نانوحسگر وسیلهای است بسیار ظریف و در عین حال دقیق و حساس، که قادر به شناسایی و ارائه پاسخ به محرکهای فیزیکی است. نانوحسگرها کاربردهای متعددی در علوم مختلف از جمله محیط زیست یافتهاند. گستره عملکرد این حسگرها در ابعاد نانومتری است، به همین دلیل از دقت و واکنش‌پذیری بسیار بالایی برخوردارند؛ به طوری که حتی نسبت به حضور چند اتم از یک گاز هم عکس‌العمل نشان می‌دهند. بیشتر از نانولوله‌ها، نانوذرات فلزی و نانوذرات مغناطیسی برای ساخت حسگر استفاده می‌شود. نانوحسگرها و حسگرهای توانمند شده با فناوری نانو، کاربردهای مختلفی در صنایع گوناگون مانند حمل‌ونقل، ارتباطات، ساخت‌وساز و تسهیلات رفاهی، پزشکی و سلامت، و دفاعی دارند.
این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- مقدمه
2- روش‌های تهیه نانوحسگر
1-2- انواع نانوحسگرها
1-2-2- حسگرهای شیمیایی
2-2-2- حسگرهای سنتزی
3- کاربرد نانوحسگرها
1-3- حسگرها با استفاده از نانوسیم‌های نیمه‌هادی برای تعیین عناصر
2-3- نانولولههای کربنی و نانوسیم‌ها برای شناسایی باکتری و ویروس
3-3- نانوحسگرهای مولکولی مکانیکی
4-3- کاربرد نانوحسگرها در پارچه‌های هوشمند
5-3- استفاده در کشاورزی
6-3- استفاده در پزشکی
7-3- نانولولههای کربنی به عنوان حسگر گازی
8-3- نانوحسگرهای زیستی
9-3- نانو حسگرها در تصفیه آب و پساب
نتیجه‌گیری
1- مقدمه
حسگرها ابزارهایی هستند که تحت شرایط خاص، از خود واکنش‌های پیش‌بینی شده و مورد انتظار نشان می‌دهند. شاید دماسنج را بتوان جزء اولین حسگرهایی به حساب آورد که بشر ساخته است. با توجه به وجود آمدن وسایل الکترونیکی و تحولات عظیمی که در چند دهه اخیر و در خلال قرن بیستم به وقوع پیوسته است، امروزه نیاز به ساخت حسگرهای دقیق‌تر، کوچک‌تر و با قابلیت‌های بیشتر احساس می‌شود.
اندازه‌گیری دقیق پارامترها در مقیاس بسیار ریز (نانو)، از قبیل تغییرات فیزیکی یا حضور گونه‌های شیمیایی مستلزم استفاده از حسگرهایی در مقیاس نانو است. نانو حسگرهای از عناصر حسگری در مقیاس نانو استفاده می‌کنند که حساسیت این نوع از نانومواد به حد کافی بالا است. همچنین موادی که از نانوحسگرها ساخته می‌شوند، بایستی دوام و استحکام بالا و خواص الکتریکی خوبی داشته باشند. حسگرهایی که امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرند، دارای حساسیت بالایی هستند به طوری که به مقادیر ناچیزی از هر گاز، گرما یا تشعشع حساسند. بالا بردن درجه حساسیت، بهره و دقت این حسگرها نیاز به کشف مواد و ابزارهای جدید دارد. با آغاز عصر نانوفناوری، حسگرها نیز تغییرات شگرفی داشته‌اند. یکی از نامزدهای ساخت حسگرها، نانولوله‌ها هستند. علاوه بر نانولوله‌ها، از نانوذرات فلزی و نانوذرات مغناطیسی نیز استفاده می‌شود. تحقیقات نشان می‌دهد که نانولوله‌ها به نوع گازی که جذب آن‌ها می‌شود، حساسند؛ همچنین میدان الکتریکی خارجی، قدرت تغییر دادن ساختارهای گروهی از نانولوله‌ها را دارد؛ و نیز معلوم شده است که نانولولههای کربنی به تغییر شکل مکانیکی از قبیل کشش، حساس هستند. گاف انرژی نانولولههای کربنی به طور چشمگیری در پاسخ به این تغییرشکل‌ها می‌تواند تغییر کند. همچنین می‌توان با استفاده از مواد واسط، مانند پلیمرها، نانولولههای کربنی را برای ساخت زیست‌حسگرها نیز توسعه داد. تحقیق در زمینه کاربرد نانولوله‌ها در حسگرها در حال توسعه و پیشرفت است و مطمئناً در آینده‌ای نه چندان دور، شاهد به‌کارگیری آن‌ها در انواع مختلفی از حسگرها (مکانیکی، شیمیایی، تشعشی، حرارتی و …) خواهیم بود.
2- روش‌های تهیه نانوحسگر
در حال حاضر چند راه برای تولید نانوحسگرها وجود دارد؛ از این میان، لیتوگرافی به عنوان شیوه‌ای بالا به پایین، در اکثر مدارهای مجتمع به‌کار می‌رود. این روش شامل شروع از یک بلوک بزرگ‌تر از برخی مواد و کنده‌کاری کردن و ایجاد فرم موردنظر است.
راه دیگر برای تولید نانوحسگر، روش‌های از پایین به بالاست که شامل سامان یافتن (Montage) حسگر از اجزای کوچک‌تر، به احتمال زیاد اتم‌ها و مولکول‌ها است. این امر شامل حرکت اتم‌های یک ماده خاص به موقعیت خاص است که توسط بررسی‌های آزمایشگاهی و با استفاده از ابزارهایی مانند میکروسکوپ اتمی حاصل می‌شود.
راه سوم شامل استفاده از نانوساختارهای خاص است که بتوان به عنوان حسگر استفاده کرد. یکی از مواد مورداستفاده در ساخت حسگرها، نانولوله‌ها خواهند بود. با نانولوله‌ها می‌توان، هم حسگر شیمیایی و هم حسگر مکانیکی ساخت. به خاطر کوچک و نانومتری بودن ابعاد این حسگرها، دقت و واکنش آن‌ها بسیار زیاد خواهد بود، به گونه‌ای که حتی به چند اتم از یک گاز نیز واکنش نشان خواهند داد.
جهت ساخت حسگر گازی با پایه نانولوله کربنی می‌توان نانولوله‌ها را روی زیرپایه رشد داد یا با استفاده از نانولولههای آماده و به‌کارگیری روش‌هایی مانند اعمال جریان الکتریکی، آن‌ها را روی زیر پایه قرار داد. در سال 2002، ویکتور و همکارانش سه نوع الکترود میکرونی با شکل‌های مختلف، توسط فرآیندهای متفاوت روی زیر پایه شیشه‌ای ساختند و با اعمال جریان سعی کردند نانولولههای کربنی را بین الکترودها بنشانند. از آنجا که چسبندگی طلا به شیشه کم است، از نیکل برای زیر طلا استفاده شد. مقدار 10 میلی‌گرم نانولولههای کربن چنددیواره در 500 میلی لیتر اتانول پخش شد و 10میکرولیتر با روش تعلیق به روی شیشه منتقل شد. در اثر اعمال جریان Ac با فرکانس 1 مگاهرتز، اتانول در 20 ثانیه تبخیر شد. نانولولههای کربنی چنددیواره بین دو الکترود قرار گرفتند و مقاومت 6.12 کیلواهم را نشان دادند (شکل 1).
قرار گرفتن نانولولههای کربنی چندجداره بین الکترودهای طلا و تشکیل اتصال، به فاصله بین دو الکترود بستگی دارد. طبق مشاهدات، در فاصله بیشتر از 25 میکرومتر با فرکانس بین 100 هرتز تا 1 مگاهرتز، هیچ اتصالی تشکیل نمی‌شود. برای فاصله بین 10 تا 15 میکرومتر، اتصال نانولولههای کربنی چنددیواره در همین محدوده فرکانس ایجاد شده است. مقاومت‌های حاصل نیز 158، 60 و 78 کیلواهم بودند. شکل الکترودها نیز در تشکیل اتصال مؤثر است؛ حالت مربعی ایده‌آل است زیرا فاصله بین الکترودها در سرتاسر آن ثابت بوده و میدان الکتریکی یکنواختی اعمال می‌شود.
1-2- انواع نانوحسگرها
نانوحسگرها انواع مختلفی دارند که شامل حسگرهای شیمیایی و سنتزی می‌شود.
نانوحسگرها انواع مختلفی دارند که شامل حسگرهای شیمیایی و سنتزی می‌شود.
1-2-2- حسگرهای شیمیایی
این حسگرها می‌توانند در دمای اتاق، غلظت‌های بسیار کوچکی از مولکول‌های گازی را با حساسیت بسیار بالا آشکارسازی کنند. حسگرهای شیمیایی گازی برای مثال شامل مجموعه‌ای از نانولولههای تک‌دیواره هستند و می‌توانند مواد شیمیایی مانند دی اکسید نیتروژن و آمونیاک را آشکار کنند. هدایت الکتریکی یک نانولوله نیمه‌هادی تک دیواره که در مجاورت 200ppm از دی اکسید نیتروژن قرار داده می‌شود، می‌تواند در مدت چند ثانیه، تا سه برابر افزایش یابد و به ازای اضافه کردن فقط 2% آمونیاک، هدایت دو برابر خواهد شد. حسگرهای تهیه شده از نانولولههای تک‌دیواره حساسیت بالایی دارند و همزمان در دمای اتاق، واکنش سریعی از خود نشان می‌دهند. این خصوصیات، نتایج مهمی در کاربردهای تشخیصی دارند. در مقاله «حسگرهای شیمیایی» به تفصیل در این خصوص بحث خواهد شد.
2-2-2- حسگرهای سنتزی
این نانوحسگرها از طریق اتصال ذرات خاص به انتهای نانولولههای کربنی و محاسبه فرکانس ارتعاشی در حضور ذرات یا بدون ذرات تهیه می‌شوند. این نانوحسگرها اغلب برای شناسایی و کنترل واکنش‌های شیمیایی توسط ذرات نانو استفاده می‌شوند.3- کاربرد نانوحسگرها
این نانوحسگرها از طریق اتصال ذرات خاص به انتهای نانولولههای کربنی و محاسبه فرکانس ارتعاشی در حضور ذرات یا بدون ذرات تهیه می‌شوند. این نانوحسگرها اغلب برای شناسایی و کنترل واکنش‌های شیمیایی توسط ذرات نانو استفاده می‌شوند.3- کاربرد نانوحسگرها
در زیر مثال‌هایی از کاربرد نانوحسگرها جهت آشنایی بیشتر آورده شده است:
1-3- حسگرها با استفاده از نانوسیم‌های نیمه‌هادی برای تعیین عناصر
این حسگرها قادر به تعیین یک گستره وسیع از بخارهای شیمیایی هستند؛ وقتی که پیوند مولکولی بین گاز مورد تجزیه و نانوسیم‌های ساخته شده از مواد نیمه‌رسانا، برای مثال اکسید روی (ZnO)، ایجاد می‌شود، هدایت سیم تغییر می‌کند. مقدار تغییر هدایت نانوسیم به میزان اتصال مولکول به سطح نانوسیم بستگی دارد؛ برای مثال، گاز دی اکسید نیتروژن هدایت نانوسیم را کاهش می‌دهد و منواکسید کربن هدایت را افزایش می‌دهد.
2-3- نانولولههای کربنی و نانوسیم‌ها برای شناسایی باکتری و ویروس
این مواد اغلب می‌توانند برای شناسایی باکتری یا ویروس استفاده شوند؛ ابتدا نانولوله کربنی با اتصال به آنتی‌بادی (Antibody) عامل‌دار می‌شود. وقتی که باکتری یا ویروس با آنتی‌بادی پیوند برقرار می‌کند، هدایت نانولوله تغییر می‌کند. در روش دیگر، نانولوله به فلز متصل می‌شود و یک ولتاژ از آن عبور می‌کند. وقتی یک باکتری یا ویروس با نانولوله پیوند برقرار می‌کند، جریان تغییر می‌کند و یک سیگنال تولید می‌شود. دانشمندان معتقدند که این روش، یک روش سریع برای تشخیص باکتری است.
3-3- نانوحسگرهای مولکولی مکانیکی
این وسیله جهت توسعه حسگرهایی که قادر به تعیین یک مولکول هستند، استفاده می‌شوند. در این حسگرها وقتی که مولکول تحت تجزیه، بر نوسانگر کانتیلور قرار می‌گیرد، در فرکانس رزونانسی کانتیلور تغییر ایجاد می‌شود. پوشش دادن کانتیلور با مولکول‌های پذیرنده‌ای مانند آنتی‌بادی‌ها (که می‌توانند به صورت اختصاصی با باکتری، ویروس یا برخی زیست‌مولکول‌ها پیوند برقرار کنند)، کارآیی سامانه را افزایش می‌دهد (شکل 2). جهت مطالعه بیشتر این مبحث می‌توانید به مقالات “حسگرهای زیستی نانومکانیکی” مراجعه کنید.
در شکل 3 نیز مثالی از نانوحسگر برای شناسایی مولکول هیدروژن ارائه شده است. در حضور گاز هیدروژن، تغییر ولتاژ مشاهده می‌شود.
4-3- کاربرد نانوحسگرها در پارچه‌های هوشمند
نانولولههای کربنی جهت تهیه حسگرها در پارچه‌ها استفاده می‌شوند. از آنجا که ماهیت نانولوله‌ها توخالی است، تحت فشار خارجی قطر نانولوله‌ها تغییر می‌کند. با سنجش این فشار شعاعی، فشار وارد شده بر روی نانولوله‌ها قابل اندازه‌گیری است.
همچنین از نانولولههای کربنی جهت ساخت حسگر حرارتی در پارچه‌های هوشمند استفاده شده است؛ با تغییرات دمایی، قطر و طول لوله تغییر می‌کند. همچنین ضریب انبساط حرارتی نانولولههای کربنی تک‌دیواره در جهت محوری و شعاعی متفاوت و وابسته به دما است.
5-3- استفاده در کشاورزی
با استفاده از این حسگرها، شناسایی مقادیر بسیار کم آلودگی شیمیایی یا ویروس و باکتری در سامانه‌های کشاورزی و غذایی ممکن است. تحقیقات در زمینه نانوابزارها جزء پژوهش‌های علمی و به‌روز دنیاست.
6-3- استفاده در پزشکی
معروف‌ترین مثال از نانوحسگرها که در پزشکی استفاده می‌شود، کادمیم سلنید (CdSe) است. این ترکیب برای تشخیص تومورهای سرطانی با استفاده از ویژگی‌های فلورسانس عمل می‌کند.
همچنین از میان این حسگرها، می‌توان به حسگر برپایه نانوسیم‌ها اشاره کرد که آسیب‌های ناشی از تشعشع را در فضانوردان تشخیص می‌دهد. این نانوحسگرها در سلول‌های خونی قرار داده می‌شوند.
7-3- نانولولههای کربنی به عنوان حسگر گازی
برای تشخیص گازهای شیمیایی ابتدا نانولوله کربنی را با پیوند دادن به یک فلز، برای مثال طلا، عامل‌دار می‌کنند. مولکول گاز با فلز پیوند برقرار کرده و این فرایند، باعث تغییر در هدایت نانولوله کربنی می‌شود. این نوع از حسگرها به صورت تجاری در دسترس هستند.
8-3- نانوحسگرهای زیستی
نانوحسگرهای زیستی معمولاً الکترودهای بسیار کوچکی در اندازه نانومتری و ابعاد سلولی هستند که از طریق تثبیت آنزیم‌های خاصی روی سطح آن‌ها، نسبت به تشخیص گونه‌های شیمیایی یا زیستی موردنظر در سلول‌ها، حساس شده‌اند. از این حسگرها برای آشکارسازی و تعیین مقدار گونه‌ها در سیستم‌های زیستی استفاده می‌شود. این تکنیک، روش بسیار مفیدی در تشخیص عبور بعضی مولکول‌ها از دیواره یا غشای سلولی است.
9-3- نانو حسگرها در تصفیه آب و پساب
از آنجایی که بسیاری از خواصی که انتظار می‌رود توسط حسگرها اندازه‌گیری شود، در سطح مولکولی یا اتمی هستند، از نانوتکنولوژی در کاربردهای حسگری یا شناسایی استفاده زیادی می‌شود.
حسگرهایی که در ابعاد نانومتری ساخته شده‌اند از حساسیت فوق‌العاده‌ای برخوردارند و معمولاً عملکرد انتخابی دارند. بنابراین تأثیر نانوتکنولوژی بر حسگرها فوق‌العاده عمیق و گسترده است.
به طور کلی به منظور کنترل بوی ناخوشایند، لازم است تا اندازه‌گیری‌هایی مبنی بر میزان بوی منتشر شده انجام شود. ترکیبات بسیاری در بوهای ناشی از تصفیه پساب شناسایی شده‌اند؛ به طور نمونه این ترکیبات عبارتند از: ترکیبات کاهش یافته گوگرد یا نیتروژن، اسیدهای آلی، آلدئیدها یا کتون‌ها.
در سال‌های اخیر حسگرهای تجاری تحت مجموعه‌ای که بینی (Nose) الکترونیکی نامیده می‌شوند، ارائه شده است. از این حسگرها برای شناسایی میکروارگانیسم‌ها و فلزات سنگین در آب آشامیدنی (مانند کادمیوم، سرب و روی) استفاده می‌شود. همچنین به منظور شناسایی و تعیین مشخصات بوهای ناشی از مخلوط بخار جمع شده در بالای یک جامد یا مایع موجود در یک محفظه دربسته از چنین تجهیزاتی استفاده شده است. این حسگرها روش سریع‌تر و نسبتاً ساده‌ای را برای پیگیری (Monitoring) تغییرات در کیفیت آب‌وفاضلاب صنعتی فراهم می‌آورند.
نتیجه‌گیری
نانوحسگر وسیلهای است بسیار ریز که قادر به شناسایی و ارائه پاسخ به محرکهای فیزیکی در مقیاس نانومتر است. نانومواد استفاده شده در ساخت نانوحسگرها اغلب نانولوله‌ها، نانوذرات فلزی و نانوذرات مغناطیسی هستند. در این مقاله انواع نانو حسگرها توضیح داده شده است و همچنین کاربردهایی برای آن‌ها در زمینه پزشکی، کشاورزی، تصفیه آب، نساجی و….. آورده شده است.
منابـــع و مراجــــع
۱ – http://www.nanoclub.ir/index.php/articles/show/146
۲ – http://www.wifinotes.com/nanotechnology/how-nanosensors-works.html
۳ – Poncharal P, Wang ZL, Ugarte D, de Heer WA. “Electrostatic Deflectionromechanical Resonances of Carbon Nanotubes”. Science. Vol. 283pp. 1513–1516, (1999).
۴ – Modi, A., Koratkar, N., Lass, E., Wei, B., Ajayan, P. M. “Miniaturized Gas Ionization Sensors using Carbon Nanotubes”. Nature. Vol. 424, pp.171–174, (2003).
۵ – Kong, J., Franklin, N.R., Zhou, C., Chapline, M.G., Peng, S., Cho, K., Dai, H. “Nanotubes Molecular Wires as Chemical Sensors”. Science. Vol.287 (5453), pp.622–625, (2000).
