Наносенсор

Наносенсоры — это наноразмерные устройства, которые измеряют физические величины и преобразуют их в сигналы, которые можно обнаружить и проанализировать. Сегодня предлагается несколько способов изготовления наносенсоров; к ним относятся литография сверху вниз, сборка снизу вверх и молекулярная самосборка . На рынке существуют и разрабатываются различные типы наносенсоров для различных приложений, особенно в оборонной, экологической и медицинской промышленности. Эти датчики имеют один и тот же основной рабочий процесс: избирательное связывание аналита, генерация сигнала в результате взаимодействия наносенсора с биоэлементом и обработка сигнала в полезные показатели.

Характеристики

Датчики на основе наноматериалов имеют ряд преимуществ по чувствительности и специфичности по сравнению с датчиками, изготовленными из традиционных материалов, благодаря свойствам наноматериалов, отсутствующим в объемном материале, которые возникают на наноуровне. Наносенсоры могут иметь повышенную специфичность, поскольку они действуют в том же масштабе, что и естественные биологические процессы, позволяя функционализировать химические и биологические молекулы, а события распознавания вызывают обнаруживаемые физические изменения. Повышение чувствительности обусловлено высоким соотношением поверхности к объему наноматериалов, а также новыми физическими свойствами наноматериалов, которые могут быть использованы в качестве основы для обнаружения, включая нанофотонику . Наносенсоры также потенциально могут быть интегрированы с наноэлектроникой , чтобы добавить наносенсору собственные возможности обработки.

Помимо своей чувствительности и специфичности, наносенсоры предлагают значительные преимущества в стоимости и времени отклика, что делает их подходящими для приложений с высокой пропускной способностью. Наносенсоры обеспечивают мониторинг в реальном времени по сравнению с традиционными методами обнаружения, такими как хроматография и спектроскопия. Получение результатов с помощью этих традиционных методов может занять от нескольких дней до недель и часто требует инвестиций в капитальные затраты, а также времени на подготовку проб.

Одномерные наноматериалы, такие как нанопроволоки и нанотрубки, хорошо подходят для использования в наносенсорах по сравнению с объемными или тонкопленочными планарными устройствами. Они могут функционировать как преобразователи, так и провода для передачи сигнала. Их большая площадь поверхности может вызвать большие изменения сигнала при связывании аналита. Их небольшой размер может обеспечить широкое мультиплексирование индивидуально адресуемых сенсорных блоков в небольшом устройстве. Их работа также «без меток» в том смысле, что не требуются флуоресцентные или радиоактивные метки на аналитах. Нанопроволока из оксида цинка используется для измерения газов, поскольку она проявляет высокую чувствительность к низкой концентрации газа в условиях окружающей среды и может быть легко изготовлена ​​с низкой стоимостью.

Перед наносенсорами стоит ряд задач, в том числе предотвращение дрейфа и загрязнения , разработка воспроизводимых методов калибровки, применение методов предварительного концентрирования и разделения для достижения правильной концентрации аналита, позволяющей избежать насыщения, а также интеграция наносенсора с другими элементами сенсорного блока надежным и технологичным способом. Поскольку наносенсоры являются относительно новой технологией, существует множество вопросов, на которые нет ответов относительно нанотоксикологии, что в настоящее время ограничивает их применение в биологических системах.

Потенциальные применения наносенсоров включают медицину, обнаружение загрязняющих веществ и патогенов, а также мониторинг производственных процессов и транспортных систем. Измеряя изменения физических свойств ( объем , концентрация , смещение и скорость , гравитационные , электрические и магнитные силы, давление или температура ) наносенсоры могут различать и распознавать определенные клетки на молекулярном уровне, чтобы доставлять лекарства или контролировать развитие в определенных местах тела. Тип передачи сигнала определяет основную систему классификации наносенсоров. Некоторые из основных типов показаний наносенсоров включают оптические, механические, вибрационные или электромагнитные.

В качестве примера классификации наносенсоры, в которых используются полимеры с молекулярным отпечатком (MIP), можно разделить на три категории: электрохимические , пьезоэлектрические или спектроскопические датчики. Электрохимические датчики вызывают изменение электрохимических свойств чувствительного материала, включая заряд , проводимость и электрический потенциал . Пьезоэлектрические датчики либо преобразуют механическую силу в электрическую силу, либо наоборот. Эта сила затем преобразуется в сигнал. Спектроскопические датчики MIP можно разделить на три подкатегории: хемилюминесцентные датчики, датчики поверхностного плазмонного резонанса и датчики флуоресценции . Как следует из названия, эти датчики генерируют световые сигналы в формах хемилюминесценции, резонанса и флуоресценции. Как описано в примерах, тип изменения, которое обнаруживает датчик, и тип сигнала, который он вызывает, зависят от типа датчика.

Обзор общего рабочего процесса наносенсора.

Механизмы работы

Существует множество механизмов, с помощью которых событие распознавания может быть преобразовано в измеримый сигнал; как правило, они используют чувствительность наноматериала и другие уникальные свойства для обнаружения селективно связанного аналита.

Электрохимические наносенсоры основаны на обнаружении изменения сопротивления наноматериала при связывании аналита из-за изменений в рассеянии или истощения или накопления носителей заряда . Одна из возможностей — использовать нанопроволоки, такие как углеродные нанотрубки , проводящие полимеры или нанопроволоки из оксидов металлов, в качестве затворов в полевых транзисторах , хотя по состоянию на 2009 год они еще не были продемонстрированы в реальных условиях. Химические наносенсоры содержат химическую систему распознавания (рецептор) и физико-химический преобразователь, в котором рецептор взаимодействует с аналитом, создавая электрические сигналы. В одном случае при взаимодействии аналита с рецептором нанопористый преобразователь имел изменение импеданса, которое определялось как сигнал датчика. Другие примеры включают электромагнитные или плазмонные наносенсоры, спектроскопические наносенсоры, такие как рамановская спектроскопия с усилением поверхности , магнитоэлектронные или спинтронные наносенсоры и механические наносенсоры.

Биологические наносенсоры состоят из биорецептора и преобразователя. В настоящее время предпочтительным методом трансдукции является флуоресценция из-за высокой чувствительности и относительной простоты измерения. Измерение может быть достигнуто с использованием следующих методов: связывания активных наночастиц с активными белками внутри клетки, использования сайт-направленного мутагенеза для производства индикаторных белков, позволяющего проводить измерения в реальном времени, или путем создания наноматериала (например, нановолокон) с местами прикрепления. для биорецепторов. Несмотря на то, что электрохимические наносенсоры можно использовать для измерения внутриклеточных свойств, они обычно менее селективны для биологических измерений, поскольку им не хватает высокой специфичности биорецепторов (например, антител, ДНК).

Фотонные устройства также можно использовать в качестве наносенсоров для количественного определения концентрации клинически значимых образцов. Принцип работы этих датчиков основан на химической модуляции объема гидрогелевой пленки, включающей в себя брэгговскую решетку . Когда гидрогель набухает или сжимается при химической стимуляции, решетка Брэгга меняет цвет и преломляет свет на разных длинах волн. Дифрагированный свет можно соотнести с концентрацией целевого аналита.

Другой тип наносенсора — тот, который работает на колориметрической основе. Здесь присутствие аналита вызывает химическую реакцию или морфологическое изменение, приводящее к видимому изменению цвета. Одним из таких применений является использование наночастиц золота для обнаружения тяжелых металлов. Многие вредные газы также можно обнаружить с помощью колориметрического изменения, например, с помощью имеющейся в продаже трубки Dräger Tube . Они представляют собой альтернативу громоздким системам лабораторного масштаба, поскольку их можно миниатюризировать для использования в устройствах точки отбора проб. Например, многие химические вещества регулируются Агентством по охране окружающей среды и требуют тщательного тестирования, чтобы убедиться, что уровни загрязнения находятся в соответствующих пределах. Колориметрические наносенсоры обеспечивают метод определения многих загрязнений на месте.

Методы производства

Способ производства играет центральную роль в определении характеристик изготавливаемого наносенсора, поскольку функция наносенсора может выполняться путем управления поверхностью наночастиц. Существует два основных подхода в производстве наносенсоров: методы «сверху вниз», которые начинаются с создания рисунка в более крупном масштабе, а затем уменьшаются до микромасштаба. Методы «снизу вверх» начинаются с атомов или молекул, которые образуют наноструктуры.

Нисходящие методы

Литография

Для этого нужно начать с большего блока материала и вырезать желаемую форму. Эти созданные устройства, в частности используемые в конкретных микроэлектромеханических системах, используемых в качестве микросенсоров, обычно достигают только микроразмеров , но самые последние из них начали включать в себя наноразмерные компоненты. Один из наиболее распространенных методов называется электронно-лучевой литографией. Хотя этот метод очень дорогостоящий, он эффективно формирует распределение круглых или эллипсоидных участков на двумерной поверхности. Другой метод — электроосаждение, при котором для изготовления миниатюрных устройств требуются проводящие элементы.

Вытягивание волокна

Этот метод заключается в использовании натяжного устройства для растяжения главной оси волокна при его нагревании для достижения наноразмеров. Этот метод специально используется в оптическом волокне для разработки наносенсоров на основе оптического волокна.

Химическое травление

Сообщалось о двух различных типах химического травления. В методе Тернера волокно протравливается до определенной точки, помещаясь в мениск между плавиковой кислотой и органическим верхним слоем . Было показано, что этот метод позволяет получать волокна с большими углами конусности (таким образом увеличивая количество света, достигающего кончика волокна) и диаметром кончика, сравнимым с методом вытягивания. Второй метод — травление трубки, заключающееся в травлении оптического волокна однокомпонентным раствором фтороводорода . Волокно кремнезема, окруженное органической оболочкой , полируется и один конец помещается в контейнер с плавиковой кислотой. Затем кислота начинает вытравливать кончик волокна, не разрушая оболочку. Когда кварцевое волокно вытравливается, полимерная оболочка действует как стенка, создавая микротоки в плавиковой кислоте, которые в сочетании с капиллярным действием заставляют волокно вытравливаться в форме конуса с большими, гладкими конусами. Этот метод показывает гораздо меньшую восприимчивость к параметрам окружающей среды, чем метод Тернера.

Восходящие методы

Этот тип методов предполагает сборку датчиков из более мелких компонентов, обычно отдельных атомов или молекул. Это делается путем расположения атомов в определенные структуры, что было достигнуто в лабораторных испытаниях с помощью атомно-силовой микроскопии , но все еще трудно достичь в массовом порядке и экономически нежизнеспособно.

Самостоятельная сборка

Этот метод, также известный как «выращивание», чаще всего предполагает наличие уже полного набора компонентов, которые автоматически собираются в готовый продукт. Возможность точно воспроизвести этот эффект для желаемого датчика в лаборатории будет означать, что ученые смогут производить наносенсоры гораздо быстрее и потенциально намного дешевле, позволяя многочисленным молекулам собираться сами с минимальным внешним влиянием или вообще без него, вместо того, чтобы вручную собирать каждый датчик. .

Хотя традиционные методы изготовления доказали свою эффективность, дальнейшие усовершенствования метода производства могут привести к минимизации затрат и повышению производительности. Проблемы современных методов производства включают неравномерное распределение, размер и форму наночастиц, что приводит к ограничению производительности. В 2006 году исследователи из Берлина запатентовали изобретение нового диагностического наносенсора, изготовленного с помощью наносферной литографии (NSL), который позволяет точно контролировать размер и форму наночастиц и создавать наноостровки. Металлические наноостровки увеличили передачу сигнала и, таким образом, увеличили чувствительность датчика. Результаты также показали, что чувствительность и характеристики диагностического наносенсора зависят от размера наночастиц, а уменьшение размера наночастиц увеличивает чувствительность.

На плотность тока влияет распределение, размер или форма наночастиц. Эти свойства можно улучшить за счет использования капиллярных сил . В недавних исследованиях капиллярные силы были вызваны применением пяти микролитров этанола , и в результате отдельные наночастицы были объединены в более крупные островки (т.е. размером 20 микрометров), разделенные в среднем на 10 микрометров, в то время как более мелкие растворились и поглощено. С другой стороны, нанесение вдвое большего количества (т.е. 10 микролитров) этанола повредило нанослои, а нанесение слишком малого количества (т.е. двух микролитров) этанола не смогло распространиться по ним.

Приложения

Один из первых рабочих образцов синтетического наносенсора был создан исследователями Технологического института Джорджии в 1999 году. Он заключался в прикреплении одной частицы к концу углеродной нанотрубки и измерении частоты колебаний нанотрубки как с частицей, так и без нее. Несоответствие между двумя частотами позволило исследователям измерить массу присоединенной частицы.

С тех пор все больше исследований посвящено наносенсорам, в результате чего были разработаны современные наносенсоры для многих приложений. В настоящее время наносенсоры на рынке применяются в здравоохранении, обороне и вооруженных силах, а также в пищевой промышленности, окружающей среде и сельском хозяйстве.

Краткий обзор текущих отраслевых применений наносенсоров.

Оборона и военные

Нанонаука в целом имеет множество потенциальных применений в оборонном и военном секторе, включая обнаружение химических веществ, дезактивацию и судебную экспертизу. Некоторые наносенсоры, разрабатываемые для оборонного применения, включают наносенсоры для обнаружения взрывчатых веществ или токсичных газов. Такие наносенсоры работают по принципу, согласно которому молекулы газа можно различить по их массе, используя, например, пьезоэлектрические датчики. Если молекула газа адсорбируется на поверхности детектора, резонансная частота кристалла изменяется, и это можно измерить как изменение электрических свойств. Кроме того, полевые транзисторы, используемые в качестве потенциометров , могут обнаруживать токсичные газы, если их затвор сделать чувствительным к ним.

Аналогичным образом наносенсоры можно использовать в одежде и снаряжении военных и правоохранительных органов. Институт нанонауки Исследовательской лаборатории ВМФ исследовал квантовые точки для применения в нанофотонике и идентификации биологических материалов. Наночастицы, покрытые полимерами и другими молекулами-рецепторами, изменят цвет при контакте с аналитами, такими как токсичные газы. Это предупреждает пользователя о том, что он в опасности. Другие проекты включают в себя встраивание в одежду биометрических датчиков для передачи информации о здоровье и жизненно важных функциях пользователя. что было бы полезно для наблюдения за солдатами в бою.

Удивительно, но некоторые из наиболее сложных аспектов создания наносенсоров для обороны и военного использования носят политический характер, а не технический. Многие различные правительственные учреждения должны работать вместе, чтобы распределять бюджеты и обмениваться информацией и прогрессом в тестировании; это может быть сложно с такими большими и сложными учреждениями. Кроме того, визы и иммиграционный статус могут стать проблемой для иностранных исследователей – поскольку тема очень деликатная, иногда может потребоваться государственное разрешение. Наконец, в настоящее время не существует четко определенных или ясных правил тестирования или применения наносенсоров в сенсорной промышленности, что усложняет их внедрение.

Еда и окружающая среда

Наносенсоры могут улучшить различные подобласти пищевой промышленности и окружающей среды, включая пищевую промышленность, сельское хозяйство, мониторинг качества воздуха и воды, а также упаковку и транспортировку. Благодаря своей чувствительности, а также возможности настройки и, как следствие, селективности связывания, наносенсоры очень эффективны и могут быть разработаны для широкого спектра применений в окружающей среде. Такое применение наносенсоров помогает удобно, быстро и сверхчувствительно оценивать многие типы загрязнителей окружающей среды.

Химические датчики полезны для анализа запахов образцов пищевых продуктов и обнаружения атмосферных газов. «Электронный нос» был разработан в 1988 году для определения качества и свежести образцов продуктов питания с использованием традиционных датчиков, но совсем недавно сенсорная пленка была улучшена с помощью наноматериалов. Образец помещается в камеру, где летучие соединения концентрируются в газовой фазе, при этом газ затем прокачивается через камеру и доставляет аромат к датчику, который измеряет его уникальный отпечаток. Высокое соотношение площади поверхности к объему наноматериалов обеспечивает большее взаимодействие с аналитами, а быстрое время отклика наносенсора позволяет разделять мешающие отклики. Химические датчики также были созданы с использованием нанотрубок для обнаружения различных свойств газообразных молекул. Многие датчики на основе углеродных нанотрубок спроектированы как полевые транзисторы, что позволяет использовать их чувствительность. Электропроводность этих нанотрубок изменится из-за переноса заряда и химического легирования другими молекулами, что позволит их обнаружить. Чтобы повысить их селективность, многие из них включают систему, с помощью которой наносенсоры создаются с особым карманом для другой молекулы. Углеродные нанотрубки использовались для определения ионизации газообразных молекул, а нанотрубки из титана использовались для обнаружения атмосферных концентраций водорода на молекулярном уровне. Некоторые из них разработаны как полевые транзисторы, в то время как другие используют преимущества оптических датчиков. Селективное связывание аналита обнаруживается посредством спектрального сдвига или модуляции флуоресценции. Подобным же образом Flood et al. показали, что супрамолекулярная химия хозяин-гость обеспечивает количественное зондирование с использованием рассеянного комбинационного света. а также СЭРС .

Другие типы наносенсоров, в том числе квантовые точки и наночастицы золота , в настоящее время разрабатываются для обнаружения загрязняющих веществ и токсинов в окружающей среде. Они используют преимущества локализованного поверхностного плазмонного резонанса (LSPR), который возникает на наноуровне, что приводит к поглощению, специфичному для длины волны. Этот спектр LSPR особенно чувствителен, и его зависимость от размера наночастиц и окружающей среды может быть использована различными способами для разработки оптических датчиков. Чтобы воспользоваться сдвигом спектра LSPR, который происходит, когда молекулы связываются с наночастицами, их поверхности можно функционализировать, чтобы определять, какие молекулы будут связываться и вызывать ответ. Для применения в окружающей среде поверхности квантовых точек можно модифицировать с помощью антител, которые специфически связываются с микроорганизмами или другими загрязнителями. Затем спектроскопию можно использовать для наблюдения и количественной оценки этого сдвига спектра, что обеспечивает точное обнаружение, потенциально порядка молекул. Аналогичным образом, флуоресцентные полупроводниковые наносенсоры могут использовать преимущества резонансной передачи энергии флуоресценции (FRET) для достижения оптического обнаружения. Квантовые точки могут использоваться в качестве доноров и будут передавать энергию электронного возбуждения, когда расположены рядом с молекулами-акцепторами, теряя таким образом свою флуоресценцию. Эти квантовые точки можно функционализировать, чтобы определить, какие молекулы будут связываться и после чего флуоресценция будет восстановлена. Оптические датчики на основе золотых наночастиц можно использовать для очень точного обнаружения тяжелых металлов; например, уровень ртути составляет всего 0,49 нанометра. Этот метод восприятия использует преимущества FRET, при котором присутствие металлов подавляет взаимодействие между квантовыми точками и наночастицами золота и подавляет реакцию FRET. Другая потенциальная реализация использует размерную зависимость спектра LSPR для обнаружения ионов. В одном исследовании Liu et al. функционализированные наночастицы золота с Pb ²⁺ чувствительный фермент для производства свинцового сенсора. Как правило, наночастицы золота агрегируют по мере приближения друг к другу, и изменение размера приводит к изменению цвета. Взаимодействие между ферментом и Pb ²⁺ ионы будут ингибировать эту агрегацию, и, таким образом, можно будет обнаружить присутствие ионов.

Основная проблема, связанная с использованием наносенсоров в пищевых продуктах и ​​окружающей среде, заключается в определении их токсичности и общего воздействия на окружающую среду. В настоящее время недостаточно знаний о том, как внедрение наносенсоров повлияет на почву, растения и человека в долгосрочной перспективе. Эту проблему сложно полностью решить, поскольку токсичность наночастиц сильно зависит от типа, размера и дозировки частиц, а также от переменных окружающей среды, включая pH, температуру и влажность. Чтобы снизить потенциальный риск, проводятся исследования по производству безопасных, нетоксичных наноматериалов в рамках общих усилий по созданию «зеленых» нанотехнологий.

Здравоохранение

Наносенсоры обладают большим потенциалом в диагностической медицине, позволяя раннее выявление заболеваний, не полагаясь на наблюдаемые симптомы. Идеальные реализации наносенсоров призваны имитировать реакцию иммунных клеток в организме, включая функции как диагностики, так и иммунного ответа, при этом передавая данные, позволяющие контролировать входные сигналы и реакцию датчика. Однако эта модель остается долгосрочной целью, и в настоящее время исследования сосредоточены на непосредственных диагностических возможностях наносенсоров. Внутриклеточное внедрение наносенсора, синтезированного из биоразлагаемых полимеров, индуцирует сигналы, которые позволяют осуществлять мониторинг в реальном времени и, таким образом, открывает путь к прогрессу в области доставки и лечения лекарств.

Одним из примеров таких наносенсоров является использование свойств флуоресценции селенида кадмия квантовых точек в качестве сенсоров для обнаружения опухолей в организме. Однако недостатком точек селенида кадмия является то, что они очень токсичны для организма. В результате исследователи работают над созданием альтернативных точек, изготовленных из другого, менее токсичного материала, сохраняющего при этом некоторые свойства флуоресценции. В частности, они исследовали особые преимущества квантовых точек сульфида цинка, которые, хотя и не такие флуоресцентные, как селенид кадмия, могут быть дополнены другими металлами, включая марганец и различные лантаноидов элементы . Кроме того, эти новые квантовые точки становятся более флуоресцентными, когда они связываются с клетками-мишенями.

Другое применение наносенсоров предполагает использование кремниевых нанопроводов в внутривенных линиях для мониторинга здоровья органов. Нанопровода чувствительны к обнаружению следовых биомаркеров, которые диффундируют в капельницу через кровь, что позволяет отслеживать почечную или органную недостаточность. Эти нанопроволоки позволят проводить непрерывное измерение биомаркеров, что дает некоторые преимущества с точки зрения временной чувствительности по сравнению с традиционными методами количественного определения биомаркеров, такими как ELISA.

Наносенсоры также можно использовать для обнаружения загрязнения в имплантатах органов. Наносенсор встроен в имплантат и обнаруживает загрязнение в клетках, окружающих имплантат, с помощью электрического сигнала, отправляемого врачу или поставщику медицинских услуг. Наносенсор может определить, являются ли клетки здоровыми, воспалительными или зараженными бактериями. Однако при длительном использовании имплантата обнаруживается главный недостаток: ткань разрастается поверх датчиков, ограничивая их способность к сжатию. Это препятствует производству электрических зарядов, тем самым сокращая срок службы этих наносенсоров, поскольку они используют пьезоэлектрический эффект для собственного питания.

Подобно тем, которые используются для измерения загрязнителей атмосферы, наносенсоры на основе золотых частиц используются для ранней диагностики нескольких типов рака путем обнаружения летучих органических соединений (ЛОС) в дыхании, поскольку рост опухоли связан с перекисным окислением клеточной мембраны. Еще одним применением, связанным с раком, хотя оно все еще находится на стадии исследования на мышах, является использование наночастиц , покрытых пептидами, в качестве сенсоров на основе активности для обнаружения рака легких. Двумя основными преимуществами использования наночастиц для выявления заболеваний является то, что оно позволяет обнаруживать опухоли на ранних стадиях, поскольку позволяет обнаруживать опухоли размером порядка миллиметров. Он также представляет собой экономичный, простой в использовании, портативный и неинвазивный диагностический инструмент.

Недавние усилия по развитию наносенсорной технологии использовали молекулярный импринтинг — метод, используемый для синтеза полимерных матриц, которые действуют как рецепторы при молекулярном распознавании. Аналогично модели фермент-субстратного замка и ключа , молекулярный импринтинг использует молекулы матрицы с функциональными мономерами для формирования полимерных матриц определенной формы, соответствующей целевым молекулам матрицы, тем самым увеличивая селективность и сродство матриц. Этот метод позволил наносенсорам обнаруживать химические соединения. В области биотехнологии молекулярно-импринтированные полимеры (MIP) представляют собой синтезированные рецепторы, которые оказались многообещающими и экономически эффективными альтернативами природным антителам, поскольку они спроектированы так, чтобы обладать высокой селективностью и аффинностью. Например, эксперимент с датчиком MI, содержащим нанонаконечники с непроводящим полифенольным нанопокрытием (PPn-покрытие), показал избирательное обнаружение белка E7 и, таким образом, продемонстрировал потенциальное использование этих наносенсоров для обнаружения и диагностики вируса папилломы человека, других патогенов человека и токсинов. . Как показано выше, наносенсоры с технологией молекулярного импринтинга способны избирательно обнаруживать сверхчувствительные химические соединения, поскольку путем искусственной модификации полимерных матриц молекулярный импринтинг увеличивает сродство и селективность. Хотя полимеры с молекулярным отпечатком обеспечивают преимущества в селективном молекулярном распознавании наносенсоров, сама эта технология возникла относительно недавно, и все еще остаются проблемы, такие как затухание сигналов, отсутствие эффективных датчиков в системах обнаружения и отсутствие эффективных поверхностей обнаружения. Дальнейшие исследования и исследования в области молекулярно-импринтированных полимеров имеют решающее значение для разработки высокоэффективных наносенсоров.

Чтобы развивать интеллектуальное здравоохранение с помощью наносенсоров, необходимо создать сеть наносенсоров, часто называемую наносетью, чтобы преодолеть ограничения по размеру и мощности отдельных наносенсоров. Наносети не только смягчают существующие проблемы, но и обеспечивают многочисленные улучшения. Разрешение наносенсоров на клеточном уровне позволит устранить побочные эффекты, обеспечить непрерывный мониторинг и отчетность о состоянии пациентов.

Наносети требуют дальнейшего изучения, поскольку наносенсоры отличаются от традиционных датчиков. Наиболее распространенным механизмом сенсорных сетей являются электромагнитные коммуникации. Однако нынешняя парадигма неприменима к наноустройствам из-за их малого радиуса действия и мощности. Оптическая передача сигналов была предложена в качестве альтернативы классической электромагнитной телеметрии и находит применение в мониторинге человеческого тела. Другие предлагаемые механизмы включают биоинспирированную молекулярную связь, проводной и беспроводной активный транспорт в молекулярной связи, передачу энергии Форстера и многое другое. Крайне важно построить эффективную наносеть, чтобы ее можно было применять в таких областях, как медицинские имплантаты, сети областей тела (BAN), Интернет нановещей (IoNT), доставка лекарств и многое другое. Благодаря умелой наносети биоимплантируемые наноустройства могут обеспечить более высокую точность, разрешение и безопасность по сравнению с макромасштабными имплантатами. Сети областей тела (BAN) позволяют датчикам и исполнительным механизмам собирать физические и физиологические данные человеческого тела, чтобы лучше прогнозировать любые заболевания, что, таким образом, облегчает лечение. Потенциальные применения BAN включают мониторинг сердечно-сосудистых заболеваний, управление инсулином, искусственное зрение и слух, а также управление гормональной терапией. Интернет био-нано вещей — это сети наноустройств, к которым можно получить доступ через Интернет. Разработка IoBNT проложила путь к новым методам лечения и диагностики. Наносети также могут помочь в доставке лекарств за счет увеличения локализации и времени обращения лекарств.

Существующие проблемы с вышеупомянутыми приложениями включают биосовместимость наноимплантатов, физические ограничения, приводящие к нехватке мощности и памяти, а также биосовместимость конструкции передатчика и приемника IoBNT. Концепция наносетей имеет множество областей для улучшений: к ним относятся разработка наномашин , проблемы стека протоколов, методы обеспечения электропитанием и многое другое.

По-прежнему действуют строгие правила разработки стандартов для наносенсоров, которые будут использоваться в медицинской промышленности, из-за недостаточных знаний о побочных эффектах наносенсоров, а также о потенциальных цитотоксических эффектах наносенсоров. Кроме того, может быть высокая стоимость сырья, такого как кремний, нанопровода и углеродные нанотрубки, что препятствует коммерциализации и производству наносенсоров, требующих масштабирования для внедрения. Чтобы смягчить недостаток стоимости, исследователи изучают возможность производства наносенсоров из более экономичных материалов. Для воспроизводимого производства наносенсоров также требуется высокая степень точности из-за их небольшого размера и чувствительности к различным методам синтеза, что создает дополнительные технические проблемы, которые необходимо преодолеть.

См. также

• Нанотехнологии
• Список тем нанотехнологий
• Поверхностный плазмонный резонанс

Внешние ссылки

• Взвешивая очень маленькое: «Нанобаланс» на основе углеродных нанотрубок открывает новые возможности для наномеханики , Новости Технологических исследований Джорджии.
• Новые технологии и окружающая среда
• Нанотехнологии и социальная трансформация
• Нанотехнологии, конфиденциальность и меняющиеся социальные условности
• Нанотехнологии и наблюдение. Архивировано 12 апреля 2018 г. в Wayback Machine.