НАНОТЕХНОЛОГИИ И СЕНСОРЫ Датчик сенсор от англ

НАНОТЕХНОЛОГИИ И СЕНСОРЫ

Датчик (сенсор, от англ. sensor) — понятие в системах управления - чувствительный элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, измеряющий величину в удобный для использования сигнал. В настоящее время различные датчики широко используются при построении систем автоматизированного управления. Классификация датчиков: -по виду выходных величин, в которую преобразуется входная величина; -по измеряемому параметру; -по принципу действия; -по характеру выходного сигнала; -по среде передачи сигналов; -по количеству входных величин; -по технологии изготовления.

"Шелковые" сенсоры Рисунок 1. Схематическое изображение процесса производства пищевых сенсоров на шелковой подложке. Вначале на шелковой подложке методом струйной печати (а) и напылением металла через трафарет (b) наносятся функциональные элементы. Кроме того на модифицированной поверхности кремниевой подложки методом литографии и травления проводится наноструктурирование, после которого на поверхность модифицированной подложки прикапывается раствор шелка, в результате чего наноструктура переносится с кремниевой подложки на шелковую (с). Также наноструктура на кремниевой подложке может просто отпечатываться на шелковой, прикладывая высокую температуру и давление (d). Также на рисунке приведены примеры полученных сенсоров (e-g)

Рисунок 2. Резонансный сигнал сенсора, размещенного на кожуре банана (а), и изменение этой частоты по мере его созревания (b). Смещение резонансной частоты при поражении ломтика сыра бактериями (с), а также изменение частоты сенсора, размещенного на поверхности контейнера с молоком, по мере его прокисания.

Электронная кожа Ученые-материаловеды из университета Иллиноис создали "Электронную кожу" , толщиной менее 40 мкм, на поверхности кожи она держится за счет Ван-дер-Ваальсовых сил. Это гибкая сетка из активных и пассивных компонентов (тензометрические датчики, датчики температуры, датчики для снятия электрокардиограммы и электромиограммы, транзисторы, кремниевые диоды, резисторы, индуктивности и емкости. В качестве источников питания используют фотоэлементы или специальные устройства беспроводной индуктивной передачи электроэнергии. Гибкая сетка помещается на подложку из полиэстера. Считается, что этот материал лучше всего подходит для гибкой электроники.

«Электронный нос» -устройство, используемое для детектирования тех или иных веществ в газовой фазе. Такие приборы находят применение в сфере контроля качества продуктов, для обеспечения безопасности, охраны окружающей среды, а также для диагностики заболеваний. Принцип работы резистивного газового сенсора основан на изменении электрического сопротивления чувствительного элемента при изменении состава газовой атмосферы. В качестве базовых материалов для изготовления чувствительных элементов газовых сенсоров резистивного типа чаще всего используют полупроводниковые оксиды Sn. O 2 и Zn. O. В ряде работ было обнаружено повышение сенсорного сигнала Sn. O 2 (рассчитываемого как отношение сопротивления материала в атмосфере исследуемого газа к сопротивлению на воздухе) по отношению к газам NO 2, CO, NH 3, HCHO, H 2 при использовании композита Sn. O 2 с углеродными нанотрубками. Профиль пленки Sn. O 2/УНТ.

Сенсор для количественного определения молекул ДНК В работе «A Nanochannel Array-Based Electrochemical Device for Quantitative Label-free DNA Analysis» , опубликованной в журнале ACSNano (2010), предложен простой и изящный метод количественного анализа столь популярных биомолекул. Авторы-Su-Juan Li , Jing Li , Kang Wang , Chen Wang , Jing-Juan Xu , Hong-Yuan Chen , Xing-Hua Xia, and Qun Huo. Принцип работы пористого сенсора для количественного определения молекул ДНК.

Схема электрохимической ячейки для измерения потока ионов [Fe(CN)6]3 - через пористую мембрану. Эффективности работы сенсора в большой степени определяется размером пор используемой оксидной мембраны. Чем меньше диаметр пор, тем больше разница токов до (чёрная кривая) и после (красная кривая) модификации стенок пор. Соответственно увеличивается и параметр, который характеризует эффективность работы сенсора.

Газовый сенсор, "сотканный" из нанонитей оксида ванадия. Газовый сенсор был получен следующим образом. В кварцевую лодку были помещены порошок VO 2 и подложка Si. O 2/Si на расстоянии 5 мм друг от друга. После этого лодка была помещена в печь, над ней был продут гелий, после чего в течение 2 часов лодка нагревалась при температуре 600 0 C. После этого лодка была охлаждена до комнатной температуры и из нее были извлечены нанонити на подложке. После того, как нанонити были соединены с Ti/Au (10/400 нм) электродами (рис. 1), методом испарения электронным лучом был нанесен слой наночастиц палладия (рис. 2). На рисунке представлена фотография нанонити оксида ванадия, до нанесения наночастиц палладия, полученная с помощью СЭМ фотография нанонити оксида ванадия после нанесения наночастиц палладия.

Биосенсоры на основе углеродных нанотрубок Наноразмерные сенсорные устройства на основе одностенных углеродных нанотрубок (УНТ) обладают очень высокой чувствительностью. Адсорбция даже одной молекулы детектируемого вещества приводит к изменению электронной структуры трубки, что, в свою очередь, отражается на спектрах фотолюминесценции. "Привязав" к УНТ молекулу ДНК, удается получить уникальный биологический сенсор, который способен работать даже внутри живой клетки. Флуоресценция лизосом клеток ткани (а), фотолюминесценция клеток (зеленый) после введения УНТ (b) и изменение ее интенсивности до (с) и после (d) введения Н 2 О 2 в присутствии Fe 2+.

Нановискеры Вискеры представляют большой интерес для исследователей вследствие своих уникальных оптических, термических и механических свойств. Однако чтобы успешно использовать их в промышленности, требуется простой, недорогой и в то же время позволяющий надежно контролировать свойства получаемого материала метод синтеза нановискеров. Исходные частицы Се. О 2, образцы, синтезированные в течение 12, 48 и 72 часов Схема сенсора: образец помещается на золотые электроды, нанесенные на кремниевую пластину

Сенсор для больных астмой Все атомы одностенных углеродных нанотрубок (SWNT) расположены на поверхности, это делает их электронную структуру очень чувствительной к изменениям окружающей среды. Измеряя проводимость цепи таких нанотрубок в полевом транзисторе, можно обнаружить присутствие биомаркера астмы – оксида азота (NO). Alexander Star – доцент University of Pittsburgh –возглавляет разработку нового сенсора. Схематичное изображение покрытого полимером (PEI) полевого транзистора. Между источником (S) и стоком (D) располагается сеть случайно расположенных одностенных углеродных нанотрубок.

Химики из США разработали сенсор, который необратимо меняет окраску под воздействием высокой влажности. Молекулы многих красителей проявляют разные свойства в изолированном и агрегированном состояниях. Такие молекулы могут быть разделены полимерной матрицей при быстром охлаждении жидкой смеси до температуры ниже температуры стеклования полимера. Если нагреть полимер выше этой температуры, молекулы красителя агрегируются и материал изменит цвет. Для изготовления сенсора влажности необходимо взять полимер, температура стеклования которого изменяется при контакте с водой. Исследователи использовали полиамид, у которого температура перехода падает от 50 до 0 градусов Цельсия под действием воды, а зеленый сенсор необратимо становится оранжевым. Такой сенсор может быть недорогим решением для многих задач. Например, с его помощью можно однозначно определить, вступал ли какой-либо продукт или устройство в контакт с водой в процессе хранения или эксплуатации. Материал необратимо меняет цвет под действием воды.

Разработан прототип сенсора, способного детектировать кокаин в пробах слюны, мочи или крови. Сенсор представляет собой полоску, содержащую наночастицы золота и молекулы аптамеры. В присутствии наркотика полоска меняет цвет. Для выполнения теста не требуется сложное лабораторное оборудование, поэтому, по мнению ученых, данная методика будет очень полезна в экстренных ситуациях, например, таких, как отравление кокаином. Аптамерами называют небольшие молекулы нуклеиновых кислот, которые могут выполнять функции высокоспецифичных рецепторов низкомолекулярных органических соединений. Исследователи могут использовать стандартные базы аптамеров и выбирать непосредственно тот, который будет связываться с определенными молекулами. Как отметил Yi Lu, “Повсеместное практическое применение аптамеров до сих пор не было реализовано по той причине, что подобные тесты не могли быть в полной мере доступны для использования за пределами лабораторий”. Сам Yi Lu сотоварищи предлагает сенсор на основе стандартной технологии lateral-flow, которая позволяет определять присутствие наркотика невооруженным взглядом. Полоска состоит из впитывающего слоя, мембраны, слоя сопряжения и слоя растекания. В слой сопряжения были добавлены сцепленные с молекулами аптамеров агрегаты наночастиц золота. Эти агрегаты содержат два типа частиц, покрытых молекулами ДНК – содержащие биотин и не содержащие. ДНК в свою очередь комплементарна двум участкам аптамера, чувствительному к кокаину. При внесении индикаторной полоски в жидкость, содержащую кокаин, происходит разрушение агрегатов, так как аптамер связывается с молекулами кокаина взамен молекул комплементарной ДНК. В результате, свободные наночастицы золота проходят сквозь мембрану и распространяются до тех пор, пока молекулы биотина на их поверхности не свяжутся со стрептавидином. При этом происходит концентрирование наночастиц, и они становятся заметны невооруженному глазу.

Малоразмерные кислородные сенсоры на основе нанотрубок Исследователи из Университета Питтсбурга придали системам из нанотрубок чувствительность к кислороду, модифицировав их дендримерными фрагментами, несущими катионы Eu 3+. Площадь каждого из устройств, разработанного исследователями, менее 7 см 2, устройство может определять концентрации кислорода в пределах 5 -27%. Схема оптически прозрачного и электропроводного прибора, состоящего миз системы нанотрубок, модифицированных европийсодержащими дендримерами (зеленый слой), используемого для одновременного спектрального и электрического определения кислорода.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ! ^^,