Nanosenzor: komponente, tipovi, rad, tehnike izrade, tipovi i njegove primjene

Prvi primjer nanosenzora razvijen je 1999. godine na Georgia Institute of Technology od strane istraživača kao inovacija stvorena od ugljikovih nanocijevi. Nanosenzor je jedinstvena vrsta senzora i to su male platforme koje su dizajnirane za otkrivanje i mjerenje kemijskih, bioloških, fizičkih ili informacija o okolišu na razini nanoskala. Ovi senzori idealni su uglavnom za senzorske primjene zbog svojih jedinstvenih svojstava nanočestica kao što su; njihova ogromna površina omjer regije i razine. Ovaj članak pruža kratke informacije o nanosenzorima, njihovom radu, vrstama i primjeni.

Definicija nanosenzora

Vrsta senzora s karakterističnim dimenzijama od nekoliko nanometara poznata je kao nanosenzor. Ovo je mehanički ili kemijski senzor, koji se koristi za otkrivanje pojave nanočestica i kemijskih vrsta ili provjeru različitih fizičkih parametara. Koriste se u medicinskim dijagnostičkim aplikacijama kao što je mjerenje kvalitete vode, hrane i drugih kemikalija. Ovaj senzor radi slično normalnom senzoru, ali detektira male količine i mijenja ih u signale koje treba analizirati. Nanosenzori se koriste u transportnim sustavima, detekciji patogena, medicini, proizvodnji, kontroli onečišćenja itd.

Neki od primjera nanosenzora su; fluorescentni nanosenzori napravljeni od DNA ili peptida, ugljikove nanocijevi, kvantne točke, nanosenzori ovisni o sprezanju plazmona, magnetska rezonancija i fotoakustika.

Nanosenzorske komponente

Komponente nanosenzora uglavnom uključuju analit, senzor, pretvarač i detektor. Nanosenzori su sposobni mjeriti razinu pojedinačne molekule. Općenito, ti senzori funkcioniraju prateći električne promjene unutar materijala senzora.

U ovom dijagramu, prvo, analit iz otopine difundira na površinu nanosenzora. Nakon toga reagira specifično i učinkovito, tako da se mijenjaju fizikalno-kemijska svojstva površine sonde, što dovodi do promjene elektroničkih (ili) optičkih svojstava prednje strane sonde. Konačno, to se mijenja u električni signal koji se detektira

Princip rada nanosenzora

Nanosenzor radi praćenjem električnih promjena unutar materijala senzora. Osnovni dijelovi nanosenzora su; analit, pretvarač, detektor i povratna linija od detektora prema senzorskom bloku. Nanosenzor mjeri razine pojedinačnih molekula i radi jednostavno održavajući električnu promjenu unutar materijala senzora.

Analit u ovom senzoru prvo difundira iz otopine na površinu senzora i reagira točno i vrlo učinkovito mijenjajući fizikalno-kemijska svojstva površine. Nakon toga uzrokuje promjenu svojstava elektroničkog optičkog pretvornika. Tako se konačno ova promjena može pretvoriti u električni signal koji se primjećuje.

Povijest nanosenzora

• Nanosensor kao 'Nanoprobe' osnovan je 1990. godine i izgrađen na istraživanju u IBM Sindelfingenu provedenom na potrebnim osnovnim tehnologijama za serijsku obradu silicijskih AFM sondi s masovnom mikrostrojnom obradom.
• Nanosenzori su komercijalizirali AFM & SPM sonde na globalnoj razini 1993. godine. Tako je njihov razvoj unutar tehnologija serijske obrade za stvaranje AFM sondi pridonio uvođenju mikroskopa atomske sile u industriju vremena.
• U identifikaciji ove realizacije ovi senzori prepoznali su nagradu Dr.-Rudolf-Eberle za inovacije za njemačku pokrajinu Baden-Württemberg, njemačku nagradu za inovacije u industriji 1995. godine i nagradu za inovacije Förderkreis für die Mikroelektronik e.V godine. 1999. Nanosenzori su 2002. godine nabavljeni i integrirani u NanoWorld sa sjedištem u Švicarskoj, koji je neovisna poslovna jedinica.
• Godine 2003. ovi senzori predstavili su novu inovativnu sondu tipa AFM kao što je AdvancedTEC™. Omogućuje točno pozicioniranje i čini ovu sondu stvarnom vidljivošću vrha kroz optički sustav mikroskopa atomske sile, čak i kad god je AFM sonda blago nagnuta zbog svoje montaže.
• Sensors je 2003. imenovao NanoAndMore GmbH svojim novim službenim distributerom za Tursku, Izrael i Europu.
• Godine 2004. predstavljen je PointProbe® Plus koji ujedinjuje poznate provjerene značajke serije PointProbe® kao što su kompatibilnost i visoka svestranost primjene s komercijalnim AFM-ovima.
• Godine 2005. najavljen je Q30K-Plus koji je nova AFM sonda za skeniranje blizine s izvrsnim Q-faktorom i poboljšanim omjerom S/N za UHV aplikacije.
• Nanosenzori 2006. promijenili su sjevernoameričku distribucijsku mrežu, članica NanoWorld grupe,
• NanoAndMore USA Corp. postao je službeni distributer Nanosensora u SAD-u, Meksiku i Kanadi.
• Nanosenzori 2007. lansirali su novu silicijsku seriju MFM AFM sondi, predstavili seriju PointProbe® Plus XY-Alignment, lansirali seriju sondi Plateau Tip AFM i najavili seriju sondi PointProbe® Plus AFM.
• Godine 2008. predstavila je samoaktivirajuću i samoosjetljivu sondu Akiyama.
• Nanosensor 2011 učitao je svoj početni popis posebnog razvoja i najavio novu seriju vodljivih AFM sondi otpornih na habanje i AFM sondi od platinastog silicida.
• U 2013. najavljena su prva dva screencasta na svom YouTube kanalu.
• Predstavio je novu seriju AFM sondi poznatu kao uniqprobe™ 2013.

Tehnike izrade nanosenzora

Postoji nekoliko predloženih tehnika za izradu ovih senzora; litografija odozgo prema dolje, sklapanje odozdo prema gore i samosklapanje molekula.

1. Pristupi odozgo prema dolje
   • Litografija: Ova metoda uključuje graviranje uzoraka u nanorazmjerima na podloge pomoću tehnika poput litografije elektronskim snopom (EBL) ili fotolitografije. Konkretno, EBL nudi visoku rezoluciju, omogućujući precizno oblikovanje uzoraka neophodno za stvaranje značajki nanomjere.
   • Graviranje: Metode mokrog i suhog jetkanja koriste se za selektivno uklanjanje materijala s površine supstrata kako bi se stvorile nanostrukture. Reaktivno ionsko jetkanje (RIE) popularna je tehnika suhog jetkanja zbog svoje preciznosti i mogućnosti stvaranja složenih uzoraka.
2. Pristupi odozdo prema gore
   • Kemijsko taloženje parom (CVD): CVD je proces u kojem plinoviti reaktanti stvaraju čvrste materijale na podlozi, stvarajući tanke filmove i nanostrukture. Varijante poput CVD-a poboljšanog plazmom (PECVD) poboljšavaju proces korištenjem plazme za povećanje brzine reakcije.
   • Samostalna montaža: Ova tehnika uključuje spontanu organizaciju molekula u strukturirane rasporede. Nanotehnologija DNK, na primjer, koristi svojstva sparivanja baza DNK za stvaranje zamršenih nanostruktura.
   • Sol-Gel obrada: To uključuje prijelaz sustava otopine iz tekućeg 'sola' u čvrstu 'gel' fazu. Posebno je koristan za stvaranje keramičkih i staklenih nanostruktura.
3. Hibridni pristupi

                      Nanoimprint litografija (NIL): Ovo kombinira aspekte pristupa odozgo prema dolje i odozdo prema gore. Uključuje utiskivanje nanostrukturiranog kalupa u polimerni sloj, zatim stvrdnjavanje polimera kako bi se prenijele karakteristike nanomjere.

Vrste nanosenzora

Postoje različite vrste nanosenzora o kojima se govori u nastavku.

Fizički nanosenzori

Ovi se senzori koriste za mjerenje promjena unutar fizičkih veličina poput brzine, temperature, tlaka, električnih sila, pomaka, mase i mnogih drugih. Ovi se nanosenzori koriste u raznim primjenama u svakodnevnom životu i također u industriji. Nanowear Inc. koristi fizičke nanosenzore za izradu nosivog donjeg rublja kako bi otkrio moguće zatajenje srca prije nego što se dogodi kod kroničnih bolesnika promatrajući promjene unutar električnih signala iz našeg tijela.

Kemijski nanosenzori

Ovi senzori pomažu u otkrivanju različitih kemikalija (ili) kemijskih svojstava poput pH vrijednosti. Dakle, ovo je korisno kad god se promatra ekološko onečišćenje (ili) za farmaceutsku analizu. Ti se senzori obično izrađuju od različitih nanomaterijala poput metalnih nanočestica ili grafena jer reagiraju na pojavu određenih ciljnih kemikalija koje je potrebno izračunati.

Najbolji primjer ovog senzora je otkrivanje pH vrijednosti tekućine. Istražena skupina uspjela je izraditi takav tip senzora pomoću polimernih četkica prekrivenih nanočesticama zlata za otkrivanje pH vrijednosti spektroskopskom tehnikom.

Nano-biosenzori

Nano biosenzori u medicini i zdravstvu mogu točno otkriti patogene, toksine, tumore i biomarkere. Ovi senzori pretvaraju odgovor molekula u optičke ili električne signale i imaju prednost jer mogu vrlo precizno ciljati ono što je potrebno za mjerenje. Kad god se veličina objekta i njegov omjer površine i volumena povećaju, tada ovi senzori imaju veliku prednost u odnosu na veće biosenzore kako bi pružili bolje očitavanje kada se reakcija kroz ciljane molekule događa češće.

Ove senzore koristi tajvanski start-up Instant NanoBiosensors Co., Ltd. Oni koriste optičko vlakno prekriveno zlatnim nanočesticama i antitijelima za otkrivanje različitih bioloških spojeva.

Optički nanosenzor

Optički nanosenzori imaju nanorazmjerne (ili) nanostrukturirane senzorske materijale koji pokazuju drugačiju reakciju na optičkim frekvencijama na elektromagnetsku pobudu. Ovi se senzori uglavnom koriste iz analitičkih razloga za nadzor, kao i za identifikaciju kemijskih ili bioloških procesa. Ovi senzori također mijenjaju podatke u signale za važne informacije.

Prednosti i nedostatci

The prednosti nanosenzora uključuju sljedeće.

• Nanosenzori mogu lako komunicirati na nano razini i promatraju jedinstveni razvoj na nano razini koji se razlikuje od makro razine.
• Ovi senzori imaju visoku osjetljivost koja omogućuje veću točnost.
• Oni su izdržljivi, stabilni, prenosivi, visoke osjetljivosti, mali, robusni odziv, detekcija u stvarnom vremenu, selektivnost i lagani,
• Ovaj senzor ima malu potrošnju energije
• Zahtijeva mali volumen uzorka za analizu i uzrokuje najmanje smetnje promatranom materijalu.
• Vrijeme odziva ovog senzora je nisko i ima veću brzinu od ostalih senzora, što im omogućuje analizu u stvarnom vremenu.
• Ovaj senzor otkriva različite stvari istovremeno što omogućuje različite funkcije.
• Nanosenzori pokazuju značajne raspone osjetljivosti (ili) rezolucije detekcije.
• Ovi senzori rade u manjem opsegu.
• Imaju veću osjetljivost i veću točnost.

Nedostaci nanosenzora uključuju sljedeće.

• Ovi senzori su obično manje selektivni uglavnom za biološka mjerenja jer im nedostaje veća specifičnost za bioreceptore poput DNK i antitijela.
• Nanosenzor izrađen odozgo prema dolje ima ograničenu rezoluciju i skupi su.
• Nanosenzori tipa odozdo prema gore vrlo su nisko učinkoviti, imaju veliko skaliranje i iznimno su skupi u usporedbi s ostalima.

Prijave

Primjene nanosenzora uključuju sljedeće.

• Nanosenzori se koriste uglavnom za veliki broj primjena u biljnim znanostima kao što su; stalnu opskrbu energijom, otkrivanje metaboličkih aktivnosti, pohranjivanje i računanje informacija, kao i otkrivanje i reagiranje na širok raspon ekoloških podražaja.
• Ovo je jedinstvena vrsta senzora, dizajnirana uglavnom za otkrivanje i mjerenje kemijskih, bioloških, okolišnih (ili) fizičkih informacija na razini nanoskala.
• To su mehanički ili kemijski senzori koji se koriste u različitim primjenama koje sežu od biomedicinske industrije do industrije zaštite okoliša.
• Neke uobičajene primjene ovih senzora uglavnom uključuju;
• Ovi senzori pomažu u otkrivanju raznih kemikalija unutar plinova za praćenje onečišćenja.
• Nanosenzor se koristi za praćenje fizičkih parametara kao što su pomak, protok i temperatura.
• Nanosenzori pomažu u praćenju signalizacije i metabolizma biljaka kako bi se razumjela biologija biljaka.
• Pomaže u proučavanju neurotransmitera unutar mozga kako bi se prepoznala neurofiziologija.
• Ti se senzori mogu koristiti kao akcelerometri unutar MEMS uređaja poput senzora zračnih jastuka.
• Koristi se za prikupljanje mjerenja stanja tla u stvarnom vremenu kao što su; pH, hranjive tvari, vlaga i ostaci pesticida uglavnom za poljoprivredne svrhe.
• Ovaj senzor se koristi za otkrivanje pesticida na povrću i voću za otkrivanje kancerogenih tvari u hrani.
• Otkriva patogene unutar hrane kao element sigurnosti hrane i mjera kontrole kvalitete.
• Ovaj senzor detektira i prati metabolite malih molekula.
• Koristi se za praćenje metaboličke aktivnosti stanica raka u stvarnom vremenu kao odgovor na terapeutski upad.

Dakle, ovo je pregled nanosenzora , njihov rad, vrste, prednosti, nedostaci i primjene. Nanosenzor je uređaj u nanosmjeru koji mjeri fizičke veličine i također se mijenja u signale koji se mogu otkriti i analizirati. Ovi senzori dostupni su u različitim tipovima koji se koriste u raznim aplikacijama kao što su obrana, zdravstvo i industrija zaštite okoliša. Dostupne su različite tehnike za izradu ovih vrsta senzora; litografija odozgo prema dolje, drugo je sklapanje odozdo prema gore, a treće je molekularno samosklapanje. Evo pitanja za vas, tko je izumio nanosenzor?