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纳米传感器研究进展THERESEARCHPROGRESSOFNANOSENSORS 主讲人 张书豪指导老师 金星龙 纳米技术和传感技术的结合 当今纳米技术的发展 不仅为传感器提供了良好的敏感材料 例如纳米粒子 纳米管 纳米线 纳米薄膜等 而且为传感器制作提供了许多新颖的构思和方法 例如纳米技术中的关键技术STM 研究对象向纳米尺度过渡的MEMS技术等 与传统的传感器相比 纳米传感器尺寸减小 精度提高等性能大大改善 更重要的是利用纳米技术制作传感器 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 纳米传感器的分类 按照纳米材料结构一 纳米化学和生物传感器 二 纳米气敏传感器 三 其他类型的纳米传感器 压力 温度和流量等 一 纳米生物传感器的分类 按照纳米材料结构纳米粒子 纳米线 纳米微管和多孔纳米结构 光纤纳米生物传感器 纳米级微加工 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 1 纳米粒子 将功能性纳米颗粒 电学性 光学性和磁性 固定在生物大分子 多肽 蛋白和核酸 上声波生物传感器 纳米胶体修饰检测分子引起石英晶体微天平的频率改变的检测原理示意图 光学生物传感器光共振固定纳米金属颗粒引起反射光的共振加强荧光标记定位肿瘤荧光湮灭基团 金纳米颗粒用于通用的荧光湮灭物的示意图 磁性生物传感器磁性材料标记生物分子结合分子识别磁场分离和检测电化学生物传感器生物标记胶体金生物分子固定硅纳米颗粒催化剂载体金属纳米颗粒 FETs类型半导体电子器件易于集成直接电信号输出免标记超高的灵敏度接近单分子水平应用于检测蛋白质和DNA A型流感病毒检测限达到10 18M 2 纳米线 PatolskyF LieberC M MaterialsToday2005 8 20 28 3 纳米微管和多孔纳米结构 单壁碳纳米管多壁碳纳米管比表面积大 活性位点多 促进生物分子的电子传递作用 增加固定化生物分子的总量和生物活性 SWNT表面固定葡萄糖氧化酶 酶的催化活性比普通碳电极高一个数量级 基于碳纳米管的电致化学发光生物传感器检测 胎蛋白碳纳米管阵列生物传感器铂衬底上生长NWNT 作为电流计生物传感器 WohlstadterJ N et al Adv Mater 2003 15 1184 1187 SotiropoulouS et al Biosens Bioelectron 2003 18 211 215 纳米多孔硅单晶硅进行电化学腐蚀 室温下发射可见光 高比表面积500m2 cm3 与现有硅加工技术相容 表面固定寡核苷酸 生物素或抗体等识别分子 检测光干涉和折射率的变化 LinVS MoteshareiK DancilKS etal Science 1997 278 840 843 4 光纤纳米生物传感器 体积微小灵敏度高不受电磁场干扰 不需要参比器件插入细胞内部 单细胞在线测量 拉制光纤末梢 并包上铝衣或银皮 表面抗体修饰 放在倒置显微镜的微定位系统中 进行细胞穿刺和检测 PMT记录产生的荧光BPT苯并吡四醇最低检出限10 21mol 单细胞BPT含量检测的纳米光纤传感器 DinhTV AlarieJP CullumBM etal NationalBiotechnology 2000 18 764 767 5 纳米微加工技术 集成电路制造工艺和方法光刻薄膜生长 沉积离子注入腐蚀和键合Nano electromechanicalsystem NEMS 纳米微悬臂梁阵列生物传感器 纳米微悬臂梁阵列生物传感器的扫描电镜图 表面固定具有不同识别性的分子 构成阵列式传感器 McKendryR ZhangJ etal ProcNatlAcadSciUSA 2002 99 9783 9788 磁力放大悬臂梁生物传感器 细胞 蛋白质 毒素和DNA检测灵敏度可达10 18M BaseltD R LeeG U ColtonR J J Vac Sci Technol B 1996 14 789 793 磁力放大悬臂梁生物传感器的结构示意图 纳米生物传感器的研究进展 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上覆盖了一层直径为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传感器的方法 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 二 纳米气敏传感器 气敏传感器上和敏感气体接触的表面附着了一层纳米涂层作为敏感材料 用于改善传感器的灵敏度和性能 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壁纳米管制作气敏传感器用多壁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 而多壁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 纳米气敏传感器的研究进展 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振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 美国加利福尼亚大学研制成功了一种能够自动鉴定气体成份的 电子鼻 其安装了由只有2mm2的传感芯片 芯片上集成的传感器有大量碳纳米管组成 能够捕捉到化验对象中的各种气体分子 而传感器获得的有关被测气体的信息将传递给计算机进行分析 从而得出气体的具体成份 可投入批量生产且价格便宜 三 其他类型纳米传感器 1 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 2 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 3 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 其他类型纳米传感器研究进展 美国近年在纳米基础研究涉及到纳米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 建造了支撑蛋白质的纳米级脚手架和