納米傳感器的研究

納米傳感器的研究

0納米傳感器的發(fā)展推動了納米技術(shù)現(xiàn)在，材料的高可越進性、智能性、高組件的高集成、高密度存儲能力和高快速傳輸?shù)忍攸c為納米科技和材料的應(yīng)用提供了廣闊的空間。納米技術(shù)與微電子技術(shù)有一定的區(qū)別,主要區(qū)別是:納米技術(shù)研究的是以控制單個原子、分子來實現(xiàn)設(shè)備特定的功能,是利用電子的波動性來工作的;而微電子技術(shù)則主要通過控制電子群體來實現(xiàn)其功能,是利用電子的粒子性來工作的。研究和開發(fā)納米技術(shù)的目的,就是要實現(xiàn)對整個微觀世界的有效控制。1993年,國際納米科技指導(dǎo)委員會將納米技術(shù)劃分為納米電子學(xué)、納米物理學(xué)、納米化學(xué)、納米生物學(xué)、納米加工學(xué)和納米計量學(xué)等6個分支學(xué)科。由此可知,納米技術(shù)是一門交叉性很強的綜合學(xué)科,研究的內(nèi)容涉及現(xiàn)代科技的廣闊領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的傳感器相比,利用納米技術(shù)制作傳感器尺寸減小、精度提高等性能大大改善,更重要的是,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(yīng)用領(lǐng)域。納米傳感器現(xiàn)已在生物、化學(xué)、機械、航空、軍事等領(lǐng)域獲得廣泛的發(fā)展。納米傳感器具有龐大的界面,提供大量物質(zhì)通道,導(dǎo)通電阻很小,有利于傳感器向微型化發(fā)展。1納米傳感器的研究納米技術(shù)傳感主要包括納米化學(xué)和生物傳感器、納米氣敏傳感器和其他類型的納米傳感器(壓力、溫度和流量等)。1.1納米生物傳感器納米技術(shù)引入化學(xué)和生物傳感器領(lǐng)域后,提高了化學(xué)和生物傳感器的檢測性能,并促發(fā)了新型的化學(xué)和生物傳感器。因為具有了亞微米的尺寸、換能器、探針或者納米微系統(tǒng),該種傳感器的化學(xué)和物理性質(zhì)和其對生物分子或者細胞的檢測靈敏度大幅提高,檢測的反應(yīng)時間也得以縮短,并且可以實現(xiàn)高通量的實時檢測分析。利用納米材料制成極為靈敏的生物和化學(xué)傳感器,可以對癌癥、心血管疾病等進行早期診斷;利用碳納米管和其他納米微結(jié)構(gòu)的化學(xué)傳感器能夠檢測氨、氧化氮、過氧化氫、碳氫化合物、揮發(fā)性有機化合物以及其他氣體,與具有相同功能的其他分析儀相比,它不僅尺寸要小而且價格也便宜;在生物傳感器中,用納米顆粒、多孔納米結(jié)構(gòu)和納米器件都獲得了成功的應(yīng)用。美國Rice大學(xué)的納米光學(xué)實驗室將一種被稱為“納米星”的微小黃金顆粒制成有效的化學(xué)感應(yīng)器?！凹{米星”匯集現(xiàn)在正研究的光子顆粒的最好性質(zhì),其表面的每一個顆粒都有著唯一的光譜信號,初步的測試表明這些信號可以用來確定納米星的三維方向,為開展三維分子檢測工作打下堅實的基礎(chǔ)。美國耶魯大學(xué)用傳統(tǒng)方法研制出一種簡易而敏感的硅材料納米生物傳感器,這在理論上使納米傳感器可以大量生產(chǎn)。在抗體或者其它生物分子上覆蓋了一層直徑為30nm的納米線,使其能夠捕獲特定種類的蛋白質(zhì)。中科院上海應(yīng)用物理所研制出一種新型的電化學(xué)DNA納米生物傳感器,其特色是通過對電極界面納米尺度的精細調(diào)控,同時引入金納米粒子進行電化學(xué)信號放大,從而顯著提高了DNA檢測的靈敏度。揚州大學(xué)的納米CaCO3固定生物分子制備生物傳感器的方法,屬于以無機材料納米CaCO3為載體固定蛋白質(zhì)等生物分子制備生物傳感器的方法。制備出的生物傳感器穩(wěn)定性好、靈敏度高、重現(xiàn)性好,而所需的生物分子的量少。中科院上海應(yīng)用物理所研制出一種檢測三磷酸腺苷(ATP)的新型電化學(xué)生物傳感器,應(yīng)用了一類核酸適配體作為ATP分子識別元件。核酸適配體成本較低且化學(xué)穩(wěn)定性好,在識別ATP前后其分子構(gòu)象會發(fā)生顯著變化,利用電化學(xué)方法可以檢測這一構(gòu)象改變所導(dǎo)致的電子傳遞能力變化,從而可以靈敏檢測ATP這一種生物體內(nèi)的能量分子。浙江大學(xué)研制出一種含有水凝膠-碳納米管的味覺傳感器,在基板上,用真空濺射法或化學(xué)氣相沉積法制成帶有金焊盤的匙狀金電極;以水凝膠PVA加PA,或PVA加PAA作為味敏層材料,摻雜碳納米管,采用直接滴加法在匙狀金電極上沉積味敏層,烘干,在除味敏層以外的區(qū)域涂敷環(huán)氧樹脂,晾干,獲得含有水凝膠-碳納米管的味覺傳感器。傳感器體積小,測量方法簡單。1.2碳納米管氣體檢測和檢測用零維的金屬氧化物半導(dǎo)體納米顆粒、碳納米管及二維納米薄膜等都可以作為敏感材料構(gòu)成氣敏傳感器。納米氣敏傳感器的研究中,主要方向之一是在氣體環(huán)境中依靠敏感材料的電導(dǎo)發(fā)生變化來制作氣敏傳感器。在這些納米敏感材料中加入貴重金屬納米顆粒(例如Pt和Pd),大大增強了選擇性,提高了靈敏度,降低了工作溫度。納米氣體傳感器另一個主要方向是用多壁碳納米管制作氣敏傳感器用多壁碳納米管制作氣敏傳感器。碳納米管自1991年被發(fā)現(xiàn)以來,其獨特的性質(zhì)及制備工藝得到了廣泛的研究,而多壁碳納米管具有一定的吸附特性,由于吸附的氣體分子與碳納米管發(fā)生相互作用,改變其費米能級引起其宏觀電阻發(fā)生較大改變,通過檢測其電阻變化來檢測氣體成分,可用作氣敏傳感器。美國研究人員研制的“納米傳感器”能夠監(jiān)測太空飛船中的微量氣體。該納米傳感器由感應(yīng)材料的微小的碳納米管構(gòu)成,能夠在太空環(huán)境和發(fā)射時的劇烈振動和重力不斷變化中完好保存下來,能探測到每一種科學(xué)家所期望探測到的化學(xué)物質(zhì)。當微小的化學(xué)物質(zhì)接觸到感應(yīng)材料后,它將引起某種化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致流經(jīng)傳感器的電流放大或縮小。美國加利福尼亞大學(xué)研制成功了一種能夠自動鑒定氣體成份的“電子鼻”。其安裝了由只有2mm2的傳感芯片,芯片上集成的傳感器有大量碳納米管組成,能夠捕捉到化驗對象中的各種氣體分子。而傳感器獲得的有關(guān)被測氣體的信息將傳遞給計算機進行分析,從而得出氣體的具體成份,可投入批量生產(chǎn)且價格便宜。由中科院合肥智能綜合了納米技術(shù)和自動控制等多個學(xué)科的相關(guān)理論與技術(shù),提出了暗電流檢測氣體的新方法;集成開發(fā)了基于碳納米管電離的氣體檢測預(yù)警系統(tǒng)并首次實現(xiàn)了在大氣環(huán)境下對某些有機氣體及毒品的檢測,形成了多項具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)。上海交通大學(xué)提出使用標準微電子加工技術(shù)中圖形轉(zhuǎn)換技術(shù)和金屬微電鑄技術(shù),作為實現(xiàn)基于一維納米材料的微氣體傳感器的制造工藝,可以極大提高對該種傳感器核心結(jié)構(gòu)要素的控制精度和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計的靈活性,方便實現(xiàn)微型智能傳感器。浙江大學(xué)研制了一種基于氣體在納米間隙中的電離來實施氣敏檢測的微型氣體傳感器。采用在線阻抗監(jiān)測電鍍法來制備具有納米間隙的金屬電極對,所制備的微型氣體傳感器包括絕緣基底和在絕緣基底上設(shè)置一電極對,電極對中兩電極的間隙為1~999nm.米用納米間隙,可以在較低的外加電壓下產(chǎn)生強電場,然后通過不同的電離電壓和電離電流來實施氣敏檢測,大大簡化了微型、便攜式氣體傳感器的制備。1.3納米基礎(chǔ)研究納米傳感器除了納米化學(xué)和生物傳感器、納米氣敏傳感器兩種主要類型外,還有其他各種形式。如:電阻應(yīng)變式納米壓力傳感器,這種電阻應(yīng)變式納米膜壓力傳感器,測量精度和靈敏度高、體積小、重量輕、安裝維護方便,可穩(wěn)定和可靠的測量壓力參數(shù);利用一些納米材料的巨磁阻效應(yīng),已經(jīng)研制出了各種納米磁敏傳感器;在光纖傳感器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的納米光纖生物傳感器,不但具有光纖傳感器的優(yōu)點,而且由于這種傳感器的尺寸只取決于探針的大小,大大減小了測微傳感器的體積,響應(yīng)時間大大縮短,滿足了測量要求實現(xiàn)的微創(chuàng)實時動態(tài)測量。美國近年在納米基礎(chǔ)研究涉及到納米傳感器的研究成果主要有:發(fā)現(xiàn)碳納米管理想的吸收與發(fā)散光波特性,可望使單分子傳感器變成現(xiàn)實;利用自行組裝的DNA分子作為建筑材料,建造了支撐蛋白質(zhì)的納米級腳手架和金屬線,直徑只有數(shù)10-10m,這是在納米級合成方面取得的重要成就,可能由此開發(fā)可編程的分子級傳感器;在世界上首次得到具有壓電效應(yīng)的半導(dǎo)體納米帶結(jié)構(gòu)———實現(xiàn)納米尺度上機電耦合的關(guān)鍵材料,可用來設(shè)計研制各種納米傳感器。2納米材料暴露監(jiān)測和轉(zhuǎn)化情況的測量由于納米技術(shù)及其材料的多樣性,評估其對健康與環(huán)境的影響,需要采用能適應(yīng)不同條件的多種傳感器,包括分別或同時監(jiān)測納米材料暴露在空氣和水中的情況及其可能造成的危害的儀器。所以未來3~10年內(nèi)開發(fā)出評估納米材料暴露在水與空氣中的影響的儀器。(1)目前整日與納米材料打交道的人迫切需要廉價的、便攜的、可廣泛使用的空中樣本收集器,以測量工作環(huán)境中的納米材料暴露情況,包括其數(shù)量、比表面積和聚集等數(shù)據(jù)。這樣的儀器需要在未來3年內(nèi)商業(yè)化。(2)納米產(chǎn)品制造過程中排出的廢物,如防曬油等液體消費品中的納米顆粒,不可避免地會在水中堆積。不追蹤這些廢物,就不能確定納米顆粒存在的好壞。因此,需要在未來5年開發(fā)追蹤納米顆粒在水中散落、聚集和轉(zhuǎn)化情況的儀器。(3)需要在未來10年內(nèi)開發(fā)相關(guān)智能傳感器,以直接探測和顯示出納米顆粒對人體健康與環(huán)境的危害情況。3應(yīng)用3.1細胞檢測和血常規(guī)檢測利用納米技術(shù)制成的傳感器,可用于疾病的早期診斷、監(jiān)測和治療,使各種癌癥的早期診斷成為現(xiàn)實。目前,美國科學(xué)家已經(jīng)在實驗室環(huán)境下實現(xiàn)了對前列腺癌、直腸癌等多種癌癥的早期診斷。納米傳感器靈敏度很高,在進行血液檢測時,當傳感器中預(yù)置的某種癌細胞抗體遇到相應(yīng)的抗原時,傳感器中的電流會發(fā)生變化,通過這種電流變化可以判斷血液中癌細胞的種類和濃度。據(jù)專家預(yù)測,今后可能會有多種納米傳感器集成在一起被植入人體,以用來早期檢測各種疾病。3.2傳感器的使用在此應(yīng)用領(lǐng)域,研究集中在導(dǎo)電聚合物在信息技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用、納米電子元器件FET二極管、用于感應(yīng)器的電子序列、納米傳感器等。如微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)是建立在微米/納米技術(shù)基礎(chǔ)上的21世紀前沿技術(shù),是對微米/納米材料進行設(shè)計、加工、制造、測量和控制的技術(shù),其應(yīng)用研究主要是將所研究的成果,如微型傳感器投入實用,逐步由微型向納米型發(fā)展。3.3納米生化傳感技術(shù)應(yīng)使用在智裝法上納米氣體傳感器在國防科技上,將其用于地面,空間,飛機、潛艇的內(nèi)艙,以及各種軍用車輛駕駛室中檢測有害氣體、有毒氣體等,必將更加方便、快捷、靈敏,如美國已經(jīng)研制出納米軍裝,軍裝中的納米傳感器可以感應(yīng)空氣中生化指標的變化,當有害氣體或物質(zhì)指標突然升高時,軍裝會立即將頭盔和其他通氣部分的透氣口關(guān)閉,并釋放生化武器的解毒劑,起到預(yù)防效果。此外,嵌在軍裝中的納米生化感應(yīng)裝置可以監(jiān)視士兵的心率、血壓、體內(nèi)及體表溫度等