فهرست مطالب
نانوحسگرها چیست؟
نانوحسگرها یا نانوسنسورها، دستگاه‌ها یا ساختارهایی هستند که برای شناسایی و اندازه‌گیری پدیده‌های فیزیکی، شیمیایی، بیولوژیکی یا محیطی در مقیاس نانو طراحی شده‌اند که معمولاً در حد یک میلیاردیم متر یا نانومتر است.
این حسگرهای کوچک از فناوری نانو برای تعامل و پاسخ به محرک‌های خاص استفاده می‌کنند و امکان نظارت، اندازه‌گیری و تجزیه و تحلیل خواص و مواد مختلف را در سطح مولکولی یا اتمی فراهم می‌کنند.
نانوسنسورها به دلیل حساسیت بالا، اندازه کوچک و پتانسیل برای استفاده در حوزه‌های جدید، مورد توجه قرار گرفته و کاربرد قابل توجهی در زمینه‌های مختلف دارند.
انواع نانوحسگرها
نانوحسگرها انواع مختلفی دارند که هر کدام برای شناسایی و اندازه‌گیری خواص فیزیکی، شیمیایی یا بیولوژیکی خاص یا مواد در مقیاس نانو طراحی شده‌اند.
نانوحسگرهای شیمیایی
- حسگرهای گاز
این نانوسنسورها برای تشخیص و تعیین کمیت وجود گازهای خاص در محیط طراحی شده‌اند. آنها در نظارت بر محیط زیست، ایمنی صنعتی و تشخیص نشت گاز کاربرد دارند.
- نانوحسگرهای مولکولی
این نانوسنسورها می‌توانند مولکول‌ها یا ترکیبات شیمیایی خاص را شناسایی و اندازه گیری کنند. آنها اغلب در تشخیص پزشکی، کشف دارو و تجزیه و تحلیل شیمیایی استفاده می‌شوند.
نانوحسگرهای بیولوژیکی
این نانوسنسورها به طور خاص برای تعامل با مولکول‌های بیولوژیکی مانند پروتئین‌ها، DNA یا آنزیم‌ها طراحی شده‌اند. این نوع از نانوسنسورها معمولاً در تشخیص پزشکی، بیوتکنولوژی و مراقبت‌های بهداشتی برای شناسایی نشانگرهای زیستی و پاتوژن‌ها استفاده می‌شوند.
- نانوحسگرهای DNA
این حسگرها برای شناسایی و تجزیه و تحلیل توالی‌های DNA با اختصاصیت بالا طراحی شده‌اند که این مسئله، این نوع از نانوسنسورها را برای آزمایشات و تحقیقات ژنتیکی مفید میکند.
نانوحسگرهای فیزیکی
- نانوحسگرهای دما
این حسگرها تغییرات دما را در مقیاس نانو اندازه گیری می‌کنند و در حوزه‌های مختلفی از جمله علم مواد و میکروالکترونیک استفاده می‌شوند.
- نانوحسگرهای فشار
این حسگرها تغییرات فشار را تشخیص و اندازه گیری می‌کنند و در حوزه‌هایی مانند نظارت بر فشار خون و فرآیندهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
- نانوحسگرهای مغناطیسی
این حسگرها می‌توانند تغییرات میدان های مغناطیسی را تشخیص دهند و در قسمت‌هایی مانند ذخیره سازی داده‌ها، MRI و ردیابی نانوذرات مغناطیسی مورد استفاده قرار گیرند.
- نانوحسگرهای کرنش
سنسورهای کرنش، تغییر شکل یا کرنش مکانیکی مواد را در مقیاس نانو اندازه گیری می‌کنند. این نوع از نانوسنسور در نظارت بر سلامت سازه و آزمایش مواد استفاده می‌شوند.
نانوحسگرهای نوری
- نانوحسگرهای پلاسمونیک
این حسگرها برای تشخیص تغییرات در ضریب شکست یا جذب به برهمکنش بین نور و نانوذرات متکی هستند. نانوسنسورهای پلاسمونیک در سنجش شیمیایی و بیولوژیکی استفاده می‌شوند.
- نانوحسگرهای فلورسنت
این حسگرها از مولکول‌های فلورسنت برای انتشار نور در پاسخ به محرک‌های خاص استفاده می‌کنند که امکان تشخیص بسیار حساس مولکول‌های هدف را فراهم میکند.
نانوحسگرهای الکتروشیمیایی
- نانوحسگرهای پتانسیومتری
این حسگرها تغییرات ولتاژ مرتبط با غلظت‌های خاص یون را اندازه گیری می‌کنند.
- نانوحسگرهای آمپرومتریک
نانوسنسورهای آمپرومتریک تغییرات جریان حاصل از واکنش‌های الکتروشیمیایی را اندازه گیری می‌کنند که آنها را برای تشخیص آنالیت‌های خاص در محلول مناسب میکند.
حسگرهای نانومکانیکی
- نانوحسگرهای کنسول
این حسگرها بر اساس این اصل کار می‌کنند که خم شدن یک پرتو کنسول را می‌توان برای تشخیص تغییرات جرم یا فعل و انفعالات سطحی استفاده کرد و از آنها را در سنجش شیمیایی و بیولوژیکی استفاده کرد.
نانوحسگرهای محیطی
- نانوحسگرهای آلودگی
این حسگرها برای شناسایی آلاینده‌ها در هوا، آب و خاک طراحی شده‌اند و به نظارت و مدیریت محیطی کمک می‌کنند.
نانوحسگرهای انرژی
- نانوحسگرهای باتری
این سنسورها برای نظارت بر وضعیت شارژ، وضعیت سلامت و عملکرد باتری‌ها استفاده می‌شوند و به بهبود کارایی و ایمنی باتری کمک می‌کنند.
مواردی که گفته شد تنها نمونه‌هایی از انواع بسیاری از نانوسنسورهای موجود هستند. پیشرفت در فناوری نانو به گسترش قابلیت‌ها و کاربردهای حسگرها در زمینه‌های مختلف از جمله مراقبت‌های بهداشتی، نظارت بر محیط زیست، الکترونیک و علم مواد ادامه می‌دهد.
کاربرد نانوحسگرها
نانوسنسورها به دلیل حساسیت بالا، اندازه کوچک و توانایی تشخیص و اندازه‌گیری خواص یا مواد خاص در مقیاس نانو، کاربردهای گسترده‌ای در زمینه‌های مختلف دارند.
-
پزشکی، بهداشت و درمان
بیوسنسینگ
نانوسنسورها برای شناسایی نشانگرهای زیستی، پاتوژن‌ها و مولکول‌های خاص در نمونه‌های بیولوژیکی استفاده می‌شوند که امکان تشخیص زودهنگام بیماری، نظارت بر دارو، و پزشکی شخصی‌سازی شده را فراهم می‌کنند.
حسگرهای قابل کاشت
این نوع از سنسورها را می‌توان در ایمپلنت‌های پزشکی برای نظارت بر علائم حیاتی، سطح گلوکز و سایر پارامترهای بهداشتی قرار داد.
تحویل دارو
نانوسنسورها می‌توانند میزان رهاسازی دارو و اثربخشی درمانی را در سیستم‌های دارورسانی هدفمند نظارت کنند و امکان تجویز دقیق دارو را فراهم می‌کنند.
-
پایش محیط زیست
کیفیت هوا
نانوسنسورها می‌توانند آلاینده‌ها، گازها و ذرات معلق موجود در هوا را شناسایی کرده و به نظارت و مدیریت کیفیت هوا کمک کنند.
کیفیت آب
برای شناسایی آلاینده‌ها، فلزات سنگین و سموم در منابع آب، تضمین آب آشامیدنی سالم و حفاظت از محیط زیست استفاده می‌شود.
تجزیه و تحلیل خاک
نانوسنسورها به ارزیابی کیفیت خاک، سطوح مواد مغذی و آلودگی کمک می‌کنند که برای کشاورزی و مدیریت زمین مهم است.
-
الکترونیک و نانوالکترونیک
حسگر فشار و کرنش
نانوسنسورها را می‌توان در دستگاه‌های الکترونیکی برای اندازه‌گیری فشار و استرس ادغام کرد و استفاده از آنها را در صفحه‌نمایش‌های لمسی، روباتیک و نظارت بر سلامت ساختاری امکان‌پذیر کرد.
سنسورهای گاز
این نوع از نانوسنسورها در تشخیص نشت گاز، نظارت بر کیفیت هوای داخل ساختمان و ایمنی صنعتی استفاده می‌شود.
-
علوم مواد
ویژگی نانومواد
نانوسنسورها به مطالعه و تعیین خصوصیات نانومواد مانند اندازه، ترکیب و خواص سطحی کمک می‌کنند.
تست استرس مواد
آنها در تست و آنالیز مواد به کار می‌روند و به بهبود دوام و عملکرد مواد در قسمت‌های مختلف کمک می‌کنند.
-
انرژی
نظارت بر باتری
نانوسنسورها برای نظارت بر وضعیت شارژ، وضعیت سلامت و عملکرد باتری‌ها استفاده می‌شوند و به توسعه سیستم‌های ذخیره انرژی کارآمدتر و طولانی مدت کمک می‌کنند.
سلول های خورشیدی
این نوع با نظارت بر شرایط عملکرد سلول‌های خورشیدی به بهینه سازی کارایی و عملکرد آنها کمک می‌کنند.
-
امنیت و دفاع
تشخیص مواد منفجره
نانوحسگرها می‌توانند مقادیر کمی از مواد منفجره را شناسایی کنند و اقدامات امنیتی را در فرودگاه‌ها، مراکز حمل و نقل و سایر مکان‌های حیاتی افزایش دهند.
مواد جنگی شیمیایی و بیولوژیکی
نانوحسگرها می‌توانند برای شناسایی تهدیدات شیمیایی و بیولوژیکی در حوزه‌های نظامی و دفاعی استفاده شوند.
-
کنترل ایمنی و کیفیت مواد غذایی
تشخیص آلاینده مواد غذایی
نانوحسگرها برای شناسایی آلاینده‌ها، عوامل بیماری زا و شاخص‌های فساد در محصولات غذایی و تضمین ایمنی و کیفیت مواد غذایی استفاده می‌شوند.
بسته بندی مواد غذایی
برخی از انواع نانوحسگرها را می‌توان در مواد بسته بندی هوشمند برای نظارت بر تازگی و ماندگاری ادغام کرد.
-
نانوپزشکی و توسعه دارو
غربالگری دارو
نانوحسگرها با تشخیص فعل و انفعالات و پاسخ‌های مولکولی، در سنجش‌های سلولی، در غربالگری دارویی نقش دارند.
ردیابی نانوذرات
برخی از نانوسنسورها برای مطالعه و پایش رفتار نانوذرات در سیستم‌های بیولوژیکی برای دارورسانی و کاربردهای درمانی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
-
تحقیقات محیطی
پایش آب و هوا
نانوحسگرها می‌توانند با اندازه گیری گازهای گلخانه‌ای، ذرات معلق در هوا و پارامترهای محیطی، داده‌های ارزشمندی را برای تحقیقات آب و هوایی ارائه دهند.
تمامی این کاربردهای گفته شده نشان دهنده تطبیق پذیری و اهمیت نانوحسگرها در پیشرفت فناوری، بهبود مراقبت‌های بهداشتی، حفاظت از محیط زیست و افزایش درک ما از پدیده‌های مختلف در مقیاس نانو را نشان می‌دهد.
روش آماده سازی نانوحسگرها
روش‌های آماده سازی نانوحسگرها بسته به نوع نانوحسگر و کاربرد خاص آن متفاوت است. در ادامه به چند روش رایج مورد استفاده برای تهیه نانوحسگرها اشاره می‌کنیم:
سنتز شیمیایی نانوحسگرها
به طور کلی، روش‌های سنتز نانوحسگرها به طور شیمیایی شامل دو روش اصلی می‌‌باشد:
- Bottom-Up Approach
- Solution-Based Methods
در روش اول، یک رویکرد پایین به بالا وجود دارد و نانوحسگرها از اتم‌ها یا مولکول‌های منفرد با واکنش‌های شیمیایی کنترل شده تولید می‌شوند.
در روش دوم که بر پایه محلول است، پیش سازها در یک محلول مخلوط می‌شوند و مواد نانوحسگر از محلول رشد کرده یا رسوب می‌کنند؛ فرآیندهای” Sol-gel”، سنتز هیدروترمال و “co- precipitation”نمونه‌هایی از روش‌های مبتنی بر محلول هستند.
رسوب بخار فیزیکی (PVD)
این بخش نیز از دو روش اصلی تشکیل شده است که هرکدام یه صورت منحصر به فردی موجب تولید نانوحسگرها می‌شوند:
- روش Sputtering
- روش PVT
در روش اول، اتم‌های یک ماده هدف به بیرون پرتاب می‌شوند و بر روی یک بستر قرار می‌گیرند تا لایه‌های نازکی از مواد نانوحسگر ایجاد کنند.
در روش دوم یا PVT، مواد نانوحسگر بر روی یک بستر تحت شرایط کنترل شده تصعید و رسوب می‌کنند.
رسوب بخار شیمیایی (CVD)
مواد نانوحسگر با واکنش شیمیایی پیش سازهای گازی بر روی یک بستر رسوب می‌کنند؛ این روش معمولا برای لایه‌های نازک و رشد نانوسیم استفاده می‌شود.
لیتوگرافی و اچینگ
- فتولیتوگرافی
- لیتوگرافی پرتوی الکترونی (EBL)
- لیتوگرافی Nanoimprint
در تکنیک اول، از نور برای الگوبرداری از یک ماده حساس به نور استفاده می کند؛ این روش اغلب در اغلب در میکرو و نانوالکترونیک استفاده می‌شود.
در روش دوم، یک پرتو الکترونی متمرکز برای الگوبرداری از ویژگی‌های مقیاس نانو بر روی یک بستر استفاده می‌شود.
در نهایت، روش سوم شامل فشار دادن قالب بر روی یک بستر برای ایجاد نانوساختارها است.
خودآرایی
یکی از مثال‌های این بخش، DNA Origami است؛ در اینجا، مولکول‌های DNA به عنوان الگوهایی برای سازماندهی نانوذرات در الگوها یا ساختارهای خاص استفاده می‌شوند.
رسوب الکتروشیمیایی
در رسوب الکتروشیمایی برای تولید نانوحسگرها، از اعمال جریان الکتریکی به محلولی حاوی یون‌های فلزی بر روی یک بستر استفاده می‌شود که در نهایت نانوحسگرها بر روی آن رسوب می‌کنند.
خودآرایی مولکولی
مولکول‌ها یا پلیمرهای آلی طوری طراحی شده‌اند که برهمکنش‌های خاصی با مولکول‌های هدف داشته باشند و امکان ایجاد نانوحسگرهای مولکولی را فراهم کنند.
سنتز به کمک الگو
در این روش، نانوحسگرهایی مانند نانولوله‌های کربنی و نانوسیم‌ها را می‌توان در قالب‌های نانومتخلخل رشد داد تا کنترل دقیقی بر ابعاد آنها حاصل شود.
تکنیک‌های میکروساخت
فناوری MEMS یا سیستم‌های میکرو-الکترو-مکانیکی را می‌توان برای ایجاد حسگرهای کوچک با ویژگی‌های نانومقیاس برای استفاده در سنجش و تحریک استفاده کرد.
تغییر سطح و عملکردی سازی
سطوح نانوحسگرها را می‌توان با مولکول‌ها یا لیگاندهای خاص تغییر داد تا گزینش پذیری و حساسیت آنالیت‌های هدف را افزایش دهد.
انتخاب روش آماده سازی به کاربرد مورد نظر نانوحسگر، مواد درگیر، و خواص و ویژگی‌های دلخواه حسگر بستگی دارد. محققان بر اساس عواملی مانند هزینه، مقیاس پذیری و دقت، مناسب ترین روش را انتخاب می‌کنند.
همکاری بین رشته‌ای بین شیمیدانان، فیزیکدانان، مهندسان و زیست شناسان اغلب برای توسعه نانوحسگرهای موثر برای کاربردهای خاص مورد نیاز است.
ساختار نانوحسگرها
ساختار نانوحسگرها بسته به نوع، هدف و مواد مورد استفاده می‌تواند بسیار متفاوت باشد. با این حال، در ادامه برخی از عناصر و اجزای ساختاری رایجی که ممکن است در نانوحسگرها ببینید، آورده شده است:
در ابتدا، در هسته هر نانوحسگر یک ماده حسگر وجود دارد که با آنالیت مورد نظر، به عنوان مثال، مولکول‌ها، یون‌ها یا ذرات تعامل دارد. این ماده اغلب به دلیل واکنش پذیری خاص یا حساسیت آن به آنالیت، انتخاب می‌شود.
در ادامه، بسیاری از نانوحسگرها از مواد نانو مانند نانوذرات، نانوسیم‌ها، نانولوله‌ها یا گرافن استفاده می‌کنند. این مواد ویژگی های منحصر به فردی دارندکه عملکرد سنسور را افزایش می‌دهد.
قسمت بعدی ترانسدیوسر است. مبدل جزء کلیدی است که تعامل بین ماده حسگر و آنالیت را به سیگنال قابل اندازه گیری تبدیل میکند؛ بسته به نوع نانوحسگر، می‌تواند یک مبدل الکتریکی، نوری، مکانیکی یا شیمیایی باشد.
در برخی موارد، نانوحسگرها ممکن است شامل اجزای پردازش سیگنال مانند تقویت کننده‌ها یا فیلترها باشند تا حساسیت و دقت سیگنال شناسایی شده را افزایش دهند.
نانوحسگرها ممکن است برای محافظت از مواد حسگر در برابر عوامل محیطی، جلوگیری از آلودگی و افزایش پایداری پوشش داده شوند یا محصور شوند.
در نانوسنسورهای بیولوژیکی یا بیوسنسورها، مولکول‌هایی مانند آنتی‌بادی‌ها یا آنزیم‌ها ممکن است به سطح ماده حسگر متصل شوند تا به طور خاص مولکول‌های زیستی یا آنالیت‌های خاصی را هدف قرار داده و با آنها پیوند برقرار کنند.
در نانوسنسورهای الکتروشیمیایی، از الکترودها برای تسهیل انتقال الکترون در طی فرآیند سنجش استفاده می‌شود؛ این الکترودها را می‌توان با نانومواد یا مولکول‌های تشخیص اصلاح کرد.
در نانوسنسورهای الکترونیکی، مدار ممکن است روی یک تراشه قرار بگیرد تا سیگنال‌ها را به دستگاه‌های خارجی یا سیستم‌های جمع‌آوری داده پردازش و ارسال کند.
نانوسنسورهای نوری ممکن است شامل منابع نور، آشکارسازهای نوری و فیبرهای نوری برای انتقال و تشخیص سیگنال‌های نور برای تجزیه و تحلیل باشد.
در برخی از نانوسنسورها، کانال‌های میکروسیال ممکن است برای کنترل جریان نمونه‌ها و آنالیت‌ها ادغام شوند که تشخیص و اندازه‌گیری کارآمد را ممکن می‌سازد.
نانوحفره ها، می‌توانند برای شناسایی و تجزیه و تحلیل مولکول‌های منفرد در حین عبور استفاده شوند که در توالی یابی DNA و تجزیه و تحلیل پروتئین مورد استفاده قرار می‌گیرند.
برخی از حسگرها دارای سطوح نانوساختار با الگوها یا بافت‌های خاص هستند تا تعامل با آنالیت‌ها را افزایش دهند یا عملکرد حسگر را بهبود بخشند.
نویسنده: زهرا جهان‌بخش
تهیه شده درآکادمی بیوتکنولوژی ایران
