纳米传感器

图1半导体吸附前后能带图 纳米传感器

近年来兴起的纳米科学技术是在现代科学和现代技术的基础上发展起来的一门综合性科学技术，它是在纳米尺度（0.1~100nm ）范围内研究自然界中原子、分子的行为规律，实现由人类按需要直接排列原子，创造出性能独特的产品。纳米科学技术已经迅速渗透到纳米材料学、纳米机械学、纳米电子学等各个领域，研究和应用前景十分广阔。目前，应用纳米技术研究开发纳米传感器，有两种情况：一是采用纳米结构的材料（包括粉粒状纳米材料和薄膜状的纳米材料）制作传感器；二是研究操作单个或多个纳米原子有序排列成所需结构而制作传感器。

纳米材料具有巨大的比表面积和界面，对外部环境的变化十分敏感。温度、光、湿度和气氛的变化均会引起表面或界面离子价态和电子输出的迅速改变，而且响应快，灵敏度高。因此，利用纳米固体的界面效应、尺寸效应、量子效应，可制成传感器。传感器的研究开发与纳米材料的研究相比，主要体现在应用得更加具体化。传感器上所用的纳米材料主要是陶瓷材料。

纳米材料特性制成的传感器

气敏传感器：

许多纳米无机氧化物都具有气敏特性，对某种或某些气体有极佳的敏感性能。气体传感器材料有如下要求：对测定对象气体具有高的灵敏度；对被测定气体以外的其他气体不敏感；长期使用性能稳定。

半导体纳米气体传感器是利用半

导体纳米陶瓷与气体接触时电阻的变

化来检测低浓度气体。半导体纳米陶瓷

表面吸附气体分子时，根据半导体的类

型和气体分子的种类不同，材料的电阻

率也随之发生不同的变化。半导体纳米

材料表面吸附气体时，如果外表原子的

电子亲合能大于表面逸出功，原子将从

半导体表面得到电子，形成负离子吸

附。相反，形成正离子吸附。N 型半导体发生负离子吸附时，其能带的变化如图1所示。 湿敏传感器

湿度传感器，可以将湿度的变化转换为电讯号，易于实现湿度指示、记录和控制的自动化。湿度传感器的工作原理是半导体纳米材料制成的陶瓷电阻随湿度的变化关系决定的。纳米固体具有明显的湿敏特性。纳米固体具有巨大的表面和界面，对外界环境湿气十分敏感。环境湿度迅速引起其表面或界面离子价态和电子运输的变化。例如，BaTiO 3纳米晶体电导随水分变化显著，响应时间短，2min 即可达到平衡。湿度传感器的湿敏机制有电子导电和质子导电等。例如纳米Cr 2O 4-TiO 2陶瓷的导电机制是离子导电，质子是主要的电荷载体，其导电性由于吸附水而增高。

所用纳米材料制成的湿度传感器有很高的湿度活性，湿度响应快，对温度、时间、湿度和电负荷的稳定性高。

压敏传感器

在压敏传感器中研究和应用日渐活跃的是氧化锌系纳米传感器，由于其具有均匀的晶粒尺寸，它不但适用于低电压器件，而且更适用于高电压电力站，它能量吸收容量高，在大电流时非线性好，响应时间短，电学性能极好，且寿命长。纳米氧化锌压敏传感器高度的非线

性电压－电流关系，主要由绝缘晶界层决定。两个ZnO分解，形成填隙Zni原子，同时产生氧空位V0，如下式所示：ZnO→Zni+V0+1/2O2

Zni及V0经一次和二次电离，就形成e－为载流子的N型半导体了。

其它特性传感器

纳米材料在传感器上体现的性能还有很多，如热敏性、磁敏性、多功能敏感等。纳米传感器的特征是比表面积大。随着接触面积的增大，便出现了许多特异的性能，可满足传感器功能要求的敏感度、应答速度、检测范围等。

纳米技术在生物传感器中的应用

纳米生物技术是国际生物技术领域的前沿和热点问题，在医药卫生，食品生产和监控，环境监测等领域有着广泛的应用和明确的产业化前景，特别是纳米药物载体、纳米生物相容性人工器官、纳米抗菌材料、纳米生物传感器以及微型智能化医疗器械等，将在疾病的诊断、治疗和卫生保健方面发挥重要作用。

悉尼海湾的一粒方糖

澳大利亚AMBRI有限公司悉尼实验室的专家，研制出的一种手持式纳米生物传感器（图2），可以探测空气中的病原体，比如说炭疽热病菌等，非常适合生物武器的现场检测。

这是一个在纳米水平上的精确设计，是真正意义上的纳米生物传感器，通过模拟细胞膜，形成具有开关功能的离子通道，当敏感膜与样本中的受体结合，引起离子通道的关闭，从而影响导电性能。这种纳米检测仪非常灵敏，可检测分子的下限相当于悉尼海湾里溶解的一粒方糖。其用途非常广泛，一个拇指指甲大小的传感器能在几分钟内，帮助医生从病人的体液中确认病因。另外，这种传感器可以用来控制环境污染等。

纳米微悬梁生物传感器

IBM公司和瑞典Basel大学的研究人员正在开发一种新型的纳米微悬梁生物传感器，利用DNA分子的双螺旋机构，作为分子特异性识别能力的模型。器件的核心是硅悬梁天平阵列，长500μm，宽100μm，厚度为1μm。由于生物分子的结合，从而引起悬梁臂的弯曲，通过激光反射技术，该器件能够检测到10～20nm的弯曲。在悬梁天平阵列表面固定具有不同识别性的分子，构成阵列式生物传感器可以同时检测多项指标。

图2模拟离子通道开关的生物传感器图3纳米微悬梁生物传感器

光纤纳米生物

传感器

随着新技术、新工艺的发展，制造纳米光纤探针和纳米敏感材料的技术逐步成熟，运用纳米光纤探针和纳米级的识别元件检测微环境中的生物、化学物质成为可能。运用这种高度局部化的分析方法，使能够监测微环境（如：细胞、亚细胞结构）中各成分浓度的渐变以及其在空间的不均一性。

光纤纳米荧光生物传感器

一些蛋白质类生物物质自身能发荧光，另一些本身不能发荧光的生物物质，可以通过标记或修饰使其发荧光；基于此，可构成将感受的生物物质的量转换成可用于输出信号的荧光生物传感器。荧光生物传感器测量的荧光信号可以是荧光猝灭，也可以是荧光增强；可测量荧光寿命，也可以测量荧光能量转移。

Kopelman在1992年最早构建并使用了基于荧光法的光纤纳米传感器，用于检测微环境中的pH值。其工作原理是在光纤头部固定荧光剂，荧光剂与质子发生可逆反应时，引起试剂相光学性质的变化，光变信号由光纤传输，测定荧光强度的变化，以检测定pH值。Kopelman用光纤拉制仪将光纤拉制成头部直径为100～1000nm的光纤探针，然后用真空蒸发器在光纤表面镀上铝以防止光在传输过程中外泄。铝光纤在表面沉积时，操作中一定要确保铝不能沉积在光纤头部，使光纤头部能够结合荧光剂或受体分子。镀铝完成后，将暴露的光纤头部硅烷化。硅烷化的作用是使光极形成含羟基或氨基的活性表面，再直接进行抗原或抗体的固定或使用双功能交联剂（如戊二醛等）连接识别分子。随后在光纤头部结合上一种pH选择性荧光染料聚合物。纳米传感器制好后，测定样品液检测传感器性能（包括检测范围、响应时间、使用寿命、稳定性等）。该纳米传感器响应时间为300ms，比传统的光纤传感器响应时间缩短1%以上，pH浓度检测下限低于传统传感器六个数量级。这些特性使之适宜于对单个细胞和亚细胞结构的检测。Kopelman等已将其用于小鼠胚胎细胞pH值的检测，这是最早报道用于检测生物样本的纳米传感器。

光纤纳米荧光生物传感器具有荧光分析特异性强，敏感度高等优点，而且无需用参比电极，使用简便、体积微小等诸多优点，具有广泛的应用前景。

光纤纳米免疫传感器

免疫传感器是指用于检测抗原抗体反应的传感器，根据标记与否可分为直接免疫传感器和间接免疫传感器；根据换能器种类的不同，又可分为电化学免疫传感器、光学免疫传感器、质量测量式免疫传感器、热量测量式免疫传感器等。光学免疫传感器是将光学与光子学技术应用于免疫法，利用抗原抗体特异性结合的性质，将感受到的抗原量或抗体量转换成可用光学输出信号的一类传感器，这类传感器将传统的免疫测试法与光学、生物传感技术的优点集为一身，使其鉴定物质具有很高的特异性、敏感性和稳定性。而光纤纳米免疫传感器是在其基础上将敏感部制成纳米级，既保留了光学免疫传感器的诸多优点，又使之能适用于单个细胞的测量。

Dinh等人成功地研制出一种用于检

测BPT（Benzo[a]pyrene tetrol，是一种

与暴露于致癌物质苯并a芘相关的DNA

损伤的生物标志物）的光纤纳米免疫传

感器，传感器头部的生物探针上结合了

特异性单克隆抗体，通过抗原抗体特异

性结合，能够检测单个细胞内的生物化

学物质。

BPT纳米传感器制好后，在专用于

单细胞操作的显微操纵仪/显微注射器

图4用光纤纳米免疫传感器检测单个细胞的实验平台