นาโนเซนเซอร์: ส่วนประกอบ ประเภท การทำงาน เทคนิคการผลิต ประเภทและการประยุกต์

ตัวอย่างนาโนเซนเซอร์ตัวแรกได้รับการพัฒนาในปี 1999 ที่สถาบันเทคโนโลยีจอร์เจียโดยนักวิจัย ซึ่งเป็นนวัตกรรมที่สร้างขึ้นจากท่อนาโนคาร์บอน นาโนเซนเซอร์เป็นเซนเซอร์ชนิดพิเศษและเป็นแพลตฟอร์มขนาดเล็กที่ออกแบบมาเพื่อตรวจจับและตรวจวัดข้อมูลทางเคมี ชีวภาพ กายภาพ หรือสิ่งแวดล้อมในระดับนาโน เหล่านี้ เซ็นเซอร์ เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการตรวจจับแอปพลิเคชันเนื่องจากมีคุณสมบัติเฉพาะของอนุภาคนาโนเช่น อัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อระดับขนาดใหญ่ บทความนี้ให้ข้อมูลโดยย่อเกี่ยวกับนาโนเซนเซอร์ การทำงาน ประเภท และการใช้งาน

คำจำกัดความของนาโนเซนเซอร์

เซ็นเซอร์ประเภทหนึ่งที่มีขนาดลักษณะเฉพาะไม่กี่นาโนเมตรเรียกว่านาโนเซ็นเซอร์ นี่คือเซ็นเซอร์เชิงกลหรือเคมี ใช้ในการตรวจจับการเกิดอนุภาคนาโน และสายพันธุ์ทางเคมี หรือตรวจสอบพารามิเตอร์ทางกายภาพต่างๆ สิ่งเหล่านี้ใช้ในงานวินิจฉัยทางการแพทย์ เช่น การตรวจจับคุณภาพน้ำ อาหาร และสารเคมีอื่นๆ เซ็นเซอร์นี้ทำงานคล้ายกับเซ็นเซอร์ปกติ แต่ตรวจจับปริมาณเล็กน้อยและเปลี่ยนให้เป็นสัญญาณที่ควรวิเคราะห์ นาโนเซนเซอร์ถูกนำมาใช้ในระบบการขนส่ง การตรวจหาเชื้อโรค ยา การผลิต การควบคุมมลพิษ ฯลฯ

ตัวอย่างนาโนเซนเซอร์บางส่วน ได้แก่ นาโนเซนเซอร์เรืองแสงที่สร้างด้วย DNA หรือเปปไทด์ ท่อนาโนคาร์บอน จุดควอนตัม นาโนเซนเซอร์ขึ้นอยู่กับการเชื่อมต่อพลาสมอน การสร้างภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก และโฟโตอะคูสติก

ส่วนประกอบนาโนเซนเซอร์

ส่วนประกอบนาโนเซนเซอร์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยตัววิเคราะห์ เซ็นเซอร์ ทรานสดิวเซอร์ และตัวตรวจจับ นาโนเซนเซอร์สามารถวัดระดับจุดโมเลกุลเดี่ยวได้ โดยทั่วไป เซ็นเซอร์เหล่านี้ทำงานโดยติดตามการเปลี่ยนแปลงทางไฟฟ้าภายในวัสดุเซ็นเซอร์

ในแผนภาพนี้ ขั้นแรก สารวิเคราะห์จากสารละลายจะกระจายไปยังพื้นผิวของนาโนเซนเซอร์ หลังจากนั้นจะตอบสนองโดยเฉพาะและมีประสิทธิภาพ ดังนั้นคุณสมบัติทางเคมีฟิสิกส์ของพื้นผิวทรานสดิวเซอร์จึงเปลี่ยนไป ซึ่งนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงภายในคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ (หรือ) ทางแสงของผิวหน้าของทรานสดิวเซอร์ สุดท้ายนี้จะถูกเปลี่ยนเป็นสัญญาณไฟฟ้าที่ตรวจพบ

หลักการทำงานของนาโนเซนเซอร์

นาโนเซนเซอร์ทำงานโดยติดตามการเปลี่ยนแปลงทางไฟฟ้าภายในวัสดุเซ็นเซอร์ ส่วนพื้นฐานของนาโนเซนเซอร์คือ เครื่องวิเคราะห์ ทรานสดิวเซอร์ อุปกรณ์ตรวจจับ และสายป้อนกลับจากเครื่องตรวจจับไปยังบล็อกเซ็นเซอร์ นาโนเซ็นเซอร์วัดระดับโมเลกุลเดี่ยวและทำงานโดยเพียงแค่รักษาการเปลี่ยนแปลงทางไฟฟ้าภายในวัสดุเซ็นเซอร์

สารวิเคราะห์ในเซ็นเซอร์นี้จะกระจายจากสารละลายไปยังพื้นผิวของเซ็นเซอร์ก่อน และตอบสนองได้อย่างแม่นยำและมีประสิทธิภาพมากโดยการเปลี่ยนคุณสมบัติทางเคมีฟิสิกส์ของพื้นผิว หลังจากนั้นจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของตัวแปลงสัญญาณออปติคัลอิเล็กทรอนิกส์ ในที่สุดการเปลี่ยนแปลงนี้สามารถแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้าที่สังเกตได้

ประวัตินาโนเซนเซอร์

• นาโนเซนเซอร์ในชื่อ “Nanoprobe” ก่อตั้งขึ้นในปี 1990 และสร้างขึ้นจากการวิจัยที่ IBM Sindelfingen ดำเนินการเกี่ยวกับเทคโนโลยีพื้นฐานที่จำเป็นสำหรับการประมวลผลแบบแบตช์ของโพรบ AFM ซิลิคอนด้วยการตัดเฉือนขนาดเล็กจำนวนมาก
• นาโนเซนเซอร์จำหน่ายโพรบ AFM และ SPM ทั่วโลกในปี 1993 ดังนั้นการพัฒนาภายในเทคโนโลยีการประมวลผลแบบกลุ่มสำหรับการสร้างโพรบ AFM จึงมีส่วนในการริเริ่มกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมเข้าสู่อุตสาหกรรมเวลา
• ในการระบุถึงความตระหนักนี้ เซ็นเซอร์เหล่านี้ได้รับรางวัล Dr.-Rudolf-Eberle Innovation สำหรับรัฐบาเดน-เวือร์ทเทมแบร์กของเยอรมนี รางวัลนวัตกรรมอุตสาหกรรมของเยอรมนีในปี 1995 และรางวัล Förderkreis für die Mikroelektronik e.V Innovation Award ในปีนั้น พ.ศ. 2542 นาโนเซ็นเซอร์ได้รับและรวมเข้ากับ NanoWorld ในสวิตเซอร์แลนด์ ซึ่งเป็นหน่วยธุรกิจอิสระในปี พ.ศ. 2545
• ในปี 2003 เซ็นเซอร์เหล่านี้ได้เปิดตัวโพรบชนิด AFM ที่เป็นนวัตกรรมใหม่ เช่น AdvancedTEC™ ช่วยให้วางตำแหน่งได้อย่างแม่นยำ และทำให้โพรบนี้มองเห็นทิปจริงได้ทั่วทั้งระบบออปติคัลของกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม แม้ว่าโพรบ AFM จะเอียงเล็กน้อยเนื่องจากการติดตั้งก็ตาม
• Sensors ในปี 2546 ได้แต่งตั้ง NanoAndMore GmbH เป็นผู้จัดจำหน่ายอย่างเป็นทางการรายใหม่สำหรับตุรกี อิสราเอล และยุโรป
• ในปี พ.ศ. 2547 PointProbe® Plus ได้รับการแนะนำโดยผสมผสานคุณลักษณะ PointProbe® Series ที่ได้รับการพิสูจน์แล้วและคุ้นเคย เช่น ความเข้ากันได้และความคล่องตัวในการใช้งานสูงเข้ากับ AFM เชิงพาณิชย์
• ในปี พ.ศ. 2548 ได้มีการประกาศเปิดตัว Q30K-Plus ซึ่งเป็นโพรบ AFM แบบใหม่ในการสแกนด้วยค่า Q-factor ที่ยอดเยี่ยม และอัตราส่วน S/N ที่เพิ่มขึ้นสำหรับการใช้งาน UHV
• Nanosensors 2006 เปลี่ยนเครือข่ายการจัดจำหน่ายในอเมริกาเหนือ ซึ่งเป็นสมาชิกของ NanoWorld Group
• NanoAndMore USA Corp. กลายเป็นผู้จัดจำหน่าย Nanosensor อย่างเป็นทางการในสหรัฐอเมริกา เม็กซิโก และแคนาดา
• Nanosensors 2007 เปิดตัวซีรีส์โพรบ MFM AFM แบบซิลิคอนใหม่ เปิดตัวซีรีส์ PointProbe® Plus XY-Alignment เปิดตัวซีรีส์โพรบ Plateau Tip AFM และเปิดตัวซีรีส์โพรบ PointProbe® Plus AFM
• ในปี พ.ศ. 2551 บริษัทได้เปิดตัวโพรบ Akiyama ที่กระตุ้นการทำงานอัตโนมัติและตรวจจับได้เอง
• Nanosensor 2011 อัปโหลดรายการการพัฒนาพิเศษเบื้องต้น และประกาศซีรีส์โพรบ AFM ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าที่ทนทานต่อการสึกหรอ และโพรบ AFM ระดับแพลตตินัมซิลิไซด์
• ในปี 2013 มีการประกาศ screencast สองรายการหลักบนช่อง YouTube
• เปิดตัวโพรบซีรีส์ AFM ใหม่ที่เรียกว่า uniqprobe™ ในปี 2013

เทคนิคการผลิตนาโนเซนเซอร์

มีเทคนิคหลายประการที่เสนอเพื่อทำให้เซ็นเซอร์เหล่านี้มีลักษณะดังนี้ การพิมพ์หินจากบนลงล่าง การประกอบจากล่างขึ้นบน และการประกอบตัวเองของโมเลกุล

1. แนวทางจากบนลงล่าง
   • การพิมพ์หิน: วิธีการนี้เกี่ยวข้องกับการแกะสลักรูปแบบระดับนาโนลงบนพื้นผิวโดยใช้เทคนิค เช่น การพิมพ์หินลำแสงอิเล็กตรอน (EBL) หรือการพิมพ์หินด้วยแสง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง EBL ให้ความละเอียดสูง ช่วยให้สามารถสร้างรูปแบบที่แม่นยำซึ่งจำเป็นสำหรับการสร้างคุณสมบัติระดับนาโน
   • การแกะสลัก: วิธีการแกะสลักทั้งแบบเปียกและแบบแห้งใช้ในการกำจัดวัสดุโดยเลือกจากพื้นผิวของพื้นผิวเพื่อสร้างโครงสร้างระดับนาโน การกัดกรดปฏิกิริยา (RIE) เป็นเทคนิคการกัดกรดแบบแห้งยอดนิยมเนื่องจากความแม่นยำและความสามารถในการสร้างรูปแบบที่ซับซ้อน
2. แนวทางจากล่างขึ้นบน
   • การสะสมไอสารเคมี (CVD): CVD เป็นกระบวนการที่สารตั้งต้นที่เป็นก๊าซก่อตัวเป็นวัสดุแข็งบนพื้นผิว ทำให้เกิดฟิล์มบางและโครงสร้างนาโน ตัวแปรต่างๆ เช่น CVD ที่เสริมพลาสมา (PECVD) จะช่วยปรับปรุงกระบวนการโดยใช้พลาสมาเพื่อเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยา
   • การประกอบตัวเอง: เทคนิคนี้เกี่ยวข้องกับการจัดเรียงโมเลกุลที่เกิดขึ้นเองในการจัดเรียงแบบมีโครงสร้าง ตัวอย่างเช่น นาโนเทคโนโลยี DNA ใช้คุณสมบัติการจับคู่เบสของ DNA เพื่อสร้างโครงสร้างนาโนที่ซับซ้อน
   • การประมวลผลโซลเจล: สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนระบบสารละลายจาก 'โซล' ของเหลวไปเป็นเฟส 'เจล' ที่เป็นของแข็ง มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการสร้างโครงสร้างนาโนเซรามิกและแก้ว
3. แนวทางแบบผสมผสาน

                      การพิมพ์หินนาโนอิมพรินท์ (NIL): นี่เป็นการผสมผสานแง่มุมต่างๆ ของแนวทางทั้งจากบนลงล่างและจากล่างขึ้นบน โดยจะต้องกดแม่พิมพ์ที่มีโครงสร้างนาโนลงในชั้นโพลีเมอร์ จากนั้นบ่มโพลีเมอร์เพื่อถ่ายโอนคุณสมบัติระดับนาโน

ประเภทของนาโนเซนเซอร์

มีนาโนเซนเซอร์หลายประเภทซึ่งจะกล่าวถึงด้านล่างนี้

นาโนเซนเซอร์ทางกายภาพ

เซ็นเซอร์เหล่านี้ใช้สำหรับวัดการเปลี่ยนแปลงภายในปริมาณทางกายภาพ เช่น ความเร็ว อุณหภูมิ ความดัน แรงไฟฟ้า การกระจัด มวล และอื่นๆ อีกมากมาย นาโนเซนเซอร์เหล่านี้นำไปใช้ในการใช้งานต่างๆ ในชีวิตประจำวันและในอุตสาหกรรมด้วย Nanowear Inc. ใช้นาโนเซนเซอร์ทางกายภาพสำหรับสร้างชุดชั้นในที่สวมใส่ได้ เพื่อค้นหาภาวะหัวใจล้มเหลวที่อาจเกิดขึ้นได้ก่อนที่จะเกิดขึ้นในผู้ป่วยที่ป่วยเรื้อรัง โดยการดูการเปลี่ยนแปลงภายในสัญญาณไฟฟ้าจากร่างกายของเรา

นาโนเซนเซอร์เคมี

เซ็นเซอร์เหล่านี้ช่วยในการตรวจจับสารเคมี (หรือ) คุณสมบัติทางเคมีต่างๆ เช่น ค่า pH ดังนั้นสิ่งนี้จึงมีประโยชน์เมื่อใดก็ตามที่ดูมลพิษในระบบนิเวศ (หรือ) เพื่อการวิเคราะห์ทางเภสัชกรรม โดยปกติแล้ว เซ็นเซอร์เหล่านี้ถูกสร้างขึ้นจากวัสดุนาโนที่แตกต่างกัน เช่น อนุภาคนาโนของโลหะหรือกราฟีน เนื่องจากสิ่งเหล่านี้ตอบสนองต่อการเกิดสารเคมีเป้าหมายเฉพาะที่จำเป็นต้องคำนวณ

ตัวอย่างที่ดีที่สุดของเซ็นเซอร์นี้คือการตรวจจับค่า pH ของของเหลว กลุ่มที่ทำการศึกษาสามารถสร้างเซ็นเซอร์ประเภทนี้ได้โดยใช้แปรงโพลีเมอร์ที่หุ้มด้วยอนุภาคนาโนทองคำเพื่อตรวจจับค่า pH ด้วยเทคนิคสเปกโทรสโกปี

นาโนไบโอเซนเซอร์

นาโนไบโอเซนเซอร์ในด้านการแพทย์และการดูแลสุขภาพสามารถตรวจจับเชื้อโรค สารพิษ เนื้องอก และตัวชี้วัดทางชีวภาพได้อย่างแม่นยำ เซ็นเซอร์เหล่านี้จะแปลงการตอบสนองของโมเลกุลเป็นสัญญาณทางแสงหรือไฟฟ้า และมีประโยชน์ในการเล็งเป้าหมายอย่างเฉพาะเจาะจงไปยังสิ่งที่จำเป็นต้องวัดได้ เมื่อใดก็ตามที่ขนาดของวัตถุและอัตราส่วนพื้นผิวต่อปริมาตรมีขนาดใหญ่ขึ้น เซ็นเซอร์เหล่านี้จะมีประโยชน์อย่างมากสำหรับไบโอเซนเซอร์ที่ใหญ่กว่า เพื่อให้การตรวจจับดีขึ้น เมื่อปฏิกิริยาผ่านโมเลกุลเป้าหมายเกิดขึ้นบ่อยขึ้น

เซ็นเซอร์เหล่านี้ใช้งานโดย Instant NanoBiosensors Co., Ltd. ซึ่งเป็นบริษัทสตาร์ทอัพสัญชาติไต้หวัน โดยใช้ไฟเบอร์ออปติกที่หุ้มด้วยอนุภาคนาโนทองคำและแอนติบอดีเพื่อตรวจจับสารประกอบทางชีวภาพต่างๆ

ออปติคัลนาโนเซนเซอร์

เซนเซอร์นาโนแบบออปติคัลมีวัสดุเซนเซอร์ที่มีโครงสร้างนาโนในระดับนาโน (หรือ) ซึ่งแสดงให้เห็นปฏิกิริยาที่แตกต่างกันที่ความถี่แสงต่อการกระตุ้นด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า เซ็นเซอร์เหล่านี้ส่วนใหญ่ใช้เพื่อเหตุผลในการวิเคราะห์สำหรับการติดตามตลอดจนการระบุกระบวนการทางเคมีหรือทางชีวภาพ เซ็นเซอร์เหล่านี้ยังเปลี่ยนข้อมูลเป็นสัญญาณสำหรับข้อมูลที่สำคัญ

ข้อดีและข้อเสีย

ที่ ข้อดีของนาโนเซนเซอร์ รวมถึงสิ่งต่อไปนี้

• นาโนเซนเซอร์สามารถโต้ตอบได้อย่างง่ายดายในระดับนาโน และพวกมันจะสังเกตเห็นการพัฒนาที่เป็นเอกลักษณ์ในระดับนาโนซึ่งแตกต่างจากระดับมหภาค
• เซ็นเซอร์เหล่านี้มีความไวสูงซึ่งช่วยให้มีความแม่นยำมากขึ้น
• สิ่งเหล่านี้ทนทาน เสถียร พกพาสะดวก ความไวสูง ขนาดเล็ก การตอบสนองที่แข็งแกร่ง การตรวจจับแบบเรียลไทม์ การเลือกสรร และน้ำหนักเบา
• เซ็นเซอร์นี้มีการใช้พลังงานต่ำ
• ต้องใช้ตัวอย่างในปริมาณต่ำเพื่อการวิเคราะห์และทำให้เกิดการรบกวนกับวัสดุที่สังเกตได้น้อยที่สุด
• เวลาตอบสนองของเซ็นเซอร์นี้ต่ำและมีความเร็วมากกว่าเซ็นเซอร์อื่นๆ ซึ่งช่วยให้ทำการวิเคราะห์แบบเรียลไทม์ได้
• เซ็นเซอร์นี้จะตรวจจับสิ่งต่าง ๆ พร้อม ๆ กัน ซึ่งทำให้มีฟังก์ชั่นที่หลากหลาย
• นาโนเซนเซอร์แสดงช่วงความไว (หรือ) การตรวจจับที่มีนัยสำคัญ
• เซ็นเซอร์เหล่านี้ทำงานในระดับที่เล็กกว่า
• มีความไวและความแม่นยำมากกว่า

ข้อเสียของนาโนเซนเซอร์มีดังต่อไปนี้

• โดยปกติเซ็นเซอร์เหล่านี้มักไม่ค่อยเลือกสรรสำหรับการตรวจวัดทางชีววิทยาเป็นหลัก เนื่องจากขาดความจำเพาะที่สูงกว่าสำหรับตัวรับทางชีวภาพ เช่น DNA และแอนติบอดี
• นาโนเซนเซอร์ประดิษฐ์จากบนลงล่างมีความละเอียดจำกัดและมีราคาแพง
• นาโนเซนเซอร์ชนิดจากล่างขึ้นบนมีประสิทธิภาพต่ำมาก มีสเกลขนาดใหญ่ และมีราคาแพงมากเมื่อเทียบกับเซนเซอร์ชนิดอื่นๆ

การใช้งาน

การใช้งานของนาโนเซนเซอร์มีดังต่อไปนี้

• นาโนเซนเซอร์ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการใช้งานจำนวนมากภายในพืชศาสตร์ เช่น; การจัดหาพลังงานที่สม่ำเสมอ การตรวจจับกิจกรรมการเผาผลาญ การจัดเก็บ และการคำนวณข้อมูล และยังเพื่อตรวจจับและตอบสนองต่อสิ่งเร้าทางนิเวศที่หลากหลาย
• นี่คือเซ็นเซอร์ประเภทพิเศษที่ออกแบบมาเพื่อตรวจจับและวัดข้อมูลทางเคมี ชีวภาพ สิ่งแวดล้อม (หรือ) ทางกายภาพเป็นหลักในระดับนาโน
• เซ็นเซอร์เหล่านี้เป็นเซ็นเซอร์เชิงกลหรือเซ็นเซอร์เคมี ที่ใช้ในการใช้งานต่างๆ ตั้งแต่อุตสาหกรรมชีวการแพทย์ไปจนถึงอุตสาหกรรมด้านสิ่งแวดล้อม
• การใช้งานทั่วไปของเซนเซอร์เหล่านี้ส่วนใหญ่ได้แก่
• เซ็นเซอร์เหล่านี้ช่วยในการตรวจจับสารเคมีหลายชนิดภายในก๊าซเพื่อติดตามมลพิษ
• นาโนเซนเซอร์ใช้เพื่อตรวจสอบพารามิเตอร์ทางกายภาพ เช่น การกระจัด การไหล และอุณหภูมิ
• นาโนเซ็นเซอร์ช่วยในการติดตามการส่งสัญญาณของพืชและเมแทบอลิซึมเพื่อทำความเข้าใจชีววิทยาของพืช
• ช่วยในการศึกษาสารสื่อประสาทภายในสมองเพื่อจดจำสรีรวิทยาของระบบประสาท
• เซ็นเซอร์เหล่านี้สามารถใช้เป็นมาตรวัดความเร่งภายในอุปกรณ์ MEMS เช่น เซ็นเซอร์ถุงลมนิรภัย
• ใช้เพื่อรวบรวมการวัดสภาพดินแบบเรียลไทม์ เช่น pH สารอาหาร ความชื้น และยาฆ่าแมลงที่ตกค้างเพื่อวัตถุประสงค์ทางการเกษตรเป็นหลัก
• เซ็นเซอร์นี้ใช้สำหรับตรวจจับสารกำจัดศัตรูพืชในผักและผลไม้เพื่อตรวจจับสารก่อมะเร็งในอาหาร
• โดยจะตรวจจับเชื้อโรคในอาหารโดยเป็นส่วนหนึ่งของมาตรการความมั่นคงด้านอาหารและการควบคุมคุณภาพ
• เซ็นเซอร์นี้จะตรวจจับและติดตามสารเมตาบอไลต์ที่มีโมเลกุลขนาดเล็ก
• ใช้สำหรับการตรวจสอบกิจกรรมของเซลล์มะเร็งเมตาบอลิซึมแบบเรียลไทม์เพื่อตอบสนองต่อการแทรกแซงทางการรักษา

อย่างนี้นี่เอง ภาพรวมของนาโนเซนเซอร์ การทำงาน ประเภท ข้อดี ข้อเสีย และการนำไปใช้งาน นาโนเซนเซอร์เป็นอุปกรณ์ระดับนาโนที่ใช้วัดปริมาณทางกายภาพและเปลี่ยนเป็นสัญญาณที่สามารถตรวจจับและวิเคราะห์ได้ เซ็นเซอร์เหล่านี้มีจำหน่ายหลายประเภทซึ่งใช้ในการใช้งานที่หลากหลาย เช่น อุตสาหกรรมการป้องกันประเทศ การดูแลสุขภาพ และสิ่งแวดล้อม มีเทคนิคที่แตกต่างกันในการประดิษฐ์เซ็นเซอร์ประเภทนี้ การพิมพ์หินจากบนลงล่าง ประการที่สองคือการประกอบจากล่างขึ้นบน และที่สามคือการประกอบตัวเองของโมเลกุล นี่คือคำถามสำหรับคุณ nanosensor ถูกคิดค้นโดย?