Nanosensor: componenten, typen, werking, fabricagetechnieken, typen en toepassingen ervan

Het eerste voorbeeld van een nanosensor werd in 1999 ontwikkeld aan het Georgia Institute of Technology door onderzoekers, een innovatie gemaakt op basis van koolstofnanobuisjes. Een nanosensor is een uniek soort sensor en het zijn kleine platforms die zijn ontworpen voor het detecteren en meten van chemische, biologische, fysische of omgevingsinformatie op nanoschaalniveau. Deze sensoren zijn vooral ideaal voor detectietoepassingen vanwege hun unieke eigenschappen van nanodeeltjes, zoals; hun enorme verhouding tussen oppervlaktegebied en niveau. Dit artikel geeft korte informatie over nanosensoren, hun werking, typen en hun toepassingen.

Nanosensor-definitie

Een type sensor met de karakteristieke afmetingen van enkele nanometers staat bekend als een nanosensor. Dit is een mechanische of chemische sensor die wordt gebruikt om het voorkomen van nanodeeltjes en chemische soorten te detecteren of om verschillende fysieke parameters te controleren. Deze worden gebruikt in medische diagnostische toepassingen zoals het detecteren van de waterkwaliteit, voedsel en andere chemicaliën. Deze sensor werkt op dezelfde manier als een normale sensor, maar detecteert kleine hoeveelheden en zet deze om in signalen die moeten worden geanalyseerd. Nanosensoren worden gebruikt in transportsystemen, detectie van ziekteverwekkers, medicijnen, productie, bestrijding van vervuiling, enz.

Enkele voorbeelden van nanosensoren zijn; fluorescerende nanosensoren gemaakt met DNA of peptiden, koolstofnanobuisjes, kwantumstippen, nanosensoren afhankelijk van plasmonkoppeling, magnetische resonantiebeeldvorming en fotoakoestiek.

Nanosensorcomponenten

De nanosensorcomponenten omvatten voornamelijk een analyt, sensor, transducer en een detector. Nanosensoren zijn in staat het puntniveau van één molecuul te meten. Over het algemeen functioneren deze sensoren door de elektrische veranderingen in de sensormaterialen te volgen.

In dit diagram diffundeert de analyt uit de oplossing eerst naar het oppervlak van de nanosensor. Daarna reageert het specifiek en efficiënt, waardoor de fysisch-chemische eigenschappen van het oppervlak van de transducer veranderen, wat leidt tot een verandering in de elektronische (of) optische eigenschappen van het oppervlak van de transducer. Tenslotte wordt dit omgezet in een elektrisch signaal dat wordt gedetecteerd

Werkingsprincipe van nanosensoren

Nanosensor werkt door de elektrische veranderingen in de sensormaterialen te volgen. De fundamentele onderdelen van een nanosensor zijn; de analyt, transducer, detector en de feedbacklijn van de detector naar het sensorblok. Nanosensor meet niveaus van afzonderlijke moleculen en werkt door eenvoudigweg een elektrische verandering in het sensormateriaal te handhaven.

De analyt in deze sensor diffundeert eerst van de oplossing naar het oppervlak van de sensor en reageert precies en zeer effectief door de fysisch-chemische eigenschappen van het oppervlak te veranderen. Daarna veroorzaakt het een verandering in de eigenschappen van de elektronische optische transducer. Deze verandering kan uiteindelijk worden omgezet in een elektrisch signaal dat wordt opgemerkt.

Geschiedenis van nanosensoren

• Nanosensor als 'Nanoprobe' werd opgericht in het jaar 1990 en bouwde voort op onderzoek bij IBM Sindelfingen, uitgevoerd naar de vereiste basistechnologieën voor de batchverwerking van silicium AFM-sondes met bulkmicrobewerking.
• Nanosensoren brachten AFM- en SPM-sondes wereldwijd op de markt in 1993. Hun ontwikkelingen binnen batchverwerkingstechnologieën voor het maken van AFM-sondes droegen dus bij aan de introductie van Atomic Force Microscopen in de tijdindustrie.
• Bij de identificatie van deze realisatie onderscheiden deze sensoren de Award van Dr.-Rudolf-Eberle Innovation voor de Duitse deelstaat Baden-Württemberg, de German Industry Innovation Prize in het jaar 1995 en de Förderkreis für die Mikroelektronik e.V Innovation Award in het jaar 1999. Nanosensors werd in 2002 verworven en geïntegreerd in het in Zwitserland gevestigde NanoWorld, een onafhankelijke bedrijfseenheid.
• In 2003 introduceerden deze sensoren een innovatieve nieuwe sonde van het AFM-type, zoals AdvancedTEC™. Het maakt exacte positionering mogelijk en zorgt ervoor dat deze sonde Real Tip Visibility biedt in het hele optische systeem van een atomic force microscoop, zelfs wanneer de AFM-sonde vanwege de montage enigszins gekanteld is.
• Sensors benoemde NanoAndMore GmbH in 2003 tot haar nieuwe officiële distributeur voor Turkije, Israël en Europa.
• In 2004 werd de PointProbe® Plus geïntroduceerd, die de bekende, beproefde functies van de PointProbe®-serie verenigt, zoals compatibiliteit en hoge toepassingsveelzijdigheid met commerciële AFM's.
• In 2005 werd de Q30K-Plus aangekondigd, een nieuwe AFM-sonde die nabijheid scant met een uitstekende Q-factor en een verbeterde S/N-verhouding voor UHV-toepassingen.
• Nanosensors 2006 veranderde het Noord-Amerikaanse distributienetwerk, lid van NanoWorld Group,
• NanoAndMore USA Corp. werd de officiële distributeur van Nanosensor in de VS, Mexico en Canada.
• Nanosensors 2007 lanceerde een nieuwe silicium MFM AFM-sondeserie, introduceerde de PointProbe® Plus XY-Alignment-serie, lanceerde de Plateau Tip AFM-sondeserie en kondigde de PointProbe® Plus AFM-sondeserie aan.
• In 2008 introduceerde het de zelfaangedreven en zelfdetecterende Akiyama-sonde.
• Nanosensor 2011 heeft zijn eerste speciale ontwikkelingslijst geüpload en een nieuwe slijtvaste, geleidende AFM-sondeserie en de Platinum Silicide AFM-sondes aangekondigd.
• In 2013 worden de eerste twee screencasts op het YouTube-kanaal aangekondigd.
• In 2013 introduceerde het een nieuwe serie AFM-sondes, bekend als de uniqprobe™.

Fabricagetechnieken voor nanosensoren

Er zijn verschillende technieken voorgesteld om deze sensoren te maken, zoals; top-down lithografie, bottom-up assemblage en moleculaire zelfassemblage.

1. Top-down benaderingen
   • Lithografie: Deze methode omvat het etsen van patronen op nanoschaal op substraten met behulp van technieken zoals elektronenbundellithografie (EBL) of fotolithografie. Vooral EBL biedt een hoge resolutie, waardoor nauwkeurige patroonvorming mogelijk is die essentieel is voor het creëren van kenmerken op nanoschaal.
   • Etsen: Zowel natte als droge etsmethoden worden gebruikt om materiaal selectief van het oppervlak van een substraat te verwijderen om structuren op nanoschaal te creëren. Reactief ionenetsen (RIE) is een populaire droge etstechniek vanwege de precisie en het vermogen om complexe patronen te creëren.
2. Bottom-up benaderingen
   • Chemische dampafzetting (CVD): CVD is een proces waarbij gasvormige reactanten vaste materialen op substraten vormen, waardoor dunne films en nanostructuren ontstaan. Varianten zoals plasma-enhanced CVD (PECVD) verbeteren het proces door plasma te gebruiken om de reactiesnelheid te verhogen.
   • Zelfmontage: Deze techniek omvat de spontane organisatie van moleculen in gestructureerde arrangementen. DNA-nanotechnologie maakt bijvoorbeeld gebruik van de baseparende eigenschappen van DNA om ingewikkelde nanostructuren te creëren.
   • Sol-Gel-verwerking: Dit omvat de overgang van een oplossingssysteem van een vloeibare ‘sol’ naar een vaste ‘gel’-fase. Het is vooral handig voor het maken van keramische en glasachtige nanostructuren.
3. Hybride benaderingen

                      Nanoimprint-lithografie (NIL): Hierbij worden aspecten van zowel een top-down- als een bottom-up-benadering gecombineerd. Hierbij wordt een mal met nanostructuur in een polymeerlaag gedrukt en vervolgens het polymeer uitgehard om de kenmerken op nanoschaal over te brengen.

Soorten nanosensoren

Er zijn verschillende soorten nanosensoren die hieronder worden besproken.

Fysieke nanosensoren

Deze sensoren worden gebruikt voor het meten van veranderingen binnen fysieke grootheden zoals snelheid, temperatuur, druk, elektrische krachten, verplaatsing, massa en nog veel meer. Deze nanosensoren worden gebruikt in verschillende toepassingen in het dagelijks leven en ook in de industrie. Nanowear Inc. maakt gebruik van fysieke nanosensoren voor het maken van draagbare onderkleding om mogelijk hartfalen op te sporen voordat het bij chronisch zieke patiënten optreedt, door te kijken naar veranderingen in de elektrische signalen van ons lichaam.

Chemische nanosensoren

Deze sensoren helpen bij het detecteren van verschillende chemicaliën (of) chemische eigenschappen zoals de pH-waarde. Dit is dus handig wanneer we kijken naar ecologische vervuiling (of) voor farmaceutische analyse. Meestal worden deze sensoren vervaardigd uit verschillende nanomaterialen zoals metalen nanodeeltjes of grafeen, omdat deze reageren op het voorkomen van bepaalde doelchemicaliën die moeten worden berekend.

Het beste voorbeeld van deze sensor is het detecteren van de pH-waarde van een vloeistof. Een onderzochte groep kon zo’n type sensor bouwen met behulp van polymeerborstels bedekt met gouden nanodeeltjes om met spectroscopische techniek de pH-waarde te detecteren.

Nano-biosensoren

Nano-biosensoren in de geneeskunde en gezondheidszorg kunnen ziekteverwekkers, toxines, tumoren en biomarkers nauwkeurig detecteren. Deze sensoren zetten de respons van moleculen om in optische of elektrische signalen en hebben het voordeel dat ze heel specifiek kunnen richten op wat er gemeten moet worden. Wanneer de grootte van een object en de verhouding tussen oppervlak en volume groter worden, hebben deze sensoren een groot voordeel voor grotere biosensoren, omdat ze betere detectie bieden wanneer de reactie door de beoogde moleculen vaker plaatsvindt.

Deze sensoren worden gebruikt door de Taiwanese start-up Instant NanoBiosensors Co., Ltd. Ze maken gebruik van een optische vezel bedekt met gouden nanodeeltjes en antilichamen voor het detecteren van verschillende biologische verbindingen.

Optische nanosensor

Optische nanosensoren hebben nanoschaal (of) nanogestructureerde sensormaterialen die bij optische frequenties een andere reactie op elektromagnetische excitatie demonstreren. Deze sensoren worden voornamelijk gebruikt om analytische redenen voor monitoring en identificatie van chemische of biologische processen. Deze sensoren zetten de gegevens ook om in signalen voor belangrijke informatie.

Voor-en nadelen

De voordelen van nanosensoren omvatten het volgende.

• Nanosensoren kunnen gemakkelijk interacteren op nanoniveau en observeren unieke ontwikkelingen op nanoniveau die anders zijn dan op macroniveau.
• Deze sensoren hebben een hoge gevoeligheid die meer nauwkeurigheid mogelijk maakt.
• Deze zijn duurzaam, stabiel, draagbaar, hoge gevoeligheid, kleine, robuuste respons, realtime detectie, selectiviteit en lichtgewicht,
• Deze sensor heeft een laag stroomverbruik
• Het vereist een laag monstervolume voor het analyseren en het veroorzaken van de minste verstoring van het waargenomen materiaal.
• De responstijd van deze sensor is laag en sneller dan andere sensoren, waardoor ze realtime analyses kunnen uitvoeren.
• Deze sensor detecteert verschillende dingen tegelijkertijd waardoor er verschillende functies mogelijk zijn.
• Nanosensoren vertonen een aanzienlijk bereik van detectiegevoeligheid (of) resolutie.
• Deze sensoren werken op kleinere schaal.
• Ze hebben een grotere gevoeligheid en meer nauwkeurigheid.

De nadelen van nanosensoren zijn onder meer de volgende.

• Deze sensoren zijn normaal gesproken minder selectief, vooral voor biologische metingen, omdat ze de hogere specificiteit missen voor bioreceptoren zoals DNA en antilichamen.
• De van bovenaf vervaardigde nanosensoren hebben een beperkte resolutie en zijn duur.
• De bottom-up-nanosensoren zijn zeer laag efficiënt, hebben een grote schaalgrootte en zijn extreem duur in vergelijking met andere.

Toepassingen

De toepassingen van nanosensoren omvatten het volgende.

• Nanosensoren worden vooral gebruikt voor een groot aantal toepassingen binnen de plantenwetenschappen zoals; stabiele energievoorziening, het detecteren van metabolische activiteiten, het opslaan en berekenen van informatie, en ook voor het detecteren en reageren op een breed scala aan ecologische stimuli.
• Dit is een uniek type sensor, voornamelijk ontworpen om chemische, biologische, omgevings- (of) fysische informatie op nanoschaalniveau te detecteren en te meten.
• Dit zijn mechanische of chemische sensoren die worden gebruikt in verschillende toepassingen, variërend van biomedische industrieën tot milieu-industrieën.
• Enkele veel voorkomende toepassingen van deze sensoren zijn voornamelijk;
• Deze sensoren helpen bij het detecteren van een verscheidenheid aan chemicaliën in gassen voor het monitoren van vervuiling.
• Een nanosensor wordt gebruikt om fysieke parameters zoals verplaatsing, stroming en temperatuur te monitoren.
• Nanosensoren helpen bij het monitoren van de signalering en het metabolisme van planten om de plantenbiologie te begrijpen.
• Het helpt bij het bestuderen van neurotransmitters in de hersenen om neurofysiologie te herkennen.
• Deze sensoren kunnen worden gebruikt als versnellingsmeters in MEMS-apparaten zoals airbagsensoren.
• Het wordt gebruikt om realtime metingen van de bodemgesteldheid te verzamelen, zoals; pH, voedingsstoffen, vocht en resterende pesticiden, voornamelijk voor agrarische doeleinden.
• Deze sensor wordt gebruikt voor het detecteren van pesticiden op groenten en fruit om kankerverwekkende stoffen in voedsel te detecteren.
• Het detecteert ziekteverwekkers in voedsel als onderdeel van voedselveiligheids- en kwaliteitscontrolemaatregelen.
• Deze sensor detecteert en bewaakt metabolieten van kleine moleculen.
• Het wordt gebruikt voor real-time monitoring van de metabolische activiteit van kankercellen als reactie op therapeutische indringing.

Dit is dus het geval een overzicht van een nanosensor , hun werking, typen, voordelen, nadelen en toepassingen. Een nanosensor is een apparaat op nanoschaal dat fysieke grootheden meet en ook omzet in signalen die zowel kunnen worden gedetecteerd als geanalyseerd. Deze sensoren zijn verkrijgbaar in verschillende typen en worden gebruikt in verschillende toepassingen, zoals de defensie-, gezondheidszorg- en milieu-industrie. Er zijn verschillende technieken beschikbaar om dit soort sensoren te vervaardigen; top-down lithografie, de tweede is bottom-up assemblage en de derde is moleculaire zelfassemblage. Hier is een vraag voor jou: nanosensor is uitgevonden door?