Nanosensor: komponenter, typer, arbeids-, fabrikasjonsteknikker, typer og dens anvendelser

Det første nanosensoreksemplet ble utviklet i 1999 ved Georgia Institute of Technology av forskere, en innovasjon laget av karbon-nanorør. En nanosensor er en unik type sensor og de er små plattformer som er designet for å oppdage og måle kjemisk, biologisk, fysisk eller miljømessig informasjon på nanoskalanivå. Disse sensorer er ideelle hovedsakelig for sanseapplikasjoner på grunn av deres unike nanopartikkelegenskaper som; deres enorme overflateområde til nivåforhold. Denne artikkelen gir kort informasjon om nanosensorer, deres virkemåte, typer og deres applikasjoner.

Nanosensor definisjon

En type sensor med noen få nanometers karakteristiske dimensjoner er kjent som en nanosensor. Dette er en mekanisk eller kjemisk sensor som brukes til å oppdage forekomsten av nanopartikler og kjemiske arter eller sjekke forskjellige fysiske parametere. Disse brukes i medisinske diagnostiske applikasjoner som sensing av vannkvalitet, mat og andre kjemikalier. Denne sensoren fungerer på samme måte som en vanlig sensor, men den oppdager små mengder og endrer dem til signaler som bør analyseres. Nanosensorer brukes i transportsystemer, patogendeteksjon, medisin, produksjon, forurensningskontroll, etc.

Noen av eksemplene på nanosensorer er; fluorescerende nanosensorer laget med DNA eller peptider, karbon nanorør, kvanteprikker, nanosensorer avhengig av plasmonkobling, magnetisk resonansavbildning og fotoakustisk.

Nanosensorkomponenter

Nanosensorkomponentene inkluderer hovedsakelig en analytt, sensor, transduser og en detektor. Nanosensorer er i stand til å måle enkeltmolekylpunktnivået. Generelt fungerer disse sensorene ved å følge de elektriske endringene i sensormaterialene.

I dette diagrammet diffunderer først analytten fra løsningen til overflaten av nanosensoren. Etter det reagerer den spesifikt og effektivt, så dette endrer transduseroverflatens fysisk-kjemiske egenskaper, noe som fører til en endring i de elektroniske (eller) optiske egenskapene til transduserens overflate. Til slutt endres dette til et elektrisk signal som detekteres

Arbeidsprinsipp for nanosensor

Nanosensor fungerer ved å spore de elektriske endringene i sensormaterialene. De grunnleggende delene av en nanosensor er; analytten, transduseren, detektoren og tilbakemeldingslinjen fra detektoren mot sensorblokken. Nanosensor måler enkeltmolekylnivåer og arbeid ved ganske enkelt å opprettholde en elektrisk endring i sensormaterialet.

Analytten i denne sensoren diffunderer først fra løsningen til overflaten av sensoren og reagerer nøyaktig og svært effektivt ved å endre de fysisk-kjemiske egenskapene til overflaten. Etter det forårsaker det en endring i egenskapene til den elektroniske optiske transduseren. Så endelig kan denne endringen konverteres til et elektrisk signal som blir lagt merke til.

Nanosensor historie

• Nanosensor som 'Nanoprobe' ble grunnlagt i år 1990 og bygget på forskning ved IBM Sindelfingen utført på nødvendige grunnleggende teknologier for silisium AFM-prober batchbehandling med bulkmikromaskinering.
• Nanosensorer kommersialiserte AFM- og SPM-prober globalt i 1993. Så deres utvikling innen batchbehandlingsteknologier for å lage AFM-sonder bidro til å initiere Atomic Force-mikroskoper i tidsindustrien.
• I identifiseringen av denne erkjennelsen, anerkjente disse sensorene prisen til Dr.-Rudolf-Eberle Innovation for den tyske delstaten Baden-Württemberg, den tyske industriinnovasjonsprisen i 1995 og Förderkreis für die Mikroelektronik e.V Innovation Award i året 1999. Nanosensorer i 2002 ble anskaffet og integrert i Sveits-baserte NanoWorld som er en uavhengig forretningsenhet.
• I 2003 introduserte disse sensorene en innovativ ny AFM-type sonde som AdvancedTEC™. Den tillater nøyaktig posisjonering og får denne sonden til å gi ekte spisssyn gjennom et optisk system med atomkraftmikroskop selv når AFM-sonden vippes litt på grunn av monteringen.
• Sensorer i 2003 utnevnte NanoAndMore GmbH til sin nye offisielle distributør for Tyrkia, Israel og Europa.
• I 2004 ble PointProbe® Plus introdusert som forener de velkjente funksjonene i PointProbe®-serien som kompatibilitet og høy applikasjonsallsidighet med kommersielle AFM-er.
• I 2005 ble Q30K-Plus kunngjort som er en ny AFM-sondeskanningsnærhet med en utmerket Q-faktor og et forbedret S/N-forhold for UHV-applikasjoner.
• Nanosensors 2006 endret det nordamerikanske distribusjonsnettverket, et medlem av NanoWorld Group,
• NanoAndMore USA Corp., ble Nanosensorens offisielle distributør i USA, Mexico og Canada.
• Nanosensors 2007 lanserte en ny silisium MFM AFM-sondeserie, introduserte PointProbe® Plus XY-Alignment-serien, lanserte Plateau Tip AFM-probeserien og annonserte PointProbe® Plus AFM-sondeserien.
• I 2008 introduserte den den selvaktiverende og selvfølende Akiyama-sonden.
• Nanosensor 2011 lastet opp sin første spesielle utviklingsliste og annonserte en ny slitesterk, ledende AFM-sondeserie og Platinum Silicide AFM-probene.
• I 2013 ble det kunngjort de to primære screencastene på YouTube-kanalen.
• Den introduserte en ny AFM-probe-serie kjent som uniqprobe™ i 2013.

Nanosensor fabrikasjonsteknikker

Det er flere teknikker foreslått for å gjøre disse sensorene som; top-down litografi, bottom-up montering og molekylær selvmontering.

1. Top-down-tilnærminger
   • Litografi: Denne metoden innebærer å etse mønstre i nanoskala på underlag ved bruk av teknikker som elektronstrålelitografi (EBL) eller fotolitografi. Spesielt EBL tilbyr høy oppløsning, noe som muliggjør presis mønster som er avgjørende for å lage nanoskalafunksjoner.
   • Etsning: Både våte og tørre etsemetoder brukes til å fjerne materiale selektivt fra overflaten av et substrat for å lage strukturer i nanoskala. Reactive ion etsing (RIE) er en populær tørr etsingsteknikk for sin presisjon og evne til å lage komplekse mønstre.
2. Bottom-up-tilnærminger
   • Kjemisk dampavsetning (CVD): CVD er en prosess der gassformige reaktanter danner faste materialer på underlag, og skaper tynne filmer og nanostrukturer. Varianter som plasma-forbedret CVD (PECVD) forbedrer prosessen ved å bruke plasma for å øke reaksjonshastigheten.
   • Selvmontering: Denne teknikken involverer spontan organisering av molekyler i strukturerte arrangementer. DNA-nanoteknologi, for eksempel, bruker baseparingsegenskapene til DNA for å lage intrikate nanostrukturer.
   • Sol-Gel-behandling: Dette innebærer overgangen til et løsningssystem fra en flytende 'sol' til en fast 'gel'-fase. Det er spesielt nyttig for å lage keramiske og glassaktige nanostrukturer.
3. Hybride tilnærminger

                      Nanoimprint Lithography (NIL): Dette kombinerer aspekter av både top-down og bottom-up tilnærminger. Det innebærer å presse en nanostrukturert form inn i et polymerlag, og deretter herde polymeren for å overføre funksjonene i nanoskala.

Typer nanosensorer

Det er forskjellige typer nanosensorer som diskuteres nedenfor.

Fysiske nanosensorer

Disse sensorene brukes til å måle endringer innenfor fysiske størrelser som hastighet, temperatur, trykk, elektriske krefter, forskyvning, masse og mange flere. Disse nanosensorene brukes i ulike applikasjoner i dagliglivet og også i industrier. Nanowear Inc. bruker fysiske nanosensorer for å lage bærbare undertøy for å finne en mulig hjertesvikt før den oppstår hos kronisk syke pasienter ved å se på endringer i de elektriske signalene fra kroppen vår.

Kjemiske nanosensorer

Disse sensorene hjelper til med å oppdage forskjellige kjemikalier (eller) kjemiske egenskaper som pH-verdi. Så dette er nyttig når man ser på økologisk forurensning (eller) for farmasøytisk analyse. Vanligvis er disse sensorene laget av forskjellige nanomaterialer som metallnanopartikler eller grafen fordi disse reagerer på forekomsten av bestemte målkjemikalier som må beregnes.

Det beste eksemplet på denne sensoren er å oppdage en væskes pH-verdi. En undersøkt gruppe var i stand til å bygge en slik type sensor ved å bruke polymerbørster dekket med gullnanopartikler for å oppdage pH-verdien med spektroskopisk teknikk.

Nano-biosensorer

Nanobiosensorer i medisin og helsevesen kan nøyaktig oppdage patogener, toksiner, svulster og biomarkører. Disse sensorene konverterer responsen til molekyler til optiske eller elektriske signaler og har fordelen av å kunne sikte ekstremt spesifikt på det som kreves for å bli målt. Når et objekts størrelse og dets overflate-til-volum-forhold blir større, har disse sensorene en stor fordel i forhold til større biosensorer for å gi bedre sansing når reaksjonen gjennom de målrettede molekylene skjer oftere.

Disse sensorene brukes av det taiwanske oppstartsselskapet Instant NanoBiosensors Co., Ltd. De bruker en optisk fiber dekket med gullnanopartikler og antistoffer for å oppdage ulike biologiske forbindelser.

Optisk nanosensor

Optiske nanosensorer har nanoskala (eller) nanostrukturerte sensormaterialer som demonstrerer en annen reaksjon ved optiske frekvenser på elektromagnetisk eksitasjon. Disse sensorene brukes hovedsakelig av analytiske grunner for overvåking samt identifisering av kjemiske eller biologiske prosesser. Disse sensorene endrer også dataene til signaler for viktig informasjon.

Fordeler og ulemper

De fordelene med nanosensorer Inkluder følgende.

• Nanosensorer kan enkelt samhandle på nanonivå og de observerer unike utviklinger på nanonivå som er forskjellig fra makronivå.
• Disse sensorene har høy følsomhet som gir mer nøyaktighet.
• Disse er holdbare, stabile, bærbare, høy følsomhet, liten, robust respons, sanntidsdeteksjon, selektivitet og lette,
• Denne sensoren har lavt strømforbruk
• Det krever et lavt prøvevolum for å analysere og forårsake minst mulig forstyrrelse av det observerte materialet.
• Denne sensorens responstid er lav og har høyere hastighet enn andre sensorer, noe som lar dem utføre sanntidsanalyse.
• Denne sensoren oppdager forskjellige ting samtidig, noe som muliggjør en rekke funksjoner.
• Nanosensorer viser betydelige områder for deteksjonsfølsomhet (eller) oppløsning.
• Disse sensorene fungerer i mindre skala.
• De har større følsomhet og mer nøyaktighet.

Ulempene med nanosensorer inkluderer følgende.

• Disse sensorene er normalt mindre selektive hovedsakelig for biologiske målinger fordi de mangler høyere spesifisitet for bioreseptorer som DNA og antistoffer.
• Den ovenfra-ned-fabrikerte nanosensoren har begrenset oppløsning og de er dyre.
• Nanosensorene av typen bottom-up er svært laveffektive, har stor skalering og er ekstremt dyre sammenlignet med andre.

applikasjoner

Bruksområdene til nanosensorer inkluderer følgende.

• Nanosensorer brukes hovedsakelig til et stort antall bruksområder innen plantevitenskap som; jevn energiforsyning, oppdage metabolske aktiviteter, lagring og databehandling, og også for å oppdage og reagere på et bredt spekter av økologiske stimuli.
• Dette er en unik type sensor, designet hovedsakelig for å oppdage og måle kjemisk, biologisk, miljømessig (eller) fysisk informasjon på nanoskalanivå.
• Dette er mekaniske eller kjemiske sensorer som brukes i forskjellige applikasjoner som spenner fra biomedisinske industrier til miljøindustrier.
• Noen vanlige bruksområder for disse sensorene inkluderer hovedsakelig;
• Disse sensorene hjelper til med å oppdage en rekke kjemikalier i gasser for å overvåke forurensning.
• En nanosensor brukes til å overvåke fysiske parametere som forskyvning, strømning og temperatur.
• Nanosensorer hjelper til med å overvåke plantesignalering og metabolisme for å forstå plantebiologi.
• Det hjelper med å studere nevrotransmittere i hjernen for å gjenkjenne nevrofysiologi.
• Disse sensorene kan brukes som akselerometre i MEMS-enheter som kollisjonsputesensorer.
• Den brukes til å samle sanntidsmålinger av jordtilstand som; pH, næringsstoffer, fuktighet og rester av plantevernmidler hovedsakelig for landbruksformål.
• Denne sensoren brukes til å oppdage plantevernmidler på grønnsaker og frukt for å oppdage kreftfremkallende stoffer i mat.
• Den oppdager patogener i mat som et element i matsikkerhets- og kvalitetskontrolltiltak.
• Denne sensoren oppdager og overvåker småmolekylære metabolitter.
• Den brukes til overvåking av metabolsk kreftcelleaktivitet i sanntid som respons på terapeutisk inntrenging.

Dermed er dette en oversikt over en nanosensor , deres virkemåte, typer, fordeler, ulemper og applikasjoner. En nanosensor er en enhet i nanoskala som måler fysiske mengder og også endres til signaler som kan oppdages og analyseres. Disse sensorene er tilgjengelige i forskjellige typer som brukes i ulike applikasjoner som forsvar, helsevesen og miljøindustrien. Det er forskjellige teknikker tilgjengelig for å fremstille disse typer sensorer; top-down litografi, andre er bottom-up montering og tredje er molekylær selvmontering. Her er et spørsmål til deg, nanosensor er oppfunnet av?