הדוגמה הראשונה של הננו-חיישן פותחה ב-1999 במכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה על ידי חוקרים, חידוש שנוצר מננו-צינוריות פחמן. ננו-חיישן הוא סוג ייחודי של חיישן והם פלטפורמות קטנות המיועדות לאיתור ולמדידה של מידע כימי, ביולוגי, פיזי או סביבתי ברמת הננו. אלה חיישנים הם אידיאליים בעיקר ליישומי חישה בגלל תכונות הננו-חלקיקים הייחודיות שלהם כמו; היחס בין אזור פני השטח העצום שלהם למפלס. מאמר זה מספק מידע קצר על חיישני ננו, פעולתם, הסוגים והיישומים שלהם.
הגדרת ננו-חיישן
סוג של חיישן עם ממדים אופייניים של כמה ננומטרים ידוע בשם ננוחיישן. זהו חיישן מכני או כימי, המשמש לזיהוי התרחשות של ננו-חלקיקים, ומינים כימיים או לבדוק פרמטרים פיזיקליים שונים. אלה משמשים ביישומי אבחון רפואיים כמו חישת איכות מים, מזון וכימיקלים אחרים. חיישן זה פועל בדומה לחיישן רגיל אך הוא מזהה כמויות קטנות ומשנה אותן לאותות שיש לנתח. חיישני ננו משמשים במערכות תחבורה, זיהוי פתוגנים, רפואה, ייצור, בקרת זיהום וכו'.
חלק מהדוגמאות הננו-חיישן הן; חיישני ננו פלואורסצנטיים עשויים עם DNA או פפטידים, ננו-צינוריות פחמן, נקודות קוונטיות, חיישני ננו תלויים בצימוד פלסמוני, הדמיית תהודה מגנטית ופוטו-אקוסטית.
רכיבי ננו-חיישן
מרכיבי הננו-חיישן כוללים בעיקר אנליט, חיישן, מתמר וגלאי. חיישני ננו מסוגלים למדוד את רמת הנקודה של מולקולה אחת. בדרך כלל, חיישנים אלה פועלים על ידי מעקב אחר השינויים החשמליים בתוך חומרי החיישן.
בתרשים זה, ראשית, האנליט מהתמיסה מתפזר אל פני השטח של הננו-חיישן. לאחר מכן, הוא מגיב בצורה ספציפית ויעילה, כך שזה משנה את התכונות הפיזיקוכימיות של פני המתמר, מה שמוביל לשינוי במאפיינים האלקטרוניים (או האופטיים) של פני המתמר. לבסוף, זה משתנה לאות חשמלי שמתגלה
עיקרון עבודה של ננו-חיישן
ננו-חיישן פועל על ידי מעקב אחר השינויים החשמליים בתוך חומרי החיישן. החלקים הבסיסיים של ננו-חיישן הם; האנליט, המתמר, הגלאי וקו המשוב מהגלאי לכיוון בלוק החיישן. ננו-חיישן מודד רמות מולקולה בודדות ועבודה פשוט על ידי שמירה על שינוי חשמלי בתוך חומר החיישן.
האנליט בחיישן זה מתפזר תחילה מהתמיסה אל פני החיישן ומגיב בדיוק וביעילות רבה על ידי שינוי התכונות הפיזיקוכימיות של פני השטח. לאחר מכן, זה גורם לשינוי במאפייני המתמר האופטי האלקטרוני. אז סוף סוף ניתן להמיר את השינוי הזה לאות חשמלי שמבחינים בו.
היסטוריית ננו-חיישן
- ננו-חיישן בשם 'Nanoprobe' נוסד בשנת 1990 ונבנה על מחקר ב-IBM Sindelfingen שנערך על טכנולוגיות בסיסיות נדרשות לעיבוד אצווה של בדיקות AFM סיליקון עם מיקרו-עיבוד בכמות גדולה.
- ננו-חיישנים מסחרו בדיקות AFM ו-SPM ברחבי העולם בשנת 1993. כך שהפיתוחים שלהם בתוך טכנולוגיות עיבוד אצווה ליצירת בדיקות AFM תרמו להפעלת מיקרוסקופים Atomic Force בתעשיית הזמן.
- בזיהוי המימוש הזה, חיישנים אלו הבחינו בפרס החדשנות של ד'ר-רודולף-אברל עבור מדינת באדן-וירטמברג הגרמנית, בפרס החדשנות של התעשייה הגרמנית לשנת 1995 ובפרס החדשנות ה-Förderkreis für die Mikroelektronik e.V בשנה. 1999. ננו-חיישנים בשנת 2002 הושגו ושולבו ב-NanoWorld שבסיסה בשוויץ, שהיא יחידה עסקית עצמאית.
- בשנת 2003, החיישנים הללו הציגו בדיקה חדשנית מסוג AFM כמו AdvancedTEC™. הוא מאפשר מיקום מדויק וגורם לבדיקה זו לספק נראות קצה אמיתית בכל מערכת אופטית של מיקרוסקופ כוח אטומי, אפילו בכל פעם שגשושית AFM מוטה מעט בגלל ההרכבה שלה.
- חיישנים בשנת 2003 מינתה את NanoAndMore GmbH כמפיץ הרשמי החדש שלה לטורקיה, ישראל ואירופה.
- בשנת 2004, הוצג PointProbe® Plus המאחד את התכונות המוכרות של סדרת PointProbe® כמו תאימות וגיוון יישומים גבוה עם AFM מסחריים.
- בשנת 2005, הוכרז ה-Q30K-Plus שהוא קרבת סריקת בדיקה חדשנית של AFM עם גורם Q מעולה ויחס S/N משופר עבור יישומי UHV.
- Nanosensors 2006 שינתה את רשת ההפצה בצפון אמריקה, חברה בקבוצת NanoWorld,
- NanoAndMore USA Corp., הפכה למפיצה הרשמית של Nanosensor בארה'ב, מקסיקו וקנדה.
- Nanosensors 2007 השיקה סדרת בדיקה חדשה מסיליקון MFM AFM, הציגה את סדרת PointProbe® Plus XY-Alignment, השיקה את סדרת הגשושיות של Plateau Tip AFM והכריזה על סדרת הגשושית PointProbe® Plus AFM.
- בשנת 2008, הוא הציג את בדיקת Akiyama המפעילה את עצמה וחישה עצמית.
- Nanosensor 2011 העלה את רשימת הפיתוח המיוחדת הראשונית שלו והכריזה על סדרת בדיקה חדשה עמידה בפני שחיקה ומוליך AFM, ועל בדיקות Platinum Silicide AFM.
- בשנת 2013, הוא מוכרז על שני שידורי המסך העיקריים בערוץ היוטיוב שלו.
- היא הציגה סדרת בדיקות AFM חדשה הידועה בשם uniqprobe™ ב-2013.
טכניקות ייצור ננו-חיישן
ישנן מספר טכניקות המוצעות כדי לגרום לחיישנים אלה כמו; ליטוגרפיה מלמעלה למטה, הרכבה מלמטה למעלה והרכבה עצמית מולקולרית.
- גישות מלמעלה למטה
- לִיתוֹגְרָפִיָה: שיטה זו כוללת תחריט של דפוסים בקנה מידה ננומטרי על גבי מצעים באמצעות טכניקות כמו ליטוגרפיה של קרן אלקטרונים (EBL) או פוטוליתוגרפיה. EBL, במיוחד, מציעה רזולוציה גבוהה, המאפשרת דפוס מדויק החיוני ליצירת תכונות ננומטריות.
- תַחרִיט: שיטות תחריט רטובות ויבשות משמשות להסרת חומר באופן סלקטיבי מפני השטח של המצע ליצירת מבנים ננומטריים. תחריט יונים תגובתיים (RIE) היא טכניקת תחריט יבשה פופולרית בשל הדיוק והיכולת שלה ליצור דפוסים מורכבים.
- גישות מלמטה למעלה
- שקיעת אדים כימית (CVD): CVD הוא תהליך שבו מגיבים גזים יוצרים חומרים מוצקים על מצעים, ויוצרים סרטים דקים וננו-מבנים. גרסאות כמו CVD משופרת בפלזמה (PECVD) משפרות את התהליך על ידי שימוש בפלזמה להגברת קצבי התגובה.
- הרכבה עצמית: טכניקה זו כוללת ארגון ספונטני של מולקולות לסידורים מובנים. ננוטכנולוגיה של DNA, למשל, מנצלת את תכונות זיווג הבסיסים של DNA כדי ליצור ננו-מבנים מורכבים.
- עיבוד סול-ג'ל: זה כרוך במעבר של מערכת תמיסה מ'סול' נוזלי לשלב 'ג'ל' מוצק. זה שימושי במיוחד ליצירת ננו-מבנים קרמיים ומזגוגיים.
- גישות היברידיות
ליטוגרפיה ננו-אימפינט (NIL): זה משלב היבטים של גישות מלמעלה למטה ומלמטה למעלה. זה כרוך בלחיצה של תבנית בננו-מבנה לתוך שכבת פולימר, ואז ריפוי הפולימר כדי להעביר את התכונות הננומטריות.
סוגי ננו-חיישנים
ישנם סוגים שונים של חיישני ננו אשר נדונים להלן.
חיישני ננו פיזיים
חיישנים אלה משמשים למדידת שינויים בתוך כמויות פיזיקליות כמו מהירות, טמפרטורה, לחץ, כוחות חשמליים, תזוזה, מסה ועוד רבים. ננו חיישנים אלה משמשים ביישומים שונים בחיי היומיום וגם בתעשיות. Nanowear Inc. משתמשת בחיישני ננו פיזיים לייצור תחתונים לבישים כדי למצוא אי ספיקת לב אפשרית לפני שהיא מתרחשת בחולים כרוניים על ידי התבוננות בשינויים בתוך האותות החשמליים מגופנו.
ננו חיישנים כימיים
חיישנים אלה עוזרים בזיהוי כימיקלים שונים (או) תכונות כימיות כמו ערך pH. אז זה שימושי בכל פעם שמסתכלים על זיהום אקולוגי (או) לניתוח פרמצבטי. בדרך כלל, חיישנים אלה מיוצרים מננו-חומרים שונים כמו ננו-חלקיקי מתכת או גרפן מכיוון שאלו מגיבים להתרחשות של כימיקלים יעד מסוימים שיש לחשב.
הדוגמה הטובה ביותר לחיישן זה היא זיהוי ערך ה-pH של נוזל. קבוצה שנחקרה הצליחה לבנות סוג כזה של חיישן באמצעות מברשות פולימריות המכוסות בננו-חלקיקי זהב כדי לזהות את ערך ה-pH בטכניקה ספקטרוסקופית.
ננו-ביו-חיישנים
חיישני ננו ביו ברפואה ובבריאות יכולים לזהות במדויק פתוגנים, רעלים, גידולים וסמנים ביולוגיים. חיישנים אלו ממירים את התגובה של מולקולות לאותות אופטיים או חשמליים ויש להם יתרון שהם יכולים לכוון בצורה ספציפית במיוחד למה שנדרש למדוד. בכל פעם שגודלו של אובייקט ויחס פני השטח לנפח שלו גדלים, אז לחיישנים הללו יש יתרון גדול לביו-חיישנים גדולים יותר כדי לספק חישה טובה יותר כאשר התגובה דרך מולקולות היעד מתרחשת בתדירות גבוהה יותר.
חיישנים אלה משמשים את חברת הסטארט-אפ הטייוואנית Instant NanoBiosensors Co., Ltd. הם משתמשים בסיב אופטי מכוסה בננו-חלקיקי זהב ונוגדנים לזיהוי תרכובות ביולוגיות שונות.
ננו חיישן אופטי
לננו-חיישנים אופטיים יש חומרי חיישן ננו-מבנים (או) המדגימים תגובה שונה בתדרים אופטיים לעירור אלקטרומגנטי. חיישנים אלו משמשים בעיקר מסיבות אנליטיות לניטור וכן לזיהוי תהליכים כימיים או ביולוגיים. חיישנים אלה גם משנים את הנתונים לאותות למידע חשוב.
יתרונות וחסרונות
ה היתרונות של ננו-חיישנים כלול את הבאים.
- חיישני ננו יכולים ליצור אינטראקציה בקלות ברמת הננו והם רואים התפתחויות ייחודיות ברמת הננו השונות מרמת המאקרו.
- חיישנים אלו בעלי רגישות גבוהה המאפשרת דיוק רב יותר.
- אלה עמידים, יציבים, ניידים, רגישות גבוהה, תגובה קטנה וחזקה, זיהוי בזמן אמת, סלקטיביות וקל משקל,
- לחיישן זה צריכת חשמל נמוכה
- זה דורש נפח דגימה נמוך כדי לנתח ולגרום לפחות הפרעה לחומר הנצפה.
- זמן התגובה של החיישן הזה נמוך ויש לו יותר מהירות מחיישנים אחרים, מה שמאפשר להם לבצע ניתוח בזמן אמת.
- חיישן זה מזהה דברים שונים בו זמנית מה שמאפשר מגוון פונקציות.
- חיישני ננו מציגים טווחים משמעותיים של רגישות (או) רזולוציה לזיהוי.
- חיישנים אלה פועלים בקנה מידה קטן יותר.
- יש להם רגישות רבה יותר ודיוק רב יותר.
החסרונות של ננו-חיישנים כוללים את הדברים הבאים.
- חיישנים אלה בדרך כלל פחות סלקטיביים בעיקר למדידות ביולוגיות מכיוון שאין להם את הספציפיות הגבוהה יותר לקולטנים ביולוגיים כמו DNA ונוגדנים.
- לננו-חיישן המיוצר מלמעלה למטה יש רזולוציה מוגבלת והם יקרים.
- חיישני הננו מלמטה למעלה יעילים מאוד, בעלי קנה מידה גדול והם יקרים מאוד בהשוואה לאחרים.
יישומים
היישומים של חיישני ננו כוללים את הדברים הבאים.
- ננו-חיישנים משמשים בעיקר למספר רב של יישומים בתוך מדעי הצמח כגון; אספקת אנרגיה יציבה, זיהוי פעילויות מטבוליות, אחסון ומחשוב מידע, וגם לזהות ולהגיב למגוון רחב של גירויים אקולוגיים.
- זהו סוג ייחודי של חיישן, שנועד בעיקר לזהות ולמדוד מידע כימי, ביולוגי, סביבתי (או) פיזי ברמת הננו.
- אלו חיישנים מכניים או כימיים, המשמשים ביישומים שונים, החל מתעשיות ביו-רפואיות ועד לתעשיות סביבתיות.
- כמה יישומים נפוצים של חיישנים אלה כוללים בעיקר;
- חיישנים אלו מסייעים באיתור מגוון כימיקלים בתוך גזים לניטור זיהום.
- ננו-חיישן משמש לניטור פרמטרים פיזיים כמו תזוזה, זרימה וטמפרטורה.
- חיישני ננו עוזרים בניטור איתות וחילוף חומרים של צמחים כדי להבין את הביולוגיה של הצמח.
- זה עוזר בחקר נוירוטרנסמיטורים במוח כדי לזהות נוירופיזיולוגיה.
- חיישנים אלו יכולים לשמש כמד תאוצה בתוך התקני MEMS כמו חיישני כריות אוויר.
- הוא משמש לאיסוף מדידות מצב קרקע בזמן אמת כמו; pH, חומרי הזנה, לחות ושאריות חומרי הדברה בעיקר למטרות חקלאיות.
- חיישן זה משמש לזיהוי חומרי הדברה על ירקות ופירות כדי לזהות חומרים מסרטנים בתוך מזון.
- הוא מזהה פתוגנים בתוך מזון כמרכיב של אבטחת מזון ואמצעי בקרת איכות.
- חיישן זה מזהה ומנטר מטבוליטים של מולקולות קטנות.
- הוא משמש לניטור פעילות תאי סרטן מטבוליים בזמן אמת בתגובה לחדירה טיפולית.
לפיכך, זהו סקירה כללית של ננו-חיישן , עבודתם, הסוגים, היתרונות, החסרונות והיישומים שלהם. ננוחיישן הוא מכשיר בקנה מידה ננומטרי שמודד כמויות פיזיות וגם משתנה לאותות שניתן לזהות וגם לנתח. חיישנים אלה זמינים בסוגים שונים המשמשים ביישומים שונים כמו תעשיות הגנה, בריאות וסביבה. קיימות טכניקות שונות לייצור סוגי חיישנים אלה; ליטוגרפיה מלמעלה למטה, שניה היא הרכבה מלמטה למעלה והשלישית היא הרכבה עצמית מולקולרית. הנה שאלה בשבילך, הננו-חיישן הומצא על ידי?
