纳米材料及传感器

当今科技的发展要求材料的超微化、智能化、元件的高集成、高密度存储和超快传输等特性，为纳米科技和纳米材料的应用提供了广阔的空间。

利用纳米技术制作的传感器，尺寸减小、精度提高、性能大大改善，纳米传感器是站在原子尺度上，从而极大地丰富了传感器的理论，推动了传感器的制作水平，拓宽了传感器的应用领域。纳米传感器现已在生物、化学、机械、航空、军事等领域获得广泛的发展。

纳米材料及传感器

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于0.1～100nm尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。

由于纳米材料的表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应 及宏观量子隧道效应等特性使得纳米材料在各个领域都有很好的应用。而应用纳米技术研究开发纳米传感器，有两种情况：一是采用纳米结构的材料（包括粉粒状纳米材料和薄膜状的纳米材料）制作传感器；二是研究操作单个或多个纳米原子有序排列成所需结构而制作传感器。

纳米材料具有巨大的比表面积和界面，对外部环境的变化十分敏感。温度、光、湿度和气氛的变化均会引起表面或界面离子价态和电子输出的迅速改变，而且响应快，灵敏度高。因此，利用纳米固体的界面效应、尺寸效应、量子效应，可制成传感器。传感器的研究开发与纳米材料的研究相比，主要体现在应用得更加具体化。传感器上所用的纳米材料主要是陶瓷材料。

纳米传感器的特点

与传统的传感器相比，纳米传感器由于可以在原子和分子尺度上进行操作，充分利用了纳米材料的反应活性、拉曼光谱效应、催化效率、导电性、强度、硬度、韧性、超强可塑性和超顺磁性等特有性质，因而具有许多显著特点：

1、灵敏度高。

用于探测有毒气体的碳纳米管传感器，利用纳米晶或多孔纳米材料可以增加与毒性气体分子接触的表面积，其灵敏度可以增加几倍。若利用氧化锡、氧化锑、氧化锌的纳米颗粒做成传感器，灵敏度也将大为提高。研究人员运用碳纳米管与纳米薄膜技术，研制出具有高灵敏度、高稳定性的柔性可穿戴仿生触觉传感器——人造仿生电子皮肤，可对人体不同生理状态进行准确检测和疾病前期诊断。

2、功耗小。

随着微机电技术和微纳材料技术的发展，使得纳米传感器向着超微型化、智能化方向迅速发展，纳米级机器人传感器已经可以通过血液注入的方式进入人体，对人体的生理参数进行实时监测，并有望对于癌变细胞、致病基因进行靶向精确治疗。与传统传感器相比，纳米传感器还可具有自供电能力、从环境中收集光辐射和电磁辐射能量的能力。

3、成本低。

随着纳米材料制备技术的成熟，制造过程的可重复性和批量化生产已不存在太大的问题，纳米传感器的制造成本亦可以大大降低。低成本、小微型化节点的纳米传感器进行大量布撒，可以形成无线纳米传感器网络，这一优势可以使纳米传感器的探测能力大大扩展，为气候监测与环境保护等领域带来革命性的变化。

4、多功能集成。

传统的传感器一般为具有单一功能的传感器，纳米传感器则可以将成千上万的具有不同功能的纳米传感器组成的阵列加工在一个小微型化芯片上，使其具有多功能探测与分析能力，并具有越来越强大的数据处理、存储与分析的能力，若与互联网相连接，还将具备数据远程分析处理的能力。其“傻瓜化”特征使其操作十分简便。

纳米传感器的这些特点将使其在构建各类物联网的进程中拥有可观的发展前景和巨大的应用潜力，纳米传感器技术也有望成为推动世界范围内新一轮科技革命、产业革命和军事革命的“颠覆性”技术。

纳米特性传感器

纳米特性传感器即利用纳米材料特性制成的传感器，纳米特性传感器的特征是比表面积大。随着接触面积的增大，便出现了许多特异的性能，可满足传感器功能要求的敏感度、应答速度、检测范围等。下面是几种纳米特性传感器的原理及应用举例。

1、气敏传感器

半导体纳米气体传感器是利用半导体纳米陶瓷与气体接触时电阻的变化来检测低浓度气体。半导体纳米陶瓷表面吸附气体分子时，根据半导体的类型和气体分子的种类不同，材料的电阻率也随之发生不同的变化。半导体纳米材料表面吸附气体时，如果外表原子的电子亲合能大于表面逸出功，原子将从半导体表面得到电子，形成负离子吸附。相反，形成正离子吸附。N型半导体发生负离子吸附时，其能带的变化如图1所示。

半导体吸附前后能带图

2、湿敏传感器

湿度传感器的工作原理是半导体纳米材料制成的陶瓷电阻随湿度的变化关系决定的。纳米固体具有明显的湿敏特性。对外界环境湿气十分敏感。环境湿度迅速引起其表面或界面离子价态和电子运输的变化。例如，纳米晶体电导随水分变化显著，响应时间短，2min即可达到平衡。湿度传感器的湿敏机制有电子导电和质子导电等。例如纳米陶瓷的导电机制是离子导电，质子是主要的电荷载体，其导电性由于吸附水而增高。

3、压敏传感器

氧化锌系纳米传感器，由于其具有均匀的晶粒尺寸，它不但适用于低电压器件，而且更适用于高电压电力站，它能量吸收容量高，在大电流时非线性好，响应时间短，电学性能极好，且寿命长。纳米氧化锌压敏传感器高度的非线性电压－电流关系，主要由绝缘晶界层决定。两个ZnO分解，形成填隙Zni原子，同时产生氧空位，如下式所示：

Zni及经一次和二次电离，就形成为载流子的N型半导体了。

4、纳米超薄膜化学传感器

利用2nm的金粒子做核，以巯基烷基酸做有机连接剂，连接剂通过氢键互相作用把纳米粒子组装成多孔纳米超薄膜（图2）。这种纳米超薄膜可以涂覆到电极上用来响应电活化的金属离子。纳米粒子间氢键连接形成的通道大小可以通过pH值以及电极电压进行调整，用做电化学传感器，对特定的金属离子进行响应、监测。

多孔纳米超薄膜金属粒子传感器示意图

5、新型超敏感纳米传感器

新型超敏感传感器能够通过光线的反射来检测跟分子一样小的物质，这样就使得传感器的可检测范围进一步扩大，从可爆炸物到癌症分子均可被新型传感器所检测[3]。此新型传感器所使用的芯片上布满了金属立柱，这些金属立柱能够用来增强从物体反射回来的光信号。新型传感器的传感能力是现有传感器能力的l0亿倍。这种新设备被称为“磁盘耦合柱点天线阵列”或D2PA，生产制备简单且成本低廉。

纳米生物传感器

随着生命科学研究的不断发展．人们对生物体的研究也由器官、组织达到了细胞、亚细胞层次，微型化、动态、多参数、实时无损检测，已成为生物传感器发展的趋势[4]。纳米生物技术是国际生物技术领域的前沿和热点问题，在医药卫生，食品生产和监控，环境监测等领域有着广泛的应用和明确的产业化前景。目前人们已研制出了尺寸在微米、纳米量级的生物传感器和生物图像传感器。下面是几个纳米生物传感器的例子。

1、 纳米微悬梁生物传感器

IBM公司和瑞典Basel大学的研究人员开发了一种新型的纳米微悬梁生物传感器，利用DNA分子的双螺旋机构，作为分子特异性识别能力的模型。器件的核心是硅悬梁天平阵列，长500μm，宽100μm，厚度为1μm。由于生物分子的结合，从而引起悬梁臂的弯曲，通过激光反射技术，该器件能够检测到10～20nm的弯曲。在悬梁天平阵列表面固定具有不同识别性的分子，构成阵列式生物传感器可以同时检测多项指标（如图3所示）。

磁力放大悬臂梁生物传感器的结构示意图

2、模拟离子通道开关的生物传感器

澳大利亚AMBRI有限公司悉尼实验室的专家，研制出的一种手持式纳米生物传感器（图4），可以探测空气中的病原体，比如说炭疽热病菌等，非常适合生物武器的现场检测。这种传感器通过模拟细胞膜，形成具有开关功能的离子通道，当敏感膜与样本中的受体结合，引起离子通道的关闭，从而影响导电性能。其用途非常广泛，一个拇指指甲大小的传感器能在几分钟内，帮助医生从病人的体液中确认病因。另外，这种传感器可以用来控制环境污染等。

模拟离子通道开关的生物传感器 

3、光纤纳米免疫传感器

免疫传感器是指用于检测抗原抗体反应的传感器而光纤纳米免疫传感器是在其基础上将敏感部制成纳米级，既保留了光学免疫传感器的诸多优点，又使之能适用于单个细胞的测量。

Dinh等人成功地研制出一种用于检测BPT的光纤纳米免疫传感器[5]，传感器头部的生物探针上结合了特异性单克隆抗体，通过抗原抗体特异性结合，能够检测单个细胞内的生物化学物质。BPT纳米传感器制好后，在专用于单细胞操作的显微操纵仪/显微注射器上进行细胞穿刺及检测实验（见图5）。

用光纤纳米免疫传感器检测单个细胞的实验平台

Dinh和他的同事还将一根纳米传感器探针携带一束激光刺入一个活细胞，从而探测多种细胞内物质，监控活细胞的蛋白和其它所感兴趣的生物化学物质（图6）。

一根纳米传感器探针携带一束激光刺入一个活细胞

纳米传感器技术在生活中的应用

1、采用纳米腔传感器探测病毒

纽约Rochester大学研究者发明了一种纳米传感器可检测出千万亿分之一克的生物学物质或病毒[6]。将来这种传感器可能用于检测流感、SARS、禽流感或其它病毒。传感器由微小的六边形腔构成，每个腔直径240nm，用光电子技术在一个非常薄的硅板上雕刻而成，一块板整个面积为40mm，当光束直接通过晶体，光谱中特殊的部分与晶体作用并通过。但当有一粒子被其中一个纳米腔捕获，传输的光谱将发生轻微改变，然后探测器就可感应到被改变的光谱。当在某一大小范围内，病毒在某一纳米腔被捕获，传送的光谱将不同于没有病毒粒子存在的光谱。

2、利用纳米传感器快速检测癌症

美国耶鲁大学的科研人员研发出了一种可快速检测癌症的纳米传感器[7]。这种仪器可以从病人的血液中找到前列腺癌、乳腺癌和其他癌症的生物标记，与传统检测方法相比，其检测结果更加准确，而且成本不高。其操作方便，医生只需从病人手指上取一点血，便可很快完成检测，整个过程只需20分钟。由于血液的成分复杂，为找到能监测癌症的生物标记，研究人员使用了一个类似过滤器的装置，使这种纳米传感器能直接从血液中过滤出所需检测的物质，其精度相当于从一个巨大的游泳池中找到一颗盐粒。虽然这种仪器目前还不能马上投入实际应用，但在进一步对其完善的基础上可以制造出更简便快捷的癌症诊断仪器。

3、可自行发电的纳米传感器

美国化学学会的科学家们发明了一种能实现自行发电的新型传感器。它能够实现30英尺距离无电池参与下的运行，这意味着它能够利用环境自行发电，能源来源包括太阳能、声波、震动、化学、气流和热能，无线数据的传输都由设备自行供电，用一个电容器来实现电力存储。这种传感器不仅仅用于医疗，还可以用于空中摄像机、可穿戴电子产品等，套用威廉吉布森的话，未来已经来临。

纳米技术是21世纪三大技术之一，它必将对人们的生产和生活带来巨大的进步和飞跃，而在纳米技术中，对社会生活和生产方式将产生最深刻而广泛影响的纳米器件的研究水平和应用程度标志着一个国家纳米科技的总体水平，而纳米传感器恰恰就是纳米器件研究中的一个极其重要的领域。因此，新型纳米传感器的研究将更上一层楼，纳米材料在传感器领域的应用也会层出不穷。

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