许凤纹绣:纳米传感器的研究现状与应用

刘凯 邹德福 廉五州 马丽铃 马丽敏 陈志东 沈阳仪表科学研究院 辽宁沈阳

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文章来自www.58610941.com

摘要：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，与传统的传感器相比，其尺寸减小、精度提高等性能大大改善。文中综述了纳米传感器的种类、特点；分类介绍了美国和国内近期的一些研究成果，并作了分析比较；介绍了纳米传感器在不同领域关注焦点和应用，为其进一步研究提供参考。

关键字：纳米；纳米技术；纳米传感器；纳米化学和生物传感器；纳米气敏传感器

0、 引言

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。纳米技术与微电子技术有一定的区别，主要区别是：纳米技术研究的是以控制单个原子、分子来实现设备特定的功能，是利用电子的波动性来工作的；而微电子技术则主要通过控制电子群体来实现其功能，是利用电子的粒子性来工作的。研究和开发纳米技术的目的，就是要实现对整个微观世界的有效控制

1993年，国际纳米科技指导委员会将纳米技术划分为纳米电子学、纳米物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米加工学和纳米计量学等6个分支学科。由此可知，纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。

与传统的传感器相比，利用纳米技术制作传感器尺寸减小、精度提供等性能大大改善，更重要的是，纳米传感器是站在原子尺度上，从而极大的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。纳米传感器具有庞大的界面，提供大量物质通道，导通电阻很小，有利于传感器向微型化发展。，

1、纳米传感器的研究现状

     纳米技术传感器主要包括纳米化学和生物传感器、纳米气敏传感器和其它类型的纳米传感器（压力、温度和流量等）。

纳米技术引入化学和生物传感器领域后，提高了化学和生物传感器的检测性能，，并促发了新型的化学和生物传感器。因为具有了亚微米的尺寸、换能器、探针或者纳米微系统，该种传感器的化学和物理性质和其对生物分子或者细胞的检测灵敏度大幅提高，检测的反应时间也得以缩短，并且可以实现高通量的实时检测分析。

     利用纳米材料制成极为灵敏的生物和化学传感器，可以对癌症、心血管疾病等进行早期诊断；利用碳纳米管和其他纳米微结构的化学传感器能够检测氨、氧化氮、过氧化氢、碳氢化合物、挥发性有机化合物以及其他气体，与具有相同功能的其他分析仪相比，它不仅尺寸要小而且价格也便宜；在生物传感器中，用纳米颗粒、多孔纳米结构和纳米器件都获得了成功的应用。

     美国Rice大学的纳米光学实验室将一种被称为“纳米星”的微小黄金颗粒制成有效的化学感应器。“纳米星”汇集现在正研究的光子颗粒的最好性质，其表面的每一个颗粒都有着唯一的光谱信号，初步的测试表明这些信号可以用来确定纳米星的三维方向，为开展三维分子检测工作打下坚实的基础。

气敏检测，大大简化了微型，便携式气体传感器的制备。

1.2        其他去类型纳米传感器

纳米传感器除了纳米化学和生物传感器、纳米气敏传感器两种组要类型外，还有其它各种形式。如：电阻应变式纳米压力传感器，这种电阻应变式纳米膜压力传感器，测量精度和灵敏度高、体积小、重量轻、安装维护方便，可稳定和可靠的测量压力参数；利用一些纳米材料的巨磁阻效应，已经研制出了各种纳米磁敏传感器，；在光纤传感器基础上发展起来的纳米光纤生物传感器，不但具有光纤传感器的优点，而且由于这种传感器的尺寸只取决于探针的大小，大大减小了测微传感器的体积，响应时间大大缩短，满足了测量要求实现的微创实时动态测量。

美国近年在纳米基础研究涉及到传感器的研究成果主要有：发现碳纳米管理想的吸收与发散光波特性，可望使单分子传感器变成现实；利用自行组装的DNA分子作为建筑材料，建造了制成蛋白质的纳米级脚手架和金属线，直径只有数10¯1 0m，这是在纳米级合成方面取得的汇重要成就，可能由此开发可编程的分子级传感器；在世界上首次得到具有压电效应的半导体纳米带结构——实现纳米尺度上机电耦合的关键材料，可用来设计研制各种纳米传感器。

2             安全性

由于纳米技术及其材料的多样性，评估其对健康与环境的影响，需要采用能适应不同

条件的多种传感器，包括分别或同时监测纳米材料暴露在空气和水中的情况及其可能造成的危害的仪器。所以未来3-10年内开发出评估纳米材料暴露在水与空气中的影响的仪器。

（1）       目前整日与纳米材料打交道的人迫切需要廉价的、便携的、可广泛使用的空中样本收集器，以测量工作环境中的纳米材料暴露情况，包括器数量、比表面积和聚集等数据。这样的仪器需要在未来3年内商业化。

（2）       纳米产品制造过程中排出的废物，如防晒油等液体消费品中的纳米颗粒，不可避免地会在水中堆积。不追踪这些废物，就不能确定纳米颗粒存在的好处。因此，需要在未来5年开发追踪纳米颗粒在水中散落、聚集和转化情况的仪器。

（3）       需要在未来10年内开发相关智能传感器，以直接探测和显示出纳米颗粒对人体健康与环境的危害情况。

3             应用

3.1           在医疗、生物领域的应用

利用纳米技术制成的传感器，可用于疾病的早期诊断、监测和治疗，使各种癌症的早

期诊断成为显示。目前，美国科学家已经在实验室环境下实现了对前列腺癌、直肠癌等多种癌症的早期诊断。纳米传感器灵敏度很高，在进行血液检测时，当传感器中预置的某总癌细胞抗体遇到相应的抗原时，传感器中的电流会发生变化，通过这种电流变化可以判断血液中癌细胞的种类和浓度。据专家预测，今后可能有多种纳米传感器集成在一起被植入人体，以用来早期检测各种疾病。

3.2           在微电子及信息技术领域的应用

在此应用领域，研究集中在导电聚合物在信息技术领域的应用、纳米电子元器件FET二极管、用于感应器的电子序列、纳米传感器等。如微电子机械系统（MEMS）技术是建立在微米/纳米技术基础上的21世纪前沿技术，是对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术，其应用研究主要是将所研究的成果，如微型传感器投入实用，逐步由微型向纳米型发展。

3.3           在国防科技上的应用

纳米气体传感器在国防科技上，将其用于地面，空间，飞机，潜艇的内舱，以及各种

军用车辆驾驶室中检测有害气体、有毒气体等，必将更加方便、快捷、灵敏，如美国已经研制出纳米军装，军装中的纳米传感器可以感应空气中生化指标的变化，当有害气体或物质指标突然升高时，军装会立即将头盔和其它通气部分的透气口关闭，并释放生化武器的解毒剂，起到预防效果。此外嵌在军装中的纳米生化感应装置可以监视士兵的心率、血压、体内及体表温度等多项重要指标，以及辨识体表流血部位，并使该部位周边的军服膨胀收缩，起到止血带的作用。

此外，纳米传感器在光学材料和生物分子追踪两个领域的应用也受到重视。

4                 结束语

    总之，纳米传感器因其功耗小（无需散热装置）、体积小和灵敏度高等特点，将在生物、化学、机械、航空、军事等方面获得更广泛的应用。有专家指出，到2020年，人类社会进入“后硅器时代”时纳米传感器将成为主流，所以，加快纳米传感器乃至整个纳米技术的发展，具有重要意义。