纳米传感器技术的研究进展

纳米传感器技术的研究进展

汪淑娜

（中国矿业大学材料科学与工程学院）

摘 要

传感器技术是当今世界迅猛发展的高新技术之一，也是当代科技发展的一个重要标志，它与通信技术及计算机技术构成信息产业的三大支柱。如果说计算机是人类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸。在集成电路和计算机技术飞速发展的同时，传惑器技术的发展也受到了普遍重视。2l世纪传感器技术的发展熟点集中在产品的微型化、集成化、多功能化、智能化、系统化等方面；低功耗、无线及便携式是新型传感器的主要特点[1].纳米电子技术和纳米制造技术的发展促进了纳米传感器的诞生，将极大丰富传感器的理论，拓宽传感器的应用领域。

关键词：传感器；超敏感纳米传感器；纳米生物传感器

1 传统传感器及其局限

1.1

传感器的定义

广义地来说，传感器（transducer/sensor）是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件或装置，在有些国家或科学领域，也将传感器称为变换器，检测器或探测器等[2]。

国际电工委员会（IEC：International Electrotechnical Committee）的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号。”中华人民共和国国家标准GB7665—1987对传感器（transducer/sensor）的定义是：能感受规定的被测量幷按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。此处可用的输出信号，是指便于加工处理、便于传输利用的信号。当今，电信号是最容易处理和传输的信号，因此可以把传感器侠义的定义为：将非电信号转换为电信号的器件。

因此，传感器是一种以一定的精度把被测量（非电量）转换为与之有确定对应关系的、便于应用的另一种量（一般为电量）的测量装置。传感器的定义包括四个方面的内容：

①传感器是测量装置，能完成检测任务。

②它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。 ③它的输出是某种物理量，这种量便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电量，目前主要是电量。

④输出和输入有对应关系，且具有一定的精度。

1.2传感器的组成

传感器的种类繁多，其工作原理、性能特点和应用领域各不同，所以其结构、组成的差异很大。但总的来说，传感器通常由敏感元件、转换元件及转换电路组成，有时还加上辅助电源，如附图所示。

被测量 敏感 非电信号 元件 转换 元件 转换 电路 电信号 辅助电源

附图 传感器组成框图

1、敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一种量的元件。

2、转换元件：敏感元件的输出量就是转换元件的输入量，转换元件把输入量转换成电路参量。

3、转换电路：将转换元件输出的电量转换成便于显示、记录、控制和处理的有用电信号的电路，上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。

传感器是将外界参量如物理、化学、机械等参量转化为电学量或光学量的一种装置。它是获取信息的重要工具，在工业生产、国防建设和科学技术领域发挥着巨大作用。随着信息技术及其相关外围技术的发展，特别是计算机技术的飞速发展，使得传感器技术有了革命性的进步。传感器与信息技术特别是微处理器相结合产生了各种功能强大的智能传感器[3].由于传统类型的传感器尺寸较大、灵敏度低、响应不够迅速、稳定性差、携带不便、操作复杂等局限性，已远远不能跟上时代发展的步伐，但是由于其低廉的价格，还是应用广泛，因此如何改善传统的模拟传感器性能、使其具有智能传感器的功能成为一个值得研究的问题。

2 几种不同的纳米传感器

2.1新型超敏感纳米传感器

新型超敏感传感器能够通过光线的反射来检测跟分子一样小的物质，这样就

使得传感器的可检测范围进一步扩大，从可爆炸物到癌症分子均可被新型传感器

[4]

所检测。

此新型传感器所使用的芯片上布满了金属立柱，这些金属立柱能够用来增强从物体反射回来的光信号。新型传感器的传感能力是现有传感器能力的l0亿倍。新型的传感器芯片大量使用了金属立柱阵列，这些金属立柱在其顶部和底部拥有小型的空腔，在侧面有一排纳米点。待研究的单个分子被放置的芯片上，一束纯净的单色光对其进行聚焦照射。金属立柱上的孔洞捕捉到反射光，然后反射光数次穿过纳米点，从而不止一次地生成了拉曼信号。这种办法制造出的传感器相比此前的拉曼散射传感器，在能力上提升了数个数量级。这种新设备被称为“磁盘耦合柱点天线阵列”或D2PA，生产制备简单且成本低廉。

2.2变色纳米传感器

基于表面等离子吸收的变色纳米传感器的工作原理是当颗粒聚集时，纳米颗

粒溶液变换颜色，尤其是有害物质含量很少时，溶液依旧能变换颜色。此技术可以形成易用、便携的野战装备，能够准确和迅速地识别毒素、病毒和病菌[5]。其

原理和方法的应用也得到以下研究者的证实。

Hone等研究了基于将金属纳米颗粒涂覆不同的碳水氧化物或糖来识别生物战剂的技术。当生物物质遇到碳水化合物或糖，就会使包含纳米颗粒的溶液变色(例如金颗粒会使溶液从红色变为蓝色）。Hone等指出金属纳米颗粒的光学特性受电磁场相互作用引起的电子相干震荡所控制，光吸收被称为表面等离子吸收。表面等离子是由在金属薄膜表面运动电子(或等离子体)的震荡而产生的振动等离子波。表面等离子吸收取决于金属的绝缘性、粒子的尺寸和形状以及周围的介质。相比之下，纳米金颗粒具有居于520nm的表面等离子宽的吸收带,因此纳米金颗粒的水溶液呈现红色。在聚集过程中，纳米颗粒靠近，耦合作用导致表面等离子吸收改变为低能量。

Vreugdenhil等报道了在交联溶胶一凝胶基质中包裹纳米金颗粒，颗粒尺寸和颗粒的分布增大。为证实表面等离子吸收带的变化是否是因为纳米颗粒的浓度，采用纳米金颗粒浓度为10％～100％的原液进行了一系列实验，发现表面等离子吸收带上的明显红色变化：低浓度纳米颗粒为520～545nm，高浓度纳米颗粒为565nm。

2.3纳米生物传感器

随着生命科学研究的不断发展．人们对生物体的研究也由器官、组织达到了细胞、亚细胞层次，微型化、动态、多参数、实时无损检测，已成为生物传感器[6]

发展的趋势。

目前人们已研制出了尺寸在微米、纳米量级的生物传感器和生物图像传感器，这些传感器的共同特点是：体积小、分辨率高、响应时间短，所需样品量少及对活细胞的损伤小，可进行微创甚至无剖测量。此外，由于响应时问可以缩短到毫秒级，所以可用于测量细胞的瞬态、突发性变化(如细胞分裂、死亡等)。目前纳米生物传感器主要采用纳米光纤探头及相应的光学检测方法，相对于此前的超微玻璃电极而言，具有可靠性高、一致性好、互换性好，以及制备容易等特点。此外，由于采用了光纤及相应的微机械加工制备技术，使纳米生物传感器比前期的超徽电极其有更小的尖端尺寸。

一种类型的光学生物传感器是利用紫外一可见光光谱测量法，通过探测贵金属纳米微粒的局部表面等离子体激元共振(LSPR)的λmax消光极大值，进而测定局部反射系数的变化。利用LSPR光谱学的生物传感测量方法与波长位移表面等离子体激元共振(SPR)光谱测量方法一致。LSPR生物传感器能够使仪器简单化．为将仪器携带到环境现场和医疗服务点使用提供了极大方便[12]。

3 纳米传感器的研究进展

3.1仿生纳米传感器的开发

美国GE公司全球研发中心宣布将与美国多家科研院所合作开发仿生光敏传感器。据悉，这种传感器灵感来自蝴蝶翅膀因其本身纳米结构所具备的敏锐的感光性和化学感知特性，将比传统传感器更加灵敏，而且成本低，有望应用在爆炸物检测、水质检测、环境监测、食品安全及健康等领域[7]。

蝴蝶翅膀有一个神奇功能——在不同气体环境中能够显示不同的色彩。这是由于蝴蝶翅膀鳞片具有一种独特的纳米结构，这种结构对周围的气体环境非常敏感，当接触到含有微量化学成分挥发物的空气时会反射出不同的颜色。因此，观

察蝴蝶翅膀的这种颜色变化，就可以了解其周围气体的化学成分。GE的研究人员由此得到灵感，开始着手开发一种全新的动态传感平台，试图复制蝴蝶翅膀纳米结构的独特传感功能。

负责该项目的GE全球研发中心的首席科学家Radislav Potyrailo博士说：“GE的仿生传感平台可以大幅提高化学威胁检测的敏感性、速度以及准确率。现在，越来越多的传感器被用来收集并传输区域气体浓度信息。这些信息可以对即将受到的化学威胁发出警告，甚至可以准确地检测发电厂周围的空气质量。GE的仿生传感器所具备的独特性能将帮助提高这些检测数据的质量，而且捕获那些以往无法获得的细节信息。”

据介绍，由于这种传感器可以做得很小，陈本很低，这也使得大规模便捷的生产成为可能。

3.2DNA纳米传感器的合成

美国和意大利科学家合作，首次使用人的DNA（脱氧核糖核酸）分子制造出

纳米生物传感器[8]，其能快速探测数千种不同的转录因子类蛋白质的活动，有望用于个性化癌症治疗并监控转录因子的活动。转录因子是生命的主控开关，控制着人类细胞的命运。转录因子的作用是阅读基因组并将其翻译成指令，指导组成和控制细胞的分子的合成，它有点像细胞的“设置键”，新传感器的主要工作是阅读这些设置。

新技术的基础是科学家们对细胞内天然生物传感器的研究成果。参与研究的罗马第三大学的弗朗西斯科·里奇表示，探测转录因子活动的所有信息已被编入基因组中，而且当处于受激状态时，这数千个不同的转录因子会依附于特定的目标DNA序列中，因此，可使用这些序列作为起始点来构建新的纳米传感器。

该研究团队受到这些天然纳米传感器的启发，用DNA而非蛋白质或RNA合成出了新的纳米传感器。他们将3种天然DNA序列(每种能识别出不同的转录因子)进行了调整，将其编入分子开关中，当这些DNA序列与其目标结合时，这些分子开关就会变成荧光。科学家们能用这样的纳米传感器，通过简单测量荧光强度来直接确定细胞内转录因子的活动。

3.3我国新型纳米敏感材料与纳米传感器的研究[9]

中科院合肥智能机械研究所的一个研究小组在此研究中取得重要成果，他们

提出并设计了一种多孔单晶结构ZnO纳米材料，既保证了其单晶稳定结构，又获得了有助于提高灵敏度的高比表面积，受到国内外同行专家的高度关注。

英国物理学会(IOP)在其网站对此作了特别报道，“来自中国的研究人员通过煅烧硫化物前驱体的方法制备了一种具有多孔结构的单晶半导体氧化物纳米材料??这种多孔单晶纳米材料有望成为制作高灵敏度和长期稳定传感器的新一代材料。”

此前，研究小组曾对高粗糙度的三元复合敏感薄膜开展研究，结果显示比表面积对于敏感材料的灵敏度具有关键性影响，比表面越大灵敏度越高，且响应越迅速。同时，对于微纳分级结构的单晶ZnO 纳米棒的研究发现，其具有优良的长期稳定性。

基于上述研究成果，研究小组提出并设计了一种多孔单晶结构ZnO纳米材料。研究发现，多孔结构大大提高了材料的比表面积(大约是非多孔材料的两倍)，获得的敏感材料对室内空气污染物——甲醛和氨灵敏度高，响应和恢复时间短：同

时，纳米材料的单晶结构保证了其敏感性能的长期稳定。

这项研究成果为纳米半导体敏感材料研究领域开辟了一条有效解决如何兼备敏感性和稳定性的途径，突破了现有瓶颈，为其走向实际应用奠定了基础。

3.4纳米敏感材料与纳米传感器的研究

在国家自然科学基金委、科技部和中科院的支持下，中科院智能所研究员刘

锦淮课题组在新型纳米敏感材料和纳米传感器方而取得一系列成果[10]。 课题组前期曾对高粗糙度的三元复合敏感薄膜开展研究，基于上述前期研究成果，该课题组提出并设计了多孔的晶结构ZnO纳米材料，既保证了其单晶稳定结构，又获得了高

的比表面积。研究发现：多孔结构大大提高了材料的比表面积(大约是非多孔材料的两倍)，获得的敏感材料对室内空气污染物—— 甲醛和氨灵敏度高，响应和恢复时间短；同时，纳

米材料的单晶结构保证了其敏感性能的长期稳定。其研究成果为纳米半导体敏感材料研究领域开辟 一条有效解决如何兼备敏感性和稳定性的途径，突破了现有瓶颈，为其走向实际应用奠定了基础。此外，课题组科研人员还采用水热法合成了具有多孔结构的CdO纳米线和In2O3纳米空心球气敏材料。 该课题组的科研人员以上述研究成果作为工作基础，正继续深入发掘纳米传感器的卓越性能，有望在环境监测领域的现场检测技术上继续取得新突破。

3 纳米传感器技术在生活中的应用

3.1采用纳米腔传感器探测病毒

科学家发明了一种纳米传感器可检测出千万亿分之一克的生物学物质或病毒。将来这种传感器可能用于检测流感、SARS、禽流感或其它病毒[11]。

这种传感器由纽约Rochester大学研究者发明，最近出版的OpticsLetters介绍了这种传感器。传感器由微小的六边形腔构成，每个腔直径240nm，用光电子技术在一个非常薄的硅板上雕刻而成，一块板整个面积为40mm，当光束直接通过晶体，光谱中特殊的部分与晶体作用并通过。但当有一粒子被其中一个纳米腔捕获，传输的光谱将发生轻微改变，然后探测器就可感应到被改变的光谱。“当在某一大小范围内，病毒在某一纳米腔被捕获，传送的光谱将不同于没有病毒粒子存在的光谱。”Rochester大学项目相关研究者 Philippe Fauchet工程师说，“我们可比较两种光谱来决定是否有目标病毒被捕获，而这种技术是基于一种非常简单的电力生物感应器，它可以被没有受过专门培训的人员使用，例如一线生产者。”

3.2利用纳米传感器快速检测癌症

[12]

美国科研人员日前研发出一种可快速检测癌症的纳米传感器，这种仪器能在

更短时间内发现癌症的早期迹象，从而为治疗争取更多时间。

美国耶鲁大学的科研人员说，他们研发的这种仪器可以从病人的血液中找到前列腺癌、乳腺癌和其他癌症的生物标记，与传统检测方法相比，其检测结果更加准确，而且成本不高。生物标记是监测及追踪癌症发展的重要工具。

研究人员介绍说，这种仪器操作方便，医生只需从病人手指上取一点血，便可很快完成检测，整个过程只需20分钟。由于血液的成分复杂，为找到能监测癌

症的生物标记，研究人员使用了一个类似过滤器的装置，使这种纳米传感器能直接从血液中过滤出所需检测的物质，其精度相当于从一个巨大的游泳池中找到一颗盐粒。

研究人员认为，虽然这种仪器目前还不能马上投入实际应用，但在进一步对其完善的基础上可以制造出更简便快捷的癌症诊断仪器。

3.3可自行发电的纳米传感器

近日，美国科学家发明了一款新型传感器，该传感器能实现自行发电

，将

对未来产生重大影响。该传感器项目是由美国化学学会的科学家们进行的，这种基于纳米技术的设备将对未来产生深远影响。目前它能够实现30英尺距离无电池参与下的运行，这意味着它能够利用环境自行发电，能源来源包括太阳能、声波、震动、化学、气流和热能，无线数据的传输都由设备自行供电，用一个电容器来实现电力存储。

这种传感器不仅仅用于医疗，还可以用于空中摄像机、可穿戴电子产品等，套用威廉吉布森的话，未来已经来临。

[13]

3.4纳米传感器芯片促进药物开发提速

美国斯坦福大学的研究人员开发出一种新型的传感器芯片．可以大大加快药

物开发过程 这种由高度敏感的纳米传感器构成的微芯片[114]，可以分析蛋白质如何相互结合，在评估药物的有效性及可能带来的副作用方面迈出了关键一步。 这种新型生物传感器只需要lcm大小的纳米传感器阵列，就能以高于现有任何传感器数千倍的能力持续不断地监测蛋白质的结合活动。新的传感器可以同时监测成千上万种反应，而且比目前的“金标准”方法敏感性更强，并能更快地提供检测结果。

该纳米传感器阵列有两大重大进步。首先是将磁性纳米标记附着在被研究的蛋白质上，大大地提高了监测的灵敏度。其次，研究人员开发了一种新的分析模型，以监测数据为依据，只要几分钟就能准确地预测结果。而目前其他的技术只能同时监测四种反应．需要长达数小时的时间才能获得结果。 研究人员在数年前就开发出了磁性纳米传感器技术，在检测小鼠血液中癌症相关蛋白的生物标志物时发现，其敏感性远高于其他技术．检测浓度为其他技术检测浓度的千分之一。

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[8]科学家首次用DNA合成出纳米传感器.科技与生活.2011，18：10-10

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