新型超敏感納米傳感器及納米傳感器技術(shù)在生活中的應(yīng)用

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(chǔ)和超快傳輸?shù)忍匦?，為納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(dòng)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(gè)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(gè)或多個(gè)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(duì)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(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(diǎn)

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(qiáng)度、硬度、韌性、超強(qiáng)可塑性和超順磁性等特有性質(zhì)，因而具有許多顯著特點(diǎn)：

1、靈敏度高。

用于探測(cè)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(yùn)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(duì)人體不同生理狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)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(jí)機(jī)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(duì)人體的生理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并有望對(duì)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(guò)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(diǎn)的納米傳感器進(jìn)行大量布撒，可以形成無(wú)線納米傳感器網(wǎng)絡(luò)，這一優(yōu)勢(shì)可以使納米傳感器的探測(cè)能力大大擴(kuò)展，為氣候監(jiān)測(cè)與環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域帶來(lái)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(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(cè)與分析能力，并具有越來(lái)越強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)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(jiǎn)便。

納米傳感器的這些特點(diǎn)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(dòng)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(cè)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(shí)電阻的變化來(lái)檢測(cè)低濃度氣體。半導(dǎo)體納米陶瓷表面吸附氣體分子時(shí)，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(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(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(shí)，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(duì)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(yùn)輸?shù)淖兓?。例如?img src="http://file.elecfans.com/web1/M00/50/E8/pIYBAFr7j4CAD_R6AAABfAHn1vY051.png" />納米晶體電導(dǎo)隨水分變化顯著，響應(yīng)時(shí)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(shí)非線性好，響應(yīng)時(shí)間短，電學(xué)性能極好，且壽命長(zhǎng)。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(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(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(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(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(guò)pH值以及電極電壓進(jìn)行調(diào)整，用做電化學(xué)傳感器，對(duì)特定的金屬離子進(jìn)行響應(yīng)、監(jiān)測(cè)。

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)光線的反射來(lái)檢測(cè)跟分子一樣小的物質(zhì)，這樣就使得傳感器的可檢測(cè)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(cè)[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(lái)增強(qiáng)從物體反射回來(lái)的光信號(hào)。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(diǎn)天線陣列”或D2PA，生產(chǎn)制備簡(jiǎn)單且成本低廉。

納米生物傳感器

隨著生命科學(xué)研究的不斷發(fā)展．人們對(duì)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(dòng)態(tài)、多參數(shù)、實(shí)時(shí)無(wú)損檢測(cè)，已成為生物傳感器發(fā)展的趨勢(shì)[4]。納米生物技術(shù)是國(guó)際生物技術(shù)領(lǐng)域的前沿和熱點(diǎn)問題，在醫(yī)藥衛(wèi)生，食品生產(chǎn)和監(jiān)控，環(huán)境監(jiān)測(cè)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(jí)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(shí)別能力的模型。器件的核心是硅懸梁天平陣列，長(zhǎng)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(guò)激光反射技術(shù)，該器件能夠檢測(cè)到10～20nm的彎曲。在懸梁天平陣列表面固定具有不同識(shí)別性的分子，構(gòu)成陣列式生物傳感器可以同時(shí)檢測(cè)多項(xiàng)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(shí)驗(yàn)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(cè)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(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。這種傳感器通過(guò)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(gè)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(lái)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(cè)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(jí)，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(xì)胞的測(cè)量。

Dinh等人成功地研制出一種用于檢測(cè)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(guò)抗原抗體特異性結(jié)合，能夠檢測(cè)單個(gè)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(cè)實(shí)驗(yàn)（見圖5）。

用光纖納米免疫傳感器檢測(cè)單個(gè)細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

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(xì)胞，從而探測(cè)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(gè)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(cè)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(cè)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(cè)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(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(dāng)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(dāng)有一粒子被其中一個(gè)納米腔捕獲，傳輸?shù)墓庾V將發(fā)生輕微改變，然后探測(cè)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(cè)癌癥

美國(guó)耶魯大學(xué)的科研人員研發(fā)出了一種可快速檢測(cè)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(cè)方法相比，其檢測(cè)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(diǎn)血，便可很快完成檢測(cè)，整個(gè)過(guò)程只需20分鐘。由于血液的成分復(fù)雜，為找到能監(jiān)測(cè)癌癥的生物標(biāo)記，研究人員使用了一個(gè)類似過(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(cè)的物質(zhì)，其精度相當(dāng)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(yīng)用，但在進(jìn)一步對(duì)其完善的基礎(chǔ)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(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)的科學(xué)家們發(fā)明了一種能實(shí)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(wú)電池參與下的運(yùn)行，這意味著它能夠利用環(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)線數(shù)據(jù)的傳輸都由設(shè)備自行供電，用一個(gè)電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)電力存儲(chǔ)。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(lái)已經(jīng)來(lái)臨。

納米技術(shù)是21世紀(jì)三大技術(shù)之一，它必將對(duì)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(duì)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(yīng)用程度標(biāo)志著一個(gè)國(guó)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(yīng)用也會(huì)層出不窮。