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(dòng)了傳感器的制作水平，拓寬了傳感器的應用領(lǐng)域。納米傳感器現已在生物、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成的材料。

 

 

由于納米材料的表面與界面效應、小尺寸效應、量子尺寸效應 及宏觀(guān)量子隧道效應等特性使得納米材料在各個(gè)領(lǐng)域都有很好的應用。而應用納米技術(shù)研究開(kāi)發(fā)納米傳感器，有兩種情況：一是采用納米結構的材料（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(gè)或多個(gè)納米原子有序排列成所需結構而制作傳感器。

 

 

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(huì )引起表面或界面離子價(jià)態(tài)和電子輸出的迅速改變，而且響應快，靈敏度高。因此，利用納米固體的界面效應、尺寸效應、量子效應，可制成傳感器。傳感器的研究開(kāi)發(fā)與納米材料的研究相比，主要體現在應用得更加具體化。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(diǎn)

 

與傳統的傳感器相比，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活性、拉曼光譜效應、催化效率、導電性、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(zhù)特點(diǎn)：

 

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、高穩定性的柔性可穿戴仿生觸覺(jué)傳感器——人造仿生電子皮膚，可對人體不同生理狀態(tài)進(jìn)行準確檢測和疾病前期診斷。

 

2、功耗小。

 

隨著(zhù)微機電技術(shù)和微納材料技術(shù)的發(fā)展，使得納米傳感器向著(zhù)超微型化、智能化方向迅速發(fā)展，納米級機器人傳感器已經(jīng)可以通過(guò)血液注入的方式進(jìn)入人體，對人體的生理參數進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，并有望對于癌變細胞、致病基因進(jìn)行靶向精確治療。與傳統傳感器相比，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(zhù)納米材料制備技術(shù)的成熟，制造過(guò)程的可重復性和批量化生產(chǎn)已不存在太大的問(wèn)題，納米傳感器的制造成本亦可以大大降低。低成本、小微型化節點(diǎn)的納米傳感器進(jìn)行大量布撒，可以形成無(wú)線(xiàn)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展，為氣候監測與環(huán)境保護等領(lǐng)域帶來(lái)革命性的變化。

 

4、多功能集成。

 

傳統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(wàn)的具有不同功能的納米傳感器組成的陣列加工在一個(gè)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(lái)越強大的數據處理、存儲與分析的能力，若與互聯(lián)網(wǎng)相連接，還將具備數據遠程分析處理的能力。其“傻瓜化”特征使其操作十分簡(jiǎn)便。

 

納米傳感器的這些特點(diǎn)將使其在構建各類(lèi)物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)程中擁有可觀(guān)的發(fā)展前景和巨大的應用潛力，納米傳感器技術(shù)也有望成為推動(dòng)世界范圍內新一輪科技革命、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(zhù)接觸面積的增大，便出現了許多特異的性能，可滿(mǎn)足傳感器功能要求的敏感度、應答速度、檢測范圍等。下面是幾種納米特性傳感器的原理及應用舉例。

 

1、氣敏傳感器

 

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

 

 

半導體吸附前后能帶圖

 

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(jià)態(tài)和電子運輸的變化。例如，納米晶體電導隨水分變化顯著(zhù)，響應時(shí)間短，2min即可達到平衡。濕度傳感器的濕敏機制有電子導電和質(zhì)子導電等。例如納米陶瓷的導電機制是離子導電，質(zhì)子是主要的電荷載體，其導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(shí)非線(xiàn)性好，響應時(shí)間短，電學(xué)性能極好，且壽命長(cháng)。納米氧化鋅壓敏傳感器高度的非線(xiàn)性電壓－電流關(guān)系，主要由絕緣晶界層決定。兩個(gè)ZnO分解，形成填隙Zni原子，同時(shí)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連接劑，連接劑通過(guò)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(lái)響應電活化的金屬離子。納米粒子間氫鍵連接形成的通道大小可以通過(guò)pH值以及電極電壓進(jìn)行調整，用做電化學(xué)傳感器，對特定的金屬離子進(jìn)行響應、監測。

 

 

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(guò)光線(xiàn)的反射來(lái)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(mǎn)了金屬立柱，這些金屬立柱能夠用來(lái)增強從物體反射回來(lái)的光信號。新型傳感器的傳感能力是現有傳感器能力的l0億倍。這種新設備被稱(chēng)為“磁盤(pán)耦合柱點(diǎn)天線(xiàn)陣列”或D2PA，生產(chǎn)制備簡(jiǎn)單且成本低廉。

 

納米生物傳感器

 

隨著(zhù)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、組織達到了細胞、亞細胞層次，微型化、動(dòng)態(tài)、多參數、實(shí)時(shí)無(wú)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(diǎn)問(wèn)題，在醫藥衛生，食品生產(chǎn)和監控，環(huán)境監測等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用和明確的產(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(gè)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(kāi)發(fā)了一種新型的納米微懸梁生物傳感器，利用DNA分子的雙螺旋機構，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(cháng)500μm，寬100μm，厚度為1μm。由于生物分子的結合，從而引起懸梁臂的彎曲，通過(guò)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，構成陣列式生物傳感器可以同時(shí)檢測多項指標（如圖3所示）。

 

 

磁力放大懸臂梁生物傳感器的結構示意圖

 

2、模擬離子通道開(kāi)關(guān)的生物傳感器

 

澳大利亞AMBRI有限公司悉尼實(shí)驗室的專(zhuān)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(shuō)炭疽熱病菌等，非常適合生物武器的現場(chǎng)檢測。這種傳感器通過(guò)模擬細胞膜，形成具有開(kāi)關(guān)功能的離子通道，當敏感膜與樣本中的受體結合，引起離子通道的關(guān)閉，從而影響導電性能。其用途非常廣泛，一個(gè)拇指指甲大小的傳感器能在幾分鐘內，幫助醫生從病人的體液中確認病因。另外，這種傳感器可以用來(lái)控制環(huán)境污染等。

 

 

模擬離子通道開(kāi)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的傳感器而光纖納米免疫傳感器是在其基礎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(diǎn)，又使之能適用于單個(gè)細胞的測量。

 

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合了特異性單克隆抗體，通過(guò)抗原抗體特異性結合，能夠檢測單個(gè)細胞內的生物化學(xué)物質(zhì)。BPT納米傳感器制好后，在專(zhuān)用于單細胞操作的顯微操縱儀/顯微注射器上進(jìn)行細胞穿刺及檢測實(shí)驗（見(jiàn)圖5）。

 

 

用光纖納米免疫傳感器檢測單個(gè)細胞的實(shí)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(gè)活細胞，從而探測多種細胞內物質(zhì)，監控活細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(gè)活細胞

 

納米傳感器技術(shù)在生活中的應用

 

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(wàn)億分之一克的生物學(xué)物質(zhì)或病毒[6]。將來(lái)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成，每個(gè)腔直徑240nm，用光電子技術(shù)在一個(gè)非常薄的硅板上雕刻而成，一塊板整個(gè)面積為40mm，當光束直接通過(guò)晶體，光譜中特殊的部分與晶體作用并通過(guò)。但當有一粒子被其中一個(gè)納米腔捕獲，傳輸的光譜將發(fā)生輕微改變，然后探測器就可感應到被改變的光譜。當在某一大小范圍內，病毒在某一納米腔被捕獲，傳送的光譜將不同于沒(méi)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記，與傳統檢測方法相比，其檢測結果更加準確，而且成本不高。其操作方便，醫生只需從病人手指上取一點(diǎn)血，便可很快完成檢測，整個(gè)過(guò)程只需20分鐘。由于血液的成分復雜，為找到能監測癌癥的生物標記，研究人員使用了一個(gè)類(lèi)似過(guò)濾器的裝置，使這種納米傳感器能直接從血液中過(guò)濾出所需檢測的物質(zhì)，其精度相當于從一個(gè)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(shí)際應用，但在進(jìn)一步對其完善的基礎上可以制造出更簡(jiǎn)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(huì )的科學(xué)家們發(fā)明了一種能實(shí)現自行發(fā)電的新型傳感器。它能夠實(shí)現30英尺距離無(wú)電池參與下的運行，這意味著(zhù)它能夠利用環(huán)境自行發(fā)電，能源來(lái)源包括太陽(yáng)能、聲波、震動(dòng)、化學(xué)、氣流和熱能，無(wú)線(xiàn)數據的傳輸都由設備自行供電，用一個(gè)電容器來(lái)實(shí)現電力存儲。這種傳感器不僅僅用于醫療，還可以用于空中攝像機、可穿戴電子產(chǎn)品等，套用威廉吉布森的話(huà)，未來(lái)已經(jīng)來(lái)臨。

 

納米技術(shù)是21世紀三大技術(shù)之一，它必將對人們的生產(chǎn)和生活帶來(lái)巨大的進(jìn)步和飛躍，而在納米技術(shù)中，對社會(huì )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用程度標志著(zhù)一個(gè)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(gè)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)域的應用也會(huì )層出不窮。

本文轉載自傳感器技術(shù)。

 

 

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