傳感器在日常生活中被廣泛使用，其用途從監(jiān)視氣體濃度到識(shí)別人臉。傳感器還廣泛用于各種工業(yè)過程中，以檢測(cè)和監(jiān)視各種過程。納米傳感器的工作方式與傳統(tǒng)傳感器相同，但是區(qū)別在于納米傳感器使用納米材料作為其有源傳感元件。

一、定義

納米傳感器是測(cè)量物理量并將這些量轉(zhuǎn)換為可以檢測(cè)和分析的信號(hào)的納米級(jí)設(shè)備。

雖然目前全球?qū)τ诩{米傳感器并沒有一個(gè)明確的定義，但大多數(shù)定義它為一種感測(cè)設(shè)備，其尺寸中的至少一個(gè)小于100 nm，目的是收集納米級(jí)信息并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

納米技術(shù)處理的是物質(zhì)在納米級(jí)的物理或化學(xué)性質(zhì)。因此，相比于傳統(tǒng)傳感器只能通過減少感測(cè)部件或換能器以改善傳感器性能的模式，納米傳感器可以利用材料的物理或化學(xué)性質(zhì)現(xiàn)，改善其重要特性和質(zhì)量參數(shù)。

因此，納米傳感器并不一定要減小到納米級(jí)的尺寸，而是可以利用納米材料的獨(dú)特特性來檢測(cè)和測(cè)量納米級(jí)事件的大型設(shè)備。例如，在諸如銀或金的貴金屬中，比電子的德布羅意波長(zhǎng)小的尺寸的納米結(jié)構(gòu)導(dǎo)致在塊狀材料的光譜中不存在的可見/近紫外區(qū)域中的強(qiáng)烈吸收。目前已開發(fā)出用于檢測(cè)氣體，化學(xué)和生化變量以及物理變量和檢測(cè)電磁輻射的納米傳感器。

二、特性

與傳統(tǒng)材料制成的傳感器相比，基于納米材料的傳感器在靈敏度和特異性方面具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。

高特異性：納米傳感器之所以具有更高的特異性，是因?yàn)樗鼈兊倪\(yùn)行規(guī)模與天然生物過程相似，可以利用化學(xué)和生物分子進(jìn)行功能化，并具有引起可檢測(cè)物理變化的識(shí)別事件。

高靈敏度：靈敏度的提高源于納米材料的高表面積體積比，以及可以用作檢測(cè)基礎(chǔ)的納米材料的新穎物理特性，包括納米光子學(xué)。納米傳感器還可以潛在地與納米電子器件集成，從而為納米傳感器增加本地處理能力。

成本和響應(yīng)時(shí)間的優(yōu)勢(shì)：除了靈敏度和特異性外，納米傳感器還具有成本和響應(yīng)時(shí)間方面的顯著優(yōu)勢(shì)，這使得納米傳感器適用于高通量應(yīng)用。與傳統(tǒng)的檢測(cè)方法（例如色譜法和光譜法）相比，納米傳感器可提供實(shí)時(shí)監(jiān)控。這些傳統(tǒng)方法可能需要數(shù)天至數(shù)周才能獲得結(jié)果，并且通常需要投資于資本成本以及樣品制備時(shí)間。

面臨多挑戰(zhàn)性：納米傳感器面臨許多挑戰(zhàn)，包括避免結(jié)垢和漂移，開發(fā)可重現(xiàn)的校準(zhǔn)方法，應(yīng)用預(yù)濃縮和分離方法以獲得避免飽和的適當(dāng)分析物濃度以及以可靠的可制造方式將納米傳感器與傳感器組件中的其他元件集成在一起。由于納米傳感器是一項(xiàng)相對(duì)較新的技術(shù)，因此有關(guān)納米毒理學(xué)的問題很多懸而未決，目前限制了它們?cè)谏锵到y(tǒng)中的應(yīng)用。一些納米傳感器可能會(huì)影響細(xì)胞的新陳代謝和體內(nèi)穩(wěn)態(tài)，從而改變細(xì)胞分子的分布并使其難以將傳感器引起的偽影與基本的生物學(xué)現(xiàn)象區(qū)分開。

三、納米傳感器的分類及工作原理

納米傳感器有多種類型，主要有電化學(xué)納米傳感器、光子納米傳感器和比色法納米傳感器。

電化學(xué)納米傳感器：

電化學(xué)納米傳感器基于檢測(cè)由于散射的變化或電荷載流子的耗盡或積累而導(dǎo)致的分析物結(jié)合后納米材料中的電阻變化。包括化學(xué)納米傳感器和物理化學(xué)納米傳感器這兩種，兩者各有不同的傳感機(jī)制。

化學(xué)納米傳感器通過測(cè)量納米材料的電導(dǎo)率變化來起作用。許多納米材料具有高電導(dǎo)率，當(dāng)分子結(jié)合或吸附時(shí)，電導(dǎo)率會(huì)降低，正是這種可檢測(cè)的變化被測(cè)量。一維材料（例如納米線和納米管）是化學(xué)納米傳感器的出色示例，因?yàn)橐坏z測(cè)到分析物，它們的電約束結(jié)構(gòu)既可以充當(dāng)換能器，也可以充當(dāng)電子線。

而物理化學(xué)納米傳感器雖然也是通過檢測(cè)材料的電導(dǎo)率變化來工作的。但是，與化學(xué)納米傳感器的工作機(jī)制卻大不相同。比如其中的機(jī)械納米傳感器，當(dāng)對(duì)材料進(jìn)行物理操作時(shí)，用作機(jī)械納米傳感器的納米材料會(huì)改變其電導(dǎo)率，而這種物理變化會(huì)引起可檢測(cè)的響應(yīng)。也可以使用連接的電容器來測(cè)量此響應(yīng)，其中的物理變化會(huì)導(dǎo)致電容的可測(cè)量變化。其他示例包括電磁納米傳感器、等離激元納米傳感器、表面增強(qiáng)拉曼光譜的光譜納米傳感器、磁電子或自旋電子納米傳感器等。

光子納米傳感器：

光子設(shè)備也可用作納米傳感器，以量化臨床相關(guān)樣品的濃度。光子納米傳感器的工作原理基于結(jié)合了布拉格光柵的水凝膠膜體積的化學(xué)調(diào)制。當(dāng)水凝膠在化學(xué)刺激下膨脹或收縮時(shí)，布拉格光柵會(huì)改變顏色并使不同波長(zhǎng)的光發(fā)生衍射。衍射光可以與目標(biāo)分析物的濃度相關(guān)。

比色法納米傳感器：

這一類納米傳感器是通過比色法工作的納米傳感器。其工作原理是，分析物的存在引起化學(xué)反應(yīng)或形態(tài)變化，從而發(fā)生可見的顏色變化。典型的應(yīng)用是金納米顆?？捎糜跈z測(cè)重金屬，也可以通過比色變化檢測(cè)到許多有害氣體，例如通過市售的DragerTube。這些可以替代龐大的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈兛梢孕⌒突杂糜诓蓸狱c(diǎn)設(shè)備。再例如，許多化學(xué)藥品受到環(huán)境保護(hù)署的監(jiān)管并需要進(jìn)行廣泛的測(cè)試，以確保污染物水平在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。比色納米傳感器提供了一種現(xiàn)場(chǎng)確定許多污染物的方法。

四、生產(chǎn)納米傳感器的方法

目前可以通過使用不同的方法來制備納米傳感器。三種常見的方法是自上而下的光刻，自下而上的制造（例如受控的橫向外延生長(zhǎng)和原子層沉積）以及自組裝的納米結(jié)構(gòu)（通常使用生物分子（例如脂質(zhì)體）完成）的組合方式，分析物的生化檢測(cè)將轉(zhuǎn)換為電信號(hào)）。

方法1：自上而下

自上而下的光刻是現(xiàn)在制造大多數(shù)集成電路的方式。它涉及從一些較大的材料開始，然后雕刻出所需的形式。這些精雕細(xì)琢的設(shè)備，特別是在用作微傳感器的特定微機(jī)電系統(tǒng)中使用的設(shè)備，通常只能達(dá)到微米尺寸，但是其中最新的已開始包含納米尺寸的組件。

方法2：自下而上

生產(chǎn)納米傳感器的另一種方法是通過自下而上的方法，該方法包括將傳感器組裝成更多的微小成分，最可能是單個(gè)原子或分子。這將涉及將特定物質(zhì)的原子一個(gè)一個(gè)地移動(dòng)到特定位置，盡管這是在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中使用原子力顯微鏡之類的工具實(shí)現(xiàn)的，但由于邏輯上的原因，這仍然是一個(gè)很大的困難，尤其是在批量生產(chǎn)時(shí)以及經(jīng)濟(jì)的。此過程最有可能主要用于構(gòu)建自組裝傳感器的起始分子。

方法3：自組裝

第三種方法有望帶來更快的結(jié)果，它涉及自組裝或“增長(zhǎng)”用作傳感器的特定納米結(jié)構(gòu)。這通常需要一整套已經(jīng)完整的組件，這些組件會(huì)自動(dòng)將其組裝成成品。準(zhǔn)確地能夠在實(shí)驗(yàn)室中為所需的傳感器復(fù)制這種效果將意味著，科學(xué)家可以通過讓大量分子在很少或沒有外界影響的情況下自行組裝，而不必手動(dòng)組裝每個(gè)傳感器，從而更快，更便宜地制造納米傳感器。

五、制造納米傳感器的5大材料技術(shù)

①、基于納米粒子和納米團(tuán)簇的納米傳感器

納米粒子（主要是貴金屬粒子）具有出色的尺寸相關(guān)光學(xué)特性，這些特性已用于構(gòu)建光學(xué)納米傳感器。

稱為局部表面等離子體共振（LSPR）的現(xiàn)象的光譜取決于納米粒子本身的大小，形狀和材料以及粒子的環(huán)境。LSPR傳感器的高靈敏度可以接近大型生物分子的單分子檢測(cè)極限。

除金屬納米顆粒外，基于熒光測(cè)量的光學(xué)納米傳感器已用半導(dǎo)體量子點(diǎn)構(gòu)建，其他光學(xué)傳感器也已利用納米級(jí)探針開發(fā)，這些探針包含染料，其染料在待測(cè)分析物存在下會(huì)被淬滅。納米顆粒膜已被用于氣體傳感器。與生物識(shí)別分子（即DNA，酶等）結(jié)合的磁性納米顆粒已用于富集要檢測(cè)的分析物。

例如，研究人員開發(fā)了一種基于金納米粒子的酶生物標(biāo)記測(cè)試，可以檢測(cè)人類，動(dòng)物和食品中被稱為蛋白酶的疾病的酶標(biāo)記。該納米傳感器通過可見的變色反應(yīng)指示何時(shí)存在蛋白酶。

酪蛋白覆蓋的金納米顆粒。存在蛋白酶，它們“吞噬”酪蛋白的保護(hù)性屏障，露出金納米顆粒的表面

②、基于納米線，納米纖維和碳納米管的納米傳感器

大多數(shù)基于碳納米管（CNT）的傳感器都是場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET），因?yàn)楸M管CNT堅(jiān)固且呈惰性結(jié)構(gòu)，但其電學(xué)性質(zhì)對(duì)各種分子的電荷轉(zhuǎn)移和化學(xué)摻雜的影響極為敏感。CNT的功能化對(duì)于使其對(duì)目標(biāo)分析物具有選擇性非常重要–不同類型的傳感器基于功能主義CNT與目標(biāo)分析物之間的分子識(shí)別相互作用。

例如，研究人員已經(jīng)開發(fā)出了使用裝飾有鈀納米粒子的單壁碳納米管制成的柔性氫傳感器。

納米線和納米纖維也已被用于構(gòu)建化學(xué)傳感器以診斷疾病。它們已被用于最大化呼氣分析中的氣體傳感器響應(yīng)，以檢測(cè)揮發(fā)性有機(jī)化合物（揮發(fā)性有機(jī)化合物是各種疾病的生物標(biāo)記；例如，丙酮，硫化氫，氨和甲苯可用作評(píng)估糖尿病，口臭的生物標(biāo)記，腎功能不全和肺癌）。

在一個(gè)示例中，多孔氧化錫納米纖維已被證明可檢測(cè)到約0.1 ppm的丙酮水平，這比診斷糖尿病所需的氣體傳感水平低八倍。

超快速丙酮傳感器使用由催化性Pt納米粒子功能化的薄壁組裝氧化錫納米纖維來診斷糖尿病

③、基于石墨烯的納米傳感器

另一種碳納米材料，功能化石墨烯，在生物和化學(xué)傳感器方面擁有非凡的前景。研究人員已經(jīng)表明，氧化石墨烯（GO）的獨(dú)特2D結(jié)構(gòu)與對(duì)水分子的超滲透性相結(jié)合，導(dǎo)致傳感設(shè)備以前所未有的速度運(yùn)行（“超快石墨烯傳感器在您講話時(shí)監(jiān)控您的呼吸”）。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，化學(xué)蒸氣會(huì)改變石墨烯晶體管的噪聲譜，從而使它們能夠通過一個(gè)由原始石墨烯制成的器件對(duì)多種蒸氣進(jìn)行選擇性氣體傳感-無需對(duì)石墨烯表面進(jìn)行功能化（“使用原始石墨烯進(jìn)行選擇性氣體傳感”） 。

研究人員也已經(jīng)開始研究石墨烯泡沫，即具有極高電導(dǎo)率的互連石墨烯片的三維結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)作為氣體傳感器和用于檢測(cè)疾病的生物傳感器非常有前途。

④、基于體納米結(jié)構(gòu)材料的納米傳感器

盡管納米顆粒的幾種特性可用于納米傳感器，但對(duì)于電化學(xué)傳感設(shè)備而言，其催化性能是最重要的特性之一。例如，據(jù)報(bào)道負(fù)載在諸如多孔碳或諸如金的貴金屬上的鉑納米顆粒與氣體擴(kuò)散電極的設(shè)計(jì)有關(guān)。

它們的高表面積是另一個(gè)特性，它使納米粒子適用于固定分子，聚合物或生物材料涂層，從而可以生成具有可調(diào)表面特性的復(fù)合材料。例如，用預(yù)先設(shè)計(jì)的受體單元修飾金屬納米顆粒并將其組裝在表面上可能會(huì)導(dǎo)致新的電化學(xué)傳感器具有定制的特異性。

通過納米粒子的適當(dāng)功能化也可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且高度選擇性的電分析程序。最后，穩(wěn)定的納米顆?？梢杂玫刃Щ蚋纳频拿舾行蕴娲€(wěn)定性有限的擴(kuò)增標(biāo)記，例如酶或脂質(zhì)體。

⑤、基于金屬有機(jī)框架（MOF）的納米傳感器

金屬有機(jī)骨架（MOF）是有機(jī)無機(jī)雜化晶體多孔材料，由規(guī)則排列的帶正電的金屬離子陣列構(gòu)成，并被有機(jī)“連接劑”分子包圍。金屬離子形成節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)將接頭的臂結(jié)合在一起，形成重復(fù)的籠狀結(jié)構(gòu)。由于這種中空結(jié)構(gòu)，MOF具有非常大的內(nèi)表面積，這使其成為氣體傳感的理想材料。

通過由不同的金屬原子和有機(jī)連接基制成MOF，研究人員可以創(chuàng)建能夠選擇性地將特定氣體吸收到結(jié)構(gòu)內(nèi)特制袋中的材料。

一個(gè)例子是涂在電極上的量身定制的MOF薄膜，它形成可以檢測(cè)痕量二氧化硫氣體的電子傳感器。

二氧化硫分子（紅色和黃色）被金屬有機(jī)骨架中的孔選擇性吸收

六、納米傳感器的多應(yīng)用場(chǎng)景

納米傳感器的潛在應(yīng)用包括藥物，污染物和病原體的檢測(cè)以及監(jiān)測(cè)制造過程和運(yùn)輸系統(tǒng)。通過測(cè)量物理性質(zhì)（體積，濃度，位移和速度，重力，電和磁力，壓力或溫度）的變化，納米傳感器可以在分子水平上區(qū)分和識(shí)別某些細(xì)胞為了提供藥物或監(jiān)測(cè)人體特定部位的發(fā)育。

而根據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的類型，納米傳感器主要分成光學(xué)，機(jī)械，振動(dòng)和電磁這幾類。在以下的應(yīng)用說明中將會(huì)體現(xiàn)這幾類傳感器。

醫(yī)療生物

納米傳感器的一個(gè)示例涉及使用硒化鎘量子點(diǎn)的熒光特性作為傳感器來發(fā)現(xiàn)體內(nèi)腫瘤。然而，硒化鎘點(diǎn)的不利之處在于它們對(duì)身體有劇毒。結(jié)果，研究人員正在研究由另一種毒性較小的材料制成的替代點(diǎn)，同時(shí)仍保留某些熒光特性。特別是，他們一直在研究硫化鋅量子點(diǎn)的特殊好處，盡管它們的熒光性不如硒化鎘，但可以用包括錳和各種鑭系元素在內(nèi)的其他金屬來增強(qiáng)。此外，這些較新的量子點(diǎn)與靶細(xì)胞結(jié)合時(shí)會(huì)發(fā)出更多的熒光。

納米傳感器的另一個(gè)應(yīng)用涉及在IV線中使用硅納米線來監(jiān)測(cè)器官健康。納米線對(duì)檢測(cè)痕量生物標(biāo)志物很敏感，這些標(biāo)志物通過血液擴(kuò)散到IV線中，可以監(jiān)測(cè)腎臟或器官衰竭。這些納米線將允許連續(xù)的生物標(biāo)志物測(cè)量，這在時(shí)間敏感性方面提供了優(yōu)于傳統(tǒng)生物標(biāo)志物定量測(cè)定法（例如ELISA）的一些好處。

納米傳感器還可用于檢測(cè)器官植入物中的污染。納米傳感器被嵌入植入物中，并通過發(fā)送給臨床醫(yī)生或醫(yī)療保健提供者的電信號(hào)檢測(cè)植入物周圍細(xì)胞中的污染。納米傳感器可以檢測(cè)出被細(xì)菌污染的細(xì)胞是否健康，發(fā)炎。

當(dāng)前，由于對(duì)納米傳感器的不利影響以及納米傳感器的潛在細(xì)胞毒性作用的了解不足，因此對(duì)于用于醫(yī)療行業(yè)的納米傳感器的標(biāo)準(zhǔn)制定有嚴(yán)格的規(guī)定。另外，可能存在高昂的原材料成本，例如硅，納米線和碳納米管，這阻礙了需要擴(kuò)大規(guī)模實(shí)施的納米傳感器的商業(yè)化和制造。為了減輕成本的缺點(diǎn)，研究人員正在研究制造由更具成本效益的材料制成的納米傳感器。由于納米傳感器的尺寸小且對(duì)不同的合成技術(shù)敏感，因此可重復(fù)生產(chǎn)納米傳感器還需要很高的精度，這會(huì)產(chǎn)生其他技術(shù)難題。

另外，光學(xué)納米傳感器已經(jīng)確立了自己在生物學(xué)應(yīng)用中的卓越傳感技術(shù)的地位。在生物成像中尤其如此，其中納米傳感器可以高靈敏度地測(cè)量分子的熒光。光學(xué)納米傳感器包含具有附著在表面的無毒受體的納米材料，因此可以檢測(cè)環(huán)境中的光學(xué)變化。除檢測(cè)熒光外，光學(xué)納米傳感器還可用于監(jiān)測(cè)細(xì)胞環(huán)境中的離子濃度，毒性水平，并監(jiān)測(cè)任何不需要的干擾物質(zhì)。

環(huán)境監(jiān)測(cè)

納米傳感器具有監(jiān)測(cè)和分析環(huán)境樣品中發(fā)現(xiàn)的微生物和有毒化學(xué)化合物的強(qiáng)大能力。納米材料可用于增強(qiáng)電化學(xué)傳感器和離子選擇電極（ISE）的靈敏度，這是用于檢測(cè)水性樣品中痕量金屬，硝酸鹽，磷酸鹽和農(nóng)藥的常規(guī)技術(shù)。納米傳感器還具有實(shí)時(shí)測(cè)量的能力，這對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用而言是非常有價(jià)值的特性。

許多應(yīng)用專注于在特定環(huán)境中檢測(cè)各種分子。但是，納米傳感器也可以用于檢測(cè)電磁輻射。一個(gè)示例是使用氧化鋅納米棒或氧化鋅納米線來檢測(cè)低水平的紫外線輻射。納米線通常用于電磁輻射感測(cè)應(yīng)用，因?yàn)樗鼈儠?huì)改變其電阻狀態(tài)并引起對(duì)電磁射線的可測(cè)量響應(yīng)。納米線也可以并聯(lián)使用，其中電子跨所有納米線級(jí)聯(lián)并提供快速有效的響應(yīng)。

國(guó)防軍事

整體而言，納米科學(xué)在國(guó)防和軍事領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。應(yīng)用包括化學(xué)檢測(cè)，凈化和法醫(yī)。然而，這些納米傳感器的應(yīng)用目前大部分仍在研究和開發(fā)中。

正在開發(fā)用于國(guó)防應(yīng)用的某些納米傳感器包括用于檢測(cè)爆炸物或有毒氣體的納米傳感器。這種納米傳感器的工作原理是，可以使用例如壓電傳感器根據(jù)氣體分子的質(zhì)量來區(qū)分它們。如果氣體分子吸附在檢測(cè)器的表面，則晶體的共振頻率會(huì)發(fā)生變化，并且可以將其測(cè)量為電特性的變化。此外，用作柵極電位計(jì)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，如果其柵極對(duì)它們敏感，則可以檢測(cè)到有毒氣體。

在類似的應(yīng)用中，納米傳感器可用于軍事和執(zhí)法服裝和裝備。海軍研究實(shí)驗(yàn)室的納米科學(xué)研究所已經(jīng)研究了用于納米光子學(xué)和鑒定生物材料的量子點(diǎn)。當(dāng)與分析物（例如有毒氣體）接觸時(shí)，層疊有聚合物和其他受體分子的納米顆粒會(huì)改變顏色。這會(huì)警告用戶他們處于危險(xiǎn)中。其他項(xiàng)目包括將衣服嵌入生物傳感器，以傳遞有關(guān)用戶健康和生命的信息，這對(duì)于監(jiān)視戰(zhàn)斗中的士兵很有用。

令人驚訝的是，為國(guó)防和軍事用途制造納米傳感器時(shí)，一些最具挑戰(zhàn)性的方面本質(zhì)上是政治上的，而不是技術(shù)上的。許多不同的政府機(jī)構(gòu)必須共同努力分配預(yù)算，共享信息和測(cè)試進(jìn)度；在如此龐大和復(fù)雜的機(jī)構(gòu)中，這可能是困難的。此外，簽證和移民身份可能成為外國(guó)研究人員的問題-由于主題非常敏感，有時(shí)可能需要政府批準(zhǔn)。

最后，目前還沒有關(guān)于納米傳感器測(cè)試或傳感器行業(yè)中應(yīng)用的明確定義或清晰的法規(guī)，這增加了實(shí)施的難度。納米傳感器還用于檢測(cè)糖塊以及檢查人體癌組織。

納米傳感器與其他技術(shù)的結(jié)合將開發(fā)更多應(yīng)用

將納米傳感器與其他有用的技術(shù)（例如微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）和微流體設(shè)備）相結(jié)合的趨勢(shì)正在增長(zhǎng)。有用的例子包括：將納米顆粒沉積到硅基板上以更有效地進(jìn)行化學(xué)和氣體傳感應(yīng)用；微流控設(shè)備中的金納米線用于檢測(cè)血液樣本中的膽固醇；使用硅上的碳納米管（CNT）來檢測(cè)有害的氨氣痕跡；以及在基于流體的MEMS設(shè)備中檢測(cè)流體樣品中微量的微生物。