Наносенсоры: Эволюция, а не революции ... Еще

Перспективные нанотехнологии поддержкой датчиков, устройств мониторинга и аналитических инструментов, чтобы продолжать наступление в направлении коммерциализации для различных промышленных, экологических, медицинских и военных целях, - но препятствия остаются.

Хотя они и не видны невооруженным глазом, инженерных наноразмерных материалов, изготовленных из таких веществ, как общие оксидов металлов, полимеры, керамика, и новые производные углерода (например, углеродные нанотрубки), свидетельствуют многие желательно физических свойств. Например, по сравнению с их коллегами macroscaled, наноматериалы могут предложить большую реактивность, оптического поглощения и каталитической эффективности, увеличения электропроводности, твердость, износостойкость, прочность и огнестойкости, а также улучшение барьер и магнитных свойств.

Эти уникальные свойства предоставляют преимущества производительности в широком спектре приложений. В последние годы, нанотехнологии связанных успехи позволили коммерциализации точности химико-механической полировки (CMP) суспензий, используемых в производстве полупроводников, а также в качестве катализаторов, передовых композитных материалов, керамики, красок и покрытий, косметики, солнцезащитных кремах и другой личной гигиены продукции. Здравоохранения области имеет выгоды от разнообразных диагностических и терапевтических достижений, связанных с выявления заболевания на ранних стадиях, улучшение доставки лекарств, а также упорядочить лекарств .*

Так что не удивительно, что научное сообщество было трудно на работе использовать чрезвычайные соотношения поверхностных areato объема и другие уникальные свойства многочисленных наноструктуры - в том числе наночастиц, углеродные нанотрубки, нанопроволоки, наноразмерных тонких пленок, точки полупроводниковых квантовых и nanocantilevers - развивать современное состояние наносенсоров. В частности, с их небольшой размер, малый вес и большой реактивной поверхности, таких инженерных наноструктур как было показано, улучшить - на несколько порядков - чувствительность, селективность и время отклика сенсорных технологий (тем самым обеспечивая преимущество над медленнее, более дорогостоящим, laboratorybased аналитических методов), а также значительно уменьшить размеры, вес и потребляемую мощность в результате мониторинга устройств по сравнению с обычными, macroscaled альтернатив.

Сегодня многочисленные нано-конструкций датчиков осуществляется по улучшению промышленного процесса мониторинга и обнаружения утечек, мониторинга окружающей среды (качество воздуха и воды), foodquality наблюдения, медицинской диагностики, а также дать надежные в реальном времени обнаружения химических, биологических, радиологических и ядерной опасности для военных и антитеррористических приложений.

Используя площадь

Когда знакомые элементы выражаются через нм, невообразимо малых размеров nanorealm становятся все более очевидными. Например, на странице этой статьи печатается на около 100000 нм, средняя человеческого волоса составляет около 10 000 нм в диаметре, большинство белков имеют размеры от 1 до 20 нм, одного атома золота составляет около 0,33 нм в диаметре, один атом водорода имеет диаметр 0.04nm.

"Чтобы получить представление о том, огромные площади, что исходит от сокращения, рассмотрим одностенных углеродных нанотрубок, которые имеют площадь 1600 м ^ 2 ^ SUP / г. Just 4 г нанотрубок имеет ту же площадь, как футбольное поле ", говорит Meyya Meyyappan, ведущий научный технологий разведки в НАСА Ames Research Center (Моффетт Филд, Калифорния; <A HREF =" http://www.ipt.arc.nasa.gov "целевых =" _blank "относительной = "NOFOLLOW"> www.ipt.arc.nasa.gov </ A>), который до прошлого года был директором Центра нанотехнологий в NASA Ames. Наночастиц оксидов металлов и других традиционных материалов macroscaled же хорошо обеспеченных когда речь идет о чрезвычайных соотношение поверхностной площади к объему.

"Многие типы датчиков зависит от сорбции целевого аналита для обнаружения и сорбции зависит от площади поверхности и химии поверхностных явлений", говорит Глен Fryxell, научный сотрудник в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL; Richland, WA; <A HREF = "http://www.pnl.gov" целевых = "_blank" относительной = "NOFOLLOW"> www.pnl.gov </ A>). Заставить интерфейс датчика из нанопористого и нанокристаллических материалов "позволяет увеличить площадь существенно (на несколько порядков), тем самым вызвать увеличение интенсивности сигнала, что можно от этого датчика аналогичный фактор", добавляет он.

"Сегодня, химические датчики газового рынка в значительной степени доминируют macroscaled олова на основе оксида датчиков и полимерной основе датчиков, но ни в том, что большой с точки зрения чувствительности, а также на основе оксида датчики требуют операции при повышенных температурах (около 200 ° C) ", говорит Meyyappan. Для сравнения, наносенсоры что использование наноразмерных частиц оксида олова, оксида индия, оксид цинка и другие материалы демонстрируют высокую чувствительность, и они могут быть меньше, что имеет свои преимущества с точки зрения простоты конструкции и эксплуатации, снизить энергопотребление, и даже комнаты- температурах.

"Сегодня перспективными наносенсоров имеем беспрецедентную чувствительность, но сами по себе, многие" без всяких украшений 'наноматериалов и наноструктур, а бедные на избирательность в это время ", говорит Томас Thundat, лидер группы и корпоративный сотрудник в наноразмерные науки и устройства Группа биологических наук Div. в национальной лаборатории Oak Ridge (ORNL; Ок-Ридж, Теннеси; <a target="_blank" href="http://www.oml.gov" rel="nofollow"> www.oml.gov </ A>). Одна из проблем, связанных с использованием углеродных нанотрубок, что "они не являются естественным избирательным ни за что, так нанотрубки сенсоров на основе неизбежно потребует определенного типа химических вмешательства проектирование", добавляет Meyyappan.

Исследователи во всем мире добились огромных успехов на пути к functionalizing нанотрубок - путем модификации их поверхности (например, путем добавления покрытие), либо путем легирования атомами (например, палладий) в нанотрубок - чтобы сделать их более конкретным избирательным аналитов. Аналогичные успехи не за горами изменить другие типы наночастиц. Например, проводимость квантовых точек и длины волны света они испускают могут быть настроены путем легирования точки с иностранными атомов или путем изменения оптических методов возбуждения или внешних электрических полей, используемых для их активации.

Multi-анализируемых массивов датчика

Большинство обычных химических сенсоров оптимизированы для обнаружения отдельных видов химических веществ. Для сравнения, многие проекты наносенсорные способны не только обнаружить цель химической, но и различие между несколькими видами химического вещества в образце поток. Это возможность мультиплексирования предлагает существенное улучшение в режиме реального времени химического воздействия мониторинга и выявления заболеваний.

"Наносенсоры сможете обнаружить несколько анализируемых в то же время, поскольку они позволяют массива мелких датчики - возможно, в сотни или тысячи - для использования в одном устройстве контроля", говорит Thundat. "Для сравнения, усилия по контролю многочисленные газов цели с помощью обычных многочисленные автономные датчики является очень громоздким и дорогостоящим подходом".

Для разработки нанотрубок датчиков, которые могут эффективно дискриминации среди целевых аналитов и производить уникальную подпись при воздействии на образец, многие исследователи разрабатывают сенсорными чипами, которые перевозят до 32 различных наносенсоров на одной 1-см на 1 см чипа. Каждый наносенсорные настраивается для конкретных химических или биологических агентов - с использованием сочетания нанопроводов и нанотрубок, содержащих различные химические покрытия или функциональных групп, или в результате химических и / или физические различия.

"Сегодня очень мощный сигнал для обработки и распознавания алгоритмов уже существуют, поэтому, когда Вы открываете данный наносенсорные массив к единственному окружающей образец, устройство может генерировать уникальные отпечатки пальцев, который идентифицирует молекул-мишеней", объясняет Meyyappan (рис. 1) .

Наличие ультра-компактных маломощных наносенсорные устройств на основе мониторинга, как ожидается, в конечном счете открыть двери для использования с массовым параллелизмом массивов датчика. В такой системе, сотни, тысячи или даже миллионы высокой чувствительности наноразмерных чувствительных элементов будет широко распространено одновременно контролировать большое количество химического, биологического и радиологического анализируемых в данной заявке, для повышения надежности, чувствительности, точности и избирательности.

Миниатюризация приводит и другие преимущества, а также. Например, крошечные устройства адрес вес соображения, которые имеют особое значение для военных и авиационных приложений. А использование прочный, надежный, недорогой датчиков позволяет в долгосрочной перспективе, автоматической работы техобслуживания сенсорных сетей в суровых условиях и отдаленных районах.

Миниатюрных наносенсоров также идеально подходит для использования в мобильных и портативных (даже одноразовые) устройств контроля за множество приложений - расширение беспрецедентные возможности обнаружения на личном уровне, чтобы обеспечить контроль в реальном времени на наличие взрывчатых веществ или потенциального воздействия химических и биологических агентов (таких, как сибирская язва и оспа) или радиологической опасности.

Существуют разные мнения о том, какие методологии нано-датчиков, а также применение которых, будет выступать как фаворитом в гонке за коммерциализации.

"Конечный пользователь не все равно, что происходит внутри датчика. Они просто ищет однозначный результаты мониторинга устройство, которое может обеспечить более высокую чувствительность, селективность и большей абсолютной дискриминации, низкое энергопотребление, компактный дизайн и низкие капитальные и эксплуатационные расходы ", говорит Meyyappan. "Как только наносенсоров стать коммерчески жизнеспособными, они открывают целый ряд возможностей для химических сенсоров, и они будут иметь возможность решения широкого открытого спрос на улучшение химических газовых сенсоров, которые существуют в мониторинге арене сегодня".

"Сегодня многие компании занимаются разработкой наносенсоров для использования в биомедицинской диагностики, потому что, как правило, более четко определить путь на рынок, что делает его легче для инвесторов, для оценки технологий, и более четкой оценки показателей, которые облегчают повысить населения] ", говорит Майкл Холман, директор по исследованиям LUX Research (Нью-Йорк, штат Нью-Йорк; <a target="_blank" href="http://www.luxresearchinc.com" rel="nofollow"> www.luxresearchinc . COM </ A>). "Здравоохранение связанных и биомедицинских приложений также имеют тенденцию быть менее чувствительных к цене, так что создается впечатление, что пользователи будут готовы платить больше за механизм премии тестирования это быстрее и более чувствительны, чем преобладающие лаборатории основе сегодняшних методов испытаний, которые дорогостоящим и длительным ".

В отличие от Yuehe Лин, научный сотрудник в PNNL, предсказывает, что маленькие, мультиплексированных наносенсоры, которые позволяют быстро, точно обнаружения токсичных видов химических веществ (для промышленных и мониторинга окружающей среды и улучшения Национальная Безопаность) будет первым пересечь порог коммерциализации. "С технической точки зрения, выявления целевых аналитов воды или воздуха, не так сложно, как работать с биологическими образцами, такие как кровь", говорит он.

Нанотрубки сенсоров на основе: на грани

Углеродные нанотрубки были любимец сообщества нанотехнологии с момента их открытия в 1990 году, благодаря своим уникальным механические, электрические и другие свойства. Например, в дополнение к своей внеочередной поверхности, они похвастаться силой от 20 до KX) раз больше, высокопрочных сплавов и стали; исключительной устойчивости, с возможностью быть устранена без ущерба после крайнего изгиб; сверхлегкий вес, прочность на растяжение около 200 gigapascal и жесткость пять раз выше, чем сталь.

В этот замечательный набор свойств, а также их способность быть химически или биологически изменен, чтобы сделать их более чувствительны к целевой молекулы, нанотрубки сенсоров на основе, по мнению многих наблюдателей отрасли, скорее всего, внести свой путь к широкой коммерческой доступности.

"Потому что проводимости, емкости, диэлектрической проницаемости и других свойств углеродных нанотрубок изменений в качестве пары или газы адсорбируются, мониторинг один из этих свойств является основой для зондирования", объясняет Meyyappan НАСА. "Использование массив сенсоров, в сочетании с распознавания алгоритмов, делает возможным развитие" электронного носа "тип датчика".

Линь и его коллеги в PNNL и Бостонского колледжа разработали новые нанотрубки основе глюкозы монитора (Рисунок 2), которые могут селективно обнаруживать глюкозы в присутствии других биологически активных соединений. Устройства потенциально могут быть использованы для быстрого и точного определения уровня глюкозы в биологических жидкостях для больных сахарным диабетом.

Команда Лин сфабрикованы вертикально ориентированных нанотрубок массива устройства растущей нанотрубок непосредственно на узорной катализатором, и может регулировать плотность массива путем изменения плотности катализатора. Далее, они придают ферментов глюкозооксидазы до кончиков нанотрубок, выращенных с помощью хрома покрытием материал, который выступает в качестве электрода контакт. Концы углеродных нанотрубок выступать через слой изоляции, что позволяет им вступать в контакт с образцом.

"Глюкоза в образце начинается каталитической реакции с ферментом, энергия от которых передается через nanoectrodes", говорит Линь, который был главным исследователем этого nanosnsor. "Чем сильнее сигнал, тем выше уровень сахара".

"Используя этот подход, nanoelectrode массивов, состоящих из миллионов вертикально ориентированных нанотрубок. Каждого, выступающей в качестве отдельного электрода, были изготовлены на основе не-литографических методов. Это приводит к быстрому реагированию и высшего signaJ-/ шум (выше плотность тока генерируется от датчика), "объясняет он.

Массив насчитывает около 1000 тысяч нанотрубок интегрированным микрочипом электрода, что меры, 5 мм х 5 мм. Этот датчик массив был включен в портативные устройства с помощью PNNL запатентованной технологии.

Другой переносной трубки основе датчика, который действует как сверхчувствительные подход для обнаружения свинца было показано также в PNNL. "Потому что ионы свинца, растворимые в биологических жидкостях и могут быть сконцентрированы на концах нанотрубки путем электроосаждения, датчик было показано точно определить отравления свинцом в 3 минут или даже меньше", говорит Линь.

Тем временем. NASA Ames "успешно продемонстрировала nanotubebased химических сенсоров для обнаружения диоксида азота, диоксида серы, аммиака, метана, ацетона, бензола, толуола, формальдегида, перекиси водорода, нитротолуола и другие", говорит Meyyappan. Он отмечает, что данная технология близка к коммерциализации, и в настоящее время переведен в отрасль с помощью лицензионного соглашения с Nanoshield, Inc (Пало-Альто, Калифорния).

Характерное преимущество наносенсорные НАСА, в соответствии с Meyyappan, является то, что он использует неприсоединившихся объем нанотрубок, которые случайно применяться и иммобилизованных на поверхности электрода раствором литья чернила струйная. "Вы не должны расти нанотрубок на каждой подложке, так диода намного проще в изготовлении," говорит он. "Если вам приходится полагаться на электрических полей или проточных жидкостей для выравнивания нанотрубок в процессе производства, что может в конечном итоге перебора свой бюджет, и ваш предлагаемой конструкции датчика будет мертвым по прибытии. То же самое касается 3-терминальных устройств и других сложных конструкций. "

Наноразмерных тонкопленочных датчиков

Тонкие пленки наносенсоров правило, полагаются на нанокристаллических и нанопористых зондирования фильм, Такие датчики работают, измеряя изменения в электрической проводимости, которые происходят при адсорбировать газы, выделять и / или реагировать на поверхности полупроводниковых пленок. В последние годы широкий спектр наноразмерных тонкопленочных зондирования материалы - в том числе различных полимеров, золота, платины, алмазов, титана, оксид и иридия - были успешно продемонстрировали.

"Наноразмерных тонких пленок, в частности, состоит из полимеров и определенных окислов, которые уже используются, чтобы разнообразных датчиков сегодня", говорит PNNUs Fryxell, который отмечает, что в лаборатории в настоящее время работает с PANalytical (Almelo, Нидерланды; wwwpanalytical.com ), чтобы разработать функционализированных нанопористых тонких пленок (FNTF) для улучшения флуоресценции рентгеновских (РФС) анализа. Он отмечает, что использование этих тонких пленок "позволяет тяжелых металлов избирательно preconcentrated для анализа РФА, тем самым расширяя пределы обнаружения от стр / мин до уровня суб-частей на миллиард." Прототип продукта, как ожидается, будет введен в коммерческую производства когда-то в 2009 году.

PNNL также разработали перспективные электрохимические наносенсорные на основе кремния тонкой пленки, нанопор были функционализированных тиоловых монослоя, избирательно связывается свинца и других токсичных ионов тяжелых металлов из растворов (рис. 3). Кремнезема тонкая пленка синтезированы surfactanttemplating процесс, в котором кремнезема золь-гель первый спин-покрытие на поверхности золота микроэлектродом. Кубической решетке - чьи поры имеют точный размер (77

Тиоловых функциональных групп, то иммобилизованных на тонкую пленку с помощью самосборки процесс, который "не требует никаких дополнительных добавок или вяжущие, а также позволяет поверхностных слоев будет построен таким образом, является высокая воспроизводимость. Это очень важно для любого 2-мерных поверхностная реакция будет успешной ", отмечает Линь. Тиоловых-функционализированных тонкую пленку, то выступает в качестве электрода слой зондирования для обнаружения токсичных тяжелых металлов (таких как свинец, ртуть, медь и кадмий) в зараженной воде или биологических образцов с использованием адсорбционных инверсионной вольтамперометрии (AdSV), а обнаружение техники.

"Silica материалы становятся все более привлекательными, чем электрод модификаторы цеолитов из-за их гораздо больше поры отверстия, что позволяет улучшить распространение и доступность для большего аналитов или жидкой фазе зондирования, где скорость диффузии аналита гораздо медленнее, чем в газовой фазе", говорит Линь. "В этом приборе, обязательных близость привести к тиоловых лигандов выполняет предварительным шагом по открытой схеме, без дополнительных электролитов".

Он говорит, что PNNL ищет коммерческого партнера, чтобы довести эту наносенсорные на рынок. Его коллега Линь добавляет, что "покрытие поверхности наноматериалов с другими функциональными группами, эта конструкция датчика также может быть использован для обнаружения мышьяка и урана".

В трудном положении

Еще одной новой категории nanoenabled датчики на основе microcantilevers и nanocanti рычаги - которые выглядят как крошечные пучки или дайвинг платы с 1 поверхности, покрытой химическое вещество, которое будет способствовать привлечению и связывают молекулы-мишени. Если молекулы связываются интерес к ним, эти маленькие структуры отвлечь, и отклонения, либо наблюдается непосредственно светом лазера или коррелирует с обнаруживаемыми изменениями в других физических свойств света, таких как резонансной частоты колебаний.

Microcantilevers и nanocantilevers представляют собой простейший тип микро-электро-механических систем (MEMS), которые могут быть обработаны и массового производства с использованием традиционных методов. "MEMS инфраструктуры производства, в значительной степени основаны на фотолитографии и микрообработки методы, аналогичные тем, которые используются для интеграции механических и электронных деталей на поверхности кремниевого чипа, стала чрезвычайно хорошо разработаны в последние 25 лет", говорит Meyyappan НАСА Ames.

В последние годы, такие устройства были продемонстрированы многочисленные исследователи. Поскольку массивы microcantilevers могут быть организованы на одном чипе, они могут быть полезны для многих обнаружения цели.

В одном, например, Thundat и его коллеги из ORNL занимаются разработкой microcanti ле версии сенсоров, которые могут быть использованы в портативных устройств для обнаружения взрывчатых веществ в аэропортах и других местах, а их более доступными, более дешевой альтернативой громоздким масс-спектрометров.

Масштабирование scaleup барьерами

Хотя наносенсоров есть потенциал революционизировать обнаружения токсичных составляющих в диапазоне применения, даже самых перспективных прорывов наносенсорные сталкиваются со значительными техническими препятствиями, прежде чем они могут быть экономически эффективно массовой и должен выполнять надежно в сложных, непредсказуемых реального условия мира эксплуатации. "Многие из перспективных концепций сегодняшней наносенсорные хорошо мимо их младенчестве, но большинство из них не готов к прайм-тайм еще. говорит Thundat.

Среди многих проблем является необходимость Наиболее эффективное, воспроизводимых методов изготовления, которые могут обеспечить требуемого состава, структуры и чистоты, снизить затраты на наноматериалов, а также увеличение производства дает, с тем чтобы снизить расходы. "Для некоторых классов наноматериалов и наноструктур инженерии, scaleup производства остается серьезной проблемой", отмечает Fryxell PNNL в. Тем не менее, многие наблюдатели согласны, что промышленность - как это часто бывает с новыми технологиями - как только технические детали разработаны и торгово-промышленное производство стало возможным, экономия от масштаба в конечном счете способствовать сокращению общих расходов, связанных с этим специальных химических материалов .

Линь отмечает, что в конечном итоге, соображения материальные затраты не могут быть серьезным препятствием для наносенсорные изготовления, поскольку отдельные массивы датчика как правило, требуют такого незначительного количества благоприятных наноматериалов. В качестве примера приводит Meyyappan NASA Ames нанотрубки на газ датчик, который находится на грани коммерциализации, которая "использует такие небольшое количество нанотрубок, что даже если объем нанотрубок стоил $ 1000 / г, всего в 1 г будет достаточно, чтобы производить млрд. наносенсоров ".

Лин также указывает на то, что многие из сложившихся процедур и протоколов, находящихся под следствием в functionalize инженерных наноструктур сложной. Кроме того, он добавляет, что долгосрочная устойчивость некоторых наносенсоров может быть снижена в вопросах, которые потенциально могут возникнуть между неорганических наноструктур и биомолекулы (например, ферменты и антитела), который прилагается к ним.

"Химическая и биологическая зондирования является очень сложным процессом. Полностью инженерных системы мониторинга потребует модули для сбора целевых молекул и привести их к датчику, наносенсорные массива выполнять обнаружение, механизм для обновления и восстановления наносенсорные по мере необходимости, datamanagement и возможности для общения и отображения информации ", объясняет Thundat из ORNL. "Интеграция всех этих аспектов представляет следующий набор задач".

Fryxell из PNNL добавить, что "интеграция наноматериалов осложняется еще и необходимостью связать их в макрос мире".

Thundat говорит: "Есть еще много вопросов без ответа, но все происходит каждый день, и так как каждый прорыв поможет нам ответить на более из этих вопросов, это очень увлекательное время для работающих в этой области".

Многие наблюдатели соглашаются, что промышленность вопрос не "если"? , но "когда?" этих новых устройств начнется стали широко развернуты в RealWorld приложений.

* См. также статью ИГЕ автора на использование нано-связанных достижений для улучшения диагностики рака и доставки лекарств ", Нанобиотехнологии: Рак Новые Deadly Foe", КЭП. Февраль 2006, с. 43-47.

Сюзанна Шелли

Ответственный редактор