تم تطوير أول مثال على مستشعر النانو في عام 1999 في معهد جورجيا للتكنولوجيا من قبل الباحثين، وهو ابتكار تم إنشاؤه من أنابيب الكربون النانوية. مستشعر النانو هو نوع فريد من أجهزة الاستشعار وهو عبارة عن منصات صغيرة مصممة لاكتشاف وقياس المعلومات الكيميائية أو البيولوجية أو الفيزيائية أو البيئية على مستوى مقياس النانو. هؤلاء أجهزة الاستشعار تعتبر مثالية بشكل أساسي لتطبيقات الاستشعار بسبب خصائصها الفريدة من نوعها مثل الجسيمات النانوية؛ منطقة سطحها الضخمة إلى نسبة المستوى. توفر هذه المقالة معلومات موجزة عن أجهزة الاستشعار النانوية وعملها وأنواعها وتطبيقاتها.
تعريف مستشعر النانو
يُعرف نوع المستشعر ذو الأبعاد المميزة القليلة بالنانومتر باسم مستشعر النانو. هذا جهاز استشعار ميكانيكي أو كيميائي، يستخدم للكشف عن وجود الجسيمات النانوية والأنواع الكيميائية أو التحقق من المعلمات الفيزيائية المختلفة. وتستخدم هذه في تطبيقات التشخيص الطبي مثل استشعار جودة المياه والمواد الغذائية والمواد الكيميائية الأخرى. يعمل هذا المستشعر بشكل مشابه للمستشعر العادي ولكنه يكتشف الكميات الصغيرة ويحولها إلى إشارات يجب تحليلها. تُستخدم أجهزة الاستشعار النانوية في أنظمة النقل، والكشف عن مسببات الأمراض، والطب، والتصنيع، ومكافحة التلوث، وما إلى ذلك.
بعض أمثلة أجهزة الاستشعار النانوية هي: أجهزة الاستشعار النانوية الفلورية المصنوعة من الحمض النووي أو الببتيدات، وأنابيب الكربون النانوية، والنقاط الكمومية، وأجهزة الاستشعار النانوية التي تعتمد على اقتران البلازمون، والتصوير بالرنين المغناطيسي، والصوت الضوئي.
مكونات مستشعر النانو
تشتمل مكونات مستشعر النانو بشكل أساسي على مادة تحليلية وجهاز استشعار ومحول طاقة وكاشف. أجهزة الاستشعار النانوية قادرة على قياس مستوى نقطة الجزيء الواحد. بشكل عام، تعمل هذه المستشعرات من خلال متابعة التغيرات الكهربائية داخل مواد المستشعر.
في هذا الرسم البياني، أولاً، تنتشر المادة التحليلية من المحلول إلى سطح مستشعر النانو. بعد ذلك يستجيب بشكل محدد وفعال، مما يؤدي إلى تغيير الخواص الفيزيائية والكيميائية لسطح محول الطاقة، مما يؤدي إلى تغيير في الخصائص الإلكترونية (أو) الضوئية لوجه محول الطاقة. وأخيرًا، يتم تحويل ذلك إلى إشارة كهربائية يتم اكتشافها
مبدأ عمل مستشعر النانو
يعمل مستشعر النانو من خلال تتبع التغيرات الكهربائية داخل مواد الاستشعار. الأجزاء الأساسية لمستشعر النانو هي: الحليلة ومحول الطاقة والكاشف وخط التغذية المرتدة من الكاشف باتجاه كتلة المستشعر. يقيس مستشعر النانو مستويات الجزيء الفردي ويعمل ببساطة عن طريق الحفاظ على التغير الكهربائي داخل مادة المستشعر.
تنتشر المادة التحليلية الموجودة في هذا المستشعر أولاً من المحلول إلى سطح المستشعر وتستجيب بدقة وفعالية كبيرة عن طريق تغيير الخواص الفيزيائية والكيميائية للسطح. وبعد ذلك يحدث تغيير في خصائص محول الطاقة الضوئية الإلكتروني. وأخيراً يمكن تحويل هذا التغيير إلى إشارة كهربائية يمكن ملاحظتها.
تاريخ أجهزة الاستشعار النانوية
- تم تأسيس جهاز استشعار النانو باسم 'Nanoprobe' في عام 1990 واعتمد على الأبحاث التي أجريت في IBM Sindelfingen حول التقنيات الأساسية المطلوبة لمسبار AFM السيليكوني لمعالجة الدُفعات باستخدام الآلات الدقيقة السائبة.
- قامت أجهزة الاستشعار النانوية بتسويق مجسات AFM وSPM على مستوى العالم في عام 1993. لذلك ساهمت تطوراتها في تقنيات المعالجة المجمعة لإنشاء مجسات AFM في بدء مجاهر القوة الذرية في صناعة الوقت.
- وفي تحديد هذا الإدراك، تميزت هذه المستشعرات بجائزة دكتور رودولف إيبرل للابتكار لولاية بادن فورتمبيرغ الألمانية، وجائزة الابتكار في الصناعة الألمانية في عام 1995 وجائزة Förderkreis für die Mikroelektronik e.V للابتكار في العام. 1999. تم الحصول على أجهزة الاستشعار النانوية في عام 2002 ودمجها في NanoWorld ومقرها سويسرا، وهي وحدة أعمال مستقلة.
- في عام 2003، قدمت هذه المستشعرات مسبارًا مبتكرًا جديدًا من نوع AFM مثل AdvancedTEC™. إنه يسمح بتحديد المواقع بدقة ويجعل هذا المسبار يوفر رؤية حقيقية من خلال النظام البصري لمجهر القوة الذرية حتى عندما يميل مسبار AFM قليلاً بسبب تركيبه.
- قامت شركة Sensors في عام 2003 بتعيين NanoAndMore GmbH كموزع رسمي جديد لها في تركيا وإسرائيل وأوروبا.
- في عام 2004، تم تقديم PointProbe® Plus الذي يوحد ميزات سلسلة PointProbe® المعروفة والمثبتة مثل التوافق وتعدد استخدامات التطبيقات العالية مع أجهزة AFM التجارية.
- في عام 2005، تم الإعلان عن Q30K-Plus وهو عبارة عن مسبار AFM جديد لمسح القرب مع عامل Q ممتاز ونسبة S/N محسنة لتطبيقات UHV.
- غيرت أجهزة الاستشعار النانوية 2006 شبكة التوزيع في أمريكا الشمالية، وهي عضو في مجموعة NanoWorld Group،
- أصبحت شركة NanoAndMore USA Corp.، الموزع الرسمي لجهاز استشعار النانو داخل الولايات المتحدة الأمريكية والمكسيك وكندا.
- أطلقت شركة Nanosensors 2007 سلسلة مجسات جديدة من السيليكون MFM AFM، وقدمت سلسلة PointProbe® Plus XY-Alignment، وأطلقت سلسلة مجسات Plateau Tip AFM، وأعلنت عن سلسلة مجسات PointProbe® Plus AFM.
- وفي عام 2008، قدمت مسبار أكياما ذاتي التشغيل والاستشعار الذاتي.
- قامت شركة Nanosensor 2011 بتحميل قائمة التطوير الخاصة الأولية الخاصة بها وأعلنت عن سلسلة مسبار AFM موصلة ومقاومة للاهتراء، ومسبار Platinum Silicide AFM.
- في عام 2013، تم الإعلان عن أول تسجيلين رقميين للشاشة على قناتها على YouTube.
- لقد قدمت سلسلة مجسات AFM جديدة تُعرف باسم uniqprobe ™ في عام 2013.
تقنيات تصنيع أجهزة الاستشعار النانوية
هناك العديد من التقنيات المقترحة لصنع هذه المستشعرات مثل؛ الطباعة الحجرية من أعلى إلى أسفل، والتجميع من أسفل إلى أعلى، والتجميع الذاتي الجزيئي.
- النهج من أعلى إلى أسفل
- الطباعة الحجرية: تتضمن هذه الطريقة حفر أنماط النانو على ركائز باستخدام تقنيات مثل الطباعة الحجرية بشعاع الإلكترون (EBL) أو الطباعة الحجرية الضوئية. يوفر EBL، على وجه الخصوص، دقة عالية، مما يسمح بالتنميط الدقيق الضروري لإنشاء ميزات النانو.
- النقش: يتم استخدام كل من طرق الحفر الرطبة والجافة لإزالة المواد بشكل انتقائي من سطح الركيزة لإنشاء هياكل نانوية. يعد النقش الأيوني التفاعلي (RIE) من تقنيات النقش الجاف الشائعة نظرًا لدقته وقدرته على إنشاء أنماط معقدة.
- النهج من أسفل إلى أعلى
- ترسيب البخار الكيميائي (CVD): CVD هي عملية تقوم فيها المواد المتفاعلة الغازية بتكوين مواد صلبة على ركائز، مما يؤدي إلى إنشاء أغشية رقيقة وهياكل نانوية. تعمل المتغيرات مثل الأمراض القلبية الوعائية المعززة بالبلازما (PECVD) على تعزيز العملية باستخدام البلازما لزيادة معدلات التفاعل.
- التجميع الذاتي: تتضمن هذه التقنية التنظيم التلقائي للجزيئات في ترتيبات منظمة. على سبيل المثال، تستخدم تكنولوجيا النانو في الحمض النووي خصائص الاقتران الأساسي للحمض النووي لإنشاء هياكل نانوية معقدة.
- معالجة سول جل: يتضمن ذلك تحويل نظام المحلول من 'سول' سائل إلى طور 'هلام' صلب. إنها مفيدة بشكل خاص لإنشاء الهياكل النانوية الخزفية والزجاجية.
- النهج الهجين
الطباعة الحجرية النانوية (NIL): ويجمع هذا بين جوانب النهجين من أعلى إلى أسفل ومن أسفل إلى أعلى. وهو يتضمن ضغط قالب ذو بنية نانوية في طبقة بوليمر، ثم معالجة البوليمر لنقل خصائص المقياس النانوي.
أنواع أجهزة الاستشعار النانوية
هناك أنواع مختلفة من أجهزة الاستشعار النانوية التي سيتم مناقشتها أدناه.
أجهزة الاستشعار النانوية الفيزيائية
تُستخدم هذه المستشعرات لقياس التغيرات ضمن الكميات الفيزيائية مثل السرعة ودرجة الحرارة والضغط والقوى الكهربائية والإزاحة والكتلة وغيرها الكثير. تُستخدم مستشعرات النانو هذه في تطبيقات مختلفة في الحياة اليومية وأيضًا في الصناعات. تستخدم شركة Nanowear Inc. أجهزة الاستشعار النانوية المادية لصنع ملابس داخلية يمكن ارتداؤها لاكتشاف فشل القلب المحتمل قبل حدوثه لدى المرضى المصابين بأمراض مزمنة من خلال النظر في التغيرات داخل الإشارات الكهربائية من أجسامنا.
مجسات النانو الكيميائية
تساعد هذه المستشعرات في اكتشاف المواد الكيميائية المختلفة (أو) الخواص الكيميائية مثل قيمة الرقم الهيدروجيني. لذلك يكون هذا مفيدًا عند النظر إلى التلوث البيئي (أو) للتحليل الصيدلاني. عادة، يتم تصنيع هذه المستشعرات من مواد نانوية مختلفة مثل الجسيمات النانوية المعدنية أو الجرافين لأنها تستجيب لحدوث مواد كيميائية مستهدفة معينة تحتاج إلى حسابها.
أفضل مثال على هذا المستشعر هو اكتشاف قيمة الرقم الهيدروجيني للسائل. تمكنت مجموعة من الباحثين من بناء مثل هذا النوع من المستشعرات باستخدام فرش بوليمر مغطاة بجزيئات الذهب النانوية للكشف عن قيمة الرقم الهيدروجيني باستخدام التقنية الطيفية.
أجهزة الاستشعار الحيوية النانوية
يمكن لأجهزة الاستشعار الحيوية النانوية في الطب والرعاية الصحية اكتشاف مسببات الأمراض والسموم والأورام والمؤشرات الحيوية بدقة. تقوم هذه المستشعرات بتحويل استجابة الجزيئات إلى إشارات بصرية أو كهربائية وتتمتع بميزة القدرة على استهداف ما هو مطلوب قياسه بشكل محدد للغاية. عندما يصبح حجم الجسم ونسبة سطحه إلى حجمه أكبر، فإن هذه المستشعرات لها فائدة كبيرة لأجهزة الاستشعار الحيوية الأكبر حجمًا لتوفير استشعار أفضل عندما يحدث التفاعل من خلال الجزيئات المستهدفة بشكل متكرر.
يتم استخدام هذه المستشعرات من قبل شركة Instant NanoBiosensors Co., Ltd التايوانية الناشئة. وهي تستخدم أليافًا ضوئية مغطاة بجزيئات الذهب النانوية والأجسام المضادة للكشف عن المركبات البيولوجية المختلفة.
مستشعر النانو البصري
تحتوي أجهزة الاستشعار النانوية الضوئية على مواد استشعار ذات بنية نانوية (أو) نانوية تُظهر تفاعلًا مختلفًا عند الترددات الضوئية للإثارة الكهرومغناطيسية. تُستخدم هذه المستشعرات بشكل أساسي لأسباب تحليلية للمراقبة وكذلك تحديد العمليات الكيميائية أو البيولوجية. تقوم هذه المستشعرات أيضًا بتغيير البيانات إلى إشارات للحصول على معلومات مهمة.
المميزات والعيوب
ال مزايا أجهزة الاستشعار النانوية تشمل ما يلي.
- يمكن لمستشعرات النانو أن تتفاعل بسهولة على مستوى النانو وتلاحظ تطورات فريدة على مستوى النانو والتي تختلف عن المستوى الكلي.
- تتمتع هذه المستشعرات بحساسية عالية تسمح بمزيد من الدقة.
- وهي متينة ومستقرة ومحمولة وعالية الحساسية وصغيرة وقوية الاستجابة واكتشاف في الوقت الحقيقي وانتقائية وخفيفة الوزن.
- يتميز هذا المستشعر باستهلاك منخفض للطاقة
- يتطلب حجم عينة منخفضًا للتحليل والتسبب في أقل قدر من الاضطراب للمادة المرصودة.
- وقت استجابة هذا المستشعر منخفض وله سرعة أكبر من أجهزة الاستشعار الأخرى، مما يتيح له إجراء التحليل في الوقت الفعلي.
- يكتشف هذا المستشعر أشياء مختلفة في وقت واحد مما يسمح بمجموعة متنوعة من الوظائف.
- تعرض أجهزة الاستشعار النانوية نطاقات كبيرة من حساسية الكشف (أو) الدقة.
- تعمل هذه المستشعرات على نطاق أصغر.
- لديهم حساسية أكبر ودقة أكبر.
تشمل عيوب أجهزة الاستشعار النانوية ما يلي.
- عادةً ما تكون هذه المستشعرات أقل انتقائية بشكل أساسي للقياسات البيولوجية لأنها تفتقر إلى الخصوصية الأعلى للمستقبلات الحيوية مثل الحمض النووي والأجسام المضادة.
- يتمتع مستشعر النانو المُصنَّع من أعلى إلى أسفل بدقة محدودة كما أنه باهظ الثمن.
- تتميز أجهزة الاستشعار النانوية من النوع السفلي إلى الأعلى بكفاءة منخفضة للغاية، ولها نطاق كبير ومكلفة للغاية مقارنة بأجهزة الاستشعار الأخرى.
التطبيقات
تشمل تطبيقات أجهزة الاستشعار النانوية ما يلي.
- تُستخدم مستشعرات النانو بشكل أساسي في عدد كبير من التطبيقات في علوم النبات مثل؛ إمدادات الطاقة الثابتة، والكشف عن الأنشطة الأيضية، وتخزين وحوسبة المعلومات، وكذلك اكتشاف مجموعة واسعة من المحفزات البيئية والاستجابة لها.
- هذا نوع فريد من أجهزة الاستشعار، مصمم بشكل أساسي لكشف وقياس المعلومات الكيميائية والبيولوجية والبيئية (أو) الفيزيائية على مستوى مقياس النانو.
- وهي عبارة عن أجهزة استشعار ميكانيكية أو كيميائية، تستخدم في تطبيقات مختلفة تتراوح من الصناعات الطبية الحيوية إلى الصناعات البيئية.
- تتضمن بعض التطبيقات الشائعة لهذه المستشعرات بشكل أساسي؛
- تساعد هذه المستشعرات في اكتشاف مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية داخل الغازات لمراقبة التلوث.
- يتم استخدام مستشعر النانو لمراقبة المعلمات الفيزيائية مثل الإزاحة والتدفق ودرجة الحرارة.
- تساعد أجهزة الاستشعار النانوية في مراقبة إشارات النبات والتمثيل الغذائي لفهم بيولوجيا النبات.
- يساعد في دراسة الناقلات العصبية داخل الدماغ للتعرف على الفسيولوجيا العصبية.
- يمكن استخدام هذه المستشعرات كمقاييس تسارع داخل أجهزة MEMS مثل مستشعرات الوسادة الهوائية.
- يتم استخدامه لجمع قياسات حالة التربة في الوقت الحقيقي مثل؛ درجة الحموضة والعناصر الغذائية والرطوبة وبقايا المبيدات للأغراض الزراعية بشكل رئيسي.
- يستخدم هذا الحساس لكشف المبيدات الحشرية على الخضار والفواكه للكشف عن المواد المسرطنة داخل الأغذية.
- يكتشف مسببات الأمراض داخل الغذاء كعنصر من عناصر الأمن الغذائي وتدابير مراقبة الجودة.
- يكتشف هذا المستشعر ويراقب مستقلبات الجزيئات الصغيرة.
- يتم استخدامه لرصد نشاط الخلايا السرطانية الأيضية في الوقت الحقيقي استجابة للتدخل العلاجي.
هكذا هذا نظرة عامة على جهاز استشعار النانو وأعمالها وأنواعها ومزاياها وعيوبها وتطبيقاتها. جهاز الاستشعار النانوي هو جهاز نانوي يقيس الكميات الفيزيائية ويتحول أيضًا إلى إشارات يمكن اكتشافها وتحليلها. تتوفر هذه المستشعرات في أنواع مختلفة تستخدم في تطبيقات مختلفة مثل الصناعات الدفاعية والرعاية الصحية والبيئة. هناك تقنيات مختلفة متاحة لتصنيع هذه الأنواع من أجهزة الاستشعار؛ الطباعة الحجرية من أعلى إلى أسفل، والثاني هو التجميع من أسفل إلى أعلى، والثالث هو التجميع الذاتي الجزيئي. وهنا سؤال لك، من اخترع جهاز استشعار النانو؟
