Nanosensor: components, tipus, treball, tècniques de fabricació, tipus i les seves aplicacions

El primer exemple de nanosensor es va desenvolupar l'any 1999 a l'Institut Tecnològic de Geòrgia per investigadors, una innovació creada a partir de nanotubs de carboni. Un nanosensor és un tipus únic de sensor i són petites plataformes dissenyades per detectar i mesurar informació química, biològica, física o ambiental a escala nanomètrica. Aquests sensors són ideals principalment per a aplicacions de detecció a causa de les seves propietats úniques de nanopartícules com; la seva enorme proporció de superfície a nivell. Aquest article proporciona informació breu sobre els nanosensors, el seu funcionament, els tipus i les seves aplicacions.

Definició del nanosensor

Un tipus de sensor amb unes dimensions característiques d'uns pocs nanòmetres es coneix com a nanosensor. Es tracta d'un sensor mecànic o químic, utilitzat per detectar l'aparició de nanopartícules i espècies químiques o comprovar diferents paràmetres físics. S'utilitzen en aplicacions de diagnòstic mèdic com la detecció de la qualitat de l'aigua, els aliments i altres productes químics. Aquest sensor funciona de manera similar a un sensor normal, però detecta petites quantitats i les transforma en senyals que s'han d'analitzar. Els nanosensors s'utilitzen en sistemes de transport, detecció de patògens, medicina, fabricació, control de la contaminació, etc.

Alguns dels exemples de nanosensors són; nanosensors fluorescents fets amb ADN o pèptids, nanotubs de carboni, punts quàntics, nanosensors en funció de l'acoblament de plasmó, imatges per ressonància magnètica i fotoacústica.

Components del nanosensor

Els components del nanosensor inclouen principalment un analit, un sensor, un transductor i un detector. Els nanosensors són capaços de mesurar el nivell de punt d'una sola molècula. En general, aquests sensors funcionen seguint els canvis elèctrics dins dels materials del sensor.

En aquest diagrama, primer, l'analit de la solució es difon a la superfície del nanosensor. Després d'això, respon de manera específica i eficient, de manera que això canvia les propietats fisicoquímiques de la superfície del transductor, la qual cosa comporta un canvi en les propietats electròniques (o) òptiques de la cara del transductor. Finalment, es converteix en un senyal elèctric que es detecta

Principi de funcionament del nanosensor

Nanosensor funciona mitjançant el seguiment dels canvis elèctrics dins dels materials del sensor. Les parts fonamentals d'un nanosensor són: l'analit, el transductor, el detector i la línia de retroalimentació des del detector cap al bloc del sensor. El nanosensor mesura els nivells de molècules individuals i funciona simplement mantenint un canvi elèctric dins del material del sensor.

L'analit d'aquest sensor es difon primer des de la solució a la superfície del sensor i respon de manera exacta i molt eficaç canviant les propietats fisicoquímiques de la superfície. Després d'això, provoca un canvi en les propietats del transductor òptic electrònic. Així, finalment, aquest canvi es pot convertir en un senyal elèctric que es nota.

Història dels nanosensors

• Nanosensor com a 'Nanoprobe' es va fundar l'any 1990 i es va basar en la investigació realitzada a IBM Sindelfingen sobre les tecnologies bàsiques necessàries per al processament per lots de sondes AFM de silici amb micromecanitzat a granel.
• Nanosensors van comercialitzar sondes AFM i SPM a nivell mundial l'any 1993. Així, els seus desenvolupaments dins de les tecnologies de processament per lots per crear sondes AFM van contribuir a iniciar els microscopis de força atòmica a la indústria del temps.
• En la identificació d'aquesta realització, aquests sensors van distingir el Premi a la Innovació Dr.-Rudolf-Eberle per a l'estat alemany de Baden-Württemberg, el Premi a la Innovació de la indústria alemanya l'any 1995 i el Premi a la Innovació Förderkreis für die Mikroelektronik e.V l'any. 1999. L'any 2002 es van obtenir Nanosensors i es van integrar a NanoWorld, amb seu a Suïssa, que és una unitat de negoci independent.
• El 2003, aquests sensors van introduir una nova sonda de tipus AFM innovadora com AdvancedTEC™. Permet un posicionament exacte i fa que aquesta sonda proporcioni visibilitat real de la punta a través d'un sistema òptic de microscopi de força atòmica fins i tot sempre que la sonda AFM s'inclini lleugerament a causa del seu muntatge.
• Sensors el 2003 va nomenar NanoAndMore GmbH com el seu nou distribuïdor oficial per a Turquia, Israel i Europa.
• El 2004, es va introduir el PointProbe® Plus que uneix les característiques de la sèrie PointProbe® comprovades com la compatibilitat i l'alta versatilitat d'aplicacions amb AFM comercials.
• El 2005, es va anunciar el Q30K-Plus, que és una nova sonda AFM d'escaneig de proximitat amb un excel·lent factor Q i una relació S/N millorada per a aplicacions UHV.
• Nanosensors 2006 va canviar la xarxa de distribució nord-americana, membre del grup NanoWorld,
• NanoAndMore USA Corp., es va convertir en el distribuïdor oficial de Nanosensor als EUA, Mèxic i Canadà.
• Nanosensors 2007 va llançar una nova sèrie de sondes MFM AFM de silici, va presentar la sèrie PointProbe® Plus XY-Alignment, va llançar la sèrie de sondes Plateau Tip AFM i va anunciar la sèrie de sondes PointProbe® Plus AFM.
• L'any 2008, va introduir la sonda Akiyama auto-activada i autodetectiva.
• Nanosensor 2011 va carregar la seva llista de desenvolupament especial inicial i va anunciar una nova sèrie de sondes AFM conductores i resistents al desgast i les sondes AFM de siliciur de platí.
• El 2013, s'anuncien les dues principals projeccions de pantalla al seu canal de YouTube.
• Va introduir una nova sèrie de sondes AFM conegudes com a uniqprobe™ el 2013.

Tècniques de fabricació de nanosensors

Hi ha diverses tècniques proposades per fer aquests sensors com; litografia de dalt a baix, muntatge de baix a dalt i autoassemblatge molecular.

1. Enfocaments de dalt a baix
   • Litografia: Aquest mètode consisteix a gravar patrons a nanoescala sobre substrats mitjançant tècniques com la litografia de feix d'electrons (EBL) o la fotolitografia. EBL, en particular, ofereix una alta resolució, que permet un modelatge precís essencial per crear característiques a nanoescala.
   • Gravat: S'utilitzen mètodes de gravat en sec i humit per eliminar el material selectivament de la superfície d'un substrat per crear estructures a nanoescala. El gravat d'ions reactius (RIE) és una tècnica de gravat en sec popular per la seva precisió i capacitat de crear patrons complexos.
2. Enfocaments de baix a dalt
   • Deposició de vapor químic (CVD): El CVD és un procés on els reactius gasosos formen materials sòlids sobre substrats, creant pel·lícules primes i nanoestructures. Variants com el CVD millorat amb plasma (PECVD) milloren el procés mitjançant l'ús de plasma per augmentar les velocitats de reacció.
   • Autoassemblatge: Aquesta tècnica implica l'organització espontània de molècules en arranjaments estructurats. La nanotecnologia de l'ADN, per exemple, utilitza les propietats d'aparellament de bases de l'ADN per crear nanoestructures intricades.
   • Processament Sol-Gel: Això implica la transició d'un sistema de solució d'un 'sol' líquid a una fase 'gel' sòlida. És especialment útil per crear nanoestructures de ceràmica i vidre.
3. Enfocaments híbrids

                      Litografia de nanoempremta (NIL): Això combina aspectes tant de dalt a baix com de baix a dalt. Implica pressionar un motlle nanoestructurat en una capa de polímer i després curar el polímer per transferir les característiques a nanoescala.

Tipus de nanosensors

Hi ha diferents tipus de nanosensors que es comenten a continuació.

Nanosensors físics

Aquests sensors s'utilitzen per mesurar canvis en magnituds físiques com la velocitat, la temperatura, la pressió, les forces elèctriques, el desplaçament, la massa i molts més. Aquests nanosensors s'utilitzen en diverses aplicacions a la vida diària i també a les indústries. Nanowear Inc. utilitza nanosensors físics per fabricar roba interior per trobar una possible insuficiència cardíaca abans que es produeixi en pacients amb malalties cròniques observant els canvis dins dels senyals elèctrics dels nostres cossos.

Nanosensors químics

Aquests sensors ajuden a detectar diferents productes químics (o) propietats químiques com el valor del pH. Per tant, això és útil quan es mira la contaminació ecològica (o) per a anàlisis farmacèutiques. Normalment, aquests sensors es fabriquen a partir de diferents nanomaterials com nanopartícules metàl·liques o grafè perquè responen a l'aparició de substàncies químiques objectiu concretes que s'han de calcular.

El millor exemple d'aquest sensor és detectar el valor de pH d'un líquid. Un grup investigat va poder construir aquest tipus de sensor mitjançant raspalls de polímer coberts amb nanopartícules d'or per detectar el valor del pH amb la tècnica espectroscòpica.

Nano-biosensors

Els nanobiosensors en medicina i sanitat poden detectar amb exactitud patògens, toxines, tumors i biomarcadors. Aquests sensors converteixen la resposta de les molècules en senyals òptics o elèctrics i tenen l'avantatge de poder apuntar de manera extremadament específica a allò que cal mesurar. Sempre que la mida d'un objecte i la seva relació superfície-volum augmenten, aquests sensors tenen un gran benefici per als biosensors més grans per proporcionar una millor detecció quan la reacció a través de les molècules dirigides es produeix amb més freqüència.

Aquests sensors són utilitzats per la start-up taiwanesa Instant NanoBiosensors Co., Ltd. Utilitzen una fibra òptica coberta de nanopartícules d'or i anticossos per detectar diversos compostos biològics.

Nanosensor òptic

Els nanosensors òptics tenen materials de sensors nanoestructurats a nanoescala (o) que demostren una reacció diferent a freqüències òptiques a l'excitació electromagnètica. Aquests sensors s'utilitzen principalment per motius analítics de monitorització i d'identificació de processos químics o biològics. Aquests sensors també canvien les dades en senyals per obtenir informació important.

Avantatges i inconvenients

El avantatges dels nanosensors incloure el següent.

• Els nanosensors poden interactuar fàcilment a nivell nano i observen desenvolupaments únics a nivell nano que són diferents del nivell macro.
• Aquests sensors tenen una alta sensibilitat que permet una major precisió.
• Són duradors, estables, portàtils, d'alta sensibilitat, resposta petita i robusta, detecció en temps real, selectivitat i lleugeres.
• Aquest sensor té un baix consum d'energia
• Requereix un volum de mostra baix per analitzar i causar la menor pertorbació al material observat.
• El temps de resposta d'aquest sensor és baix i té més velocitat que altres sensors, cosa que els permet realitzar anàlisis en temps real.
• Aquest sensor detecta diverses coses simultàniament, cosa que permet una varietat de funcions.
• Els nanosensors mostren rangs significatius de sensibilitat (o) resolució de detecció.
• Aquests sensors funcionen a menor escala.
• Tenen més sensibilitat i més precisió.

Els desavantatges dels nanosensors inclouen els següents.

• Aquests sensors són normalment menys selectius principalment per a mesures biològiques perquè no tenen la major especificitat per als bioreceptors com l'ADN i els anticossos.
• El nanosensor fabricat de dalt a baix té una resolució limitada i són cars.
• Els nanosensors de baix a dalt són molt baixos, tenen una gran escala i són extremadament cars en comparació amb altres.

Aplicacions

Les aplicacions dels nanosensors inclouen les següents.

• Els nanosensors s'utilitzen principalment per a un gran nombre d'aplicacions dins de les ciències vegetals com ara; subministrament d'energia constant, detectant activitats metabòliques, emmagatzemant i computant informació, i també per detectar i respondre a una àmplia gamma d'estímuls ecològics.
• Aquest és un tipus únic de sensor, dissenyat principalment per detectar i mesurar informació química, biològica, ambiental (o) física a nivell nanoescala.
• Són sensors mecànics o químics, utilitzats en diferents aplicacions que van des de les indústries biomèdiques fins a les indústries mediambientals.
• Algunes aplicacions habituals d'aquests sensors inclouen principalment;
• Aquests sensors ajuden a detectar una varietat de productes químics dins dels gasos per controlar la contaminació.
• Un nanosensor s'utilitza per controlar paràmetres físics com el desplaçament, el cabal i la temperatura.
• Els nanosensors ajuden a controlar la senyalització i el metabolisme de les plantes per entendre la biologia de les plantes.
• Ajuda a estudiar els neurotransmissors del cervell per reconèixer la neurofisiologia.
• Aquests sensors es poden utilitzar com a acceleròmetres dins de dispositius MEMS com els sensors de coixins d'aire.
• S'utilitza per recopilar mesures de l'estat del sòl en temps real com; pH, nutrients, humitat i pesticides residuals principalment amb finalitats agrícoles.
• Aquest sensor s'utilitza per detectar pesticides en verdures i fruites per detectar carcinògens dins dels aliments.
• Detecta patògens dins dels aliments com a element de mesures de seguretat i control de qualitat alimentàries.
• Aquest sensor detecta i supervisa metabòlits de molècules petites.
• S'utilitza per al seguiment de l'activitat de les cèl·lules canceroses metabòliques en temps real en resposta a la intrusió terapèutica.

Així, això és una visió general d'un nanosensor , el seu funcionament, tipus, avantatges, inconvenients i aplicacions. Un nanosensor és un dispositiu a nanoescala que mesura quantitats físiques i també canvia en senyals que es poden detectar i analitzar. Aquests sensors estan disponibles en diferents tipus utilitzats en diverses aplicacions com la defensa, la salut i les indústries mediambientals. Hi ha diferents tècniques disponibles per fabricar aquest tipus de sensors; la litografia de dalt a baix, la segona és el muntatge de baix a dalt i la tercera és l'autoassemblatge molecular. Aquí teniu una pregunta per a vosaltres, el nanosensor és inventat per?