納米傳感器研究進(jìn)展

納米傳感器研究進(jìn)展

THERESEARCHPROGRESSOFNANOSENSORS納米技術(shù)和傳感技術(shù)的結(jié)合當(dāng)今納米技術(shù)的開(kāi)展，不僅為傳感器提供了良好的敏感材料，例如納米粒子、納米管、納米線、納米薄膜等，而且為傳感器制作提供了許多新穎的構(gòu)思和方法，例如納米技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)STM，研究對(duì)象向納米尺度過(guò)渡的MEMS技術(shù)等。與傳統(tǒng)的傳感器相比，納米傳感器尺寸減小、精度提高等性能大大改善，更重要的是利用納米技術(shù)制作傳感器，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)域納米傳感器的分類(lèi)按照納米材料結(jié)構(gòu)一、納米化學(xué)和生物傳感器；二、納米氣敏傳感器；三、其他類(lèi)型的納米傳感器〔壓力、溫度和流量等〕；一、納米生物傳感器的分類(lèi)按照納米材料結(jié)構(gòu)納米粒子；納米線；納米微管和多孔納米結(jié)構(gòu)；光纖納米生物傳感器；納米級(jí)微加工。納米技術(shù)引入化學(xué)和生物傳感器領(lǐng)域后,提高了化學(xué)和生物傳感器的檢測(cè)性能,并促發(fā)了新型的化學(xué)和生物傳感器。因?yàn)榫哂辛藖單⒚椎某叽?、換能器、探針或者納米微系統(tǒng),該種傳感器的化學(xué)和物理性質(zhì)和其對(duì)生物分子或細(xì)胞的檢測(cè)靈敏度大幅提高,檢測(cè)的反響時(shí)間也得以縮短,并且可以實(shí)現(xiàn)高通量的實(shí)時(shí)檢測(cè)分析1、納米粒子將功能性納米顆?！搽妼W(xué)性、光學(xué)性和磁性〕固定在生物大分子〔多肽、蛋白和核酸〕上聲波生物傳感器納米膠體修飾檢測(cè)分子引起石英晶體微天平的頻率改變的檢測(cè)原理示意圖光學(xué)生物傳感器光共振固定納米金屬顆粒引起反射光的共振加強(qiáng)熒光標(biāo)記定位腫瘤熒光湮滅基團(tuán)金納米顆粒用于通用的熒光湮滅物的示意圖磁性生物傳感器磁性材料標(biāo)記生物分子結(jié)合分子識(shí)別磁場(chǎng)別離和檢測(cè)電化學(xué)生物傳感器生物標(biāo)記膠體金生物分子固定硅納米顆粒催化劑載體金屬納米顆粒FETs類(lèi)型半導(dǎo)體電子器件易于集成直接電信號(hào)輸出免標(biāo)記超高的靈敏度接近單分子水平應(yīng)用于檢測(cè)蛋白質(zhì)和DNA，A型流感病毒檢測(cè)限到達(dá)10-18M2、納米線PatolskyF.,LieberC.M.,MaterialsToday2005,8:20-283、納米微管和多孔納米結(jié)構(gòu)單壁碳納米管多壁碳納米管比外表積大；活性位點(diǎn)多；促進(jìn)生物分子的電子傳遞作用；增加固定化生物分子的總量和生物活性SWNT外表固定葡萄糖氧化酶，酶的催化活性比普通碳電極高一個(gè)數(shù)量級(jí)；基于碳納米管的電致化學(xué)發(fā)光生物傳感器檢測(cè)-胎蛋白碳納米管陣列生物傳感器鉑襯底上生長(zhǎng)NWNT,作為電流計(jì)生物傳感器WohlstadterJ.N.,et.al.Adv.Mater.,2003,15:1184-1187SotiropoulouS.,et.al.,Biosens.Bioelectron.,2003,18:211-215納米多孔硅單晶硅進(jìn)行電化學(xué)腐蝕；室溫下發(fā)射可見(jiàn)光；高比外表積500m2/cm3；與現(xiàn)有硅加工技術(shù)相容。外表固定寡核苷酸、生物素或抗體等識(shí)別分子，檢測(cè)光干預(yù)和折射率的變化。

LinVS,MoteshareiK,DancilKS,etal.Science,1997,278:840-8434、光纖納米生物傳感器體積微小靈敏度高不受電磁場(chǎng)干擾，不需要參比器件插入細(xì)胞內(nèi)部，單細(xì)胞在線測(cè)量

拉制光纖末梢，并包上鋁衣或銀皮－外表抗體修飾－放在倒置顯微鏡的微定位系統(tǒng)中,進(jìn)行細(xì)胞穿刺和檢測(cè)，PMT記錄產(chǎn)生的熒光BPT苯并吡四醇最低檢出限10-21mol單細(xì)胞BPT含量檢測(cè)的納米光纖傳感器

DinhTV,AlarieJP,CullumBM,etal.,NationalBiotechnology,2000,18:764-7675、納米微加工技術(shù)集成電路制造工藝和方法光刻薄膜生長(zhǎng)/沉積離子注入腐蝕和鍵合Nano-electromechanicalsystem(NEMS)納米微懸臂梁陣列生物傳感器納米微懸臂梁陣列生物傳感器的掃描電鏡圖外表固定具有不同識(shí)別性的分子，構(gòu)成陣列式傳感器McKendryR,ZhangJ,etal,ProcNatlAcadSciUSA,2002,99:9783~9788磁力放大懸臂梁生物傳感器細(xì)胞、蛋白質(zhì)、毒素和DNA檢測(cè)靈敏度可達(dá)10-18MBaseltD.R.,LeeG.U.,ColtonR.J.,J.Vac.Sci.Technol.B,1996,14:789-793磁力放大懸臂梁生物傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖納米生物傳感器的研究進(jìn)展美國(guó)Rice大學(xué)的納米光學(xué)實(shí)驗(yàn)室將一種被稱(chēng)為“納米星〞的微小黃金顆粒制成有效的化學(xué)感應(yīng)器?！凹{米星〞聚集現(xiàn)在正研究的光子顆粒的最好性質(zhì),其外表的每一個(gè)顆粒都有著唯一的光譜信號(hào),初步的測(cè)試說(shuō)明這些信號(hào)可以用來(lái)確定納米星的三維方向,為開(kāi)展三維分子檢測(cè)工作打下堅(jiān)實(shí)的根底。美國(guó)耶魯大學(xué)用傳統(tǒng)方法研制出一種簡(jiǎn)易而敏感的硅材料納米生物傳感器,這在理論上使納米傳感器可以大量生產(chǎn)。在抗體或者其它生物分子上覆蓋了一層直徑為30nm的納米線,使其能夠捕獲特定種類(lèi)的蛋白質(zhì)。中科院上海應(yīng)用物理所研制出一種新型的電化學(xué)DNA納米生物傳感器,其特色是通過(guò)對(duì)電極界面納米尺度的精細(xì)調(diào)控,同時(shí)引入金納米粒子進(jìn)行電化學(xué)信號(hào)放大,從而顯著提高了DNA檢測(cè)的靈敏度。揚(yáng)州大學(xué)的納米CaCO3固定生物分子制備生物傳感器的方法,屬于以無(wú)機(jī)材料納米CaCO3為載體固定蛋白質(zhì)等生物分子制備生物傳感器的方法。制備出的生物傳感器穩(wěn)定性好、靈敏度高、重現(xiàn)性好,而所需的生物分子的量少。二、納米氣敏傳感器氣敏傳感器上和敏感氣體接觸的外表附著了一層納米涂層作為敏感材料，用于改善傳感器的靈敏度和性能。用零維的金屬氧化物半導(dǎo)體納米顆粒、碳納米管及二維納米薄膜等都可以作為敏感材料構(gòu)成氣敏傳感器。納米氣敏傳感器的研究中,主要方向之一是在氣體環(huán)境中依靠敏感材料的電導(dǎo)發(fā)生變化來(lái)制作氣敏傳感器。在這些納米敏感材料中參加貴重金屬納米顆粒(例如Pt和Pd),大大增強(qiáng)了選擇性,提高了靈敏度,降低了工作溫度。納米氣體傳感器另一個(gè)主要方向是用多壁納米管制作氣敏傳感器用多壁碳納米管制作氣敏傳感器。碳納米管自1991年被發(fā)現(xiàn)以來(lái),其獨(dú)特的性質(zhì)及制備工藝得到了廣泛的研究,而多壁碳納米管具有一定的吸附特性,由于吸附的氣體分子與碳納米管發(fā)生相互作用,改變其費(fèi)米能級(jí)引起其宏觀電阻發(fā)生較大改變,通過(guò)檢測(cè)其電阻變化來(lái)檢測(cè)氣體成分,可用作氣敏傳感器。納米氣敏傳感器的研究進(jìn)展美國(guó)研究人員研制的“納米傳感器〞能夠監(jiān)測(cè)太空飛船中的微量氣體。該納米傳感器由感應(yīng)材料的微小的碳納米管構(gòu)成,能夠在太空環(huán)境和發(fā)射時(shí)的劇烈振動(dòng)和重力不斷變化中完好保存下來(lái),能探測(cè)到每一種科學(xué)家所期望探測(cè)到的化學(xué)物質(zhì)。當(dāng)微小的化學(xué)物質(zhì)接觸到感應(yīng)材料后，它將引起某種化學(xué)反響,導(dǎo)致流經(jīng)傳感器的電流放大或縮小。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)研制成功了一種能夠自動(dòng)鑒定氣體成份的“電子鼻〞。其安裝了由只有2mm2的傳感芯片,芯片上集成的傳感器有大量碳納米管組成,能夠捕捉到化驗(yàn)對(duì)象中的各種氣體分子。而傳感器獲得的有關(guān)被測(cè)氣體的信息將傳遞給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析,從而得出氣體的具體成份,可投入批量生產(chǎn)且價(jià)格廉價(jià)。三、其他類(lèi)型納米傳感器〔1〕電阻應(yīng)變式納米壓力傳感器,這種電阻應(yīng)變式納米膜壓力傳感器,測(cè)量精度和靈敏度高、體積小、重量輕、安裝維護(hù)方便,可穩(wěn)定和可靠的測(cè)量壓力參數(shù)〔2〕利用一些納米材料的巨磁阻效應(yīng),已經(jīng)研制出了各種納米磁敏傳感器〔3〕在光纖傳感器根底上開(kāi)展起來(lái)的納米光纖生物傳感器,不但具有光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn),而且由于這種傳感器的尺寸只取決于探針的大小,大大減小了測(cè)微傳感器的體積,響應(yīng)時(shí)間大大縮短,滿(mǎn)足了測(cè)量要求實(shí)現(xiàn)的微創(chuàng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量。其他類(lèi)型納米傳感器研究進(jìn)展美國(guó)近年在納米根底研究涉及到納米傳感器的研究成果主要有:發(fā)現(xiàn)碳納米管理想的吸收與發(fā)散光波特性,可望使單分子傳感器變成現(xiàn)實(shí);利用自行組裝的D