Νανοαισθητήρας : Εξαρτήματα, Τύποι, Εργασία, Τεχνικές Κατασκευής, Τύποι & Εφαρμογές του

Το πρώτο παράδειγμα νανοαισθητήρα αναπτύχθηκε το 1999 στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Τζόρτζια από ερευνητές, μια καινοτομία που δημιουργήθηκε από νανοσωλήνες άνθρακα. Οι νανοαισθητήρες είναι ένα μοναδικό είδος αισθητήρα και είναι μικρές πλατφόρμες που έχουν σχεδιαστεί για την ανίχνευση και τη μέτρηση χημικών, βιολογικών, φυσικών ή περιβαλλοντικών πληροφοριών σε επίπεδο νανοκλίμακας. Αυτά τα Αισθητήρες είναι ιδανικά κυρίως για εφαρμογές ανίχνευσης λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων νανοσωματιδίων τους όπως π. την τεράστια αναλογία επιφάνειας προς επίπεδο. Αυτό το άρθρο παρέχει σύντομες πληροφορίες για τους νανοαισθητήρες, τη λειτουργία τους, τους τύπους και τις εφαρμογές τους.

Ορισμός νανοαισθητήρα

Ένας τύπος αισθητήρα με χαρακτηριστικές διαστάσεις λίγων νανομέτρων είναι γνωστός ως νανοαισθητήρας. Αυτός είναι ένας μηχανικός ή χημικός αισθητήρας που χρησιμοποιείται για την ανίχνευση της εμφάνισης νανοσωματιδίων και χημικών ειδών ή για τον έλεγχο διαφορετικών φυσικών παραμέτρων. Αυτά χρησιμοποιούνται σε ιατρικές διαγνωστικές εφαρμογές όπως η ανίχνευση της ποιότητας του νερού, των τροφίμων και άλλων χημικών ουσιών. Αυτός ο αισθητήρας λειτουργεί παρόμοια με έναν κανονικό αισθητήρα, αλλά ανιχνεύει μικρές ποσότητες και τις μετατρέπει σε σήματα που πρέπει να αναλυθούν. Οι νανοαισθητήρες χρησιμοποιούνται σε συστήματα μεταφοράς, ανίχνευση παθογόνων, ιατρική, κατασκευή, έλεγχο ρύπανσης κ.λπ.

Μερικά από τα παραδείγματα των νανοαισθητήρων είναι: φθορίζοντες νανοαισθητήρες κατασκευασμένοι με DNA ή πεπτίδια, νανοσωλήνες άνθρακα, κβαντικές κουκκίδες, νανοαισθητήρες ανάλογα με τη σύζευξη πλασμονίου, απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού και φωτοακουστική.

Εξαρτήματα Νανοαισθητήρα

Τα εξαρτήματα του νανοαισθητήρα περιλαμβάνουν κυρίως αναλύτη, αισθητήρα, μορφοτροπέα και ανιχνευτή. Οι νανοαισθητήρες είναι ικανοί να μετρούν το επίπεδο ενός σημείου ενός μορίου. Γενικά, αυτοί οι αισθητήρες λειτουργούν ακολουθώντας τις ηλεκτρικές αλλαγές στα υλικά των αισθητήρων.

Σε αυτό το διάγραμμα, πρώτα, η αναλυόμενη ουσία από το διάλυμα διαχέεται στην επιφάνεια του νανοαισθητήρα. Μετά από αυτό, ανταποκρίνεται συγκεκριμένα και αποτελεσματικά, οπότε αυτό αλλάζει τις φυσικοχημικές ιδιότητες της επιφάνειας του μορφοτροπέα, γεγονός που οδηγεί σε αλλαγή στις ηλεκτρονικές (ή) οπτικές ιδιότητες της όψης του μορφοτροπέα. Τέλος, αυτό μετατρέπεται σε ηλεκτρικό σήμα το οποίο ανιχνεύεται

Αρχή εργασίας νανοαισθητήρα

Ο νανοαισθητήρας λειτουργεί παρακολουθώντας τις ηλεκτρικές αλλαγές μέσα στα υλικά του αισθητήρα. Τα θεμελιώδη μέρη ενός νανοαισθητήρα είναι: τον αναλύτη, τον μορφοτροπέα, τον ανιχνευτή και τη γραμμή ανάδρασης από τον ανιχνευτή προς το μπλοκ αισθητήρα. Ο νανοαισθητήρας μετρά τα επίπεδα ενός μορίου και λειτουργεί διατηρώντας απλώς μια ηλεκτρική αλλαγή στο υλικό του αισθητήρα.

Η αναλυόμενη ουσία σε αυτόν τον αισθητήρα διαχέεται πρώτα από το διάλυμα στην επιφάνεια του αισθητήρα και ανταποκρίνεται ακριβώς και πολύ αποτελεσματικά αλλάζοντας τις φυσικοχημικές ιδιότητες της επιφάνειας. Μετά από αυτό, προκαλεί μια αλλαγή στις ιδιότητες του ηλεκτρονικού οπτικού μορφοτροπέα. Έτσι τελικά αυτή η αλλαγή μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρικό σήμα που παρατηρείται.

Ιστορία Νανοαισθητήρα

• Ο Nanosensor ως «Nanoprobe» ιδρύθηκε το έτος 1990 και βασίστηκε στην έρευνα στην IBM Sindelfingen που διεξήχθη στις απαιτούμενες βασικές τεχνολογίες για την επεξεργασία παρτίδων των ανιχνευτών πυριτίου AFM με μικρομηχανική χύδην.
• Οι νανοαισθητήρες κυκλοφόρησαν στο εμπόριο τους ανιχνευτές AFM & SPM παγκοσμίως το έτος 1993. Έτσι, οι εξελίξεις τους στις τεχνολογίες επεξεργασίας παρτίδας για τη δημιουργία ανιχνευτών AFM συνέβαλαν στην εκκίνηση των μικροσκοπίων ατομικής δύναμης στη βιομηχανία του χρόνου.
• Κατά την αναγνώριση αυτής της συνειδητοποίησης, αυτοί οι αισθητήρες διέκριναν το Βραβείο Καινοτομίας Dr.-Rudolf-Eberle για το γερμανικό κρατίδιο της Βάδης-Βυρτεμβέργης, το Βραβείο Καινοτομίας της Γερμανίας το έτος 1995 και το Βραβείο Καινοτομίας Förderkreis für die Mikroelektronik e.V το έτος 1999. Η Nanosensors το 2002 αποκτήθηκε και ενσωματώθηκε στο NanoWorld με έδρα την Ελβετία, το οποίο είναι μια ανεξάρτητη επιχειρηματική μονάδα.
• Το 2003, αυτοί οι αισθητήρες παρουσίασαν έναν καινοτόμο νέο ανιχνευτή τύπου AFM όπως το AdvancedTEC™. Επιτρέπει την ακριβή τοποθέτηση και κάνει αυτόν τον ανιχνευτή να παρέχει πραγματική ορατότητα άκρης σε ένα οπτικό σύστημα μικροσκοπίου ατομικής δύναμης, ακόμη και όταν ο καθετήρας AFM γέρνει ελαφρά λόγω της τοποθέτησής του.
• Η Sensors το 2003 διόρισε τη NanoAndMore GmbH ως νέο επίσημο διανομέα της για την Τουρκία, το Ισραήλ και την Ευρώπη.
• Το 2004, παρουσιάστηκε το PointProbe® Plus που ενώνει τα γνωστά αποδεδειγμένα χαρακτηριστικά της σειράς PointProbe®, όπως συμβατότητα και υψηλή ευελιξία εφαρμογών με εμπορικά AFM.
• Το 2005, ανακοινώθηκε το Q30K-Plus που είναι ένας νέος ανιχνευτής AFM εγγύτητας σάρωσης με εξαιρετικό παράγοντα Q και βελτιωμένη αναλογία S/N για εφαρμογές UHV.
• Η Nanosensors 2006 άλλαξε το δίκτυο διανομής της Βόρειας Αμερικής, μέλος του NanoWorld Group,
• Η NanoAndMore USA Corp., έγινε ο επίσημος διανομέας του Nanosensor στις ΗΠΑ, το Μεξικό και τον Καναδά.
• Η Nanosensors 2007 κυκλοφόρησε μια νέα σειρά ανιχνευτών πυριτίου MFM AFM, παρουσίασε τη σειρά PointProbe® Plus XY-Alignment, κυκλοφόρησε τη σειρά ανιχνευτών Plateau Tip AFM και ανακοίνωσε τη σειρά ανιχνευτών PointProbe® Plus AFM.
• Το 2008, παρουσίασε τον αυτοενεργοποιούμενο και αυτοανιχνευόμενο ανιχνευτή Akiyama.
• Η Nanosensor 2011 ανέβασε την αρχική ειδική λίστα ανάπτυξης και ανακοίνωσε μια νέα ανθεκτική στη φθορά, αγώγιμη σειρά ανιχνευτών AFM και τους ανιχνευτές Platinum Silicide AFM.
• Το 2013, ανακοινώνονται οι δύο κύριες εκπομπές οθόνης στο κανάλι της στο YouTube.
• Παρουσίασε μια νέα σειρά ανιχνευτών AFM γνωστή ως uniqprobe™ το 2013.

Τεχνικές Κατασκευής Νανοαισθητήρων

Υπάρχουν διάφορες τεχνικές που προτείνονται για την κατασκευή αυτών των αισθητήρων όπως: λιθογραφία από πάνω προς τα κάτω, συναρμολόγηση από κάτω προς τα πάνω & μοριακή αυτοσυναρμολόγηση.

1. Προσεγγίσεις από πάνω προς τα κάτω
   • Λιθογραφία: Αυτή η μέθοδος περιλαμβάνει την χάραξη μοτίβων νανοκλίμακας σε υποστρώματα χρησιμοποιώντας τεχνικές όπως η λιθογραφία δέσμης ηλεκτρονίων (EBL) ή η φωτολιθογραφία. Το EBL, ειδικότερα, προσφέρει υψηλή ανάλυση, επιτρέποντας ακριβή μοτίβα απαραίτητη για τη δημιουργία χαρακτηριστικών σε νανοκλίμακα.
   • Χαλκογραφία: Τόσο η υγρή όσο και η ξηρή μέθοδος χάραξης χρησιμοποιούνται για την επιλεκτική αφαίρεση υλικού από την επιφάνεια ενός υποστρώματος για τη δημιουργία δομών νανοκλίμακας. Η χάραξη αντιδραστικών ιόντων (RIE) είναι μια δημοφιλής τεχνική ξηρής χάραξης για την ακρίβεια και την ικανότητά της να δημιουργεί πολύπλοκα μοτίβα.
2. Προσεγγίσεις από κάτω προς τα πάνω
   • Εναπόθεση χημικών ατμών (CVD): Η CVD είναι μια διαδικασία όπου τα αέρια αντιδρώντα σχηματίζουν στερεά υλικά σε υποστρώματα, δημιουργώντας λεπτές μεμβράνες και νανοδομές. Παραλλαγές όπως η CVD ενισχυμένη με πλάσμα (PECVD) ενισχύουν τη διαδικασία χρησιμοποιώντας πλάσμα για την αύξηση των ρυθμών αντίδρασης.
   • Αυτοσυναρμολόγηση: Αυτή η τεχνική περιλαμβάνει την αυθόρμητη οργάνωση των μορίων σε δομημένες διατάξεις. Η νανοτεχνολογία DNA, για παράδειγμα, χρησιμοποιεί τις ιδιότητες του ζεύγους βάσεων του DNA για να δημιουργήσει περίπλοκες νανοδομές.
   • Επεξεργασία Sol-Gel: Αυτό περιλαμβάνει τη μετάβαση ενός συστήματος διαλύματος από ένα υγρό «sol» σε μια στερεή φάση «gel». Είναι ιδιαίτερα χρήσιμο για τη δημιουργία κεραμικών και γυάλινων νανοδομών.
3. Υβριδικές Προσεγγίσεις

                      Νανοαποτυπωμένη λιθογραφία (NIL): Αυτό συνδυάζει πτυχές τόσο των προσεγγίσεων από πάνω προς τα κάτω όσο και από κάτω προς τα πάνω. Περιλαμβάνει την συμπίεση ενός καλουπιού με νανοδομή σε ένα στρώμα πολυμερούς και, στη συνέχεια, τη σκλήρυνση του πολυμερούς για τη μεταφορά των χαρακτηριστικών της νανοκλίμακας.

Τύποι νανοαισθητήρων

Υπάρχουν διάφοροι τύποι νανοαισθητήρων που αναλύονται παρακάτω.

Φυσικοί Νανοαισθητήρες

Αυτοί οι αισθητήρες χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση αλλαγών εντός φυσικών μεγεθών όπως η ταχύτητα, η θερμοκρασία, η πίεση, οι ηλεκτρικές δυνάμεις, η μετατόπιση, η μάζα και πολλά άλλα. Αυτοί οι νανοαισθητήρες χρησιμοποιούνται σε διάφορες εφαρμογές στην καθημερινή ζωή αλλά και σε βιομηχανίες. Η Nanowear Inc. χρησιμοποιεί φυσικούς νανοαισθητήρες για την κατασκευή φορητών εσωρούχων για να εντοπίσει μια πιθανή καρδιακή ανεπάρκεια προτού εμφανιστεί σε χρόνια πάσχοντες ασθενείς, εξετάζοντας τις αλλαγές στα ηλεκτρικά σήματα από το σώμα μας.

Χημικοί Νανοαισθητήρες

Αυτοί οι αισθητήρες βοηθούν στην ανίχνευση διαφορετικών χημικών ουσιών (ή) χημικών ιδιοτήτων όπως η τιμή του pH. Αυτό λοιπόν είναι χρήσιμο κάθε φορά που εξετάζουμε την οικολογική ρύπανση (ή) για φαρμακευτική ανάλυση. Συνήθως, αυτοί οι αισθητήρες κατασκευάζονται από διαφορετικά νανοϋλικά, όπως μεταλλικά νανοσωματίδια ή γραφένιο, επειδή αυτά ανταποκρίνονται στην εμφάνιση συγκεκριμένων χημικών στόχων που πρέπει να υπολογιστούν.

Το καλύτερο παράδειγμα αυτού του αισθητήρα είναι η ανίχνευση της τιμής του pH ενός υγρού. Μια ομάδα που ερευνήθηκε μπόρεσε να κατασκευάσει έναν τέτοιο τύπο αισθητήρα χρησιμοποιώντας πολυμερείς βούρτσες καλυμμένες με νανοσωματίδια χρυσού για να ανιχνεύσει την τιμή του pH με φασματοσκοπική τεχνική.

Νανο-βιοαισθητήρες

Οι νανοβιοαισθητήρες στην ιατρική και την υγειονομική περίθαλψη μπορούν να ανιχνεύσουν με ακρίβεια παθογόνα, τοξίνες, όγκους και βιοδείκτες. Αυτοί οι αισθητήρες μετατρέπουν την απόκριση των μορίων σε οπτικά ή ηλεκτρικά σήματα και έχουν το πλεονέκτημα ότι μπορούν να στοχεύουν εξαιρετικά συγκεκριμένα σε αυτό που απαιτείται να μετρηθεί. Κάθε φορά που το μέγεθος ενός αντικειμένου και η αναλογία επιφάνειας προς όγκο γίνονται μεγαλύτερα, τότε αυτοί οι αισθητήρες έχουν μεγάλο όφελος από τους μεγαλύτερους βιοαισθητήρες για να παρέχουν καλύτερη αίσθηση όταν η αντίδραση μέσω των στοχευόμενων μορίων συμβαίνει πιο συχνά.

Αυτοί οι αισθητήρες χρησιμοποιούνται από την ταϊβανέζικη start-up Instant NanoBiosensors Co., Ltd. Χρησιμοποιούν μια οπτική ίνα καλυμμένη με νανοσωματίδια χρυσού και αντισώματα για την ανίχνευση διαφόρων βιολογικών ενώσεων.

Οπτικός νανοαισθητήρας

Οι οπτικοί νανοαισθητήρες έχουν υλικά αισθητήρων νανοκλίμακας (ή) νανοδομής που επιδεικνύουν διαφορετική αντίδραση στις οπτικές συχνότητες στην ηλεκτρομαγνητική διέγερση. Αυτοί οι αισθητήρες χρησιμοποιούνται κυρίως για αναλυτικούς λόγους για την παρακολούθηση καθώς και για τον εντοπισμό χημικών ή βιολογικών διεργασιών. Αυτοί οι αισθητήρες αλλάζουν επίσης τα δεδομένα σε σήματα για σημαντικές πληροφορίες.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα

ο πλεονεκτήματα των νανοαισθητήρων περιλαμβάνουν τα ακόλουθα.

• Οι νανοαισθητήρες μπορούν εύκολα να αλληλεπιδράσουν σε νανο επίπεδο και παρατηρούν μοναδικές εξελίξεις σε νανο επίπεδο που διαφέρουν από το μακρο επίπεδο.
• Αυτοί οι αισθητήρες έχουν υψηλή ευαισθησία που επιτρέπει μεγαλύτερη ακρίβεια.
• Αυτά είναι ανθεκτικά, σταθερά, φορητά, υψηλής ευαισθησίας, μικρά, στιβαρή απόκριση, ανίχνευση σε πραγματικό χρόνο, επιλεκτικότητα και ελαφριά,
• Αυτός ο αισθητήρας έχει χαμηλή κατανάλωση ενέργειας
• Απαιτεί χαμηλό όγκο δείγματος για ανάλυση και πρόκληση της ελάχιστης διαταραχής στο παρατηρούμενο υλικό.
• Ο χρόνος απόκρισης αυτού του αισθητήρα είναι χαμηλός και έχει μεγαλύτερη ταχύτητα από άλλους αισθητήρες, γεγονός που τους επιτρέπει να εκτελούν ανάλυση σε πραγματικό χρόνο.
• Αυτός ο αισθητήρας ανιχνεύει διάφορα πράγματα ταυτόχρονα, γεγονός που επιτρέπει μια ποικιλία λειτουργιών.
• Οι νανοαισθητήρες εμφανίζουν σημαντικά εύρη ευαισθησίας (ή) ανάλυσης ανίχνευσης.
• Αυτοί οι αισθητήρες λειτουργούν σε μικρότερη κλίμακα.
• Έχουν μεγαλύτερη ευαισθησία και μεγαλύτερη ακρίβεια.

Τα μειονεκτήματα των νανοαισθητήρων περιλαμβάνουν τα ακόλουθα.

• Αυτοί οι αισθητήρες είναι συνήθως λιγότερο επιλεκτικοί κυρίως για βιολογικές μετρήσεις επειδή δεν έχουν την υψηλότερη ειδικότητα για βιο-υποδοχείς όπως το DNA και τα αντισώματα.
• Ο κατασκευασμένος από πάνω προς τα κάτω νανοαισθητήρας έχει περιορισμένη ανάλυση και είναι ακριβός.
• Οι νανοαισθητήρες τύπου από κάτω προς τα πάνω είναι πολύ χαμηλής απόδοσης, έχουν μεγάλη κλίμακα και είναι εξαιρετικά ακριβοί σε σύγκριση με άλλους.

Εφαρμογές

Οι εφαρμογές των νανοαισθητήρων περιλαμβάνουν τις ακόλουθες.

• Οι νανοαισθητήρες χρησιμοποιούνται κυρίως για μεγάλο αριθμό εφαρμογών στις φυτοεπιστήμες όπως π.χ. σταθερή παροχή ενέργειας, ανίχνευση μεταβολικών δραστηριοτήτων, αποθήκευση και υπολογισμό πληροφοριών, καθώς και για ανίχνευση και ανταπόκριση σε ένα ευρύ φάσμα οικολογικών ερεθισμάτων.
• Αυτός είναι ένας μοναδικός τύπος αισθητήρα, σχεδιασμένος κυρίως για την ανίχνευση και τη μέτρηση χημικών, βιολογικών, περιβαλλοντικών (ή) φυσικών πληροφοριών σε επίπεδο νανοκλίμακας.
• Αυτοί είναι μηχανικοί ή χημικοί αισθητήρες, που χρησιμοποιούνται σε διαφορετικές εφαρμογές που κυμαίνονται από βιοϊατρικές βιομηχανίες έως περιβαλλοντικές βιομηχανίες.
• Ορισμένες κοινές εφαρμογές αυτών των αισθητήρων περιλαμβάνουν κυρίως:
• Αυτοί οι αισθητήρες βοηθούν στην ανίχνευση μιας ποικιλίας χημικών ουσιών στα αέρια για την παρακολούθηση της ρύπανσης.
• Ένας νανοαισθητήρας χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση φυσικών παραμέτρων όπως μετατόπιση, ροή και θερμοκρασία.
• Οι νανοαισθητήρες βοηθούν στην παρακολούθηση της σηματοδότησης και του μεταβολισμού των φυτών για την κατανόηση της φυτικής βιολογίας.
• Βοηθά στη μελέτη των νευροδιαβιβαστών στον εγκέφαλο για την αναγνώριση της νευροφυσιολογίας.
• Αυτοί οι αισθητήρες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως επιταχυνσιόμετρα σε συσκευές MEMS, όπως αισθητήρες αερόσακων.
• Χρησιμοποιείται για τη συλλογή μετρήσεων της κατάστασης του εδάφους σε πραγματικό χρόνο όπως: pH, θρεπτικά συστατικά, υγρασία & υπολειμματικά φυτοφάρμακα κυρίως για γεωργικούς σκοπούς.
• Αυτός ο αισθητήρας χρησιμοποιείται για την ανίχνευση φυτοφαρμάκων σε λαχανικά και φρούτα για την ανίχνευση καρκινογόνων ουσιών στα τρόφιμα.
• Ανιχνεύει παθογόνα μέσα στα τρόφιμα ως στοιχείο μέτρων ασφάλειας τροφίμων και ποιοτικού ελέγχου.
• Αυτός ο αισθητήρας ανιχνεύει και παρακολουθεί μεταβολίτες μικρών μορίων.
• Χρησιμοποιείται για παρακολούθηση της δραστηριότητας των μεταβολικών καρκινικών κυττάρων σε πραγματικό χρόνο ως απόκριση σε θεραπευτική εισβολή.

Έτσι, αυτό είναι μια επισκόπηση ενός νανοαισθητήρα , τη λειτουργία τους, τους τύπους, τα πλεονεκτήματα, τα μειονεκτήματα και τις εφαρμογές τους. Ένας νανοαισθητήρας είναι μια συσκευή νανοκλίμακας που μετρά φυσικές ποσότητες και επίσης αλλάζει σε σήματα που μπορούν να ανιχνευθούν αλλά και να αναλυθούν. Αυτοί οι αισθητήρες είναι διαθέσιμοι σε διαφορετικούς τύπους που χρησιμοποιούνται σε διάφορες εφαρμογές όπως οι βιομηχανίες άμυνας, υγειονομικής περίθαλψης και περιβάλλοντος. Υπάρχουν διάφορες διαθέσιμες τεχνικές για την κατασκευή αυτών των τύπων αισθητήρων. λιθογραφία από πάνω προς τα κάτω, η δεύτερη είναι η διάταξη από κάτω προς τα πάνω και η τρίτη είναι η μοριακή αυτοσυναρμολόγηση. Εδώ είναι μια ερώτηση για εσάς, ο νανοαισθητήρας εφευρέθηκε από;