| |
纳米传感器的研究现状与应用（一） |
| |
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? |
| |
|
| |
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。 |
| |
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。 |
| 美国耶鲁大学用传统方法研制出一种简易而敏感的硅材料纳米生物传感器，这在理论上使纳米传感器可以大量生产。在抗体或 |
| 者其它生物分子覆盖了一层直径为30nm的纳米线，使其能够捕获特定种类的蛋白质。 |
| 中科院上海应用物理所研制出一种新型的电化学DNA纳米生物传感器，其特色是通过对电极界面纳米尺度的精细调控，同时引入 |
| 金纳米粒子进行电化学信号放大，从而显著提高了DNA检测的灵敏度。扬州大学的纳米CaCO3固定生物分子制备生物传感器的方法 |
| ，属于以 无机材料纳米CaCO3为载体固定蛋白质等生物分子制备生物出啊干起的方法。制备出的生物传感器稳定性好、灵敏度高 |
| 、重现性好，而所需的生物分子的量少。 |
| 中科院上海应用物理研制出一种检测三磷酸腺苷(ATP)的新型电化学生物传感器，应用了一类核酸是配体作为ATP分子识别元件 |
| 。核酸是配体成本较低且化学稳定性好，在识别ATP前后其分子构象会发生显著变化，利用电化学方法可以检测这一构象改变所 |
| 导致的电子传递能力变化，从而可以灵敏检测ATP这一种生物体内的能量分子。 |
| 浙江大学研制出一种含有凝胶-碳纳米管的味觉传感器，在基板上，用真空溅射法或化学气相沉积法制成带有金焊盘的匙状金电 |
| 极；以水凝胶PVA加PA，或PVA加PAA作为味敏层材料，掺杂碳纳米管，采用直接滴加法在匙状金电极上沉积味敏层，烘干，在除 |
| 味敏层以外的区域涂敷环氧树脂，晾干，获得含有水凝胶-碳纳米管的味觉传感器。传感器体积小，测量方法简单。 |
| 2.纳米气敏传感器 |
| 用零维的金属氧化物半导体纳米颗粒、碳纳米管及二维纳米薄膜等都可以作为敏感材料构成气敏传感器。 |
| 纳米气敏传感器的研究中，主要方向之一是在气体环境中依靠敏感材料的电导发生变化来制作气敏传感器。在这些纳米敏感材料 |
| 中加入贵重金属纳米颗粒（例如Pt和Pd）大大增强了选择性，提高了灵敏度，降低了工作温度。纳米气体传感器另一个主要方向 |
| 是用多避碳纳米管制作气敏传感器用多避碳纳米管制作气敏传感器。碳纳米管自1991年被发现以来，其独特的性质及制备工艺得 |
| 到了广泛的研究，而多避碳纳米管具有一定的吸附特性，由于吸附的气体分子与碳纳米管发生相互作用，改变其费米能级引起其 |
| 宏观电阻发生较大改变，通过检测其电阻变化来检测气体成分，可用作气敏传感器。 |
| 美国研究人员研制的“纳米传感器”能够监测太空飞船中的微量气体。该纳米传感器由感应材料的微小的碳纳米管构成，能够在 |
| |
太空环境和发射时的剧烈震动和重力不断变化中完好保存下来，能探测到每一种科学家所期望探测到的化学物质。当微小的化学 |
| |
物质接触到感应材料后，它将引起某种化学反应。导致流经传感器的电流放大或缩小。 |
