Кіріспе

Наносенсорлар – физикалық шамаларды өлшейтін және оларды анықтап, талдауға болатын сигналдарға түрлендіретін наноөлшемдегі құрылғылар. Наносенсорларды жасаудың қазіргі таңда бірнеше әдісі бар: жоғарыдан-төменге литография, төменнен-жоғарыға жинау және молекулалық өздігінен жинау. Нарықта және әртүрлі салаларда, ең бастысы қорғаныс, экология және денсаулық сақтау салаларында қолданылатын наносенсорлардың түрлі-түрлі нұсқалары бар. Бұл сенсорлардың негізгі жұмыс процесі бірдей: талдаушы затты таңдап байланыстыру, наносенсордың биоэлементпен өзара әрекеттесуінен сигналды жасау және осы сигналды пайдалы мәліметтерге айналдыру.

Сипаттамалары

Наноматериалдарға негізделген сенсорлар, дәстүрлі материалдардан жасалған сенсорларға қарағанда, сезімталдық және ерекшелік тұрғысынан бірнеше артықшылықтарға ие, себебі наноматериалдардың наноөлшемде ғана пайда болатын, көлемді материалдарда кездеспейтін ерекше қасиеттері бар. Наносенсорлардың ерекшелігі жоғары болуына себебі – олардың табиғи биологиялық процестермен салыстырмалы масштабта жұмыс істеуі, химиялық және биологиялық молекулалармен функционалдану мүмкіндігі, сондай-ақ анықтамалық оқиғалардың физикалық өзгерістер тудыруы. Сезімталдықтың артуы наноматериалдардың жоғары беттік-көлем қатынасымен, сонымен қатар анықтау негізі ретінде қолданылатын наноматериалдардың жаңа физикалық қасиеттерімен, оның ішінде нанофотоникамен байланысты. Наносенсорларды наноэлектроникамен интеграциялау арқылы наносенсордың өңдеу мүмкіндіктерін арттыруға болады. Наносенсорлар сезімталдық және ерекшелік қасиеттерімен қатар, шығындар мен реакция уақыты жағынан да маңызды артықшылықтар ұсынады, бұл оларды жоғары өнімділікте қолдануға ыңғайлы етеді. Наносенсорлар хроматография және спектроскопия сияқты дәстүрлі әдістерге қарағанда, ақпаратты нақты уақыт режимінде беруге мүмкіндік береді. Дәстүрлі әдістер нәтиже алу үшін бірнеше күн немесе апталарға созылуы мүмкін, сонымен қатар үлгіні дайындауға және жабдықтың құнына да қосымша шығын қажет. Наносымдар мен нанотүтіктер сияқты бірөлшемді наноматериалдар, көлемді немесе жұқа пленкалы құрылғылармен салыстырғанда, наносенсорларда қолдануға өте қолайлы. Олар трансдуктор және сигналды жеткізуге арналған сым ретінде қызмет ете алады. Олардың жоғары беттік ауданы аналит байланысқанда үлкен сигнал өзгерістерін тудыруы мүмкін. Олардың кіші өлшемдері шағын құрылғыда жеке адрестелетін сенсорлық элементтерді кең көлемде мультиплекстеуге мүмкіндік береді. Олардың жұмысы аналиттерде флуоресценттік немесе радиоактивті белгілерді қажет етпеу мағынасында "белгісіз" болып табылады. Наносенсорлар үшін дрейфтен және ластанудан сақтану, қайталанатын калибрлеу әдістерін әзірлеу, қанығуды болдырмау үшін алдын ала шоғырландыру және бөлу әдістерін қолдану, сондай-ақ наносенсорды сенсорлық жиынтықтың басқа элементтерімен сенімді және өндірістік жағдайларда біріктіру сияқты бірнеше қиындықтар бар. Сигналды трандукциялау түрі наносенсорлардың негізгі жіктелу жүйесін анықтайды. Наносенсорлардың негізгі түрлерінің арасында оптикалық, механикалық, тербелістік немесе электромагниттік сенсорлар бар. Мысалы, молекулалық импринттелген полимерлерді (МИП) пайдаланатын наносенсорларды электрохимиялық, пьезоэлектрлік немесе спектроскопиялық сенсорлар деп үш санатқа бөлуге болады. Электрохимиялық сенсорлар сенсорлық материалдың электрхимиялық қасиеттеріндегі, соның ішінде заряд, өткізгіштік және электр потенциалындағы өзгерістерді тудырады. Пьезоэлектрлік сенсорлар механикалық күшті электр күшіне немесе керісінше айналдырады, ал бұл күш сигналға түрлендіріледі. MIP спектроскопиялық сенсорларын үш кіші топқа бөлуге болады: химилюминесценттік сенсорлар, беттік плазмондық резонанстық сенсорлар және флуоресценттік сенсорлар. Аты айтқандай, бұл сенсорлар химиялық жарық, резонанс және флуоресценция түрінде жарыққа негізделген сигналдар шығарады. Мысалдарда сипатталғандай, сенсордың анықтайтын өзгерісінің және тудыратын сигналының түрі сенсордың түріне байланысты. Бір жағдайда, аналит рецептормен өзара әрекеттескенде нанопорозды трансдуктордың импедансы өзгереді, бұл сенсор сигналы ретінде анықталады. Басқа мысалдарға электромагниттік немесе плазмоникалық наносенсорлар, спектроскопиялық наносенсорлар (мысалы, беттік күшейтілген Раман спектроскопиясы), магнитоэлектрондық немесе спинтроникалық наносенсорлар және механикалық наносенсорлар жатады. Өлшеу келесі әдістерді қолдану арқылы жүзеге асырылады: клетка ішіндегі белсенді ақуыздарға белсенді нанобөлшектерді байланыстыру, индикаторлық ақуыздарды өндіру үшін сайтқа бағытталған мутагенезді пайдалану, нақты уақыт өлшеулерін жүргізу немесе биорецепторларға арналған бекіту орындары бар наноматериалды (мысалы, наноталшықтарды) жасау. Наносенсордың тағы бір түрі – колориметриялық принципте жұмыс істейтін сенсор. Мұнда аналиттің болуы химиялық реакцияға немесе көрінетін түстің өзгеруіне алып келеді. Мысалы, алтын нанобөлшектерін ауыр металдарды анықтау үшін қолдануға болады. Көптеген зиянды газдар да колориметриялық өзгеріс арқылы анықталуы мүмкін, мысалы, Dräger Tube сияқты коммерциялық түрде қолжетімді құралдарда. Бұл құралдар көлемді, зертханалық жүйелерге қарағанда ыңғайлырақ, оларды үлгіні алу орнында қолдануға болады. Мысалы, көптеген химиялық заттар Қоршаған ортаны қорғау агенттігімен реттеліп, ластану деңгейінің қалыпты шекте екеніне көз жеткізу үшін кең ауқымды сынақтарды қажет етеді. Колориметриялық наносенсорлар көптеген ластануларды орын басында анықтауға мүмкіндік береді.

Өндіріс әдістері

Өндіріс әдісі жасалған наносенсордың қасиеттерін анықтауда маңызды рөл атқарады, себебі наносенсордың жұмысы нанобөлшектердің бетін басқару арқылы іске асырылуы мүмкін. Наносенсорларды өндірудің екі негізгі тәсілі бар: жоғарыдан төменге қарайғы әдістер, олар ірі масштабта жасалған пішінді пайдаланып, оны микромасштабқа дейін кішірейтеді. Ал төменнен жоғарыға қарайғы әдістер атомдар мен молекулалардан басталып, наноқұрылымдарға дейін құрастырылады.

Литографиялық

Бұл белгілі бір материалдың үлкен бөлігінен басталып, қажетті нысаныны ойып шығаруды қамтиды. Атап айтқанда, микросенсорлар ретінде қолданылатын микроэлектромеханикалық жүйелерде қолданылатын мұндай ойылып жасалған құрылғылар көбінесе микро өлшемге жетеді, бірақ соңғы үлгілері наноөлшемді компоненттерді де қамти бастады.

Тiрiстiң тартылуы

Бұл әдіс талшықтың басты осын қыздырылған кезде кернеу құрылғысы арқылы созудан тұрады, нәтижесінде наноөлшемді масштабтарға қол жеткізіледі. Бұл әдіс ерекше түрде оптикалық талшықта оптикалық талшық негізіндегі наносенсорларды жасау үшін қолданылады.

Қолданбалар

1999 жылы Джорджия технология институтының зерттеушілері синтетикалық наносенсордың алғашқы жұмыс істейтін үлгісін жасады. Бұл көміртекті нанотұбырдың ұшына бір бөлшекті бекіту және бөлшек болғанда және болмағанда нанотұбырдың дірілдеу жиілігін өлшеуді қамтыды. Екі жиіліктің арасындағы айырмашылық зерттеушілерге бекітілген бөлшектің массасын анықтауға мүмкіндік берді.

Қорғаныс және әскери

Наноғылымның жалпы алғанда қорғаныс және әскери секторда көптеген қолданылу мүмкіндіктері бар, оның ішінде химиялық заттарды анықтау, залалсыздандыру және криминалистика. Қорғаныс мақсатында әзірленудегі кейбір наносенсорлар жарылғыш заттарды немесе улы газдарды анықтауға арналған наносенсорларды қамтиды. Мұндай наносенсорлар газ молекулаларын олардың массасы бойынша ажырата алады, мысалы, пьезоэлектрлік сенсорларды пайдалану арқылы. Газ молекуласы детектор бетіне адсорбцияланса, кристалдың резонанс жиілігі өзгереді және бұл электрлік қасиеттердегі өзгеріс ретінде өлшенуі мүмкін. Сонымен қатар, потенциометрлер ретінде қолданылатын өрістік эффектті транзисторлар, егер олардың қақпалары оларға сезімтал болса, улы газдарды анықтай алады. Наносенсорлар әскери және құқық қорғау органдарының киім-кешектері мен жабдықтарында да қолданылуы мүмкін. Әскери-теңіз флотының ғылыми-зерттеу лабораториясының Наноғылымдар институты нанофотоникада қолдану және биологиялық материалдарды анықтау үшін кванттық нүктелерді зерттеді. Полимерлер және басқа рецептор молекулаларымен қабатталған нанобөлшектер уытты газдар сияқты талдаушы заттармен жанасқанда түсін өзгертеді. Сонымен қатар, қазіргі уақытта наносенсорларды сынау немесе сенсор индустриясындағы қолданылуына қатысты нақты немесе айқын ережелер жоқ, бұл іске асыру қиындықтарына себеп болады.

Тамақ пен қоршаған орта

Наносенсорлар азық-түлік және қоршаған орта салаларының әртүрлі тармақтарын – азық-түлік өңдеу, ауыл шаруашылығы, ауа және су сапасын бақылау, қаптама және тасымалдауды жақсарта алады. Олардың жоғары сезімталдығы, сондай-ақ реттелу мүмкіндігі және осыдан туындайтын таңдаулы байланыс қабілеті наносенсорларды өте тиімді етеді және оларды қоршаған ортаның көптеген қолданулары үшін құруға болады. Наносенсорларды қолдану қоршаған ортаны ластайтын көптеген заттарды ыңғайлы, жылдам және аса сезімтал түрде бағалауға көмектеседі. Химиялық сенсорлар азық-түлік үлгілерінен иіс-иістерді талдау және атмосфералық газдарды анықтау үшін пайдалы. "Электрондық мұрын" 1988 жылы дәстүрлі сенсорларды пайдаланып, азық-түлік үлгілерінің сапасы мен жаңалығын анықтау үшін жасалды, бірақ соңғы уақыттарда сенсорлық қабық наноматериалдармен жақсартылды. Үлгі газ фазасындағы ұшпалы қосылыстар шоғырланған камераға орналастырылады, содан кейін газ камера арқылы сорылып, иісті сенсорға жеткізеді, ол оның ерекше "саусағының ізін" өлшейді. Наноматериалдардың үлкен бетінің көлеміне қатынасы аналиттермен өзара әрекеттесуді күшейтеді, ал наносенсордың жылдам жауап беру уақыты кедергі келтіретін жауаптарды ажыратуға мүмкіндік береді. Нанотүтіктерді пайдаланып, газ молекулаларының әртүрлі қасиеттерін анықтау үшін де химиялық сенсорлар жасалды. Көміртек нанотүтіктерге негіделген көптеген сенсорлар олардың сезімталдығын пайдаланып, өрістік эффектті транзисторлар ретінде жасалған. Бұл нанотүтіктердің электр өткізгіштігі басқа молекулалардың заряд алмасуы және химиялық допингінен өзгереді, бұл оларды анықтауға мүмкіндік береді. Олардың таңдау қабілетін арттыру үшін көптеген наносенсорлар басқа молекулаға арналған арнайы қуыспен жасалады. Көміртек нанотүтіктер газ молекулаларының иондалуын сезу үшін, ал титаннан жасалған нанотүтіктер сутегінің атмосфералық концентрациясын молекулалық деңгейде анықтау үшін қолданылды. Олардың кейбіреулері өрістік эффектті транзисторлар ретінде жасалған, ал басқалары оптикалық сезімталдық мүмкіндіктерін пайдаланады. Аналиттердің таңдаулы байланысы спектрлік ығысу немесе люминесценция модуляциясы арқылы анықталады. Ұқсас тұрғыда, Flood және авторлардың тобы Рэман шашыраған жарық пен SERS-ті пайдаланып, супрамолекулалық "мезбен-қонақ" химиясының сандық сезімделуді қамтамасыз ететінін көрсетті. Қазіргі уақытта қоршаған ортадағы ластаушы заттар мен уларды анықтау үшін кванттық нүктелер мен алтын нанобөлшектерді қоса алғанда, басқа да наносенсорлар жасалып жатыр. Бұл нанобөлшектерде пайда болатын жергілікті беттік плазмондық резонансты (ЖБПР) пайдаланады, бұл толқын ұзындығына тән сіңіруге әкеледі. Бұл ЖБПР спектрі өте сезімтал және оның нанобөлшектердің мөлшері мен ортасына тәуелділігі оптикалық сенсорларды жобалау үшін әртүрлі жолдармен қолданылуы мүмкін. Нанобөлшектерге молекулалар байланғанда болатын ЖБПР спектрінің ығысуын пайдалану үшін олардың бетін қандай молекулалар байланатынын және жауапты тудыратынын анықтау үшін функционалдауға болады. Қоршаған ортада қолдану үшін кванттық нүктелердің бетін микроорганизмдермен немесе басқа ластаушы заттармен ерекше байланысатын антиденелермен өзгертуге болады. Содан кейін спектроскопияны осы спектрлік ығысуды бақылау және өлшеу үшін қолдануға болады, бұл молекулалардың деңгейін нақты анықтауға мүмкіндік береді. Басқа да мүмкін қолданыс ЖБПР спектрінің мөлшерге тәуелділігін пайдаланып, иондарды сезуге болады. Бір зерттеуде Liu және авторлардың тобы Pb2+ сезімтал ферментпен функционалдаған алтын нанобөлшектерін қорғасын сенсоры жасау үшін қолданды. Әдетте, алтын нанобөлшектері бір-біріне жақындағанда жинақталады, ал мөлшердегі өзгеріс түс өзгерісіне әкеледі. Фермент пен Pb2+ иондары арасындағы өзара әрекеттесулер бұл жинақталуды тежейді, сондықтан иондардың болуын анықтауға болады. Тамақ және қоршаған ортада наносенсорларды қолданумен байланысты басты мәселе – олардың токсикалық әсерін және қоршаған ортаға жалпы әсерін анықтау. Қазіргі уақытта наносенсорларды енгізудің топыраққа, өсімдіктерге және адамдарға ұзақ мерзімді перспективада қалай әсер ететіні туралы жеткілікті мәліметтер жоқ. Бұл мәселені толық шешу қиын, өйткені нанобөлшектердің уыттылығы олардың түріне, мөлшеріне және дозасына, сондай-ақ pH, температура және ылғалдылыққа байланысты қоршаған ортаның өзгергіштеріне байланысты. Әлеуетті қауіп-қатерді азайту үшін, жасыл нанотехнологияға бағытталған жалпы күш-жігердің бір бөлігі ретінде қауіпсіз, уытсыз наноматериалдарды жасау бойынша зерттеулер жүргізілуде.

Денсаулық сақтау

Наносенсорлар диагностикалық медицинада зор әлеуетке ие, симптомдар байқалар болжамағанда ауруды ерте анықтауға мүмкіндік береді. Идеалды наносенсорлар организмдегі иммундық жасушалардың реакциясын имитациялауға тырысады, диагностикалық және иммундық жауап функцияларын біріктіріп, сенсордың кірісі мен реакциясын бақылауға арналған деректерді жібереді. Алайда, бұл модель әлі де ұзақ мерзімді мақсат, ал қазіргі зерттеулер наносенсорлардың дереу диагностикалық мүмкіндіктеріне бағытталған. Биодеградацияланатын полимерлермен синтезделген наносенсорлардың жасушаішілік енгізілуі, нақты уақыт режимінде бақылауға мүмкіндік беретін сигналдарды тудырады, соның арқасында дәрі-дәрмектерді жеткізу және емдеудегі прогреске жол ашылады. Мысалы, наносенсорлардың бірі кадмий селенид кванттық нүктелерінің флуоресценциялық қасиеттерін қолданып, организмдегі ісіктерді анықтауға сенсор ретінде пайдаланылады. Дегенмен, кадмий селенид нүктелерінің бір кемшілігі – олар организмге өте улы. Сондықтан ғалымдар флуоресценциялық қасиеттерін сақтай отырып, одан аз улы материалдан жасалған балама нүктелерді әзірлеуде. Олар мырыш сульфиді кванттық нүктелерінің ерекше артықшылықтарын зерттеді, олар кадмий селенидтей флуоресцентті болмаса да, марганец және әртүрлі лантаноид элементтері сияқты басқа металдармен күшейтілуі мүмкін. Бұған қоса, бұл жаңа кванттық нүктелер мақсатты жасушалармен байланысқанда флуоресценциялық қасиеттері артады. Наносенсорлар имплантаттағы жұқпаны анықтау үшін де қолданылуы мүмкін. Наносенсор имплантатқа енгізіліп, электр сигналы арқылы имплантатты қоршаған жасушалардағы жұқпаны анықтайды, бұл сигнал клиникалық дәрігерге немесе денсаулық сақтау қызметкеріне жіберіледі. Наносенсор жасушалардың сау, қабынулы немесе бактериямен жұққандығын анықтай алады. Алайда, имплантатты ұзақ мерзімді пайдаланудың бір кемшілігі – тіндер сенсорлардың үстіне өсіп, олардың қысылу қабілетін шектейді. Бұл электр зарядтарының түзілуіне кедергі келтіріп, осы наносенсорлардың қызмет ету мерзімін қысқартады, себебі олар пьезоэлектрлік эффектіні пайдаланып өздігінен қуаттанады. Атмосфералық ластаушы заттарды өлшеуге қолданылатындай, алтын бөлшектеріне негізделген наносенсорлар тыныс-құбылысындағы ұшпалы органикалық қосылыстарды (ҰОҚ) анықтау арқылы бірнеше түрлі қатерлі ісікке ерте диагноз қоюға қолданылады, себебі ісік өсуі жасуша мембранасының пероксидтелуімен байланысты. Қатерлі ісікке қатысты тағы бір қолданыс, әлі де егеуқырлармен сынақ сатысында болса да, өкпе қатерлі ісігін анықтау үшін белсенділікке негізделген сенсор ретінде пептидпен қапталған нанобөлшектерді пайдалану болып табылады. Нанобөлшектерді ауруларды анықтау үшін қолданудың екі негізгі артықшылығы – ол ауруды ертерек анықтауға мүмкіндік береді, өйткені миллиметрлік ісіктерді де анықтай алады. Сонымен қатар, ол тиімді, оңай қолданылатын, портативті және инвазивті емес диагностикалық құрал болып табылады. Наносенсорлық технологияны жетілдіруге бағытталған соңғы күш молекулалық импринтингті қолданды, бұл молекулалық тануда рецептор ретінде әрекет ететін полимерлік матрицаларды синтездеу үшін қолданылатын әдіс. Бұл техника наносенсорларға химиялық түрлерді анықтауға мүмкіндік берді. Биотехнология саласында молекулалық импринтингтелген полимерлер (МИП) – жоғары селективтілікке және аффинитетке ие болу үшін жасалған табиғи антиденелерге тиімді және экономикалық жағынан тиімді баламалар болып табылатын синтезделген рецепторлар. Мысалы, өткізгіш емес полифенол наножабыны (PPn жабыны) бар наноұштарды қамтитын МИ сенсоры E7 протеинін іріктеп анықтады, осылайша осы наносенсорлардың адам папиллома вирусын, басқа да адам патогендерін және токсиндерді анықтау және диагностикалауда қолданылу мүмкіндігін көрсетті. Жоғарыда көрсетілгендей, молекулалық импринтинг техникасы бар наносенсорлар полимерлік матрицаларды жасанды түрде өзгерту арқылы, молекулалық импринтинг аффинитетті және селективтілікті арттыра отырып, ультрасезімтал химиялық түрлерді іріктеп анықтай алады. Наносенсорлармен саналы денсаулық сақтауды дамыту үшін жеке наносенсорлардың өлшемдері мен қуаттарының шектеулерін жеңу үшін наносенсорлар желісін құру қажет. Наножелілер қазіргі қиындықтарды жеңілдетіп қана қоймай, көптеген жақсартулар да ұсынады. Жасуша деңгейіндегі наносенсорлардың ажыратымдылығы емдеулердің жанама әсерлерін жоюға, пациенттердің жағдайын үнемі бақылауға және хабарлауға мүмкіндік береді. Наножелілерді зерттеу қажет, себебі наносенсорлар дәстүрлі сенсорлардан өзгеше. Сенсорлық желілердің ең көп таралған механизмі – электромагниттік байланыс. Алайда, бұл парадигма төмен диапазоны мен қуаты болғандықтан наноқұрылғыларға қолданылмайды. Оптикалық сигнал транскдукциясы классикалық электромагниттік телеметрияға балама ретінде ұсынылған және адам денесінде бақылауға қолданылады. Ұсынылған басқа механизмдерге биошабыттанған молекулалық байланыс, молекулалық байланыста сымды және сымсыз белсенді тасымалдау, Форстер энергиялық ауысу және т.б. жатады. Медициналық имплантаттар, денеге жақын желілер (ДЖЖ), нано заттар интернеті (НЗІ), дәрі-дәрмектерді жеткізу және т.б. салаларында қолдану үшін тиімді наножелі құру өте маңызды. Тиімді наножелімен биоимплантацияланатын наноқұрылғылар макро масштабты имплантаттармен салыстырғанда жоғары дәлдік, ажыратымдылық және қауіпсіздік бере алады. Денеге жақын желілер (ДЖЖ) сенсорлар мен актuatorларға адам денесінен физикалық және физиологиялық деректерді жинауға мүмкіндік береді, бұл ауруларды ертерек болжауға және олардың емдеуін жеңілдетуге көмектеседі. ДЖЖ-ның мүмкін қолданылуына жүрек-қантамыр ауруларын бақылау, инсулинмен басқару, жасанды көру және есту, гормоналды терапияны басқару жатады. Био нано заттар интернеті – интернетке қол жеткізілетін наноқұрылғылар желісін білдіреді. БиоНЗІ-нің дамуы жаңа емдеу және диагностикалық техникаларға жол ашты. Наножелілер дәрі-дәрмектерді жеткізуде олардың локализациясын және айналым уақытын арттыру арқылы көмектесе алады. Сонымен қатар, кремний, наносымдар және көміртекті нанотүтіктер сияқты шикізаттардың жоғары құны коммерциялық өндіріске және наносенсорларды енгізуге қажетті масштабты өндіріске кедергі келтіреді. Құн мәселесін шешу үшін ғалымдар одан арзан материалдан жасалған наносенсорларды өндіруді қарастыруда. Наносенсорларды қайта өндіруге қажетті жоғары дәлдік, олардың кіші өлшемдері және синтез техникаларына сезімталдығы салдарынан қосымша техникалық қиындықтар тудырады.