ir tūrio santykis tampa didesnis, šie jutikliai turi didelę naudą didesniems biojutikliams, kad geriau suvoktų, kada reakcija per tikslines molekules vyksta dažniau.

Šiuos jutiklius naudoja Taivano startuolis Instant NanoBiosensors Co., Ltd. Jie naudoja optinį pluoštą, padengtą aukso nanodalelėmis ir antikūnais įvairiems biologiniams junginiams aptikti.

Optinis nanosensorius

Optiniuose nanojutikliuose yra nanoskalės (arba) nanostruktūrinės jutiklių medžiagos, kurios optiniais dažniais rodo skirtingą reakciją į elektromagnetinį sužadinimą. Šie jutikliai daugiausia naudojami analitiniais tikslais stebint, taip pat identifikuojant cheminius ar biologinius procesus. Šie jutikliai taip pat pakeičia duomenis į svarbios informacijos signalus.

Privalumai ir trūkumai

The nanosensorių pranašumai įtraukti toliau nurodytus dalykus.

• Nanosensoriai gali lengvai sąveikauti nano lygiu ir stebėti unikalius pokyčius nano lygyje, kurie skiriasi nuo makro lygmens.
• Šie jutikliai turi didelį jautrumą, kuris leidžia pasiekti didesnį tikslumą.
• Tai yra patvarūs, stabilūs, nešiojami, didelio jautrumo, maži, tvirti atsakai, aptikimas realiuoju laiku, selektyvumas ir lengvi,
• Šio jutiklio energijos suvartojimas yra mažas
• Norint analizuoti ir mažiausiai trikdyti stebimą medžiagą, reikalingas mažas mėginio tūris.
• Šio jutiklio reakcijos laikas yra mažas, o greitis didesnis nei kitų jutiklių, todėl jie gali atlikti analizę realiuoju laiku.
• Šis jutiklis vienu metu aptinka įvairius dalykus, o tai leidžia atlikti įvairias funkcijas.
• Nanosensoriai rodo didelius aptikimo jautrumo (arba) skiriamosios gebos diapazonus.
• Šie jutikliai veikia mažesniu mastu.
• Jie turi didesnį jautrumą ir didesnį tikslumą.

Nanojutiklių trūkumai yra šie.

• Šie jutikliai paprastai yra mažiau selektyvūs, daugiausia biologiniams matavimams, nes jiems trūksta didesnio specifiškumo bioreceptoriams, tokiems kaip DNR, ir antikūnai.
• Iš viršaus į apačią pagamintas nanojutiklis turi ribotą skiriamąją gebą ir yra brangus.
• „Iš apačios į viršų“ tipo nanojutikliai yra labai mažai efektyvūs, turi didelį mastelį ir yra labai brangūs, palyginti su kitais.

Programos

Nanojutiklių taikymas apima šiuos dalykus.

• Nanosensoriai daugiausia naudojami daugeliui augalų mokslų programų, pvz. pastovus energijos tiekimas, medžiagų apykaitos veiklos aptikimas, informacijos saugojimas ir skaičiavimas, taip pat įvairių ekologinių dirgiklių aptikimas ir atsakas į juos.
• Tai unikalus jutiklio tipas, skirtas aptikti ir matuoti cheminę, biologinę, aplinkos (arba) fizinę informaciją nanoskalės lygiu.
• Tai mechaniniai arba cheminiai jutikliai, naudojami įvairiose srityse – nuo ​​biomedicinos pramonės iki aplinkosaugos pramonės.
• Kai kurios įprastos šių jutiklių programos apima daugiausia;
• Šie jutikliai padeda aptikti įvairias chemines medžiagas dujose, kad būtų galima stebėti taršą.
• Nanojutiklis naudojamas fiziniams parametrams, pvz., poslinkiui, srautui ir temperatūrai, stebėti.
• Nanosensoriai padeda stebėti augalų signalizaciją ir medžiagų apykaitą, kad suprastų augalų biologiją.
• Tai padeda tirti neurotransmiterius smegenyse, kad atpažintų neurofiziologiją.
• Šie jutikliai gali būti naudojami kaip akselerometrai MEMS įrenginiuose, pavyzdžiui, oro pagalvių jutikliuose.
• Jis naudojamas realaus laiko dirvožemio būklės matavimams, pvz. pH, maistinės medžiagos, drėgmė ir pesticidų likučiai daugiausia skirti žemės ūkio reikmėms.
• Šis jutiklis naudojamas pesticidams aptikti ant daržovių ir vaisių, kad būtų galima aptikti kancerogenus maiste.
• Jis aptinka patogenus maiste kaip maisto saugumo ir kokybės kontrolės priemonių elementą.
• Šis jutiklis aptinka ir stebi mažų molekulių metabolitus.
• Jis naudojamas metabolinio vėžio ląstelių aktyvumo stebėjimui realiuoju laiku reaguojant į terapinį įsibrovimą.

Taigi, tai yra nanojutiklio apžvalga , jų veikimas, tipai, pranašumai, trūkumai ir pritaikymas. Nanojutiklis yra nanoskalės prietaisas, kuris matuoja fizinius kiekius ir taip pat virsta signalais, kuriuos galima aptikti ir analizuoti. Šie jutikliai yra įvairių tipų, naudojami įvairiose srityse, pavyzdžiui, gynybos, sveikatos priežiūros ir aplinkosaugos pramonėje. Yra įvairių šių tipų jutiklių gamybos metodų; litografija iš viršaus į apačią, antrasis yra surinkimas iš apačios į viršų ir trečias yra molekulinis savarankiškas surinkimas. Štai jums klausimas, nanojutiklį išrado?