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
、量(liang)子(zi)效(xiao)應(ying)，可(ke)製(zhi)成(cheng)傳(chuan)感(gan)器(qi)。傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)研(yan)究(jiu)開(kai)發(fa)與(yu)納(na)米(mi)材(cai)料(liao)的(de)研(yan)究(jiu)相(xiang)比(bi)，主(zhu)要(yao)體(ti)現(xian)在(zai)應(ying)用(yong)得(de)更(geng)加(jia)具(ju)體(ti)化(hua)。傳(chuan)感(gan)器(qi)上(shang)所(suo)用(yong)的(de)納(na)米(mi)材(cai)料(liao)主(zhu)要(yao)是(shi)陶(tao)瓷(ci)材(cai)料(liao)。

 

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。

 

用(yong)於(yu)探(tan)測(ce)有(you)毒(du)氣(qi)體(ti)的(de)碳(tan)納(na)米(mi)管(guan)傳(chuan)感(gan)器(qi)
，利(li)用(yong)納(na)米(mi)晶(jing)或(huo)多(duo)孔(kong)納(na)米(mi)材(cai)料(liao)可(ke)以(yi)增(zeng)加(jia)與(yu)毒(du)性(xing)氣(qi)體(ti)分(fen)子(zi)接(jie)觸(chu)的(de)表(biao)麵(mian)積(ji)

，其(qi)靈(ling)敏(min)度(du)可(ke)以(yi)增(zeng)加(jia)幾(ji)倍(bei)。若(ruo)利(li)用(yong)氧(yang)化(hua)錫(xi)

、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、智(zhi)能(neng)化(hua)方(fang)向(xiang)迅(xun)速(su)發(fa)展(zhan)，納(na)米(mi)級(ji)機(ji)器(qi)人(ren)傳(chuan)感(gan)器(qi)已(yi)經(jing)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)血(xue)液(ye)注(zhu)入(ru)的(de)方(fang)式(shi)進(jin)入(ru)人(ren)體(ti)，對(dui)人(ren)體(ti)的(de)生(sheng)理(li)參(can)數(shu)進(jin)行(xing)實(shi)時(shi)監(jian)測(ce)
，並(bing)有(you)望(wang)對(dui)於(yu)癌(ai)變(bian)細(xi)胞(bao)、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。

 

suizhenamicailiaozhibeijishudechengshu，zhizaoguochengdekezhongfuxinghepilianghuashengchanyibucunzaitaidadewenti
，namichuanganqidezhizaochengbenyikeyidadajiangdi。dichengben
、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。

 

納na米mi傳chuan感gan器qi的de這zhe些xie特te點dian將jiang使shi其qi在zai構gou建jian各ge類lei物wu聯lian網wang的de進jin程cheng中zhong擁yong有you可ke觀guan的de發fa展zhan前qian景jing和he巨ju大da的de應ying用yong潛qian力li，納na米mi傳chuan感gan器qi技ji術shu也ye有you望wang成cheng為wei推tui動dong世shi界jie範fan圍wei內nei新xin一yi輪lun科ke技ji革ge命ming、產業革命和軍事革命的“顛覆性”技術。

 

納米特性傳感器

 

納na米mi特te性xing傳chuan感gan器qi即ji利li用yong納na米mi材cai料liao特te性xing製zhi成cheng的de傳chuan感gan器qi

，納na米mi特te性xing傳chuan感gan器qi的de特te征zheng是shi比bi表biao麵mian積ji大da。隨sui著zhe接jie觸chu麵mian積ji的de增zeng大da，便bian出chu現xian了le許xu多duo特te異yi的de性xing能neng，可ke滿man足zu傳chuan感gan器qi功gong能neng要yao求qiu的de敏min感gan度du
、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

 

濕(shi)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)是(shi)半(ban)導(dao)體(ti)納(na)米(mi)材(cai)料(liao)製(zhi)成(cheng)的(de)陶(tao)瓷(ci)電(dian)阻(zu)隨(sui)濕(shi)度(du)的(de)變(bian)化(hua)關(guan)係(xi)決(jue)定(ding)的(de)。納(na)米(mi)固(gu)體(ti)具(ju)有(you)明(ming)顯(xian)的(de)濕(shi)敏(min)特(te)性(xing)。對(dui)外(wai)界(jie)環(huan)境(jing)濕(shi)氣(qi)十(shi)分(fen)敏(min)感(gan)。環(huan)境(jing)濕(shi)度(du)迅(xun)速(su)引(yin)起(qi)其(qi)表(biao)麵(mian)或(huo)界(jie)麵(mian)離(li)子(zi)價(jia)態(tai)和(he)電(dian)子(zi)運(yun)輸(shu)的(de)變(bian)化(hua)。例(li)如(ru)

，納(na)米(mi)晶(jing)體(ti)電(dian)導(dao)隨(sui)水(shui)分(fen)變(bian)化(hua)顯(xian)著(zhu)，響(xiang)應(ying)時(shi)間(jian)短(duan)，2min即ji可ke達da到dao平ping衡heng。濕shi度du傳chuan感gan器qi的de濕shi敏min機ji製zhi有you電dian子zi導dao電dian和he質zhi子zi導dao電dian等deng。例li如ru納na米mi陶tao瓷ci的de導dao電dian機ji製zhi是shi離li子zi導dao電dian
，質zhi子zi是shi主zhu要yao的de電dian荷he載zai體ti，其qi導dao電dian性xing由you於yu吸xi附fu水shui而er增zeng高gao。

 

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]。cixinxingchuanganqisuoshiyongdexinpianshangbumanlejinshulizhu
，zhexiejinshulizhunenggouyonglaizengqiangcongwutifanshehuilaideguangxinhao。xinxingchuanganqidechuangannenglishixianyouchuanganqinenglidel0億倍。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]。納na米mi生sheng物wu技ji術shu是shi國guo際ji生sheng物wu技ji術shu領ling域yu的de前qian沿yan和he熱re點dian問wen題ti，在zai醫yi藥yao衛wei生sheng
，食shi品pin生sheng產chan和he監jian控kong，環huan境jing監jian測ce等deng領ling域yu有you著zhe廣guang泛fan的de應ying用yong和he明ming確que的de產chan業ye化hua前qian景jing。目mu前qian人ren們men已yi研yan製zhi出chu了le尺chi寸cun在zai微wei米mi、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

 

Dinhhetadetongshihaijiangyigennamichuanganqitanzhenxiedaiyishujiguangciruyigehuoxibao，congertanceduozhongxibaoneiwuzhi，jiankonghuoxibaodedanbaiheqitasuoganxingqudeshengwuhuaxuewuzhi（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，當(dang)光(guang)束(shu)直(zhi)接(jie)通(tong)過(guo)晶(jing)體(ti)
，光(guang)譜(pu)中(zhong)特(te)殊(shu)的(de)部(bu)分(fen)與(yu)晶(jing)體(ti)作(zuo)用(yong)並(bing)通(tong)過(guo)。但(dan)當(dang)有(you)一(yi)粒(li)子(zi)被(bei)其(qi)中(zhong)一(yi)個(ge)納(na)米(mi)腔(qiang)捕(bu)獲(huo)，傳(chuan)輸(shu)的(de)光(guang)譜(pu)將(jiang)發(fa)生(sheng)輕(qing)微(wei)改(gai)變(bian)，然(ran)後(hou)探(tan)測(ce)器(qi)就(jiu)可(ke)感(gan)應(ying)到(dao)被(bei)改(gai)變(bian)的(de)光(guang)譜(pu)。當(dang)在(zai)某(mou)一(yi)大(da)小(xiao)範(fan)圍(wei)內(nei)
，病(bing)毒(du)在(zai)某(mou)一(yi)納(na)米(mi)腔(qiang)被(bei)捕(bu)獲(huo)，傳(chuan)送(song)的(de)光(guang)譜(pu)將(jiang)不(bu)同(tong)於(yu)沒(mei)有(you)病(bing)毒(du)粒(li)子(zi)存(cun)在(zai)的(de)光(guang)譜(pu)。

 

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xu20fenzhong。youyuxueyedechengfenfuza，weizhaodaonengjianceaizhengdeshengwubiaoji，yanjiurenyuanshiyongleyigeleisiguolvqidezhuangzhi，shizhezhongnamichuanganqinengzhijiecongxueyezhongguolvchusuoxujiancedewuzhi，qijingduxiangdangyucongyigejudadeyouyongchizhongzhaodaoyikeyanli。suiranzhezhongyiqimuqianhaibunengmashangtourushijiyingyong
，danzaijinyibuduiqiwanshandejichushangkeyizhizaochugengjianbiankuaijiedeaizhengzhenduanyiqi。

 

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21shijisandajishuzhiyi
，tabijiangduirenmendeshengchanheshenghuodailaijudadejinbuhefeiyue，erzainamijishuzhong
，duishehuishenghuoheshengchanfangshijiangchanshengzuishenkeerguangfanyingxiangdenamiqijiandeyanjiushuipingheyingyongchengdubiaozhizheyigeguojianamikejidezongtishuiping，ernamichuanganqiqiaqiajiushinamiqijianyanjiuzhongdeyigejiqizhongyaodelingyu。yinci，xinxingnamichuanganqideyanjiujianggengshangyicenglou，namicailiaozaichuanganqilingyudeyingyongyehuicengchubuqiong。

本文轉載自傳感器技術。

 

 

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