納米材料及傳感器

當(dāng)今科技的發(fā)展要求材料的超微化、智能化、元件的高集成、高密度存儲和超快傳輸?shù)忍匦裕瑸榧{米科技和納米材料的應(yīng)用提供了廣闊的空間。

利用納米技術(shù)制作的傳感器，尺寸減小、精度提高、性能大大改善，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(jī)械、航空、軍事等領(lǐng)域獲得廣泛的發(fā)展。

納米材料及傳感器

納米材料是指在三維空間中至少有一維處于0.1～100nm尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。

由于納米材料的表面與界面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)及宏觀量子隧道效應(yīng)等特性使得納米材料在各個領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用。而應(yīng)用納米技術(shù)研究開發(fā)納米傳感器，有兩種情況：一是采用納米結(jié)構(gòu)的材料（包括粉粒狀納米材料和薄膜狀的納米材料）制作傳感器；二是研究操作單個或多個納米原子有序排列成所需結(jié)構(gòu)而制作傳感器。

納米材料具有巨大的比表面積和界面，對外部環(huán)境的變化十分敏感。溫度、光、濕度和氣氛的變化均會引起表面或界面離子價態(tài)和電子輸出的迅速改變，而且響應(yīng)快，靈敏度高。因此，利用納米固體的界面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)，可制成傳感器。傳感器的研究開發(fā)與納米材料的研究相比，主要體現(xiàn)在應(yīng)用得更加具體化。傳感器上所用的納米材料主要是陶瓷材料。

納米傳感器的特點

與傳統(tǒng)的傳感器相比，納米傳感器由于可以在原子和分子尺度上進(jìn)行操作，充分利用了納米材料的反應(yīng)活性、拉曼光譜效應(yīng)、催化效率、導(dǎo)電性、強度、硬度、韌性、超強可塑性和超順磁性等特有性質(zhì)，因而具有許多顯著特點：

1、靈敏度高。

用于探測有毒氣體的碳納米管傳感器，利用納米晶或多孔納米材料可以增加與毒性氣體分子接觸的表面積，其靈敏度可以增加幾倍。若利用氧化錫、氧化銻、氧化鋅的納米顆粒做成傳感器，靈敏度也將大為提高。研究人員運用碳納米管與納米薄膜技術(shù)，研制出具有高靈敏度、高穩(wěn)定性的柔性可穿戴仿生觸覺傳感器——人造仿生電子皮膚，可對人體不同生理狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確檢測和疾病前期診斷。

2、功耗小。

隨著微機(jī)電技術(shù)和微納材料技術(shù)的發(fā)展，使得納米傳感器向著超微型化、智能化方向迅速發(fā)展，納米級機(jī)器人傳感器已經(jīng)可以通過血液注入的方式進(jìn)入人體，對人體的生理參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，并有望對于癌變細(xì)胞、致病基因進(jìn)行靶向精確治療。與傳統(tǒng)傳感器相比，納米傳感器還可具有自供電能力、從環(huán)境中收集光輻射和電磁輻射能量的能力。

3、成本低。

隨著納米材料制備技術(shù)的成熟，制造過程的可重復(fù)性和批量化生產(chǎn)已不存在太大的問題，納米傳感器的制造成本亦可以大大降低。低成本、小微型化節(jié)點的納米傳感器進(jìn)行大量布撒，可以形成無線納米傳感器網(wǎng)絡(luò)，這一優(yōu)勢可以使納米傳感器的探測能力大大擴(kuò)展，為氣候監(jiān)測與環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域帶來革命性的變化。

4、多功能集成。

傳統(tǒng)的傳感器一般為具有單一功能的傳感器，納米傳感器則可以將成千上萬的具有不同功能的納米傳感器組成的陣列加工在一個小微型化芯片上，使其具有多功能探測與分析能力，并具有越來越強大的數(shù)據(jù)處理、存儲與分析的能力，若與互聯(lián)網(wǎng)相連接，還將具備數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程分析處理的能力。其“傻瓜化”特征使其操作十分簡便。

納米傳感器的這些特點將使其在構(gòu)建各類物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)程中擁有可觀的發(fā)展前景和巨大的應(yīng)用潛力，納米傳感器技術(shù)也有望成為推動世界范圍內(nèi)新一輪科技革命、產(chǎn)業(yè)革命和軍事革命的“顛覆性”技術(shù)。

納米特性傳感器

納米特性傳感器即利用納米材料特性制成的傳感器，納米特性傳感器的特征是比表面積大。隨著接觸面積的增大，便出現(xiàn)了許多特異的性能，可滿足傳感器功能要求的敏感度、應(yīng)答速度、檢測范圍等。下面是幾種納米特性傳感器的原理及應(yīng)用舉例。

1、氣敏傳感器

半導(dǎo)體納米氣體傳感器是利用半導(dǎo)體納米陶瓷與氣體接觸時電阻的變化來檢測低濃度氣體。半導(dǎo)體納米陶瓷表面吸附氣體分子時，根據(jù)半導(dǎo)體的類型和氣體分子的種類不同，材料的電阻率也隨之發(fā)生不同的變化。半導(dǎo)體納米材料表面吸附氣體時，如果外表原子的電子親合能大于表面逸出功，原子將從半導(dǎo)體表面得到電子，形成負(fù)離子吸附。相反，形成正離子吸附。N型半導(dǎo)體發(fā)生負(fù)離子吸附時，其能帶的變化如圖1所示。

半導(dǎo)體吸附前后能帶圖

2、濕敏傳感器

濕度傳感器的工作原理是半導(dǎo)體納米材料制成的陶瓷電阻隨濕度的變化關(guān)系決定的。納米固體具有明顯的濕敏特性。對外界環(huán)境濕氣十分敏感。環(huán)境濕度迅速引起其表面或界面離子價態(tài)和電子運輸?shù)淖兓?。例如?img src="https://file.elecfans.com/web1/M00/D8/D6/pIYBAF_ydi-AEDk4AAABfAHn1vY560.png" alt="f4583206-4471-11eb-8b86-12bb97331649.png" />納米晶體電導(dǎo)隨水分變化顯著，響應(yīng)時間短，2min即可達(dá)到平衡。濕度傳感器的濕敏機(jī)制有電子導(dǎo)電和質(zhì)子導(dǎo)電等。例如納米陶瓷的導(dǎo)電機(jī)制是離子導(dǎo)電，質(zhì)子是主要的電荷載體，其導(dǎo)電性由于吸附水而增高。

3、壓敏傳感器

氧化鋅系納米傳感器，由于其具有均勻的晶粒尺寸，它不但適用于低電壓器件，而且更適用于高電壓電力站，它能量吸收容量高，在大電流時非線性好，響應(yīng)時間短，電學(xué)性能極好，且壽命長。納米氧化鋅壓敏傳感器高度的非線性電壓－電流關(guān)系，主要由絕緣晶界層決定。兩個ZnO分解，形成填隙Zni原子，同時產(chǎn)生氧空位，如下式所示：

Zni及經(jīng)一次和二次電離，就形成為載流子的N型半導(dǎo)體了。

4、納米超薄膜化學(xué)傳感器

利用2nm的金粒子做核，以巰基烷基酸做有機(jī)連接劑，連接劑通過氫鍵互相作用把納米粒子組裝成多孔納米超薄膜（圖2）。這種納米超薄膜可以涂覆到電極上用來響應(yīng)電活化的金屬離子。納米粒子間氫鍵連接形成的通道大小可以通過pH值以及電極電壓進(jìn)行調(diào)整，用做電化學(xué)傳感器，對特定的金屬離子進(jìn)行響應(yīng)、監(jiān)測。

多孔納米超薄膜金屬粒子傳感器示意圖

5、新型超敏感納米傳感器

新型超敏感傳感器能夠通過光線的反射來檢測跟分子一樣小的物質(zhì)，這樣就使得傳感器的可檢測范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，從可爆炸物到癌癥分子均可被新型傳感器所檢測[3]。此新型傳感器所使用的芯片上布滿了金屬立柱，這些金屬立柱能夠用來增強從物體反射回來的光信號。新型傳感器的傳感能力是現(xiàn)有傳感器能力的l0億倍。這種新設(shè)備被稱為“磁盤耦合柱點天線陣列”或D2PA，生產(chǎn)制備簡單且成本低廉。

納米生物傳感器

隨著生命科學(xué)研究的不斷發(fā)展．人們對生物體的研究也由器官、組織達(dá)到了細(xì)胞、亞細(xì)胞層次，微型化、動態(tài)、多參數(shù)、實時無損檢測，已成為生物傳感器發(fā)展的趨勢[4]。納米生物技術(shù)是國際生物技術(shù)領(lǐng)域的前沿和熱點問題，在醫(yī)藥衛(wèi)生，食品生產(chǎn)和監(jiān)控，環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用和明確的產(chǎn)業(yè)化前景。目前人們已研制出了尺寸在微米、納米量級的生物傳感器和生物圖像傳感器。下面是幾個納米生物傳感器的例子。

1、納米微懸梁生物傳感器

IBM公司和瑞典Basel大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新型的納米微懸梁生物傳感器，利用DNA分子的雙螺旋機(jī)構(gòu)，作為分子特異性識別能力的模型。器件的核心是硅懸梁天平陣列，長500μm，寬100μm，厚度為1μm。由于生物分子的結(jié)合，從而引起懸梁臂的彎曲，通過激光反射技術(shù)，該器件能夠檢測到10～20nm的彎曲。在懸梁天平陣列表面固定具有不同識別性的分子，構(gòu)成陣列式生物傳感器可以同時檢測多項指標(biāo)（如圖3所示）。

磁力放大懸臂梁生物傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖

2、模擬離子通道開關(guān)的生物傳感器

澳大利亞AMBRI有限公司悉尼實驗室的專家，研制出的一種手持式納米生物傳感器（圖4），可以探測空氣中的病原體，比如說炭疽熱病菌等，非常適合生物武器的現(xiàn)場檢測。這種傳感器通過模擬細(xì)胞膜，形成具有開關(guān)功能的離子通道，當(dāng)敏感膜與樣本中的受體結(jié)合，引起離子通道的關(guān)閉，從而影響導(dǎo)電性能。其用途非常廣泛，一個拇指指甲大小的傳感器能在幾分鐘內(nèi)，幫助醫(yī)生從病人的體液中確認(rèn)病因。另外，這種傳感器可以用來控制環(huán)境污染等。

模擬離子通道開關(guān)的生物傳感器

3、光纖納米免疫傳感器

免疫傳感器是指用于檢測抗原抗體反應(yīng)的傳感器而光纖納米免疫傳感器是在其基礎(chǔ)上將敏感部制成納米級，既保留了光學(xué)免疫傳感器的諸多優(yōu)點，又使之能適用于單個細(xì)胞的測量。

Dinh等人成功地研制出一種用于檢測BPT的光纖納米免疫傳感器[5]，傳感器頭部的生物探針上結(jié)合了特異性單克隆抗體，通過抗原抗體特異性結(jié)合，能夠檢測單個細(xì)胞內(nèi)的生物化學(xué)物質(zhì)。BPT納米傳感器制好后，在專用于單細(xì)胞操作的顯微操縱儀/顯微注射器上進(jìn)行細(xì)胞穿刺及檢測實驗（見圖5）。

用光纖納米免疫傳感器檢測單個細(xì)胞的實驗平臺

Dinh和他的同事還將一根納米傳感器探針攜帶一束激光刺入一個活細(xì)胞，從而探測多種細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)，監(jiān)控活細(xì)胞的蛋白和其它所感興趣的生物化學(xué)物質(zhì)（圖6）。

一根納米傳感器探針攜帶一束激光刺入一個活細(xì)胞

納米傳感器技術(shù)在生活中的應(yīng)用

1、采用納米腔傳感器探測病毒

紐約Rochester大學(xué)研究者發(fā)明了一種納米傳感器可檢測出千萬億分之一克的生物學(xué)物質(zhì)或病毒[6]。將來這種傳感器可能用于檢測流感、SARS、禽流感或其它病毒。傳感器由微小的六邊形腔構(gòu)成，每個腔直徑240nm，用光電子技術(shù)在一個非常薄的硅板上雕刻而成，一塊板整個面積為40mm，當(dāng)光束直接通過晶體，光譜中特殊的部分與晶體作用并通過。但當(dāng)有一粒子被其中一個納米腔捕獲，傳輸?shù)墓庾V將發(fā)生輕微改變，然后探測器就可感應(yīng)到被改變的光譜。當(dāng)在某一大小范圍內(nèi)，病毒在某一納米腔被捕獲，傳送的光譜將不同于沒有病毒粒子存在的光譜。

2、利用納米傳感器快速檢測癌癥

美國耶魯大學(xué)的科研人員研發(fā)出了一種可快速檢測癌癥的納米傳感器[7]。這種儀器可以從病人的血液中找到前列腺癌、乳腺癌和其他癌癥的生物標(biāo)記，與傳統(tǒng)檢測方法相比，其檢測結(jié)果更加準(zhǔn)確，而且成本不高。其操作方便，醫(yī)生只需從病人手指上取一點血，便可很快完成檢測，整個過程只需20分鐘。由于血液的成分復(fù)雜，為找到能監(jiān)測癌癥的生物標(biāo)記，研究人員使用了一個類似過濾器的裝置，使這種納米傳感器能直接從血液中過濾出所需檢測的物質(zhì)，其精度相當(dāng)于從一個巨大的游泳池中找到一顆鹽粒。雖然這種儀器目前還不能馬上投入實際應(yīng)用，但在進(jìn)一步對其完善的基礎(chǔ)上可以制造出更簡便快捷的癌癥診斷儀器。

3、可自行發(fā)電的納米傳感器

美國化學(xué)學(xué)會的科學(xué)家們發(fā)明了一種能實現(xiàn)自行發(fā)電的新型傳感器。它能夠?qū)崿F(xiàn)30英尺距離無電池參與下的運行，這意味著它能夠利用環(huán)境自行發(fā)電，能源來源包括太陽能、聲波、震動、化學(xué)、氣流和熱能，無線數(shù)據(jù)的傳輸都由設(shè)備自行供電，用一個電容器來實現(xiàn)電力存儲。這種傳感器不僅僅用于醫(yī)療，還可以用于空中攝像機(jī)、可穿戴電子產(chǎn)品等，套用威廉吉布森的話，未來已經(jīng)來臨。

納米技術(shù)是21世紀(jì)三大技術(shù)之一，它必將對人們的生產(chǎn)和生活帶來巨大的進(jìn)步和飛躍，而在納米技術(shù)中，對社會生活和生產(chǎn)方式將產(chǎn)生最深刻而廣泛影響的納米器件的研究水平和應(yīng)用程度標(biāo)志著一個國家納米科技的總體水平，而納米傳感器恰恰就是納米器件研究中的一個極其重要的領(lǐng)域。因此，新型納米傳感器的研究將更上一層樓，納米材料在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用也會層出不窮。

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