Nanosensör: Bileşenleri, Çeşitleri, Çalışması, Üretim Teknikleri, Çeşitleri ve Uygulamaları

İlk nanosensör örneği, 1999 yılında Georgia Teknoloji Enstitüsü'nde araştırmacılar tarafından karbon nanotüplerden oluşturulan bir yenilikle geliştirildi. Bir nanosensör benzersiz bir sensör türüdür ve kimyasal, biyolojik, fiziksel veya çevresel bilgileri nano ölçekte tespit etmek ve ölçmek için tasarlanmış küçük platformlardır. Bunlar sensörler benzersiz nanopartikül özelliklerinden dolayı esas olarak algılama uygulamaları için idealdir; devasa yüzey bölgesi/seviye oranı. Bu makalede nanosensörler, çalışmaları, çeşitleri ve uygulamaları hakkında kısa bilgiler verilmektedir.

Nanosensör Tanımı

Birkaç nanometrelik karakteristik boyutlara sahip bir sensör türü, nanosensör olarak bilinir. Bu, nanopartiküllerin ve kimyasal türlerin varlığını tespit etmek veya farklı fiziksel parametreleri kontrol etmek için kullanılan mekanik veya kimyasal bir sensördür. Bunlar su kalitesini, gıdayı ve diğer kimyasalları algılamak gibi tıbbi teşhis uygulamalarında kullanılır. Bu sensör normal bir sensöre benzer şekilde çalışır ancak küçük miktarları algılar ve bunları analiz edilmesi gereken sinyallere dönüştürür. Nanosensörler ulaşım sistemlerinde, patojen tespitinde, tıpta, imalatta, kirlilik kontrolünde vb. alanlarda kullanılmaktadır.

Nanosensör örneklerinden bazıları; DNA veya peptidlerden yapılmış floresan nanosensörler, karbon nanotüpler, kuantum noktaları, plazmon eşleşmesine bağlı nanosensörler, manyetik rezonans görüntüleme ve fotoakustik.

Nanosensör Bileşenleri

Nanosensör bileşenleri temel olarak bir analit, sensör, dönüştürücü ve bir dedektörden oluşur. Nanosensörler tek moleküllü nokta seviyesini ölçebilmektedir. Genel olarak bu sensörler, sensör malzemelerindeki elektriksel değişiklikleri takip ederek çalışır.

Bu diyagramda ilk olarak çözeltideki analit nanosensörün yüzeyine yayılır. Bundan sonra, spesifik ve verimli bir şekilde yanıt verir, böylece dönüştürücü yüzeyinin fizikokimyasal özellikleri değişir, bu da dönüştürücünün yüzünün elektronik (veya) optik özelliklerinde bir değişikliğe yol açar. Son olarak bu, algılanan bir elektrik sinyaline dönüştürülür.

Nanosensör Çalışma Prensibi

Nanosensör, sensör malzemelerindeki elektriksel değişiklikleri takip ederek çalışır. Bir nanosensörün temel parçaları; analit, dönüştürücü, dedektör ve dedektörden sensör bloğuna doğru geri besleme hattı. Nanosensör, tek molekül seviyelerini ölçer ve sensör malzemesi içindeki elektriksel değişimi basitçe koruyarak çalışır.

Bu sensördeki analit ilk önce çözeltiden sensörün yüzeyine yayılır ve yüzeyin fizikokimyasal özelliklerini değiştirerek tam ve çok etkili bir şekilde yanıt verir. Bundan sonra elektronik optik dönüştürücünün özelliklerinde bir değişikliğe neden olur. Böylece nihayet bu değişiklik farkedilebilen bir elektrik sinyaline dönüştürülebilir.

Nanosensör Geçmişi

• “Nanoprobe” olarak Nanosensor, 1990 yılında kuruldu ve IBM Sindelfingen'de, toplu mikro işleme ile silikon AFM problarının toplu işlenmesi için gerekli temel teknolojiler üzerine yürütülen araştırmalara dayanarak geliştirildi.
• Nanosensörler, AFM ve SPM problarını 1993 yılında dünya çapında ticarileştirdiler. Dolayısıyla, AFM probları oluşturmak için toplu işleme teknolojilerindeki gelişmeleri, Atomik Kuvvet Mikroskoplarının zaman endüstrisinde başlatılmasına katkıda bulundu.
• Bu farkındalığın belirlenmesinde bu sensörler, Almanya'nın Baden-Württemberg Eyaleti için Dr.-Rudolf-Eberle İnovasyon Ödülü'nü, 1995 yılında Alman Endüstri İnovasyon Ödülü'nü ve 1995 yılında Förderkreis für die Mikroelektronik e.V İnovasyon Ödülü'nü kazandı. 1999. 2002 yılında Nanosensörler alındı ​​ve bağımsız bir iş birimi olan İsviçre merkezli NanoWorld'e entegre edildi.
• 2003 yılında bu sensörler AdvancedTEC™ gibi yenilikçi yeni AFM tipi probu piyasaya sürdü. Kesin konumlandırmaya izin verir ve AFM probu montajı nedeniyle hafifçe eğildiğinde bile bu probun atomik kuvvet mikroskobu optik sistemi boyunca Gerçek Uç Görünürlüğü sağlamasını sağlar.
• Sensors, 2003 yılında NanoAndMore GmbH'yi Türkiye, İsrail ve Avrupa'nın yeni resmi distribütörü olarak atadı.
• 2004 yılında, uyumluluk ve yüksek uygulama çok yönlülüğü gibi bilinen kanıtlanmış PointProbe® Serisi özelliklerini ticari AFM'lerle birleştiren PointProbe® Plus piyasaya sürüldü.
• 2005 yılında, UHV uygulamaları için mükemmel Q faktörü ve geliştirilmiş S/N oranına sahip yeni bir AFM prob tarama yakınlığı olan Q30K-Plus duyuruldu.
• Nanosensörler 2006, NanoWorld Group'un bir üyesi olan Kuzey Amerika dağıtım ağını değiştirdi,
• NanoAndMore USA Corp., Nanosensor'un ABD, Meksika ve Kanada'daki resmi distribütörü oldu.
• Nanosensors 2007, yeni bir silikon MFM AFM prob serisini piyasaya sürdü, PointProbe® Plus XY-Alignment serisini tanıttı, Plateau Tip AFM prob serisini piyasaya sürdü ve PointProbe® Plus AFM prob Serisini duyurdu.
• 2008 yılında kendi kendini çalıştıran ve kendi kendini algılayan Akiyama sondasını tanıttı.
• Nanosensor 2011, ilk özel geliştirme listesini yükledi ve aşınmaya dayanıklı, iletken yeni AFM prob serisini ve Platinum Silicide AFM problarını duyurdu.
• 2013 yılında YouTube kanalında ilk iki ekran yayını duyuruldu.
• 2013 yılında uniqprobe™ olarak bilinen yeni bir AFM prob serisini piyasaya sürdü.

Nanosensör Üretim Teknikleri

Bu sensörleri yapmak için önerilen çeşitli teknikler vardır; yukarıdan aşağıya litografi, aşağıdan yukarıya montaj ve moleküler kendi kendine montaj.

1. Yukarıdan Aşağıya Yaklaşımlar
   • Litografi: Bu yöntem, elektron ışını litografisi (EBL) veya fotolitografi gibi teknikler kullanılarak nano ölçekli desenlerin alt tabakalara kazınmasını içerir. Özellikle EBL, nano ölçekli özellikler oluşturmak için gerekli olan hassas desenlemeye olanak tanıyan yüksek çözünürlük sunar.
   • Gravür: Nano ölçekli yapılar oluşturmak için malzemeyi bir alt tabakanın yüzeyinden seçici olarak çıkarmak için hem ıslak hem de kuru aşındırma yöntemleri kullanılır. Reaktif iyon aşındırma (RIE), hassasiyeti ve karmaşık desenler oluşturma yeteneği nedeniyle popüler bir kuru aşındırma tekniğidir.
2. Aşağıdan Yukarıya Yaklaşımlar
   • Kimyasal Buhar Birikimi (CVD): CVD, gaz halindeki reaktanların substratlar üzerinde katı malzemeler oluşturduğu, ince filmler ve nano yapılar oluşturduğu bir işlemdir. Plazmayla güçlendirilmiş CVD (PECVD) gibi varyantlar, reaksiyon hızlarını artırmak için plazmayı kullanarak süreci geliştirir.
   • Kendi Kendine Montaj: Bu teknik, moleküllerin yapısal düzenlemeler halinde kendiliğinden organizasyonunu içerir. Örneğin DNA nanoteknolojisi, karmaşık nanoyapılar oluşturmak için DNA'nın baz eşleştirme özelliklerinden yararlanır.
   • Sol-Jel İşleme: Bu, bir çözelti sisteminin sıvı 'sol'dan katı 'jel' fazına geçişini içerir. Özellikle seramik ve camsı nanoyapılar oluşturmak için kullanışlıdır.
3. Hibrit Yaklaşımlar

                      Nanobaskı Litografisi (NIL): Bu, hem yukarıdan aşağıya hem de aşağıdan yukarıya yaklaşımların yönlerini birleştirir. Nanoyapılı bir kalıbın bir polimer katmanına preslenmesini, ardından nano ölçekli özelliklerin aktarılması için polimerin sertleştirilmesini içerir.

Nanosensör Çeşitleri

Aşağıda tartışılan farklı nanosensör türleri vardır.

Fiziksel Nanosensörler

Bu sensörler hız, sıcaklık, basınç, elektrik kuvvetleri, yer değiştirme, kütle ve daha pek çok fiziksel büyüklük içindeki değişiklikleri ölçmek için kullanılır. Bu nanosensörler günlük hayatta ve endüstride çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır. Nanowear Inc., vücudumuzdan gelen elektrik sinyallerindeki değişikliklere bakarak kronik hastalarda olası bir kalp yetmezliğini ortaya çıkmadan önce bulmak için giyilebilir iç çamaşırları yapmak için fiziksel nanosensörlerden yararlanıyor.

Kimyasal Nanosensörler

Bu sensörler farklı kimyasalların (veya) pH değeri gibi kimyasal özelliklerinin tespit edilmesine yardımcı olur. Dolayısıyla bu, ekolojik kirliliğe (veya) farmasötik analiz için bakıldığında faydalıdır. Genellikle bu sensörler, metal nanopartiküller veya grafen gibi farklı nanomalzemelerden üretilir çünkü bunlar, hesaplanması gereken belirli hedef kimyasalların oluşumuna yanıt verir.

Bu sensörün en güzel örneği bir sıvının pH değerini tespit etmesidir. Araştırılan bir grup, pH değerini spektroskopik teknikle tespit etmek için altın nanopartiküllerle kaplı polimer fırçalar kullanarak böyle bir sensör türü oluşturmayı başardı.

Nano biyosensörler

Tıp ve sağlık hizmetlerinde nano biyosensörler patojenleri, toksinleri, tümörleri ve biyobelirteçleri tam olarak tespit edebilir. Bu sensörler, moleküllerin tepkisini optik veya elektrik sinyallerine dönüştürür ve ölçülmesi gereken şeyi son derece spesifik olarak hedefleyebilme avantajına sahiptir. Bir nesnenin boyutu ve yüzey-hacim oranı büyüdüğünde, bu sensörler, hedeflenen moleküller aracılığıyla reaksiyonun daha sık meydana geldiği durumlarda daha iyi algılama sağlamak için daha büyük biyosensörlere göre büyük bir avantaj sağlar.

Bu sensörler Tayvanlı start-up Instant NanoBiosensors Co., Ltd. tarafından kullanılıyor. Çeşitli biyolojik bileşikleri tespit etmek için altın nanopartiküller ve antikorlarla kaplı bir optik fiber kullanıyorlar.

Optik Nanosensör

Optik nanosensörler, optik frekanslarda elektromanyetik uyarılmaya karşı farklı bir reaksiyon gösteren nano ölçekli (veya) nanoyapılı sensör malzemelerine sahiptir. Bu sensörler esas olarak kimyasal veya biyolojik süreçlerin izlenmesi ve tanımlanması için analitik nedenlerle kullanılır. Bu sensörler ayrıca verileri önemli bilgiler için sinyallere dönüştürür.

Avantajlar ve dezavantajlar

nanosensörlerin avantajları aşağıdakileri içerir.

• Nanosensörler nano düzeyde kolaylıkla etkileşime girebilir ve makro düzeyden farklı olarak nano düzeyde benzersiz gelişmeleri gözlemlerler.
• Bu sensörler daha fazla doğruluk sağlayan yüksek hassasiyete sahiptir.
• Bunlar dayanıklı, sağlam, taşınabilir, yüksek hassasiyetli, küçük, sağlam tepkili, gerçek zamanlı algılamalı, seçici ve hafiftir.
• Bu sensör düşük güç tüketimine sahiptir
• Analiz etmek ve gözlemlenen malzemeye en az zarar vermek için düşük bir numune hacmi gerektirir.
• Bu sensörün tepki süresi düşüktür ve diğer sensörlere göre daha hızlıdır, bu da gerçek zamanlı analiz yapmalarına olanak tanır.
• Bu sensör çeşitli şeyleri aynı anda algılayarak çeşitli işlevlere olanak sağlar.
• Nanosensörler önemli algılama hassasiyeti (veya) çözünürlüğü aralıkları gösterir.
• Bu sensörler daha küçük ölçekte çalışır.
• Daha fazla hassasiyete ve daha fazla doğruluğa sahiptirler.

Nanosensörlerin dezavantajları aşağıdakileri içerir.

• Bu sensörler normalde biyolojik ölçümler için daha az seçicidir çünkü DNA gibi biyo-reseptörler ve antikorlar için daha yüksek spesifikliğe sahip değildirler.
• Yukarıdan aşağıya üretilen nanosensörlerin çözünürlüğü sınırlıdır ve pahalıdır.
• Aşağıdan yukarıya tip nanosensörler çok düşük verimlidir, büyük ölçeklendirmeye sahiptir ve diğerlerine kıyasla son derece pahalıdır.

Uygulamalar

Nanosensörlerin uygulamaları aşağıdakileri içerir.

• Nanosensörler temel olarak bitki bilimlerindeki çok sayıda uygulamada kullanılmaktadır; istikrarlı enerji tedariki, metabolik aktivitelerin tespiti, bilgilerin depolanması ve hesaplanması ve ayrıca çok çeşitli ekolojik uyaranların tespit edilmesi ve bunlara yanıt verilmesi.
• Bu, esas olarak kimyasal, biyolojik, çevresel (veya) fiziksel bilgileri nano ölçekte tespit etmek ve ölçmek için tasarlanmış benzersiz bir sensör türüdür.
• Bunlar biyomedikal endüstrilerden çevre endüstrilerine kadar farklı uygulamalarda kullanılan mekanik veya kimyasal sensörlerdir.
• Bu sensörlerin bazı yaygın uygulamaları başlıca şunlardır;
• Bu sensörler, kirliliğin izlenmesi için gazların içindeki çeşitli kimyasalların tespit edilmesine yardımcı olur.
• Yer değiştirme, akış ve sıcaklık gibi fiziksel parametreleri izlemek için bir nanosensör kullanılır.
• Nanosensörler, bitki biyolojisini anlamak için bitki sinyallemesinin ve metabolizmasının izlenmesine yardımcı olur.
• Nörofizyolojiyi tanımak için beyindeki nörotransmitterlerin incelenmesine yardımcı olur.
• Bu sensörler, hava yastığı sensörleri gibi MEMS cihazları içerisinde ivmeölçer olarak kullanılabilir.
• Gerçek zamanlı toprak durumu ölçümlerini toplamak için kullanılır; Temel olarak tarımsal amaçlar için pH, besin maddeleri, nem ve kalıntı pestisitler.
• Bu sensör, gıdalardaki kanserojenleri tespit etmek için sebze ve meyvelerdeki pestisitleri tespit etmek için kullanılır.
• Gıda güvenliği ve kalite kontrol önlemlerinin bir unsuru olarak gıda içindeki patojenleri tespit eder.
• Bu sensör küçük moleküllü metabolitleri tespit eder ve izler.
• Terapötik müdahaleye yanıt olarak gerçek zamanlı metabolik kanser hücresi aktivitesinin izlenmesi için kullanılır.

Böylece bu Bir nanosensöre genel bakış çalışma şekilleri, çeşitleri, avantajları, dezavantajları ve uygulamaları. Nanosensör, fiziksel miktarları ölçen ve aynı zamanda tespit edilip analiz edilebilecek sinyallere dönüşen nano ölçekli bir cihazdır. Bu sensörler savunma, sağlık ve çevre endüstrileri gibi çeşitli uygulamalarda kullanılan farklı tiplerde mevcuttur. Bu tür sensörleri üretmek için farklı teknikler mevcuttur; yukarıdan aşağıya litografi, ikincisi aşağıdan yukarıya montaj ve üçüncüsü moleküler kendiliğinden montajdır. İşte size bir soru; nanosensör kim tarafından icat edildi?