Ví dụ về cảm biến nano đầu tiên được phát triển vào năm 1999 tại Viện Công nghệ Georgia bởi các nhà nghiên cứu, một cải tiến được tạo ra từ ống nano carbon. Cảm biến nano là một loại cảm biến độc đáo và chúng là những nền tảng nhỏ được thiết kế để phát hiện và đo lường thông tin hóa học, sinh học, vật lý hoặc môi trường ở cấp độ nano. Những cái này cảm biến lý tưởng chủ yếu cho các ứng dụng cảm biến vì các đặc tính hạt nano độc đáo của chúng như; tỷ lệ diện tích bề mặt khổng lồ của chúng so với mức độ. Bài viết này cung cấp thông tin ngắn gọn về cảm biến nano, hoạt động, loại và ứng dụng của chúng.
Định nghĩa cảm biến nano
Một loại cảm biến có kích thước đặc trưng vài nanomet được gọi là cảm biến nano. Đây là cảm biến cơ học hoặc hóa học, được sử dụng để phát hiện sự xuất hiện của các hạt nano và các loại hóa chất hoặc kiểm tra các thông số vật lý khác nhau. Chúng được sử dụng trong các ứng dụng chẩn đoán y tế như cảm biến chất lượng nước, thực phẩm và các hóa chất khác. Cảm biến này hoạt động tương tự như cảm biến thông thường nhưng nó phát hiện số lượng nhỏ và chuyển chúng thành tín hiệu cần phân tích. Cảm biến nano được sử dụng trong hệ thống giao thông, phát hiện mầm bệnh, y học, sản xuất, kiểm soát ô nhiễm, v.v.
Một số ví dụ về cảm biến nano là; cảm biến nano huỳnh quang được chế tạo bằng DNA hoặc peptide, ống nano carbon, chấm lượng tử, cảm biến nano tùy thuộc vào sự ghép plasmon, chụp cộng hưởng từ và quang âm.
Linh kiện cảm biến nano
Các thành phần cảm biến nano chủ yếu bao gồm chất phân tích, cảm biến, đầu dò và máy dò. Cảm biến nano có khả năng đo mức điểm đơn phân tử. Nói chung, các cảm biến này hoạt động bằng cách theo dõi những thay đổi về điện trong vật liệu cảm biến.
Trong sơ đồ này, đầu tiên, chất phân tích từ dung dịch khuếch tán lên bề mặt của cảm biến nano. Sau đó, nó phản ứng một cách cụ thể và hiệu quả, do đó làm thay đổi các đặc tính lý hóa bề mặt đầu dò, dẫn đến thay đổi các đặc tính quang học (hoặc) điện tử của bề mặt đầu dò. Cuối cùng, tín hiệu này được chuyển thành tín hiệu điện được phát hiện
Nguyên lý làm việc của cảm biến nano
Cảm biến nano hoạt động bằng cách theo dõi những thay đổi về điện trong vật liệu cảm biến. Các bộ phận cơ bản của cảm biến nano là; chất phân tích, đầu dò, máy dò và đường phản hồi từ máy dò về phía khối cảm biến. Cảm biến nano đo lường mức độ phân tử đơn lẻ và hoạt động bằng cách duy trì sự thay đổi điện bên trong vật liệu cảm biến.
Chất phân tích trong cảm biến này trước tiên khuếch tán từ dung dịch lên bề mặt cảm biến và phản ứng chính xác và rất hiệu quả bằng cách thay đổi các đặc tính lý hóa của bề mặt. Sau đó, nó gây ra sự thay đổi về đặc tính của đầu dò quang điện tử. Vì vậy, cuối cùng sự thay đổi này có thể được chuyển đổi thành tín hiệu điện được chú ý.
Lịch sử cảm biến nano
- Cảm biến nano hay còn gọi là “Tủ quần áo nano” được thành lập vào năm 1990 và được xây dựng dựa trên nghiên cứu tại IBM Sindelfingen được tiến hành trên các công nghệ cơ bản cần thiết để xử lý hàng loạt đầu dò silicon AFM bằng vi cơ khí số lượng lớn.
- Cảm biến nano đã thương mại hóa đầu dò AFM & SPM trên toàn cầu vào năm 1993. Vì vậy, sự phát triển của họ trong công nghệ xử lý hàng loạt để tạo ra đầu dò AFM đã góp phần đưa Kính hiển vi lực nguyên tử vào ngành công nghiệp thời gian.
- Để xác định nhận thức này, các cảm biến này đã vinh danh Giải thưởng Sáng tạo Dr.-Rudolf-Eberle cho Bang Baden-Württemberg của Đức, Giải thưởng Sáng tạo Công nghiệp Đức năm 1995 và Giải thưởng Sáng tạo Förderkreis für die Mikroelektronik e.V trong năm 1999. Nanosensors vào năm 2002 đã được mua lại và tích hợp vào NanoWorld có trụ sở tại Thụy Sĩ, một đơn vị kinh doanh độc lập.
- Năm 2003, những cảm biến này đã giới thiệu đầu dò loại AFM cải tiến mới như AdvancedTEC™. Nó cho phép định vị chính xác và làm cho đầu dò này cung cấp Khả năng hiển thị đầu dò thực trong toàn bộ hệ thống quang học của kính hiển vi lực nguyên tử ngay cả khi đầu dò AFM hơi nghiêng do lắp đặt.
- Năm 2003, Sensors đã chỉ định NanoAndMore GmbH làm nhà phân phối chính thức mới cho Thổ Nhĩ Kỳ, Israel và Châu Âu.
- Năm 2004, PointProbe® Plus được giới thiệu, kết hợp các tính năng quen thuộc của Dòng PointProbe® đã được chứng minh như khả năng tương thích và tính linh hoạt ứng dụng cao với AFM thương mại.
- Vào năm 2005, Q30K-Plus đã được công bố, đây là thiết bị quét vùng gần đầu dò AFM mới với hệ số Q tuyệt vời và tỷ lệ S/N nâng cao cho các ứng dụng UHV.
- Nanosensors 2006 đã thay đổi mạng lưới phân phối Bắc Mỹ, thành viên của Tập đoàn NanoWorld,
- NanoAndMore USA Corp., đã trở thành nhà phân phối chính thức của Nanosensor tại Hoa Kỳ, Mexico và Canada.
- Nanosensors 2007 đã ra mắt dòng đầu dò AFM MFM silicon mới, giới thiệu dòng PointProbe® Plus XY-Alignment, ra mắt dòng đầu dò Plateau Tip AFM và công bố Dòng đầu dò AFM PointProbe® Plus.
- Năm 2008, hãng giới thiệu đầu dò Akiyama tự kích hoạt và tự cảm nhận.
- Nanosensor 2011 đã tải lên danh sách phát triển đặc biệt ban đầu của mình và công bố dòng đầu dò AFM dẫn điện, chống mài mòn mới và đầu dò AFM Platinum Silicide.
- Vào năm 2013, hai video màn hình đầu tiên đã được công bố trên kênh YouTube của mình.
- Hãng đã giới thiệu dòng đầu dò AFM mới được gọi là uniqprobe™ vào năm 2013.
Kỹ thuật chế tạo cảm biến nano
Có một số kỹ thuật được đề xuất để tạo ra những cảm biến này như; in thạch bản từ trên xuống, lắp ráp từ dưới lên và tự lắp ráp phân tử.
- Phương pháp tiếp cận từ trên xuống
- In thạch bản: Phương pháp này liên quan đến việc khắc các mẫu có kích thước nano lên các chất nền bằng cách sử dụng các kỹ thuật như quang khắc chùm tia điện tử (EBL) hoặc quang khắc. Đặc biệt, EBL cung cấp độ phân giải cao, cho phép tạo khuôn chính xác cần thiết để tạo ra các tính năng có kích thước nano.
- Khắc: Cả hai phương pháp khắc ướt và khô đều được sử dụng để loại bỏ vật liệu có chọn lọc khỏi bề mặt chất nền nhằm tạo ra các cấu trúc có kích thước nano. Khắc ion phản ứng (RIE) là một kỹ thuật khắc khô phổ biến nhờ độ chính xác và khả năng tạo ra các mẫu phức tạp.
- Phương pháp tiếp cận từ dưới lên
- Lắng đọng hơi hóa học (CVD): CVD là một quá trình trong đó các chất phản ứng dạng khí tạo thành vật liệu rắn trên chất nền, tạo ra các màng mỏng và cấu trúc nano. Các biến thể như CVD tăng cường huyết tương (PECVD) tăng cường quá trình bằng cách sử dụng huyết tương để tăng tốc độ phản ứng.
- Tự lắp ráp: Kỹ thuật này liên quan đến việc tổ chức các phân tử một cách tự phát thành các sắp xếp có cấu trúc. Ví dụ, công nghệ nano DNA sử dụng các đặc tính ghép cặp bazơ của DNA để tạo ra các cấu trúc nano phức tạp.
- Xử lý Sol-Gel: Điều này liên quan đến việc chuyển đổi hệ thống dung dịch từ pha ‘sol’ lỏng sang pha ‘gel’ rắn. Nó đặc biệt hữu ích trong việc tạo ra các cấu trúc nano gốm và thủy tinh.
- Phương pháp tiếp cận lai
Kỹ thuật in thạch bản nano (NIL): Điều này kết hợp các khía cạnh của cả hai cách tiếp cận từ trên xuống và từ dưới lên. Nó liên quan đến việc ép một khuôn có cấu trúc nano vào một lớp polymer, sau đó xử lý polyme để chuyển các đặc tính có kích thước nano.
Các loại cảm biến nano
Có nhiều loại cảm biến nano khác nhau sẽ được thảo luận dưới đây.
Cảm biến nano vật lý
Những cảm biến này được sử dụng để đo lường những thay đổi trong các đại lượng vật lý như vận tốc, nhiệt độ, áp suất, lực điện, độ dịch chuyển, khối lượng, v.v. Những cảm biến nano này được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau trong cuộc sống hàng ngày cũng như trong các ngành công nghiệp. Nanowear Inc. sử dụng các cảm biến nano vật lý để chế tạo đồ lót có thể mặc được nhằm phát hiện tình trạng suy tim có thể xảy ra trước khi nó xảy ra ở những bệnh nhân mắc bệnh mãn tính bằng cách xem xét những thay đổi trong tín hiệu điện từ cơ thể chúng ta.
Cảm biến nano hóa học
Những cảm biến này giúp phát hiện các hóa chất (hoặc) tính chất hóa học khác nhau như giá trị pH. Vì vậy, điều này rất hữu ích khi xem xét ô nhiễm sinh thái (hoặc) để phân tích dược phẩm. Thông thường, các cảm biến này được chế tạo từ các vật liệu nano khác nhau như hạt nano kim loại hoặc graphene vì chúng phản ứng với sự xuất hiện của các hóa chất mục tiêu cụ thể cần được tính toán.
Ví dụ tốt nhất về cảm biến này là phát hiện giá trị pH của chất lỏng. Một nhóm nghiên cứu đã có thể chế tạo một loại cảm biến như vậy bằng cách sử dụng chổi polyme phủ các hạt nano vàng để phát hiện giá trị pH bằng kỹ thuật quang phổ.
Cảm biến sinh học nano
Cảm biến sinh học nano trong y học và chăm sóc sức khỏe có thể phát hiện chính xác mầm bệnh, chất độc, khối u và dấu ấn sinh học. Những cảm biến này chuyển đổi phản ứng của các phân tử thành tín hiệu quang hoặc điện và có lợi ích là có thể nhắm mục tiêu cực kỳ cụ thể vào những gì cần đo. Bất cứ khi nào kích thước của vật thể và tỷ lệ bề mặt trên thể tích của nó lớn hơn, thì những cảm biến này sẽ mang lại lợi ích lớn cho các cảm biến sinh học lớn hơn để cung cấp cảm biến tốt hơn khi phản ứng thông qua các phân tử mục tiêu xảy ra thường xuyên hơn.
Những cảm biến này được công ty khởi nghiệp Instant NanoBiosensors Co., Ltd của Đài Loan sử dụng. Họ sử dụng sợi quang được phủ các hạt nano vàng và kháng thể để phát hiện các hợp chất sinh học khác nhau.
Cảm biến nano quang học
Cảm biến nano quang học có vật liệu cảm biến có cấu trúc nano (hoặc) có kích thước nano thể hiện phản ứng khác nhau ở tần số quang học đối với sự kích thích điện từ. Những cảm biến này chủ yếu được sử dụng cho mục đích phân tích để theo dõi cũng như xác định các quá trình hóa học hoặc sinh học. Những cảm biến này cũng thay đổi dữ liệu thành tín hiệu cho thông tin quan trọng.
Ưu điểm và nhược điểm
Các Ưu điểm của cảm biến nano bao gồm những điều sau đây.
- Cảm biến nano có thể dễ dàng tương tác ở cấp độ nano và chúng quan sát những phát triển độc đáo ở cấp độ nano khác với cấp độ vĩ mô.
- Những cảm biến này có độ nhạy cao cho phép độ chính xác cao hơn.
- Chúng bền, ổn định, di động, độ nhạy cao, nhỏ, phản hồi mạnh mẽ, phát hiện thời gian thực, chọn lọc và nhẹ,
- Cảm biến này có mức tiêu thụ điện năng thấp
- Nó đòi hỏi thể tích mẫu thấp để phân tích và gây ra ít xáo trộn nhất cho vật liệu được quan sát.
- Thời gian phản hồi của cảm biến này thấp và có tốc độ nhanh hơn các cảm biến khác, cho phép chúng thực hiện phân tích theo thời gian thực.
- Cảm biến này phát hiện đồng thời nhiều thứ khác nhau, cho phép thực hiện nhiều chức năng khác nhau.
- Cảm biến nano hiển thị phạm vi độ phân giải (hoặc) độ nhạy phát hiện đáng kể.
- Những cảm biến này hoạt động ở quy mô nhỏ hơn.
- Chúng có độ nhạy cao hơn và độ chính xác cao hơn.
Những nhược điểm của cảm biến nano bao gồm những điều sau đây.
- Những cảm biến này thường ít chọn lọc hơn, chủ yếu dành cho các phép đo sinh học vì chúng thiếu độ đặc hiệu cao hơn đối với các thụ thể sinh học như DNA và kháng thể.
- Cảm biến nano được chế tạo từ trên xuống có độ phân giải hạn chế và chúng đắt tiền.
- Cảm biến nano loại từ dưới lên có hiệu suất rất thấp, có tỷ lệ lớn và cực kỳ đắt so với các loại khác.
Các ứng dụng
Các ứng dụng của cảm biến nano bao gồm:
- Cảm biến nano được sử dụng chủ yếu cho một số lượng lớn ứng dụng trong khoa học thực vật như; cung cấp năng lượng ổn định, phát hiện các hoạt động trao đổi chất, lưu trữ và tính toán thông tin, đồng thời phát hiện và phản ứng với một loạt các kích thích sinh thái.
- Đây là loại cảm biến độc đáo, được thiết kế chủ yếu để phát hiện và đo lường thông tin vật lý, sinh học, môi trường (hoặc) ở cấp độ nano.
- Đây là những cảm biến cơ học hoặc hóa học, được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau, từ ngành y sinh đến ngành môi trường.
- Một số ứng dụng phổ biến của các cảm biến này chủ yếu bao gồm;
- Những cảm biến này giúp phát hiện nhiều loại hóa chất trong khí để theo dõi ô nhiễm.
- Cảm biến nano được sử dụng để theo dõi các thông số vật lý như độ dịch chuyển, lưu lượng và nhiệt độ.
- Cảm biến nano giúp theo dõi tín hiệu và quá trình trao đổi chất của thực vật để hiểu rõ hơn về sinh học thực vật.
- Nó giúp nghiên cứu các chất dẫn truyền thần kinh trong não để nhận biết sinh lý thần kinh.
- Những cảm biến này có thể được sử dụng làm gia tốc kế trong các thiết bị MEMS như cảm biến túi khí.
- Nó được sử dụng để thu thập các phép đo điều kiện đất theo thời gian thực như; pH, chất dinh dưỡng, độ ẩm và thuốc trừ sâu còn sót lại chủ yếu phục vụ mục đích nông nghiệp.
- Cảm biến này được sử dụng để phát hiện thuốc trừ sâu trên rau củ quả nhằm phát hiện chất gây ung thư trong thực phẩm.
- Nó phát hiện mầm bệnh trong thực phẩm như một yếu tố của các biện pháp kiểm soát chất lượng và an ninh lương thực.
- Cảm biến này phát hiện và giám sát các chất chuyển hóa phân tử nhỏ.
- Nó được sử dụng để theo dõi hoạt động của tế bào ung thư chuyển hóa theo thời gian thực nhằm đáp ứng với sự xâm nhập của liệu pháp điều trị.
Như vậy, đây là tổng quan về cảm biến nano , hoạt động, chủng loại, ưu điểm, nhược điểm và ứng dụng của chúng. Cảm biến nano là một thiết bị có kích thước nano để đo các đại lượng vật lý và cũng thay đổi thành tín hiệu có thể được phát hiện cũng như phân tích. Những cảm biến này có nhiều loại khác nhau được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau như ngành quốc phòng, chăm sóc sức khỏe và môi trường. Có nhiều kỹ thuật khác nhau để chế tạo các loại cảm biến này; kỹ thuật in thạch bản từ trên xuống, thứ hai là lắp ráp từ dưới lên và thứ ba là tự lắp ráp phân tử. Đây là một câu hỏi dành cho bạn, cảm biến nano được phát minh bởi?
