納米材料在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上納米材料在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用摘 要:傳感器是獲取信息的重要工具，在工業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用。納米材料因其多方面的獨特性能已在許多領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用前景。將納米材料應(yīng)用于傳感器上，可制成性能更為優(yōu)異的傳感器，并會引發(fā)一場傳感器工業(yè)的變革。納米材料的發(fā)展促進(jìn)了納米傳感器的誕生，將極大豐富傳感器的理論，拓寬傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：納米材料；傳感器；納米傳感器；應(yīng)用Application of Nanomaterials in Sensor Abstract:Sensor is an important tool for obtaining infor

2、mation and it plays a significant role in industrial production、national defense and science and technology. Because of many unique properties, nanomaterials have demonstrated great prospect in many fields. With the help of nanomaterials, we can make more excellent sensors, and it will make great ch

3、anges in industry. The development of nanomaterials promoted the birth of nanosensors, it will greatly enrich the theory and broaden the applications of sensor.Keywords: nanomaterials；sensor；nanosensors；application1 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0.1100nm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)、 及等

4、特性使得納米材料在各個領(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；二是研究操作單個或多個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引起表面或界面離子價態(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1。2 納米特性傳感器納米特性傳感器即利用納米材料特性

5、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、檢測范圍等。下面是幾種納米特性傳感器的原理及應(yīng)用舉例。21 氣敏傳感器專心-專注-專業(yè)圖1 半導(dǎo)體吸附前后能帶圖半導(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電阻的變化來檢測低濃度氣體。半導(dǎo)體納米陶瓷表面吸附氣體分子時，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，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，其能帶

6、的變化如圖1所示。22 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態(tài)和電子運輸?shù)淖兓?。例如，BaTiO3納米晶體電導(dǎo)隨水分變化顯著，響應(yīng)時間短，2min即可達(dá)到平衡。濕度傳感器的濕敏機制有電子導(dǎo)電和質(zhì)子導(dǎo)電等。例如納米Cr2O4-TiO2陶瓷的導(dǎo)電機制是離子導(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。23 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，在大電流時非線性好，響應(yīng)時間短

7、，電學(xué)性能極好，且壽命長。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ZnO分解，形成填隙Zni原子，同時產(chǎn)生氧空位V0，如下式所示：ZnOZni+V0+1/2O2Zni及V0經(jīng)一次和二次電離，就形成e為載流子的N型半導(dǎo)體了。24 納米超薄膜化學(xué)傳感器CJ Zhong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2（圖2）。這種納米超薄膜可以涂覆到電極上用來響應(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pH值以及電極電壓進(jìn)行調(diào)整，用做電化學(xué)傳感器，對特定的金屬離子進(jìn)行響應(yīng)、監(jiān)測。圖2 多孔納米超

8、薄膜金屬粒子傳感器示意圖25 新型超敏感納米傳感器新型超敏感傳感器能夠通過光線的反射來檢測跟分子一樣小的物質(zhì)，這樣就使得傳感器的可檢測范圍進(jìn)一步擴大，從可爆炸物到癌癥分子均可被新型傳感器所檢測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增強從物體反射回來的光信號。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“磁盤耦合柱點天線陣列”或D2PA，生產(chǎn)制備簡單且成本低廉。3 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、動態(tài)、多參數(shù)、實時無損檢測，已成為生物傳感器發(fā)展的趨勢4。納米生物技術(shù)是國際生物技

9、術(shù)領(lǐng)域的前沿和熱點問題，在醫(yī)藥衛(wèi)生，食品生產(chǎn)和監(jiān)控，環(huán)境監(jiān)測等領(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、納米量級的生物傳感器和生物圖像傳感器。下面是幾個納米生物傳感器的例子。31 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4，利用DNA分子的雙螺旋機構(gòu)，作為分子特異性識別能力的模型。器件的核心是硅懸梁天平陣列，長500m，寬100m，厚度為1m。由于生物分子的結(jié)合，從而引起懸梁臂的彎曲，通過激光反射技術(shù)，該器件能夠檢測到1020nm的彎曲。在懸梁天平陣列表面固定具有不同識別性的分子，構(gòu)成陣列式生物傳感器可以同時檢測

10、多項指標(biāo)（如圖3所示）。 圖3 納米微懸梁生物傳感器圖4 模擬離子通道開關(guān)的生物傳感器32 模擬離子通道開關(guān)的生物傳感器澳大利亞AMBRI有限公司悉尼實驗室的專家，研制出的一種手持式納米生物傳感器4（圖4），可以探測空氣中的病原體，比如說炭疽熱病菌等，非常適合生物武器的現(xiàn)場檢測。這種傳感器通過模擬細(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控制環(huán)境污染等。33 光纖納米免疫傳感器免疫傳感器是指用于檢測抗原抗體反應(yīng)的傳感器而光纖納

11、米免疫傳感器是在其基礎(chǔ)上將敏感部制成納米級，既保留了光學(xué)免疫傳感器的諸多優(yōu)點，又使之能適用于單個細(xì)胞的測量。Dinh等人成功地研制出一種用于檢測BPT的光纖納米免疫傳感器5，傳感器頭部的生物探針上結(jié)合了特異性單克隆抗體，通過抗原抗體特異性結(jié)合，能夠檢測單個細(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)胞穿刺及檢測實驗（見圖5）。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活細(xì)胞，從而探測多種細(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）。 圖6 一根納米傳感器探針攜帶一束激光刺入一個活細(xì)胞圖5 用光纖納米免疫傳

12、感器檢測單個細(xì)胞的實驗平臺4 納米傳感器技術(shù)在生活中的應(yīng)用41 采用納米腔傳感器探測病毒紐約Rochester大學(xué)研究者發(fā)明了一種納米傳感器可檢測出千萬億分之一克的生物學(xué)物質(zhì)或病毒6。將來這種傳感器可能用于檢測流感、SARS、禽流感或其它病毒。傳感器由微小的六邊形腔構(gòu)成，每個腔直徑240nm，用光電子技術(shù)在一個非常薄的硅板上雕刻而成，一塊板整個面積為40mm，當(dāng)光束直接通過晶體，光譜中特殊的部分與晶體作用并通過。但當(dāng)有一粒子被其中一個納米腔捕獲，傳輸?shù)墓庾V將發(fā)生輕微改變，然后探測器就可感應(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。42

13、 利用納米傳感器快速檢測癌癥美國耶魯大學(xué)的科研人員研發(fā)出了一種可快速檢測癌癥的納米傳感器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)檢測方法相比，其檢測結(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血，便可很快完成檢測，整個過程只需20分鐘。由于血液的成分復(fù)雜，為找到能監(jiān)測癌癥的生物標(biāo)記，研究人員使用了一個類似過濾器的裝置，使這種納米傳感器能直接從血液中過濾出所需檢測的物質(zhì)，其精度相當(dāng)于從一個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際應(yīng)用，但在進(jìn)一步對其完善的基礎(chǔ)上可以制造出更簡便快捷的癌癥診斷儀器。43 可自行發(fā)電的納

14、米傳感器美國化學(xué)學(xué)會的科學(xué)家們發(fā)明了一種能實現(xiàn)自行發(fā)電的新型傳感器8。它能夠?qū)崿F(xiàn)30英尺距離無電池參與下的運行，這意味著它能夠利用環(huán)境自行發(fā)電，能源來源包括太陽能、聲波、震動、化學(xué)、氣流和熱能，無線數(shù)據(jù)的傳輸都由設(shè)備自行供電，用一個電容器來實現(xiàn)電力存儲。這種傳感器不僅僅用于醫(yī)療，還可以用于空中攝像機、可穿戴電子產(chǎn)品等，套用威廉吉布森的話，未來已經(jīng)來臨。結(jié)束語納米技術(shù)是21世紀(jì)三大技術(shù)之一，它必將對人們的生產(chǎn)和生活帶來巨大的進(jìn)步和飛躍，而在納米技術(shù)中，對社會生活和生產(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)志著一個國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)用也會層出不窮。參考文獻(xiàn)1 石勁松等.納米材料及其在傳感器中的應(yīng)用.新技術(shù)新工藝，2001，1(6)2 顏魯婷等.納米超薄膜傳感器研究進(jìn)展.稀有金屬材料