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『传感器专家网』一文读懂纳米传感器，尤其是制造纳米传感器的5大材料技术


传感器在日常生活中被广泛使用 ， 其用途从监视气体浓度到识别人脸 。 传感器还广泛用于各种工业过程中 ， 以检测和监视各种过程 。 纳米传感器的工作方式与传统传感器相同 ， 但是区别在于纳米传感器使用纳米材料作为其有源传感元件 。
『传感器专家网』一文读懂纳米传感器，尤其是制造纳米传感器的5大材料技术
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一、定义
纳米传感器是测量物理量并将这些量转换为可以检测和分析的信号的纳米级设备 。
虽然目前全球对于纳米传感器并没有一个明确的定义 ， 但大多数定义它为一种感测设备 ， 其尺寸中的至少一个小于100 nm ， 目的是收集纳米级信息并将其转换为数据进行分析 。
纳米技术处理的是物质在纳米级的物理或化学性质 。 因此 ， 相比于传统传感器只能通过减少感测部件或换能器以改善传感器性能的模式 ， 纳米传感器可以利用材料的物理或化学性质现 ， 改善其重要特性和质量参数 。
因此 ， 纳米传感器并不一定要减小到纳米级的尺寸 ， 而是可以利用纳米材料的独特特性来检测和测量纳米级事件的大型设备 。 例如 ， 在诸如银或金的贵金属中 ， 比电子的德布罗意波长小的尺寸的纳米结构导致在块状材料的光谱中不存在的可见/近紫外区域中的强烈吸收 。 目前已开发出用于检测气体 ， 化学和生化变量以及物理变量和检测电磁辐射的纳米传感器 。
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二、特性
与传统材料制成的传感器相比 ， 基于纳米材料的传感器在灵敏度和特异性方面具有多项优势 。
高特异性：纳米传感器之所以具有更高的特异性 ， 是因为它们的运行规模与天然生物过程相似 ， 可以利用化学和生物分子进行功能化 ， 并具有引起可检测物理变化的识别事件 。
高灵敏度：灵敏度的提高源于纳米材料的高表面积体积比 ， 以及可以用作检测基础的纳米材料的新颖物理特性 ， 包括纳米光子学 。 纳米传感器还可以潜在地与纳米电子器件集成 ， 从而为纳米传感器增加本地处理能力 。
成本和响应时间的优势：除了灵敏度和特异性外 ， 纳米传感器还具有成本和响应时间方面的显着优势 ， 这使得纳米传感器适用于高通量应用 。 与传统的检测方法（例如色谱法和光谱法）相比 ， 纳米传感器可提供实时监控 。 这些传统方法可能需要数天至数周才能获得结果 ， 并且通常需要投资于资本成本以及样品制备时间 。
面临多挑战性：纳米传感器面临许多挑战 ， 包括避免结垢和漂移 ， 开发可重现的校准方法 ， 应用预浓缩和分离方法以获得避免饱和的适当分析物浓度以及以可靠的可制造方式将纳米传感器与传感器组件中的其他元件集成在一起 。 由于纳米传感器是一项相对较新的技术 ， 因此有关纳米毒理学的问题很多悬而未决 ， 目前限制了它们在生物系统中的应用 。 一些纳米传感器可能会影响细胞的新陈代谢和体内稳态 ， 从而改变细胞分子的分布并使其难以将传感器引起的伪影与基本的生物学现象区分开 。
三、纳米传感器的分类及工作原理
纳米传感器有多种类型 ， 主要有电化学纳米传感器、光子纳米传感器和比色法纳米传感器 。
电化学纳米传感器：
电化学纳米传感器基于检测由于散射的变化或电荷载流子的耗尽或积累而导致的分析物结合后纳米材料中的电阻变化 。 包括化学纳米传感器和物理化学纳米传感器这两种 ， 两者各有不同的传感机制 。
化学纳米传感器通过测量纳米材料的电导率变化来起作用 。 许多纳米材料具有高电导率 ， 当分子结合或吸附时 ， 电导率会降低 ， 正是这种可检测的变化被测量 。 一维材料（例如纳米线和纳米管）是化学纳米传感器的出色示例 ， 因为一旦检测到分析物 ， 它们的电约束结构既可以充当换能器 ， 也可以充当电子线 。


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