纳米光传感

转载一篇文章[url=http://www.instrument.com.cn/download/search.asp?sel=admin_name&keywords=quanbaogang]欢迎到我的资料库下载[/url][color=blue][b]纳米气敏传感器研究进展[/b][/color]１引言纳米技术是研究尺寸在０１～１００ｎｍ的物质组成体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术［１］。纳米技术的发展，不仅为传感器提供了优良的敏感材料，例如纳米粒子、纳米管、纳米线、纳米薄膜等，而且为传感器制作提供了许多新型的方法，例如纳米技术中的关键技术ＳＴＭ，研究对象向纳米尺度过渡的ＭＥＭＳ技术等。与传统的传感器相比，纳米传感器尺寸减小、精度提高等性能大大改善，更重要的是利用纳米技术制作传感器，是站在原子尺度上，从而极大地丰富了传感器的理论，推动了传感器的制作水平，拓宽了传感器的应用领域。纳米传感器现已在生物、化学、机械、航空、军事等方面获得广泛的发展。湖南长沙索普测控技术有限公司研制成功电阻应变式纳米压力传感器，这种电阻应变式纳米膜压力传感器，测量精度和灵敏度高、体积小、重量轻、安装维护方便，是一种稳定和可靠的测量压力参数的科技创新产品。利用一些纳米材料的巨磁阻效应，科学家们已经研制出了各种纳米磁敏传感器［２］。在生物传感器中，用纳米颗粒、多孔纳米结构和纳米器件都获得了令人满意的应用［３］。在光纤传感器基础上发展起来的纳米光纤生物传感器，不但具有光纤传感器的优点，而且由于这种传感器的尺寸只取决于探针的大小，大大减小了测微传感器的体积，响应时间大大缩短，满足了单细胞内测量要求实现的微创实时动态测量［４］。 ２纳米气敏传感器的研究现状随着工业生产和环境检测的迫切需要，纳米气敏传感器已获得长足的进展。用零维的金属氧化物半导体纳米颗粒、碳纳米管及二维纳米薄膜等都可以作为敏感材料构成气敏传感器。这是因为纳米气敏传感器具有常规传感器不可替代的优点：一是纳米固体材料具有庞大的界面，提供了大量气体通道，从而大大提高了灵敏度；二是工作温度大大降低；三是大大缩小了传感器的尺寸［５］。２．１基于金属氧化物半导体纳米颗粒的纳米气敏传感器 在气敏传感器的研究中，主要方向之一是在气体环境中依靠敏感材料（例如金属氧化物半导体气敏材料以ＳｎＯ２，ＺｎＯ，ＴｉＯ２，Ｆｅ２Ｏ３为代表）的电导发生变化来制作气敏传感器。目前已实用化的气敏传感器由纳米ＳｎＯ２膜制成，用作可燃性气体泄漏报警器和湿度传感器。在这些纳米敏感材料中加入贵重金属纳米颗粒（例如Ｐｔ和Ｐｄ），大大增强了选择性，提高了灵敏度，降低了工作温度。其性能的具体改善程度与加入贵重金属纳米颗粒的晶粒尺寸、化学状态及分布有关。北京大学王远等人［６］制成一种ＴｉＯ２／ＰｔＯＰｔ双层纳米膜作为敏感材料探测氢气的气敏传感器。其敏感材料的制备方法是先在玻璃衬底上覆盖上一层由Ｐｔ纳米颗粒构成的表面氧化的多孔连续膜，其中Ｐｔ的纳米颗粒直径大约１３ ｎｍ，膜厚大约１００ ｎｍ，然后在ＰｔＯＰｔ膜上覆盖ＴｉＯ２膜，其中ＴｉＯ２纳米颗粒的直径尺寸从３４ ｎｍ到５４ ｎｍ，平均直径４１ ｎｍ。传感器的工作温度在１８０～２００ ℃，ＰｔＯＰｔ多孔膜作为催化剂使ＴｉＯ２纳米膜对氢气产生部分还原作用，从而使传感器在空气中，甚至在ＣＯ、ＮＨ３、ＣＨ４等还原性气体存在的情况下，对氢气都表现出很高的灵敏度和选择性，比较以前的钛基探测氢气的传感器有显著的提高。Ｒａüｌ Ｄìａｚ等人［７］用非电镀金属沉积法沉积Ｐｔ在ＳｎＯ２纳米颗粒的表面，结果证明这种方法对改善气敏传感器催化剂的性能有很大帮助。Ｐｔ和Ｐｄ作为两种主要的贵重金属添加物，它们与衬底有不同的相互作用，Ｐｄ倾向于嵌入纳米ＳｎＯ２晶粒中，而Ｐｔ倾向于形成大的金属颗粒团簇。与传统方法相比，用非电镀沉积法形成的催化剂的不同化学状态，为研究催化剂对气体探测机制的影响提供了一种新的方法。２．２用单壁碳纳米管制作气敏传感器碳纳米管具有一定的吸附特性，由于吸附的气体分子与碳纳米管发生相互作用，改变其费米能级引起其宏观电阻发生较大改变，通过检测其电阻变化来检测气体成分，因此单壁碳纳米管可用作气敏传感器。J．ｋｏｎｇ等人［８］用化学[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp]气相[/url]沉积法在分散有催化剂的ＳｉＯ２／Ｓｉ基片上可制得单个的单壁碳纳米管，如图１（ａ）所示，两种金属被用来连接一ＳＳＷＮＴ时，形成金属／ＳＳＷＮＴ／金属结构，呈现出ｐ型晶体管的性质。气体探测试验是把ＳＳＷＮＴ样品放在一个带着电引线的密封的５００ ｍＬ的玻璃瓶中，通入在空气或者氩气中稀释的ＮＯ２（（２～２００）×１０－６）或者ＮＨ３（０１％～１％），流速７００ ｍＬ／ｍｉｎ。检测ＳＳＷＮＴ的电阻变化，得到的Ｉ／Ｖ关系曲线如图１（ｂ）和（ｃ）所示，在ＮＨ３气氛中其电导可减小两个数量级，而在ＮＯ２气氛中电导可增加３个数量级。其工作机理是半导体单壁碳纳米管在置于ＮＨ３气氛中时，使价带偏离费米能级，结果使空穴损耗导致其电导变小；而在ＮＯ２气氛中时，使价带向费米能级靠近，结果使空穴载流子增加从而使其电导增加。由于金属／ＳＳＷＮＴ／金属结构类似于空穴作为主要载流子的场效应管，所以在源极和漏极之间的电压一定时，电流随着栅极电压增大而减小（如图２所示）。图２中，ｂ曲线是未通入任何气体的栅电压电流关系曲线，曲线ａ和ｃ的栅电压电流关系曲线分别是ＮＨ３和ＮＯ２气氛中测得的。未通入任何气体时，在栅电压为０ Ｖ时，电流是１５ μＡ，若通入有ＮＨ３的气氛中时，电流则几乎变为０ Ａ。那么，如果测ＮＨ３气，我们就将初始栅电压设置在０ Ｖ，则由上图可知样品的电导将减小两个数量级。若测ＮＯ２气体，先将栅电压设置在＋４ Ｖ，未通入ＮＯ２气体前则电流几乎为零，ＮＯ２通入后，电流大大增加，则其电导增加了３个数量级。这样可以使传感器在复杂的气体环境中具有选择性。

生物传感器能够将各种生化反应转换成可测量的电学、光学等信号，属于典型的多学科交叉领域。在生物传感器研究中，器件设计与传感策略一直成为该领域的研究热点，开发具有高灵敏度、时效性兼具可制造性的生物传感器具有重要的科学价值和应用前景。 中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所生物医学部程国胜研究员课题组采用CMOS兼容“自上而下”加工工艺，以SOI（silicon-on-insulator）硅片为衬底，加工出尺寸可控的一维Si纳米线场效应管。在生物传感器研发过程中，纳米材料表面的功能化修饰是其中一项重要环节，该团队在前期工作中已探索了半导体纳米材料的表面修饰基本方法（Langmuir 26, 4514–4522, 2010；Langmuir 27, 13220–13225, 2011）。在此基础上，通过共价结合方法选择性地在Si纳米线表面修饰急性心肌梗死标志物——心肌肌钙蛋白I（cTnI）的单克隆抗体，制备了面向心肌梗死诊断的生物传感器。测试结果表明，生物传感器对cTnI的响应时间小于2 min，其动态线性响应范围92 pg/mL～46 ng/mL，相关工作发表于Biosensors and Bioelectronics（34, 267-272, 2012）。 进一步通过分析器件电流响应中的低频噪声谱，发现当器件工作于反型区时，相较于空气中的响应，液相环境下噪声谱幅度的倒数受栅极电压的调控作用更加明显。基于此，研究人员以血清体系为研究对象，对比了传统电流响应与噪声谱分析方法，在电流响应无法区分待测cTnI蛋白的情况下，噪声谱分析能够实现2个数量级的信号差别。 部分结果发表于Applied Physics Letters（101, 093704, 2012），为实现新型、高灵敏度生物传感器的设计提供了思路。 上述研究工作得到了中科院“百人计划”项目、国家自然科学基金、国家重大科学研究计划（973项目）经费支持，同时得到了苏州纳米所纳米加工平台及分析测试平台的技术支持。http://www.cas.cn/ky/kyjz/201209/W020120911317688421684.jpg图1 器件阵列形貌（A），Si纳米线扫描电镜图片（B）以及典型的cTnI传感结果（C）。http://www.cas.cn/ky/kyjz/201209/W020120911317688424476.jpg图2 噪声幅度倒数与栅极电压之间的关联（A），电流模式下（B）及噪声谱分析方法下的cTnI响应（C）。