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。

 

隨(sui)著(zhe)納(na)米(mi)材(cai)料(liao)製(zhi)備(bei)技(ji)術(shu)的(de)成(cheng)熟(shu)，製(zhi)造(zao)過(guo)程(cheng)的(de)可(ke)重(zhong)複(fu)性(xing)和(he)批(pi)量(liang)化(hua)生(sheng)產(chan)已(yi)不(bu)存(cun)在(zai)太(tai)大(da)的(de)問(wen)題(ti)
，納(na)米(mi)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)製(zhi)造(zao)成(cheng)本(ben)亦(yi)可(ke)以(yi)大(da)大(da)降(jiang)低(di)。低(di)成(cheng)本(ben)、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。

 

namichuanganqidezhexietedianjiangshiqizaigoujiangeleiwulianwangdejinchengzhongyongyoukeguandefazhanqianjinghejudadeyingyongqianli
，namichuanganqijishuyeyouwangchengweituidongshijiefanweineixinyilunkejigeming、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)
，2minjikedadaopingheng。shiduchuanganqideshiminjizhiyoudianzidaodianhezhizidaodiandeng。lirunamitaocidedaodianjizhishilizidaodian，zhizishizhuyaodedianhezaiti

，qidaodianxingyouyuxifushuierzenggao。

 

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

 

mianyichuanganqishizhiyongyujiancekangyuankangtifanyingdechuanganqierguangxiannamimianyichuanganqishizaiqijichushangjiangminganbuzhichengnamiji
，jibaoliuleguangxuemianyichuanganqidezhuduoyoudian，youshizhinengshiyongyudangexibaodeceliang。

 

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、ruxianaiheqitaaizhengdeshengwubiaoji，yuchuantongjiancefangfaxiangbi，qijiancejieguogengjiazhunque，erqiechengbenbugao。qicaozuofangbian，yishengzhixucongbingrenshouzhishangquyidianxue，biankehenkuaiwanchengjiance，zhenggeguochengzhixu20分fen鍾zhong。由you於yu血xue液ye的de成cheng分fen複fu雜za，為wei找zhao到dao能neng監jian測ce癌ai症zheng的de生sheng物wu標biao記ji，研yan究jiu人ren員yuan使shi用yong了le一yi個ge類lei似si過guo濾lv器qi的de裝zhuang置zhi，使shi這zhe種zhong納na米mi傳chuan感gan器qi能neng直zhi接jie從cong血xue液ye中zhong過guo濾lv出chu所suo需xu檢jian測ce的de物wu質zhi，其qi精jing度du相xiang當dang於yu從cong一yi個ge巨ju大da的de遊you泳yong池chi中zhong找zhao到dao一yi顆ke鹽yan粒li。雖sui然ran這zhe種zhong儀yi器qi目mu前qian還hai不bu能neng馬ma上shang投tou入ru實shi際ji應ying用yong，但dan在zai進jin一yi步bu對dui其qi完wan善shan的de基ji礎chu上shang可ke以yi製zhi造zao出chu更geng簡jian便bian快kuai捷jie的de癌ai症zheng診zhen斷duan儀yi器qi。

 

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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