利用納米技術製作的傳感器，尺寸減小、精度提高、性xing能neng大da大da改gai善shan，納na米mi傳chuan感gan器qi是shi站zhan在zai原yuan子zi尺chi度du上shang，從cong而er極ji大da地di豐feng富fu了le傳chuan感gan器qi的de理li論lun，推tui動dong了le傳chuan感gan器qi的de製zhi作zuo水shui平ping，拓tuo寬kuan了le傳chuan感gan器qi的de應ying用yong領ling域yu。納na米mi傳chuan感gan器qi現xian已yi在zai生sheng物wu
、化學、機械、航空、軍事等領域獲得廣泛的發展。

 

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於0.1～100nm尺度範圍或由它們作為基本單元構成的材料。

 

 

由於納米材料的表麵與界麵效應、小尺寸效應、量子尺寸效應 及宏觀量子隧道效應等特性使得納米材料在各個領域都有很好的應用。而應用納米技術研究開發納米傳感器，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）製作傳感器
；二是研究操作單個或多個納米原子有序排列成所需結構而製作傳感器。

 

 

納米材料具有巨大的比表麵積和界麵
，對外部環境的變化十分敏感。溫度
、光、濕度和氣氛的變化均會引起表麵或界麵離子價態和電子輸出的迅速改變，而且響應快，靈敏度高。因此，利用納米固體的界麵效應
、尺寸效應、liangzixiaoying，kezhichengchuanganqi。chuanganqideyanjiukaifayunamicailiaodeyanjiuxiangbi，zhuyaotixianzaiyingyongdegengjiajutihua。chuanganqishangsuoyongdenamicailiaozhuyaoshitaocicailiao。

 

納米傳感器的特點

 

與傳統的傳感器相比，納米傳感器由於可以在原子和分子尺度上進行操作
，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

，因而具有許多顯著特點：

 

1
、靈敏度高。

 

yongyutanceyouduqitidetannamiguanchuanganqi
，liyongnamijinghuoduokongnamicailiaokeyizengjiayuduxingqitifenzijiechudebiaomianji，qilingmindukeyizengjiajibei。ruoliyongyanghuaxi、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，研製出具有高靈敏度、高穩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進行準確檢測和疾病前期診斷。

 

2、功耗小。

 

隨著微機電技術和微納材料技術的發展，使得納米傳感器向著超微型化、zhinenghuafangxiangxunsufazhan
，namijijiqirenchuanganqiyijingkeyitongguoxueyezhurudefangshijinrurenti，duirentideshenglicanshujinxingshishijiance
，bingyouwangduiyuaibianxibao
、致病基因進行靶向精確治療。與傳統傳感器相比，納米傳感器還可具有自供電能力、從環境中收集光輻射和電磁輻射能量的能力。

 

3
、成本低。

 

隨(sui)著(zhe)納(na)米(mi)材(cai)料(liao)製(zhi)備(bei)技(ji)術(shu)的(de)成(cheng)熟(shu)，製(zhi)造(zao)過(guo)程(cheng)的(de)可(ke)重(zhong)複(fu)性(xing)和(he)批(pi)量(liang)化(hua)生(sheng)產(chan)已(yi)不(bu)存(cun)在(zai)太(tai)大(da)的(de)問(wen)題(ti)
，納(na)米(mi)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)製(zhi)造(zao)成(cheng)本(ben)亦(yi)可(ke)以(yi)大(da)大(da)降(jiang)低(di)。低(di)成(cheng)本(ben)、xiaoweixinghuajiediandenamichuanganqijinxingdaliangbusa
，keyixingchengwuxiannamichuanganqiwangluo，zheyiyoushikeyishinamichuanganqidetancenenglidadakuozhan，weiqihoujianceyuhuanjingbaohudenglingyudailaigemingxingdebianhua。

 

4、多功能集成。

 

傳(chuan)統(tong)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)一(yi)般(ban)為(wei)具(ju)有(you)單(dan)一(yi)功(gong)能(neng)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)，納(na)米(mi)傳(chuan)感(gan)器(qi)則(ze)可(ke)以(yi)將(jiang)成(cheng)千(qian)上(shang)萬(wan)的(de)具(ju)有(you)不(bu)同(tong)功(gong)能(neng)的(de)納(na)米(mi)傳(chuan)感(gan)器(qi)組(zu)成(cheng)的(de)陣(zhen)列(lie)加(jia)工(gong)在(zai)一(yi)個(ge)小(xiao)微(wei)型(xing)化(hua)芯(xin)片(pian)上(shang)，使(shi)其(qi)具(ju)有(you)多(duo)功(gong)能(neng)探(tan)測(ce)與(yu)分(fen)析(xi)能(neng)力(li)，並(bing)具(ju)有(you)越(yue)來(lai)越(yue)強(qiang)大(da)的(de)數(shu)據(ju)處(chu)理(li)、存儲與分析的能力，若與互聯網相連接

，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便。

 

namichuanganqidezhexietedianjiangshiqizaigoujiangeleiwulianwangdejinchengzhongyongyoukeguandefazhanqianjinghejudadeyingyongqianli，namichuanganqijishuyeyouwangchengweituidongshijiefanweineixinyilunkejigeming
、產業革命和軍事革命的“顛覆性”技術。

 

納米特性傳感器

 

namitexingchuanganqijiliyongnamicailiaotexingzhichengdechuanganqi，namitexingchuanganqidetezhengshibibiaomianjida。suizhejiechumianjidezengda，bianchuxianlexuduoteyidexingneng，kemanzuchuanganqigongnengyaoqiudemingandu、應答速度
、檢測範圍等。下麵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(ban)導(dao)體(ti)納(na)米(mi)氣(qi)體(ti)傳(chuan)感(gan)器(qi)是(shi)利(li)用(yong)半(ban)導(dao)體(ti)納(na)米(mi)陶(tao)瓷(ci)與(yu)氣(qi)體(ti)接(jie)觸(chu)時(shi)電(dian)阻(zu)的(de)變(bian)化(hua)來(lai)檢(jian)測(ce)低(di)濃(nong)度(du)氣(qi)體(ti)。半(ban)導(dao)體(ti)納(na)米(mi)陶(tao)瓷(ci)表(biao)麵(mian)吸(xi)附(fu)氣(qi)體(ti)分(fen)子(zi)時(shi)，根(gen)據(ju)半(ban)導(dao)體(ti)的(de)類(lei)型(xing)和(he)氣(qi)體(ti)分(fen)子(zi)的(de)種(zhong)類(lei)不(bu)同(tong)，材(cai)料(liao)的(de)電(dian)阻(zu)率(lv)也(ye)隨(sui)之(zhi)發(fa)生(sheng)不(bu)同(tong)的(de)變(bian)化(hua)。半(ban)導(dao)體(ti)納(na)米(mi)材(cai)料(liao)表(biao)麵(mian)吸(xi)附(fu)氣(qi)體(ti)時(shi)，如(ru)果(guo)外(wai)表(biao)原(yuan)子(zi)的(de)電(dian)子(zi)親(qin)合(he)能(neng)大(da)於(yu)表(biao)麵(mian)逸(yi)出(chu)功(gong)，原(yuan)子(zi)將(jiang)從(cong)半(ban)導(dao)體(ti)表(biao)麵(mian)得(de)到(dao)電(dian)子(zi)，形(xing)成(cheng)負(fu)離(li)子(zi)吸(xi)附(fu)。相(xiang)反(fan)，形(xing)成(cheng)正(zheng)離(li)子(zi)吸(xi)附(fu)。N型半導體發生負離子吸附時，其能帶的變化如圖1所示。

 

 

半導體吸附前後能帶圖

 

2、濕敏傳感器

 

shiduchuanganqidegongzuoyuanlishibandaotinamicailiaozhichengdetaocidianzusuishidudebianhuaguanxijuedingde。namigutijuyoumingxiandeshimintexing。duiwaijiehuanjingshiqishifenmingan。huanjingshiduxunsuyinqiqibiaomianhuojiemianlizijiataihedianziyunshudebianhua。liru
，namijingtidiandaosuishuifenbianhuaxianzhu，xiangyingshijianduan，2minjikedadaopingheng。shiduchuanganqideshiminjizhiyoudianzidaodianhezhizidaodiandeng。lirunamitaocidedaodianjizhishilizidaodian，zhizishizhuyaodedianhezaiti，qidaodianxingyouyuxifushuierzenggao。

 

3

、壓敏傳感器

 

氧yang化hua鋅xin係xi納na米mi傳chuan感gan器qi，由you於yu其qi具ju有you均jun勻yun的de晶jing粒li尺chi寸cun，它ta不bu但dan適shi用yong於yu低di電dian壓ya器qi件jian
，而er且qie更geng適shi用yong於yu高gao電dian壓ya電dian力li站zhan，它ta能neng量liang吸xi收shou容rong量liang高gao，在zai大da電dian流liu時shi非fei線xian性xing好hao，響xiang應ying時shi間jian短duan，電dian學xue性xing能neng極ji好hao

，且qie壽shou命ming長chang。納na米mi氧yang化hua鋅xin壓ya敏min傳chuan感gan器qi高gao度du的de非fei線xian性xing電dian壓ya－電流關係，主要由絕緣晶界層決定。兩個ZnO分解，形成填隙Zni原子，同時產生氧空位，如下式所示：

 

Zni及經一次和二次電離，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塗覆到電極上用來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pH值以及電極電壓進行調整，用做電化學傳感器，對特定的金屬離子進行響應、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

 

xinxingchaominganchuanganqinenggoutongguoguangxiandefanshelaijiancegenfenziyiyangxiaodewuzhi
，zheyangjiushidechuanganqidekejiancefanweijinyibukuoda，congkebaozhawudaoaizhengfenzijunkebeixinxingchuanganqisuojiance[3]。此(ci)新(xin)型(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)所(suo)使(shi)用(yong)的(de)芯(xin)片(pian)上(shang)布(bu)滿(man)了(le)金(jin)屬(shu)立(li)柱(zhu)，這(zhe)些(xie)金(jin)屬(shu)立(li)柱(zhu)能(neng)夠(gou)用(yong)來(lai)增(zeng)強(qiang)從(cong)物(wu)體(ti)反(fan)射(she)回(hui)來(lai)的(de)光(guang)信(xin)號(hao)。新(xin)型(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)傳(chuan)感(gan)能(neng)力(li)是(shi)現(xian)有(you)傳(chuan)感(gan)器(qi)能(neng)力(li)的(de)l0億倍。這種新設備被稱為“磁盤耦合柱點天線陣列”或D2PA
，生產製備簡單且成本低廉。

 

納米生物傳感器

 

隨著生命科學研究的不斷發展．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
、動態、多參數、實時無損檢測，已成為生物傳感器發展的趨勢[4]。namishengwujishushiguojishengwujishulingyudeqianyanheredianwenti，zaiyiyaoweisheng，shipinshengchanhejiankong，huanjingjiancedenglingyuyouzheguangfandeyingyonghemingquedechanyehuaqianjing。muqianrenmenyiyanzhichulechicunzaiweimi
、納米量級的生物傳感器和生物圖像傳感器。下麵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大學的研究人員開發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。器件的核心是矽懸梁天平陣列，長500μm，寬100μm，厚度為1μm。由於生物分子的結合，從而引起懸梁臂的彎曲
，通過激光反射技術，該器件能夠檢測到10～20nm的彎曲。在懸梁天平陣列表麵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、模擬離子通道開關的生物傳感器

 

澳大利亞AMBRI有限公司悉尼實驗室的專家，研製出的一種手持式納米生物傳感器（圖4），可(ke)以(yi)探(tan)測(ce)空(kong)氣(qi)中(zhong)的(de)病(bing)原(yuan)體(ti)，比(bi)如(ru)說(shuo)炭(tan)疽(ju)熱(re)病(bing)菌(jun)等(deng)，非(fei)常(chang)適(shi)合(he)生(sheng)物(wu)武(wu)器(qi)的(de)現(xian)場(chang)檢(jian)測(ce)。這(zhe)種(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi)通(tong)過(guo)模(mo)擬(ni)細(xi)胞(bao)膜(mo)，形(xing)成(cheng)具(ju)有(you)開(kai)關(guan)功(gong)能(neng)的(de)離(li)子(zi)通(tong)道(dao)，當(dang)敏(min)感(gan)膜(mo)與(yu)樣(yang)本(ben)中(zhong)的(de)受(shou)體(ti)結(jie)合(he)
，引(yin)起(qi)離(li)子(zi)通(tong)道(dao)的(de)關(guan)閉(bi)，從(cong)而(er)影(ying)響(xiang)導(dao)電(dian)性(xing)能(neng)。其(qi)用(yong)途(tu)非(fei)常(chang)廣(guang)泛(fan)，一(yi)個(ge)拇(mu)指(zhi)指(zhi)甲(jia)大(da)小(xiao)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)能(neng)在(zai)幾(ji)分(fen)鍾(zhong)內(nei)，幫(bang)助(zhu)醫(yi)生(sheng)從(cong)病(bing)人(ren)的(de)體(ti)液(ye)中(zhong)確(que)認(ren)病(bing)因(yin)。另(ling)外(wai)，這(zhe)種(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi)可(ke)以(yi)用(yong)來(lai)控(kong)製(zhi)環(huan)境(jing)汙(wu)染(ran)等(deng)。

 

 

模擬離子通道開關的生物傳感器

 

3、光纖納米免疫傳感器

 

免mian疫yi傳chuan感gan器qi是shi指zhi用yong於yu檢jian測ce抗kang原yuan抗kang體ti反fan應ying的de傳chuan感gan器qi而er光guang纖xian納na米mi免mian疫yi傳chuan感gan器qi是shi在zai其qi基ji礎chu上shang將jiang敏min感gan部bu製zhi成cheng納na米mi級ji，既ji保bao留liu了le光guang學xue免mian疫yi傳chuan感gan器qi的de諸zhu多duo優you點dian，又you使shi之zhi能neng適shi用yong於yu單dan個ge細xi胞bao的de測ce量liang。

 

Dinh等人成功地研製出一種用於檢測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
，通過抗原抗體特異性結合
，能夠檢測單個細胞內的生物化學物質。BPT納米傳感器製好後

，在專用於單細胞操作的顯微操縱儀/顯微注射器上進行細胞穿刺及檢測實驗（見圖5）。

 

 

用光纖納米免疫傳感器檢測單個細胞的實驗平台

 

Dinh和(he)他(ta)的(de)同(tong)事(shi)還(hai)將(jiang)一(yi)根(gen)納(na)米(mi)傳(chuan)感(gan)器(qi)探(tan)針(zhen)攜(xie)帶(dai)一(yi)束(shu)激(ji)光(guang)刺(ci)入(ru)一(yi)個(ge)活(huo)細(xi)胞(bao)

，從(cong)而(er)探(tan)測(ce)多(duo)種(zhong)細(xi)胞(bao)內(nei)物(wu)質(zhi)，監(jian)控(kong)活(huo)細(xi)胞(bao)的(de)蛋(dan)白(bai)和(he)其(qi)它(ta)所(suo)感(gan)興(xing)趣(qu)的(de)生(sheng)物(wu)化(hua)學(xue)物(wu)質(zhi)（圖6）。

 

 

一根納米傳感器探針攜帶一束激光刺入一個活細胞

 

納米傳感器技術在生活中的應用

 

1
、采用納米腔傳感器探測病毒

 

紐約Rochester大學研究者發明了一種納米傳感器可檢測出千萬億分之一克的生物學物質或病毒[6]。將來這種傳感器可能用於檢測流感、SARS
、禽流感或其它病毒。傳感器由微小的六邊形腔構成，每個腔直徑240nm
，用光電子技術在一個非常薄的矽板上雕刻而成，一塊板整個麵積為40mm，dangguangshuzhijietongguojingti，guangpuzhongteshudebufenyujingtizuoyongbingtongguo。dandangyouyilizibeiqizhongyigenamiqiangbuhuo，chuanshudeguangpujiangfashengqingweigaibian，ranhoutanceqijiukeganyingdaobeigaibiandeguangpu。dangzaimouyidaxiaofanweinei
，bingduzaimouyinamiqiangbeibuhuo
，chuansongdeguangpujiangbutongyumeiyoubingdulizicunzaideguangpu。

 

2、利用納米傳感器快速檢測癌症

 

美國耶魯大學的科研人員研發出了一種可快速檢測癌症的納米傳感器[7]。這種儀器可以從病人的血液中找到前列腺癌、乳(ru)腺(xian)癌(ai)和(he)其(qi)他(ta)癌(ai)症(zheng)的(de)生(sheng)物(wu)標(biao)記(ji)，與(yu)傳(chuan)統(tong)檢(jian)測(ce)方(fang)法(fa)相(xiang)比(bi)
，其(qi)檢(jian)測(ce)結(jie)果(guo)更(geng)加(jia)準(zhun)確(que)，而(er)且(qie)成(cheng)本(ben)不(bu)高(gao)。其(qi)操(cao)作(zuo)方(fang)便(bian)，醫(yi)生(sheng)隻(zhi)需(xu)從(cong)病(bing)人(ren)手(shou)指(zhi)上(shang)取(qu)一(yi)點(dian)血(xue)，便(bian)可(ke)很(hen)快(kuai)完(wan)成(cheng)檢(jian)測(ce)

，整(zheng)個(ge)過(guo)程(cheng)隻(zhi)需(xu)20分fen鍾zhong。由you於yu血xue液ye的de成cheng分fen複fu雜za，為wei找zhao到dao能neng監jian測ce癌ai症zheng的de生sheng物wu標biao記ji
，研yan究jiu人ren員yuan使shi用yong了le一yi個ge類lei似si過guo濾lv器qi的de裝zhuang置zhi
，使shi這zhe種zhong納na米mi傳chuan感gan器qi能neng直zhi接jie從cong血xue液ye中zhong過guo濾lv出chu所suo需xu檢jian測ce的de物wu質zhi

，其qi精jing度du相xiang當dang於yu從cong一yi個ge巨ju大da的de遊you泳yong池chi中zhong找zhao到dao一yi顆ke鹽yan粒li。雖sui然ran這zhe種zhong儀yi器qi目mu前qian還hai不bu能neng馬ma上shang投tou入ru實shi際ji應ying用yong，但dan在zai進jin一yi步bu對dui其qi完wan善shan的de基ji礎chu上shang可ke以yi製zhi造zao出chu更geng簡jian便bian快kuai捷jie的de癌ai症zheng診zhen斷duan儀yi器qi。

 

3、可自行發電的納米傳感器

 

美國化學學會的科學家們發明了一種能實現自行發電的新型傳感器。它能夠實現30英尺距離無電池參與下的運行，這意味著它能夠利用環境自行發電，能源來源包括太陽能、聲波、震動、化學
、氣流和熱能，無線數據的傳輸都由設備自行供電，用一個電容器來實現電力存儲。這種傳感器不僅僅用於醫療，還可以用於空中攝像機
、可穿戴電子產品等
，套用威廉吉布森的話，未來已經來臨。

 

納米技術是21世shi紀ji三san大da技ji術shu之zhi一yi
，它ta必bi將jiang對dui人ren們men的de生sheng產chan和he生sheng活huo帶dai來lai巨ju大da的de進jin步bu和he飛fei躍yue，而er在zai納na米mi技ji術shu中zhong，對dui社she會hui生sheng活huo和he生sheng產chan方fang式shi將jiang產chan生sheng最zui深shen刻ke而er廣guang泛fan影ying響xiang的de納na米mi器qi件jian的de研yan究jiu水shui平ping和he應ying用yong程cheng度du標biao誌zhi著zhe一yi個ge國guo家jia納na米mi科ke技ji的de總zong體ti水shui平ping
，而er納na米mi傳chuan感gan器qi恰qia恰qia就jiu是shi納na米mi器qi件jian研yan究jiu中zhong的de一yi個ge極ji其qi重zhong要yao的de領ling域yu。因yin此ci
，新xin型xing納na米mi傳chuan感gan器qi的de研yan究jiu將jiang更geng上shang一yi層ceng樓lou
，納na米mi材cai料liao在zai傳chuan感gan器qi領ling域yu的de應ying用yong也ye會hui層ceng出chu不bu窮qiong。

本文轉載自傳感器技術。

 

 

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