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      一文讀懂納米傳感器(摘自“傳感器技術”)

      2018-08-07 18:22:48 112

      當今科技的發展要求材料的超微化、智能化、元件的高集成、高密度存儲和超快傳輸等特性,為納米科技和納米材料的應用提供了廣闊的空間。


      利用納米技術制作的傳感器,尺寸減小、精度提高、性能大大改善,納米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,推動了傳感器的制作水平,拓寬了傳感器的應用領域。納米傳感器現已在生物、化學、機械、航空、軍事等領域獲得廣泛的發展。 



      納米傳感器

       



      納米是一個長度單位,1納米是1米的10億分之一,相當于一根頭發直徑的8萬分之一。納米科技是指在0.1~100納米尺度上研究物質的特性、相互作用以及利用這種特性開發相關產品的一門科學技術。


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      納米技術研究的是以控制單個原子、分子來實現設備特定的功能,是利用電子的波動性來工作的。研究和開發納米技術的目的,就是要實現對整個微觀世界的有效控制。


      納米傳感器即是形狀大小或者靈敏度達到納米級,或者傳感器與待檢測物質或物體之間的相互作用距離是納米級的。



       

      納米傳感器的種類

       



      納米技術傳感器主要包括納米化學和生物傳感器、納米氣敏傳感器和其他類型的納米傳感器(壓力、溫度和流量等)



       

      納米化學和生物傳感器


      納米技術引入化學和生物傳感器領域后,提高了化學和生物傳感器的檢測性能,并促發了新型的化學和生物傳感器。因為具有了亞微米的尺寸、換能器、探針或者納米微系統,該種傳感器的化學和物理性質和其對生物分子或者細胞的檢測靈敏度大幅提高,檢測的反應時間也得以縮短,并且可以實現高通量的實時檢測分析。


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      利用納米材料制成極為靈敏的生物和化學傳感器,可以對癌癥、心血管疾病等進行早期診斷;利用碳納米管和其他納米微結構的化學傳感器能夠檢測氨、氧化氮、過氧化氫、碳氫化合物、揮發性有機化合物以及其他氣體,與具有相同功能的其他分析儀相比,它不僅尺寸要小而且價格也便宜。


      在納米生物傳感器中,按照材料的不同結構,有納米顆粒、納米線、多孔納米結構和納米光纖及納米級微加工器件都獲得了成功的應用。



       

      納米氣敏傳感器


      氣敏傳感器上和敏感氣體接觸的表面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成氣敏傳感器。


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      納米氣敏傳感器的研究中,主要方向之一是在氣體環境中依靠敏感材料的電導發生變化來制作氣敏傳感器。在這些納米敏感材料中加入貴重金屬納米顆粒(例如Pt和Pd) ,大大增強了選擇性,提高了靈敏度,降低了工作溫度。


      納米氣體傳感器另一個主要方向是用多壁碳納米管制作氣敏傳感器。碳納米管獨特的性質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生相互作用,改變其費米能級引起其宏觀電阻發生較大改變,通過檢測其電阻變化來檢測氣體成分,可用作氣敏傳感器。



       

      其他類型納米傳感器


      (1)電阻應變式納米壓力傳感器,這種電阻應變式納米膜壓力傳感器,測量精度和靈敏度高、體積小、重量輕、安裝維護方便,可穩定和可靠的測量壓力參數。


      (2)利用一些納米材料的巨磁阻效應,已經研制出了各種納米磁敏傳感器


      (3)在光纖傳感器基礎上發展起來的納米光纖生物傳感器,不但具有光纖傳感器的優點,而且由于這種傳感器的尺寸只取決于探針的大小,大大減小了測微傳感器的體積,響應時間大大縮短,滿足了測量要求實現的微創實時動態測量。



       

      納米傳感器的特點

       



      與傳統的傳感器相比,納米傳感器由于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:




       

      靈敏度高。


      用于探測有毒氣體的碳納米管傳感器,利用納米晶或多孔納米材料可以增加與毒性氣體分子接觸的表面積,其靈敏度可以增加幾倍。若利用氧化錫、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,研制出具有高靈敏度、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。



       

      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、智能化方向迅速發展,納米級機器人傳感器已經可以通過血液注入的方式進入人體,對人體的生理參數進行實時監測,并有望對于癌變細胞、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。



       

      成本低。


      隨著納米材料制備技術的成熟,制造過程的可重復性和批量化生產已不存在太大的問題,納米傳感器的制造成本亦可以大大降低。低成本、小微型化節點的納米傳感器進行大量布撒,可以形成無線納米傳感器網絡,這一優勢可以使納米傳感器的探測能力大大擴展,為氣候監測與環境保護等領域帶來革命性的變化。



       

      多功能集成。


      傳統的傳感器一般為具有單一功能的傳感器,納米傳感器則可以將成千上萬的具有不同功能的納米傳感器組成的陣列加工在一個小微型化芯片上,使其具有多功能探測與分析能力,并具有越來越強大的數據處理、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。



      納米傳感器的這些特點將使其在構建各類物聯網的進程中擁有可觀的發展前景和巨大的應用潛力,納米傳感器技術也有望成為推動世界范圍內新一輪科技革命、產業革命和軍事革命的“顛覆性”技術。




       

      納米傳感器的應用領域

       



       

      1、在醫療、生物領域的應用


      利用納米技術制成的傳感器,可用于疾病的早期診斷、監測和治療,使各種癌癥的早期診斷成為顯示。目前,美國科學家已經在實驗室環境下實現了對前列腺癌、直腸癌等多種癌癥的早期診斷。納米傳感器靈敏度很高,在進行血液檢測時,當傳感器中預置的某總癌細胞抗體遇到相應的抗原時,傳感器中的電流會發生變化,通過這種電流變化可以判斷血液中癌細胞的種類和濃度。據專家預測,今后可能有多種納米傳感器集成在一起被植入人體,以用來早期檢測各種疾病。

        


       

      2、在微電子及信息技術領域的應用


      在此應用領域,研究集中在導電聚合物在信息技術領域的應用、納米電子元器件FET二極管、用于感應器的電子序列、納米傳感器等。如微電子機械系統(MEMS)技術是建立在微米/納米技術基礎上的21世紀前沿技術,是對微米/納米材料進行設計、加工、制造、測量和控制的技術,其應用研究主要是將所研究的成果,如微型傳感器投入實用,逐步由微型向納米型發展。

        


       

      3、在國防科技上的應用


      納米氣體傳感器在國防科技上,將其用于地面,空間,飛機,潛艇的內艙,以及各種軍用車輛駕駛室中檢測有害氣體、有毒氣體等,必將更加方便、快捷、靈敏,如美國已經研制出納米軍裝,軍裝中的納米傳感器可以感應空氣中生化指標的變化,當有害氣體或物質指標突然升高時,軍裝會立即將頭盔和其它通氣部分的透氣口關閉,并釋放生化武器的解毒劑,起到預防效果。此外嵌在軍裝中的納米生化感應裝置可以監視士兵的心率、血壓、體內及體表溫度等多項重要指標,以及辨識體表流血部位,并使該部位周邊的軍服膨脹收縮,起到止血帶的作用。



       

      納米傳感器的應用實例

       


      借助聲音震動識別細微運動的納米傳感器

      一款神奇的蜘蛛俠納米縫隙傳感器,它采用聲音導致空氣震動,從而識別運動的原理,可以讓一名普通人擁有蜘蛛俠般的第六感。一起來看看吧。


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      經科學家觀察研究發現,蜘蛛的八條腿上的關節位置處都有著一種神奇的感覺器官,與內部神經系統直接聯系。而外界環境中的物體一旦發生運動,哪怕是人的一個極其輕微的小動作,都能通過震動引發蜘蛛體內的第六感警報。

       

      這套新系統的獨特之處在于,傳感器間的縫隙間距達到了納米級別,這也就保證了很高的傳感靈敏度。具體說來,研究人員們在粘彈性聚合物表面添加20納米厚度的鉑金層,搭建了傳感器框架。通過讓表面的鉑金變型延展,上下層之間便產生了空隙,暴露出底層的聚合物,研究人員便借助次測量傳感器表面的電導系數。


      實際實驗中,尤其是針對音頻的測試,納米裂縫傳感器的表現是優于傳統的傳聲器。在干擾噪音高達92分貝的實驗環境中,傳感器能夠在準確的捕捉到測試人員說出的go、jump、shoot、stop等基本單詞,但是普通的傳聲器甚至不能清晰的錄制聲音。


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      研究人員進行了更加深入的測試。當把傳感器配置在小提琴的表面,它能夠精確的記錄下樂曲中的每一個音符,并且將其“翻譯”給外接設備,輸出為電子樂曲。另外更有趣的是,將傳感器佩戴在手腕處,它還能精確地測量人體的心跳。


      除了能夠有效排除外界噪聲之外,納米傳感器還需要做到能夠高精度識別特定頻段的聲音。例如前文提到的醫療健康中的測量血壓、脈搏等功能,需要讓傳感器對某個人體信號格外的敏感,而不只是單純的記錄聲音和震動。


      檢測蔬果農殘物的納米生物傳感器

      對蔬果農殘擔憂,用這種試紙測一測,有無農殘,指標多少,便一目了然;甚至一些人體健康指標也可以利用生物傳感器,轉化為看得見、摸得著的直觀呈現。


      納米金材料是納米傳感器的核心材料,被廣泛應用于試紙條、試紙盒中,其大小、形狀以及自組裝行為直接影響到可視化的性能。


      傳統納米金合成主要是通過調控反應動力學和熱力學,進而調控形貌和大小,但眾多實驗參數常常會影響納米金的大量高質量制備。研發人員提出了納米金的兩種新生長模式———智能化合成與非連續性生長模式。

        

      超過20種單分散的不同形貌的金納米粒子,包括球形、方形、棒狀、片狀、星形、線形以及一些復雜的多級納米結構。與現有的其他產品相比,這種合成方法確保納米粒子在大規模制備條件下,仍能保持粒子的高度均勻性。


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      此類傳感器的應用空間非常廣闊,主要集中在一些可視化的試劑盒、試紙條上。目前市面上較為常見的就是驗孕試紙, 同時在食品安全領域也可大做文章。

        

      如在食品安全領域,普遍的家庭要檢測蔬果是否含有毒素,不可能購置大型的儀器,只能通過一些簡單的工具去鑒別,因此可以通過裸眼觀察到顏色變化的試劑、試紙成為較為理想的工具、方法。


      卵巢癌診斷的可彎曲納米傳感器

      一種覆蓋金納米顆粒的柔性膜,能夠根據婦女的呼吸判斷她是否患有卵巢癌。這種可彎曲裝置像紙一樣薄,收集能力是以前呼吸傳感器的幾倍,非侵入性且足夠便宜,有望作為更加經濟有效的方法用于卵巢癌的普遍篩查。


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      人體的呼吸,無論是來自健康或患病的人,由數以百計的有機物組成:丙酮,甲醇,丁醇,烴等。而人呼出氣體中的分子能夠揭示身體內部的變化,如卵巢癌病人的呼吸過程會釋放獨有混合物質,包括苯乙烯、壬醇、2-乙基己醇、3-庚酮、癸醛、十六烷。


      科學家開發了這種針對卵巢癌的納米傳感器。他們首先選擇能夠與卵巢癌相關的揮發性有機物發生反應的芳香性配體,與金納米粒子和柔性條狀聚酰亞胺薄膜形成集成的交叉反應感應陣列。當患有卵巢癌的病人呼出的氣體經過金納米粒子,其中的特異性揮發性有機物會與陣列上的配體反應,引起可測量的電阻變化。


      研究人員將傳感器的帶狀結構彎曲,當傳感器的兩端向下彎曲形成一個拱形時,金納米粒子之間的距離變大,有利于與較大的待診斷分子進行相互作用;當傳感器恢復成平面,顆粒間的距離變小,較小的待診斷分子能更好地與配體結合。在整個彎曲過程中,記錄傳感器每個位點的應變,并測量相應的電阻。這種可彎曲傳感器在卵巢癌診斷中有高達80% 的正確率。


      檢測糖尿病的智能納米傳感器

      呼吸式裝置檢測低血糖,這對于糖尿病患者來說是一個不錯的消息。


      現有的技術主要追蹤血糖濃度,但是它不會提醒病人即將到來的低血糖發作。 如果不能檢測低血糖,這也是非常危險的情況。兒童和1型糖尿病的老年人的血糖特別容易突然下降。


      人體呼吸產生的特殊氣味,這種特殊氣味由特定的揮發性有機化合物組成,可表征低血糖。開發一種納米傳感器陣列來檢測這種氣味。將這種陣列內置于一種便攜式智能裝置中,可將身體信息分享給糖尿病患者和家庭成員等。


      患者將氣體吹進小裝置,其傳感器系統會識別病人的低血糖狀態,綜合以前的跟蹤信息從而可以做出判斷。


      用于危險品檢查的納米傳感器

      一種對氣味分子非常敏感的光學納米傳感器,從而大大減少了物質檢測的成本和時間。


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      必須依靠大型實驗室分析儀和專業警犬來判斷變質食物和可疑爆炸物的日子或許很快就要一去不復返了。研究者人員日前開發出一種對氣味分子非常敏感的光學納米傳感器,從而大大減少了物質檢測的成本和時間。


      據悉,這種光學納米傳感器內置的金屬有機薄膜能夠收集氣味分子,然后通過低成本的等離子納米晶體將所捕獲的化學信號放大,就好似微型的鏡片一般。它不僅可以檢測環境中最常見的二氧化碳,而且對很多其他化學物質也有相當高的靈敏度,能夠滿足各種目的的檢測需要?;蛟S在不久的將來特種隊員用這么一小片傳感器就能準確識別藏匿的爆炸物,而普通消費者則可以用它來檢測購買的食物是否已經變質。


      決勝未來智能化戰爭的納米傳感器

      隨著納米科技的迅猛發展,納米傳感器目前已廣泛應用在航空航天、軍事工程。 納米傳感器的應用將深刻改變未來戰爭的面貌,成為決勝智能化戰爭的重要支撐。


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      強大的戰場感知能力,可以極大促進陸上、空中、水面、水下、太空等作戰平臺之間的信息融合,生成完整、精確、實時的戰場態勢圖,極大提升針對戰場環境、武器裝備狀態的更加精確的感知能力,還可以對戰場人員的生理狀態進行實時監測,最大限度地實現宏觀戰場和微觀戰場的完全透明。


      精準的指揮控制決策能力?,F代戰爭的指揮決策依賴準確的信息情報,納米傳感器不僅具有高靈敏度的探測感知能力,而且內置的微型處理器可以及時分析處理獲取的信息,若再與大數據技術、云計算技術相結合,將為指揮控制決策提供不同層次不同領域的信息支撐, 搶占作戰行動的先機。目前外軍重視開發戰場云計算系統,就是要充分利用各類新型傳感器的信息獲取能力。


      敏捷的精確打擊能力。未來戰爭,無人機、無人車、無人艇等無人化作戰平臺將越來越多地走上戰爭前臺,納米傳感器的大量應用,將使無人化作戰平臺的偵察、打擊能力更加敏捷化、智能化。如納米傳感器用于精確打擊導彈的引信,可以顯著提高導彈的命中精度,運用微納米傳感器研制的微型慣導器件,可以具有不依賴衛星的精確的導航定位與授時能力,將有效提高現有武器裝備的戰場突防、戰場生存和水下作戰能力。


      智能化的保障能力。隨著物聯網時代的到來,軍事裝備設施也將越來越多地實現網絡化智能化監測管理。納米傳感器的應用將使軍事物聯網擁有強大的感知監測能力,可大幅提高軍事裝備、設施的全資產可視化水平,對武器裝備進行狀態監測、故障診斷和維修管理。此外,嵌在軍服或數字化士兵系統中的納米生化傳感器可以監視士兵的心率、血壓、體溫等生理特征,以及辨識體表受傷流血部位,并使該部位軍服膨脹或收縮,起到止血帶的作用。


      不斷拓展人的認知能力。戰斗力是人、武器以及人與武器的結合,拓展人的認知能力成為戰斗力提升的有效途徑。近年來,外軍通過研發嵌入納米傳感器的生物信息芯片、納米機器人和腦機接口裝置,可以有效提高人的記憶力、反應能力和視覺、聽覺靈敏度,提升作戰人員的戰場感知和快速處置能力。



      納米傳感器 在生物、化學、機械、航空、軍事等方面獲得廣泛的應用。有專家指出,到2020年,人類社會進入“后硅器時代”時,納米傳感器將成為主流。所以,加快納米傳感器乃至整個納米技術的發展,具有重要意義。



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