Nanosensor

Nanosensorid on bioloogilised, keemilised või kirurgilised sensoorsed punktid, mida kasutatakse nanoosakeste kohta informatsiooni edasi kandmiseks makroskoopilises maailmas. Tavaliselt kasutatakse neid mitmel meditsiinilisel otstarbel ja teiste nanotoodete komponentidena, nagu näiteks arvutikiibid ja nanorobotid. Nüüdisajal on nanosensorite valmistamiseks mitu viisi, nende hulgas ülevalt-alla litograafia, alt-üles kokkupanek ja molekulaarne iseeneslik kokkupanek. Nanosensorid on võrreldes tavasensoritega paremad, kuna: väiksemad osakesed, mis detekteerivad, lubavad ehitada väiksemaid sensoreid; nanomaterjalides ilmnevad suurusega seotud uued nähtused, mida nanosensorid saavad ära kasutada; tundlikkus suureneb paremate juhtivuslike omaduste tõttu ja seega saab detekteerida väga väikeseid ainehulkasid; detekteerimine on kiirem. Senised nanosensorid hõlmavad nanostruktuurseid mikromaterjale (nt poorne räni), nanoosakesi, nanosonde, nanotraat/nanotoru-nanosensoreid, nanosüsteeme – konsoole, NEMS.. Nanosensorite rakendamine meditsiinis põhineb peamiselt nanosensorite potentsiaalil täpselt identifitseerida kindlaid rakke või kohti inimese kehas. Mõõtes ruumala, kontsentratsiooni, gravitatsioonilise, elektrilise ja magnetilise jõu, rõhu või temperatuuri muutusi keharakkudes, suudavad nanosensorid eristada ja tuvastada kindlaid rakke, näiteks vähirakke, molekulaarsel tasemel. See võimaldab manustada ravimit spetsiifiliselt ainult haigetesse rakkudesse ja arengu jälgimist kindlates keha osades. Näiteks kasutatakse kaadmiumseleniidi kvanttäppide fluorestseeruvaid omadusi, et avastada kasvajaid. Süstides kehasse kaadmiumseleniidi kvanttäppe, saavad arstid tänu nende fluorestseeruvatele omadustele näha kasvajat või vähirakkude asukohta kehas. Nanosensor-kvanttäpid on spetsiaalselt arendatud kindla ohus oleva raku leidmiseks kehas. Kaadmiumseleniidi kvanttäppide miinuseks on kõrge toksilisus. Seega käib uurimistöö, et leida samade omadustega vähem toksilisi materjale. Nanosensorite üheks potentsiaalseks rakenduseks on ka spetsiifilise DNA detekteerimine selleks, et tuvastada geneetilisi defekte. Näiteks võib tuua sensorid, mis suudavad määrata glükoositaset diabeedikutel. Lisaks bioloogilistele rakendustele on nanosensoreid võimalik kasutada selleks, et ehitada väiksemaid integreeritud vooluringe, mida saab kasutada nii transpordis, kommunikatsioonis kui ka robootikas. Need on füüsikalised nanosensorid. Nanotorudest valmistatud keemilisi sensoreid kasutatakse gaasiliste molekulide detekteerimiseks. Süsiniknanotorudega on võimalik tajuda gaasiliste molekulide ionisatsiooni. Titaanist tehtud nanotorudega on detekteeritud vesinikku molekulaarsel tasemel. Sellised keemilised nanosensorid on ehitatud põhimõttel, et sensori sisse saab tungida kindel molekul. Kui see kindel ja spetsiifiline molekul siseneb nanosensorisse ning sensorile lastakse peale valgust, siis sensor ise kiirgab erinevat lainepikkust ehk teist värvi valgust. Kõige suurem nanosensorite masstoodang on praegu bioloogiline ehk tegemist on looduslike retseptoritega. Näiteks koera ninas lõhna tundmiseks on retseptorid, mis tunnetavad nanosuuruses molekule. Teatud taimed kasutavad oma looduslikke nanosensoreid päikesekiirguse detekteerimiseks, jne. Üks esimesi nanosensoreid ehitati 1999. aastal Georgia Tehnoloogiainstituudis. Selleks kinnitati üksik sfääriline süsiniku osake süsiniknanotoru otsa ja mõõdeti nanotoru vibratsiooni sagedust koos ja ilma kinnitatud osakeseta. Teadlased arvutasid sageduste vahemikust osakese massi. Ülevalt-alla litograafia on üks põhilisemaid nanosensorite valmistamise meetodeid. See hõlmab protsessi, kus suuremast materjali plokist eemaldatakse kiht-kihi haaval materjali, et luua soovitud kuju. Tavaliselt saab sellise meetodiga ainult mikroskaalas komponente, kuid hiljuti on jõutud ka nanoskaalasse. Teine meetod nanosensorite valmistamiseks on alt-üles meetod. See hõlmab väga väikeste osakeste, tavaliselt aatomite või molekulide, kokkupanemist suuremateks osakesteks. Selleks on tarvis liigutada aatomeid kindlatele positsioonidele materjalis. Seda on saavutatud laboriruumides, kasutades aatomijõumikroskoopi. Masstootmises on seda keeruline teha, seega kasutatakse seda meetodit põhiliselt mingite aluskomponentide kokkupanemiseks, mis lähevad edasi nanosensorisse. Kolmas variant on konkreetsetes sensorites kasutatavate nanostruktuuride kasvatamine või kokkupanemine ning see moodus lubab palju kiiremaid tulemusi. Enamasti eeldab see kahte liiki kokkupanemist. Esimesel juhul kasutatakse varem loodud või looduslikult moodustunud nanostruktuuri osa, mis pannakse/sukeldatakse endasarnaste vabade aatomite hulka. Pärast teatud perioodi struktuur, mille ebaregulaarne pind muudab selle atraktiivsemaks rohkematele molekulidele, jätkamaks oma ülesehitust, püüdes kinni mõned vabad aatomid ja jätkates suuremate nanosensori komponentide valmistamist. Teisel juhul alustatakse juba valmis komponentide komplektiga, mis automaatselt ise panevad ennast kokku lõpp-produktiks. Siiani on see õnnestunud ainult mikroskaalas arvutikiipe kokku pannes, kuid teadlased loodavad lõpp-produkti saada ka nanoskaalas, sealhulgas nanosensorid. Sellise meetodi kasutamine lubaks teadlastel kiiremini ja odavamalt mitmeid molekule kokku monteerida konkreetseteks sensoriteks, selle asemel, et iga sensorit eraldi ehitada. Kuigi nanosensorite tehnoloogia on suhteliselt uus ala, eeldatakse tulu nende müügist 0,6–2,7 miljardi USA dollari väärtuses. Tõenäoliselt hakatakse kasutama nanosensoreid edasijõudnud arvutisüsteemide vooluringides/skeemides, mis on potentsiaalseks vahelüliks nanotehnoloogia ja makroskoopilise maailma vahel. Nanosensorid lubavad arvuti arendajatel miniaturiseerida arvutikiipe, jättes sama suureks nende andmemahud. Uurimata on eetilised ja sotsiaalsed mõjud seoses nanosensorite kasutamisega. Näiteks meditsiinilised sensorid võivad lisaks kasvaja avastamisele ennustada ka indiviidi tuleviku profiili, mida tervisekindlustuse müüjad võivad ära kasutada. Teised sotsiaalsed probleemid on seotud nanosensorite kasutamisega jälgimisseadmetena, mis on seotud inimeste privaatsuse ja turvalisusega. Sensor Andur L. E. Foster, "Medical Nanotechnology: Science, Innovation, and Opportunity", Prentice Hall, 2005. Applications of Nanosensors: http://www.phys.sinica.edu.tw/TIGP-NANO/Course/2013_Fall/classnote/NanoB-Electronic-2.pdf R.A. Freitas Jr., "Nanomedicine, Volume 1: Basic Capabilities", Landes Bioscience; 1st edition, 1999. M.A. Ratner, D. Ratner, "Nanotechnology: A Gentle Introduction to the Next Big Idea", Prentice Hall; 1 edition, 2002. A. Modi, N. Koratkar, E. Lass, B. Wei, P.M. Ajayan, "Miniaturized Gas Ionization Sensors using Carbon Nanotubes", Nature 424, 171-174, 2003. J. Kong J, N.R. Franklin, C. Zhou, M.G. Chapline, S. Peng, K. Cho, H. Dai, "Nanotubes Molecular Wires as Chemical Sensors", Science, Vol 287, no. 5453, pp. 622-625, 2000. P. Poncharal, Z.L. Wang; D.Ugarte, W.A. de Heer, "Electrostatic Deflections and Electromechanical Resonances of Carbon Nanotubes", Science, Vol 283, no. 5407, pp. 1513-1516, 1999.