Наносенсоры - это устройства наномасштаба, которые измеряют физические величины и преобразуют их в сигналы, которые могут быть обнаружены и проанализированы. Сегодня предлагается несколько способов изготовления наносенсоров; они включают литографию сверху вниз, сборку снизу вверх и молекулярную самосборку . [1] На рынке и в разработке находятся различные типы наносенсоров для различных приложений, особенно в оборонной, экологической и здравоохранительной отраслях. Эти датчики используют один и тот же базовый рабочий процесс: избирательное связывание аналита, генерация сигнала от взаимодействия наносенсора с биоэлементом и обработка сигнала в полезные показатели.
Характеристики
Датчики на основе наноматериалов обладают рядом преимуществ в чувствительности и специфичности по сравнению с датчиками, изготовленными из традиционных материалов, из-за особенностей наноматериалов, отсутствующих в объемном материале, которые возникают на наномасштабе. [2] Наносенсоры могут иметь повышенную специфичность, потому что они действуют в масштабе, аналогичном естественным биологическим процессам, обеспечивая функционализацию с помощью химических и биологических молекул, с событиями распознавания, которые вызывают обнаруживаемые физические изменения. Повышение чувствительности связано с высоким отношением поверхности к объему наноматериалов, а также с 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 к наносенсору возможности обработки. [3] : 4–10
Помимо чувствительности и специфичности, наносенсоры обладают значительными преимуществами по стоимости и времени отклика, что делает их пригодными для высокопроизводительных приложений. Наносенсоры обеспечивают мониторинг в реальном времени по сравнению с традиционными методами обнаружения, такими как хроматография и спектроскопия. Эти традиционные методы могут занять от нескольких дней до недель для получения результатов и часто требуют вложений в капитальные затраты, а также времени на подготовку образцов. [4] [5] [6] [7]
Одномерные наноматериалы, такие как нанопроволоки и нанотрубки , хорошо подходят для использования в наносенсорах по сравнению с объемными или тонкопленочными планарными устройствами. Они могут работать как преобразователи, так и как провода для передачи сигнала. Их большая площадь поверхности может вызывать большие изменения сигнала при связывании аналита. Их небольшой размер может обеспечить широкое мультиплексирование индивидуально адресуемых сенсорных блоков в небольшом устройстве. Их работа также "свободна от меток" в том смысле, что не требуется флуоресцентных или радиоактивных меток на анализируемых веществах. [3] : 12–26 Нанопроволока из оксида цинка используется для обнаружения газов, поскольку она демонстрирует высокую чувствительность к низкой концентрации газа в условиях окружающей среды и может быть легко изготовлена с низкой стоимостью. [8]
Перед наносенсорами стоит несколько задач, включая предотвращение дрейфа и засорения , разработку воспроизводимых методов калибровки, применение методов предварительного концентрирования и разделения для достижения надлежащей концентрации аналита, позволяющей избежать насыщения, и интеграцию наносенсора с другими элементами сенсорного блока надежным производственным способом. [3] : 4–10 Поскольку наносенсоры являются относительно новой технологией, остается много нерешенных вопросов, касающихся нанотоксикологии, что в настоящее время ограничивает их применение в биологических системах.
Возможные применения наносенсоров включают медицину, обнаружение загрязняющих и патогенных микроорганизмов, а также мониторинг производственных процессов и транспортных систем. [3] : 4–10 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. для того, чтобы доставить лекарство или следить за развитием определенных участков тела. [9] Тип передачи сигнала определяет основную систему классификации наносенсоров. Некоторые из основных типов считывающих устройств наносенсора включают оптические, механические, вибрационные или электромагнитные. [10]
В качестве примера классификации наносенсоры, в которых используются полимеры с молекулярной печатью (MIP), можно разделить на три категории: электрохимические , пьезоэлектрические или спектроскопические сенсоры. Электрохимические датчики вызывают изменение электрохимических свойств чувствительного материала, включая заряд , проводимость и электрический потенциал . Пьезоэлектрические датчики либо преобразуют механическую силу в электрическую, либо наоборот. Затем эта сила 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 производят световые сигналы в форме хемилюминесценции, резонанса и флуоресценции. Как описано в примерах, тип изменения, которое обнаруживает датчик, и тип сигнала, который он вызывает, зависят от типа датчика [11]
Механизмы работы
Существует несколько 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, истощения или накопления носителей заряда . Одна из возможностей заключается в использовании нанопроволок, таких как углеродные нанотрубки , проводящие полимеры или нанопроволоки оксидов металлов, в качестве затворов в полевых транзисторах , хотя по состоянию на 2009 год они еще не были продемонстрированы в реальных условиях. [3] : 12–26 Химические наносенсоры содержат систему химического распознавания (рецептор) и физико-химический преобразователь, в которых рецептор взаимодействует с анализируемым веществом, создавая электрические сигналы. [12] В одном случае [13] при взаимодействии аналита с рецептором у нанопористого преобразователя было изменение импеданса, которое было определено как сигнал датчика. Другие примеры включают электромагнитные или плазмонные наносенсоры, спектроскопические наносенсоры, такие как рамановская спектроскопия с улучшенной поверхностью , магнитоэлектронные или спинтронные наносенсоры и механические наносенсоры. [3] : 12–26
Биологические наносенсоры состоят из биорецептора и преобразователя. В настоящее время предпочтительным методом трансдукции является флуоресценция из-за высокой чувствительности и относительной простоты измерения. [14] [15] Измерение может быть достигнуто с помощью следующих методов: связывания активных наночастиц с активными белками внутри клетки, использования сайт-направленного мутагенеза для производства индикаторных белков, что позволяет проводить измерения в режиме реального времени, или путем создания наноматериала ( например, нановолокна) с сайтами прикрепления для биорецепторов. [14] Несмотря на то, что электрохимические наносенсоры могут использоваться для измерения внутриклеточных свойств, они обычно менее избирательны для биологических измерений, поскольку им не хватает высокой специфичности биорецепторов (например, антител, ДНК). [16] [14]
Фотонные устройства также могут использоваться в качестве наносенсоров для количественного определения концентраций клинически значимых образцов. Принцип действия этих сенсоров основан на химической модуляции объема пленки гидрогеля, включающей решетку Брэгга . По мере того как гидрогель набухает или сжимается при химической стимуляции, решетка Брэгга меняет цвет и дифрагирует свет на разных длинах волн. Дифрагированный свет можно коррелировать с концентрацией целевого аналита. [17]
Другой тип наносенсора - это тот, который работает на колориметрической основе. Здесь присутствие аналита вызывает химическую реакцию или морфологическое изменение, вызывающее видимое изменение цвета. Одним из таких приложений является то, что наночастицы золота можно использовать для обнаружения тяжелых металлов. [18] Многие вредные газы также можно обнаружить с помощью колориметрического изменения, например, с помощью имеющейся в продаже трубки Dräger Tube . Они представляют собой альтернативу громоздким лабораторным системам, поскольку их можно уменьшить в размерах для использования в устройствах для отбора проб. Например, многие химические вещества регулируются Агентством по охране окружающей среды и требуют тщательного тестирования, чтобы гарантировать, что уровни загрязнения находятся в соответствующих пределах. Колориметрические наносенсоры обеспечивают метод определения многих загрязняющих веществ на месте. [19] [20] [21]
Методы производства
Метод производства играет центральную роль в определении характеристик производимого наносенсора, так как функция наносенсора может осуществляться за счет управления поверхностью наночастиц. Существует два основных подхода к производству наносенсоров: нисходящие методы, которые начинаются с шаблона, генерируемого в более крупном масштабе, а затем сокращаются до микромасштаба. Восходящие методы начинаются с атомов или молекул, которые образуют наноструктуры.
Нисходящие методы
Литография
Для этого нужно начать с большого блока какого-то материала и вырезать желаемую форму. Эти вырезанные устройства, особенно используемые в конкретных микроэлектромеханических системах, используемых в качестве микродатчиков, обычно достигают только микроразмеров , но самые последние из них начали включать наноразмерные компоненты. [1] Один из наиболее распространенных методов называется электронно-лучевой литографией. Хотя этот метод очень дорогостоящий, он эффективно формирует распределение круговых или эллипсоидальных графиков на двумерной поверхности. Другой метод - это электроосаждение, при котором для изготовления миниатюрных устройств требуются проводящие элементы. [22]
Вытягивание волокна
Этот метод заключается в использовании натяжного устройства для растягивания главной оси волокна во время его нагрева для получения наноразмерных масштабов. Этот метод специально используется в оптическом волокне для разработки наносенсоров на основе оптического волокна. [16]
Химическое травление
Сообщалось о двух различных типах химического травления. В методе Тернера волокно протравливается до точки, когда его помещают в мениск между плавиковой кислотой и органическим верхним слоем . Было показано, что этот метод позволяет получать волокна с большими углами сужения (таким образом, увеличивая свет, достигающий кончика волокна) и диаметром кончика, сравнимым с методом вытягивания. Второй метод - травление трубки, которое включает травление оптического волокна однокомпонентным раствором фтороводорода . Волокно из диоксида кремния, окруженное органической оболочкой , полируется, и один конец помещается в емкость с плавиковой кислотой. Затем кислота начинает вытравливать кончик волокна, не разрушая оболочки. По мере вытравливания кремнеземного волокна полимерная оболочка действует как стенка, создавая микротоки в фтористоводородной кислоте, которые в сочетании с капиллярным действием вызывают вытравливание волокна в форме конуса с большими гладкими конусами. Этот метод показывает гораздо меньшую подверженность параметрам окружающей среды, чем метод Тернера. [16]
Восходящие методы
Этот тип методов включает сборку сенсоров из более мелких компонентов, обычно отдельных атомов или молекул. Это достигается путем расположения атомов в определенных образцах, что было достигнуто в лабораторных испытаниях с использованием атомно-силовой микроскопии , но все еще трудно достичь в массовом порядке и экономически нецелесообразно.
Самостоятельная сборка
Этот метод, также известный как «выращивание», чаще всего включает в себя уже полный набор компонентов, которые автоматически собираются в готовый продукт. Возможность точно воспроизвести этот эффект для желаемого датчика в лаборатории будет означать, что ученые могли бы производить наносенсоры гораздо быстрее и потенциально гораздо дешевле, позволяя множеству молекул собираться самостоятельно с минимальным внешним влиянием или без него, вместо того, чтобы вручную собирать каждый датчик. .
Хотя традиционные методы изготовления доказали свою эффективность, дальнейшие улучшения в способе производства могут привести к минимизации затрат и повышению производительности. Проблемы, связанные с текущими методами производства, включают неравномерное распределение, размер и форму наночастиц, что приводит к ограничению производительности. В 2006 году исследователи в Берлине запатентовали свое изобретение нового диагностического наносенсора, изготовленного с помощью наносферной литографии (NSL), который позволяет точно контролировать размер и форму наночастиц и создает наноостровки. Металлические наноостровки увеличивали передачу сигнала и, таким образом, повышали чувствительность датчика. Результаты также показали, что чувствительность и характеристики диагностического наносенсора зависят от размера наночастиц, что уменьшение размера наночастиц увеличивает чувствительность. [22]
Приложения
Один из первых рабочих примеров синтетического наносенсора был построен исследователями из Технологического института Джорджии в 1999 году. [23] Он включал прикрепление единственной частицы к концу углеродной нанотрубки и измерение частоты колебаний нанотрубки как с помощью, так и с помощью без частицы. Несоответствие между двумя частотами позволило исследователям измерить массу прикрепленной частицы. [1]
С тех пор все больше исследований проводилось в области наносенсоров, в результате чего современные наносенсоры были разработаны для многих приложений. В настоящее время применение наносенсоров на рынке включает в себя: здравоохранение, оборону и вооруженные силы, а также другие области, такие как продукты питания, окружающая среда и сельское хозяйство. [24]
Оборона и военное дело
Нанонаука в целом имеет множество потенциальных применений в оборонном и военном секторах, включая обнаружение химических веществ, дезактивацию и судебную экспертизу. Некоторые наносенсоры, разрабатываемые для оборонных приложений, включают наносенсоры для обнаружения взрывчатых веществ или токсичных газов. Такие наносенсоры работают по тому принципу, что молекулы газа можно различать по их массе с помощью, например, пьезоэлектрических датчиков. 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 сделан чувствительным к ним. [25]
В аналогичном приложении наносенсоры могут использоваться в одежде и снаряжении военных и правоохранительных органов. Институт нанонауки Исследовательской лаборатории ВМФ изучал квантовые точки для применения в нанофотонике и идентификации биологических материалов. Наночастицы, покрытые слоями полимеров и других рецепторных молекул, меняют цвет при контакте с аналитами, такими как токсичные газы. [25] Это предупреждает пользователя об опасности. Другие проекты включают в себя встраивание в одежду биометрических датчиков для передачи информации о здоровье и жизненно важных функциях пользователя [25], что может быть полезно для наблюдения за солдатами в бою.
Удивительно, но некоторые из наиболее сложных аспектов создания наносенсоров для обороны и военного использования носят скорее политический, нежели технический характер. 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 чувствительна, иногда может потребоваться разрешение правительства. [26] Наконец, в настоящее время нет четко определенных или четких правил по тестированию или применению наносенсоров в сенсорной индустрии, что усложняет реализацию.
Еда и окружающая среда
Наносенсоры могут улучшить различные подотрасли пищевого и экологического секторов, включая пищевую промышленность, сельское хозяйство, мониторинг качества воздуха и воды, а также упаковку и транспорт. Благодаря своей чувствительности, а также возможности настройки и результирующей селективности связывания наносенсоры очень эффективны и могут быть разработаны для широкого спектра применений, связанных с окружающей средой. Такие применения наносенсоров помогают в удобной, быстрой и сверхчувствительной оценке многих типов загрязнителей окружающей среды. [27]
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 пищевых продуктов с использованием традиционных датчиков, но в последнее время чувствительная пленка была улучшена с помощью наноматериалов. Образец помещается в камеру, где летучие соединения концентрируются в газовой фазе, в результате чего газ затем прокачивается через камеру, чтобы передать аромат к датчику, который измеряет его уникальный отпечаток пальца. Высокое отношение площади поверхности к объему наноматериалов позволяет лучше взаимодействовать с аналитами, а быстрое время отклика наносенсора позволяет разделить мешающие отклики. [28] Химические сенсоры также были созданы с использованием нанотрубок для обнаружения различных свойств газовых молекул. Многие сенсоры на основе углеродных нанотрубок спроектированы как полевые транзисторы с учетом их чувствительности. Электропроводность этих нанотрубок будет изменяться из-за переноса заряда и химического легирования другими молекулами, что позволяет их обнаруживать. Чтобы повысить их селективность, многие из них включают систему, с помощью которой наносенсоры создаются так, чтобы иметь специальный карман для другой молекулы. Углеродные нанотрубки использовались для обнаружения ионизации газообразных молекул, в то время как нанотрубки из титана использовались для обнаружения атмосферных концентраций водорода на молекулярном уровне. [29] [30] Некоторые из них были разработаны как полевые транзисторы, в то время как другие используют возможности оптического зондирования. Селективное связывание аналита обнаруживают по спектральному сдвигу или модуляции флуоресценции. [31] Подобным образом Flood et al. показали, что супрамолекулярная химия хозяин-гость предлагает количественное восприятие с использованием рамановского рассеянного света [32], а также SERS . [33]
Другие типы наносенсоров, включая квантовые точки и наночастицы золота , в настоящее время разрабатываются для обнаружения загрязнителей и токсинов в окружающей среде. Они используют преимущества локализованного поверхностного плазмонного резонанса (LSPR), который возникает на наномасштабе, что приводит к поглощению, удельному по длине волны. [34] Этот спектр LSPR особенно чувствителен, и его зависимость от размера наночастиц и окружающей среды может использоваться различными способами для создания оптических датчиков. Чтобы воспользоваться сдвигом спектра LSPR, который происходит, когда молекулы связываются с наночастицей, их поверхности могут быть функционализированы, чтобы определять, какие молекулы будут связываться и запускать реакцию. [35] Для экологических приложений поверхности квантовых точек могут быть модифицированы антителами, которые специфически связываются с микроорганизмами или другими загрязнителями. Затем спектроскопию можно использовать для наблюдения и количественной оценки этого сдвига спектра, что дает возможность точного обнаружения, возможно, порядка молекул. [35] Точно так же флуоресцентные полупроводниковые наносенсоры могут использовать преимущества резонансной передачи энергии флуоресценции (FRET) для достижения оптического обнаружения. Квантовые точки можно использовать в качестве доноров, и они будут передавать энергию электронного возбуждения, когда расположены рядом с молекулами-акцепторами, тем самым теряя свою флуоресценцию. Эти квантовые точки можно функционализировать, чтобы определить, какие молекулы будут связываться, а флуоресценция будет восстанавливаться. Оптические сенсоры на основе наночастиц золота можно использовать для очень точного обнаружения тяжелых металлов; например, уровень ртути составляет всего 0,49 нанометра. Этот метод восприятия использует преимущество FRET, в котором присутствие металлов подавляет взаимодействие между квантовыми точками и наночастицами золота и гасит отклик FRET. [36] Другая потенциальная реализация использует зависимость спектра LSPR от размера для достижения ионного зондирования. В одном исследовании Liu et al. функционализированные наночастицы золота с ферментом, чувствительным к Pb 2+, для производства свинцового сенсора. Как правило, наночастицы золота будут агрегироваться по мере приближения друг к другу, и изменение размера приведет к изменению цвета. Взаимодействие между ферментом и ионами Pb 2+ будет ингибировать эту агрегацию, и, таким образом, присутствие ионов может быть обнаружено.
Основная проблема, связанная с использованием наносенсоров в продуктах питания и окружающей среде, заключается в определении связанной с ними токсичности и общего воздействия на окружающую среду. В настоящее время недостаточно знаний о том, как внедрение наносенсоров повлияет на почву, растения и людей в долгосрочной перспективе. Это трудно полностью решить, потому что токсичность наночастиц сильно зависит от типа, размера и дозировки частицы, 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. [37]
Здравоохранение
Наносенсоры обладают огромным потенциалом для диагностической медицины, позволяя раннее выявить заболевание, не полагаясь на наблюдаемые симптомы. Идеальные реализации наносенсоров призваны имитировать реакцию иммунных клеток в организме, объединяя функции диагностики и иммунного ответа, при этом передавая данные, позволяющие контролировать входные данные датчика и реакцию. Однако эта модель остается долгосрочной целью, и в настоящее время исследования сосредоточены на непосредственных диагностических возможностях наносенсоров. Внутриклеточная реализация наносенсора, синтезированного из биоразлагаемых полимеров, вызывает сигналы, которые позволяют осуществлять мониторинг в режиме реального времени, и, таким образом, открывает путь для улучшения доставки лекарств и лечения. [38]
Один из примеров этих наносенсоров включает использование флуоресцентных свойств квантовых точек селенида кадмия в качестве датчиков 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 из другого, менее токсичного материала, сохраняя при этом некоторые флуоресцентные свойства. В частности, они изучали особые преимущества квантовых точек сульфида цинка, которые, хотя и не так флуоресцентны, как селенид кадмия, могут быть дополнены другими металлами, включая марганец и различные элементы лантаноидов . Кроме того, эти новые квантовые точки становятся более флуоресцентными, когда связываются со своими клетками-мишенями. [31]
Еще одно применение наносенсоров включает использование кремниевых нанопроволок в линиях для внутривенного введения для контроля здоровья органов. Нанопроволоки чувствительны к обнаружению следов 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 анализами количественного определения биомаркеров, такими как ELISA. [39]
Наносенсоры также можно использовать для обнаружения загрязнения имплантатов органов. Наносенсор встроен в имплантат и обнаруживает загрязнение в клетках, окружающих имплант, с помощью электрического сигнала, отправляемого врачу или поставщику медицинских услуг. Наносенсор может определять, являются ли клетки здоровыми, воспалительными или загрязненными бактериями. [40] Однако главный недостаток заключается в длительном использовании имплантата, когда ткань растет поверх датчиков, ограничивая их способность сжиматься. Это препятствует производству электрических зарядов, сокращая таким образом срок службы этих наносенсоров, поскольку они используют пьезоэлектрический эффект для собственного питания.
Подобно тем, которые используются для измерения атмосферных загрязнителей, 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. [41] Еще одно связанное с раком приложение, которое все еще находится на стадии исследования на мышах, - это использование наночастиц, покрытых пептидами, в качестве сенсоров на основе активности для обнаружения рака легких. Два основных преимущества использования наночастиц для обнаружения заболеваний заключаются в том, что они позволяют обнаруживать ранние стадии, поскольку они могут обнаруживать опухоли размером порядка миллиметров. Он также представляет собой экономичный, простой в использовании, портативный и неинвазивный диагностический инструмент. [41] [42]
Недавние усилия по развитию технологии наносенсоров использовали молекулярный импринтинг , который представляет собой метод, используемый для синтеза полимерных матриц, которые действуют как рецепторы при молекулярном распознавании. По аналогии с моделью замка и ключа фермент-субстрат , молекулярный импринтинг использует молекулы-матрицы с функциональными мономерами для формирования полимерных матриц с определенной формой, соответствующей его молекулам-мишеням-матрицам, тем самым повышая селективность и сродство матриц. Этот метод позволил наносенсорам обнаруживать химические вещества. В области биотехнологии молекулярно импринтированные полимеры (MIP) представляют собой синтезированные рецепторы, которые показали многообещающие и экономически эффективные альтернативы природным антителам, поскольку они сконструированы так, чтобы иметь высокую селективность и сродство. Например, эксперимент с датчиком MI, содержащим наноразмерные наконечники с непроводящим полифенольным нанопокрытием (покрытие PPn), 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. . [11] Как показано выше, наносенсоры с методом молекулярного импринтинга способны избирательно обнаруживать сверхчувствительные химические частицы, поскольку путем искусственного изменения полимерных матриц молекулярный импринтинг увеличивает сродство и селективность. [11] Хотя молекулярно импринтированные полимеры обеспечивают преимущества в селективном молекулярном распознавании наносенсоров, сама технология является относительно недавней, и все еще остаются проблемы, такие как ослабление сигналов, системы обнаружения, не имеющие эффективных преобразователей, и поверхности, не имеющие эффективного обнаружения. Дальнейшие исследования и исследования в области полимеров с молекулярной печатью имеют решающее значение для разработки высокоэффективных наносенсоров. [43]
Чтобы разработать интеллектуальное здравоохранение с помощью наносенсоров, необходимо создать сеть наносенсоров, часто называемую наносетью, чтобы преодолеть ограничения по размеру и мощности отдельных наносенсоров. [44] Наносети не только решают существующие проблемы, но и обеспечивают множество улучшений. Разрешение наносенсоров на уровне клеток позволит устранить побочные эффекты при лечении, обеспечить непрерывный мониторинг и отчетность о состоянии пациентов.
Наносети требуют дальнейшего изучения, поскольку наносенсоры отличаются от традиционных датчиков. Наиболее распространенный механизм сенсорных сетей - электромагнитная связь. Однако нынешняя парадигма неприменима к наноустройствам из-за их малого диапазона и мощности. Передача оптического сигнала была предложена в качестве альтернативы классической электромагнитной телеметрии и имеет приложения для мониторинга человеческого тела. Другие предлагаемые механизмы включают биоинспирированные молекулярные коммуникации, проводной и беспроводной активный транспорт в молекулярных коммуникациях, передачу энергии Форстера и многое другое. Крайне важно построить эффективную наносеть, чтобы ее можно было применять в таких областях, как медицинские имплантаты, сети тела (BAN), Интернет нано-вещей (IoNT), доставка лекарств и многое другое. [45] С помощью продуманной наносети биоимплантируемые наноустройства могут обеспечить более высокую точность, разрешение и безопасность по сравнению с имплантатами на макромасштабах. Сети области тела (BAN) позволяют датчикам и исполнительным механизмам собирать физические и физиологические данные человеческого тела, чтобы лучше предвидеть любые заболевания, что, таким образом, облегчит лечение. Возможные применения BAN включают мониторинг сердечно-сосудистых заболеваний, лечение инсулином, искусственное зрение и слух, а также управление гормональной терапией. Интернет био-нано вещей относится к сетям наноустройств, к которым можно получить доступ через Интернет. Развитие IoBNT открыло путь к новым методам лечения и диагностики. [46] Наносети также могут способствовать доставке лекарств за счет увеличения локализации и времени обращения лекарств. [44]
Существующие проблемы с вышеупомянутыми приложениями включают биосовместимость наноимплантатов, физические ограничения, приводящие к нехватке энергии и памяти, а также биосовместимость конструкции передатчика и приемника IoBNT. Концепция наносети имеет множество областей, требующих улучшений: к ним относятся разработка наномашин , проблемы стека протоколов, методы обеспечения питания и многое другое. [44]
Все еще действуют строгие правила для 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. [47] Кроме того, может быть высокая стоимость сырья, такого как кремний, нанопроволоки и углеродные нанотрубки, что препятствует коммерциализации и производству наносенсоров, требующих масштабирования для внедрения. Чтобы уменьшить недостаток стоимости, исследователи изучают возможность производства наносенсоров из более экономичных материалов. [24] Существует также высокая степень точности, необходимая для воспроизводимого производства наносенсоров из-за их небольшого размера и чувствительности к различным методам синтеза, что создает дополнительные технические проблемы, которые необходимо преодолеть.
Смотрите также
- Нанотехнологии
- Список тем по нанотехнологиям
- Поверхностный плазмонный резонанс
Рекомендации
- ^ a b c Фостер Л. Е. (2006). Медицинские нанотехнологии: наука, инновации и возможности . Верхняя река Сэдл: образование Пирсона. ISBN 0-13-192756-6.
- ^ Гисбье, Грегори; Мехиа-Росалес, Серхио; Леонард Дипак, Фрэнсис (2012). «Свойства наноматериалов: зависимости размера и формы» . Журнал наноматериалов . 2012 : 1-2. DOI : 10.1155 / 2012/180976 . Проверено 5 мая 2020 .
- ^ а б в г д е «Зондирование с помощью нанотехнологий» . Национальная нанотехнологическая инициатива . 2009 . Проверено 22 июня 2017 .
- ^ Гарсия Ановерос, Дж; Кори, Д.П. (1997). «Молекулы механочувствительности». Ежегодный обзор нейробиологии . 20 : 567–94. DOI : 10.1146 / annurev.neuro.20.1.567 . PMID 9056725 .
- ^ Callaway DJ, Matsui T., Weiss T., Stingaciu LR, Stanley CB, Heller W.T., Bu ZM (7 апреля 2017 г.). «Управляемая активация наноразмерной динамики в неупорядоченном белке изменяет кинетику связывания» . Журнал молекулярной биологии . 427 (7): 987–998. DOI : 10.1016 / j.jmb.2017.03.003 . PMC 5399307 . PMID 28285124 .
- ^ Лангер, Роберт (2010). «Нанотехнологии в доставке лекарств и тканевой инженерии: от открытий до приложений» . Nano Lett . 10 (9): 3223–30. Bibcode : 2010NanoL..10.3223S . DOI : 10.1021 / nl102184c . PMC 2935937 . PMID 20726522 .
- ^ Тангавелу, Раджа Мутурамалингам; Гунасекаран, Дхаранивасан; Джесси, Майкл Иммануил; вс, Мохаммед Рияз; Сундараджан, Дипан; Кришнан, Катираван (2018). «Нанобиотехнологический подход с использованием синтезированных гормоном корней растений наночастиц серебра в качестве« нанопуляций »для динамического применения в садоводстве - исследование in vitro и ex vitro» . Арабский химический журнал . 11 : 48–61. DOI : 10.1016 / j.arabjc.2016.09.022 .
- ^ Lupan, O .; Емельченко, Г.А.; Урсаки, В.В.; Chai, G .; Редькин, АН; Грузинцев, АН; Тигиняну И.М.; Chow, L .; Оно, ЛК; Roldan Cuenya, B .; Генрих, Х. (01.08.2010). «Синтез и характеристика нанопроволок ZnO для приложений наносенсоров» . Бюллетень материаловедения . 45 (8): 1026–1032. DOI : 10.1016 / j.materresbull.2010.03.027 . ISSN 0025-5408 .
- ^ Фрейтас младший РА (1999). Наномедицина, Том 1: Основные возможности . Остин: Landes Bioscience. ISBN 1-57059-680-8.
- ^ Lim, T.-C .; Рамакришна С. Концептуальный обзор наносенсоров. http://www.znaturforsch.com/aa/v61a/s61a0402.pdf .
- ^ а б в Кечили, Рустем; Бююктиряки, Сибел; Хуссейн, Чаудхери Мустансар (2018-01-01), Мустансар Хуссейн, Чаудхери (редактор), «Глава 57 - Спроектированные нанодатчики на основе технологии молекулярного импринтинга» , Справочник по наноматериалам для промышленного применения , микро- и нанотехнологий, Elsevier, стр. 1031-1046, DOI : 10.1016 / b978-0-12-813351-4.00059-6 , ISBN 978-0-12-813351-4, дата обращения 05.05.2020
- ^ Химические датчики. http://nano-bio.ehu.es/files/chemical_sensors1.doc_definitivo.pdf (по состоянию на 6 декабря 2018 г.)
- ^ Агниво Госай, Брендан Шин Хау Да, Марит Нильсен-Гамильтон, Пранав Шротрия, Обнаружение тромбина без метки в присутствии высокой концентрации альбумина с использованием аптамерно-функционализированной нанопористой мембраны, Биосенсоры и биоэлектроника, Том 126, 2019, страницы 88-95, ISSN 0956-5663, https://doi.org/10.1016/j.bios.2018.10.010 .
- ^ а б в Fehr, M .; Окумото, S .; Deuschle, K .; Lager, I .; Looger, LL; Persson, J .; Кожух, Л .; Lalonde, S .; Фроммер, ВБ (1 февраля 2005 г.). «Разработка и использование флуоресцентных наносенсоров для визуализации метаболитов в живых клетках» . Труды биохимического общества . 33 (1): 287–290. DOI : 10.1042 / BST0330287 . ISSN 0300-5127 . PMID 15667328 .
- ^ Эйлотт, Джонатан В. (07.04.2003). «Оптические наносенсоры - эффективная технология для внутриклеточных измерений» . Аналитик . 128 (4): 309–312. Bibcode : 2003Ana ... 128..309A . DOI : 10.1039 / b302174m . PMID 12741632 .
- ^ а б в Каллум, Брайан М .; Во-Динь, Туан (1 сентября 2000 г.). «Разработка оптических наносенсоров для биологических измерений» . Тенденции в биотехнологии . 18 (9): 388–393. DOI : 10.1016 / S0167-7799 (00) 01477-3 . ISSN 0167-7799 . PMID 10942963 .
- ^ Йетисен, АК; Монтелонго, Y; Васконселлос, ФК; Мартинес-Уртадо, JL; Neupane, S; Стык, H; Касим, ММ; Блит, Дж; Берлинг, К; Кармоди, JB; Эванс, М; Уилкинсон, Т. Д.; Кубота, LT; Монтейро, MJ; Лоу, CR (2014). «Многоразовый, надежный и точный лазерный фотонный нанодатчик» . Nano Lett . 14 (6): 3587–3593. Bibcode : 2014NanoL..14.3587Y . DOI : 10.1021 / nl5012504 . PMID 24844116 .
- ^ Priyadarshini, E .; Прадхан, Н. (январь 2017 г.). «Наночастицы золота как эффективные сенсоры в колориметрическом обнаружении ионов токсичных металлов: обзор». Датчики и исполнительные механизмы B: химические . 238 : 888–902. DOI : 10.1016 / j.snb.2016.06.081 .
- ^ Palomares, E .; Мартинес-Диас, MV; Торрес, Т .; Коронадо, Э. (06.06.2006). «Высокочувствительный гибридный колориметрический и флуорометрический молекулярный зонд для определения цианида на основе субфталоцианинового красителя». Современные функциональные материалы . 16 (9): 1166–1170. DOI : 10.1002 / adfm.200500517 . ISSN 1616-301X .
- ^ Вэй, Циншань; Наги, Ричи; Садеги, Кайвон; Фэн, Стив; Ян, Эдди; Ки, Со Юнг; Кэр, Ромен; Ценг, Дерек; Озджан, Айдоган (25 февраля 2014 г.). «Обнаружение и пространственное картирование загрязнения ртутью в пробах воды с помощью смартфона» . САУ Нано . 8 (2): 1121–1129. DOI : 10.1021 / nn406571t . ISSN 1936-0851 . PMC 3949663 . PMID 24437470 .
- ^ Эль-Каутит, Хамид; Эстевес, Педро; Гарсия, Феликс С .; Серна, Фелипе; Гарсия, Хосе М. (2013). «Количественное определение Hg (ii) в водной среде с использованием как невооруженного глаза, так и цифровой информации из изображений колориметрической сенсорной полимерной мембраны, снятых цифровой камерой обычного мобильного телефона» . Анальный. Методы . 5 (1): 54–58. DOI : 10.1039 / C2AY26307F . ISSN 1759-9660 . S2CID 98751207 .
- ^ a b Pison, U., Giersig, M., & Schaefer, Alex. (2014). США 8846580 B2. Берлин, Германия.
- ^ Пончарал П; Wang ZL; Угарте Д; де Хир WA (1999). «Электростатические отклонения и электромеханические резонансы углеродных нанотрубок». Наука . 283 (5407): 1513–1516. Bibcode : 1999Sci ... 283.1513P . DOI : 10.1126 / science.283.5407.1513 . PMID 10066169 .
- ^ а б Технавио. Инвестиции в глобальный рынок нанодатчиков. 2017 г.
- ^ a b c Нго К., Ван де Вурде М. Х. (2014) Нанотехнологии для обороны и безопасности. В кн .: Нанотехнологии в двух словах. Atlantis Press, Париж
- ^ Карафано, Дж. Нанотехнологии и национальная безопасность: небольшие изменения, большое влияние. https://www.heritage.org/defense/report/nanotechnology-and-national-security-small-changes-big-impact (по состоянию на 3 декабря 2018 г.)
- ^ Хэндфорд, Кэролайн Э .; Дин, Мойра; Хенчион, Мейв; Спенс, Мишель; Эллиотт, Кристофер Т .; Кэмпбелл, Катрина (декабрь 2014 г.). «Влияние нанотехнологий на агропродовольственную промышленность: возможности, преимущества и риски». Тенденции в пищевой науке и технологиях . 40 (2): 226–241. DOI : 10.1016 / j.tifs.2014.09.007 .
- ^ Ramgir, NS ISRN наноматериалы 2013, 2013, 1-21.
- ^ Моди А; Кораткар Н; Lass E; Вэй Б; Аджаян PM (2003). «Миниатюрные датчики ионизации газа с использованием углеродных нанотрубок». Природа . 424 (6945): 171–174. Bibcode : 2003Natur.424..171M . DOI : 10,1038 / природа01777 . PMID 12853951 . S2CID 4431542 .
- ^ Kong J; Франклин Н.Р .; Чжоу С; Чаплин MG; Peng S; Чо К; Дай Х. (2000). «Молекулярные нити нанотрубок как химические сенсоры». Наука . 287 (5453): 622–625. Bibcode : 2000Sci ... 287..622K . DOI : 10.1126 / science.287.5453.622 . PMID 10649989 .
- ^ а б Ратнер MA; Ратнер Д; Ратнер М. (2003). Нанотехнологии: мягкое введение в следующую большую идею . Река Верхнее Седл: Зал Прентис. ISBN 0-13-101400-5.
- ^ Witlicki, Эдвард H .; Hansen, Stinne W .; Кристенсен, Мартин; Hansen, Thomas S .; Nygaard, Sune D .; Jeppesen, Jan O .; Вонг, Эрик У .; Дженсен, Лассе; Флуд, Амар Х. (2009). «Определение силы связывания комплекса хозяин-гость с помощью резонансного комбинационного рассеяния света». J. Phys. Chem. . 113 (34): 9450–9457. Bibcode : 2009JPCA..113.9450W . DOI : 10.1021 / jp905202x . PMID 19645430 .
- ^ Witlicki, Эдвард H .; Andersen, Sissel S .; Hansen, Stinne W .; Jeppesen, Jan O .; Вонг, Эрик У .; Дженсен, Лассе; Флуд, Амар Х. (2010). «Включение резонансного SERRS с использованием связи хромофор-плазмон, созданной комплексообразованием хост-гость на плазмонном наномассиве». Варенье. Chem. Soc. 132 (17): 6099–6107. DOI : 10.1021 / ja910155b . PMID 20387841 .
- ^ Йонзон, Чанда Ранджит; Стюарт, Дуглас А .; Чжан, Сяоюй; McFarland, Adam D .; Хейнс, Кристи Л .; Ван Дайн, Ричард П. (2005-09-15). «К передовым химическим и биологическим наносенсорам - обзор» . Таланта . Нанонаука и нанотехнологии. 67 (3): 438–448. DOI : 10.1016 / j.talanta.2005.06.039 . ISSN 0039-9140 . PMID 18970187 .
- ^ а б Риу, Хорди; Марото, Алисия; Риус, Ф. Ксавьер (15 апреля 2006 г.). «Наносенсоры в анализе окружающей среды» . Таланта . 1-й семинар Swift-WFD по проверке устойчивости датчиков и биотестов для скрининга загрязнителей. 69 (2): 288–301. DOI : 10.1016 / j.talanta.2005.09.045 . ISSN 0039-9140 . PMID 18970568 .
- ^ Long, F .; Чжу, А .; Ши, Х (2013). «Последние достижения в области оптических биосенсоров для мониторинга окружающей среды и раннего предупреждения» . Датчики . 13 (10): 13928–13948. DOI : 10.3390 / s131013928 . PMC 3859100 . PMID 24132229 .
- ^ Omanovic-Miklicanin, E .; Максимович, М. (2016). Бюллетень химиков и технологов Боснии и Герцеговины . 47 : 59–70. Отсутствует или пусто
|title=
( справка ) - ^ Йео, Дэвид; Вираджа, Кристиан; Чуах, Йон Джин; Гао, Ю; Сюй, Чэньцзе (06.10.2015). «Платформа датчиков на основе наночастиц для отслеживания клеток и оценки состояния / функций» . Научные отчеты . 5 (1): 14768. Bibcode : 2015NatSR ... 514768Y . DOI : 10.1038 / srep14768 . ISSN 2045-2322 . PMC 4593999 . PMID 26440504 .
- ^ Bourzac, K. Наносенсоры для медицинского мониторинга. https://www.technologyreview.com/s/410426/nanosensors-for-medical-monitoring/. 2016 г.
- ^ Макинтош, Дж. Наносенсоры: будущее диагностической медицины? https://www.medicalnewstoday.com/articles/299663.php. 2017 г.
- ^ а б Peng, G; Хаким, М; Броза, ГГ; Billan, S; Абдах-Бортняк, Р; Кутен, А; Tisch, U; Haick, H (август 2010 г.). «Обнаружение рака легких, молочной железы, толстой кишки и простаты на выдыхаемом воздухе с использованием единого набора наносенсоров» . Британский журнал рака . 103 (4): 542–551. DOI : 10.1038 / sj.bjc.6605810 . ISSN 0007-0920 . PMC 2939793 . PMID 20648015 .
- ^ «Наносенсоры позволяют проводить анализ мочи на рак легких» . GEN - Новости генной инженерии и биотехнологии . 2020-04-02 . Проверено 5 мая 2020 .
- ^ Цай, Донг; Рен, Лу; Чжао, Хуайчжоу; Сюй, Чэньцзя; Чжан, Лу; Ю, Инь; Ван, Хэнчжи; Лан, Юйчэн; Робертс, Мэри Ф .; Чуанг, Джеффри Х .; Нотон, Майкл Дж. (Август 2010). «Наносенсор с молекулярным отпечатком для сверхчувствительного обнаружения белков» . Природа Нанотехнологии . 5 (8): 597–601. Bibcode : 2010NatNa ... 5..597C . DOI : 10.1038 / nnano.2010.114 . ISSN 1748-3395 . PMC 3064708 . PMID 20581835 .
- ^ а б в Хан, Туба; Civas, Meltem; Четинкая, Октябрь; Abbasi, Naveed A .; Акан, Озгур Б. (01.01.2020), Хан, Баогуо; Томер, Виджай К .; Нгуен, Туан Ань; Farmani, Али (ред.), "Глава 23 - наносенсор сеть для смарта медицинской помощи" , Наносенсоры для умных городов , микро- и нано - технологий, Elsevier, стр 387-403,. DOI : 10.1016 / b978-0-12-819870- 4.00022-0 , ISBN 978-0-12-819870-4, дата обращения 05.05.2020
- ^ Галал, Акрам; Хессельбах, Ксавьер (01.09.2018). «Коммуникационная архитектура наносетей: моделирование и функции» . Нано-коммуникационные сети . 17 : 45–62. DOI : 10.1016 / j.nancom.2018.07.001 . ISSN 1878-7789 .
- ^ Акылдыз, ИФ; Pierobon, M .; Balasubramaniam, S .; Кучерявый Ю. (март 2015). «Интернет био-нано вещей». Журнал IEEE Communications . 53 (3): 32–40. DOI : 10,1109 / MCOM.2015.7060516 . ISSN 1558-1896 . S2CID 1904209 .
- ^ Søndergaard, Rikke V .; Christensen, Nynne M .; Хенриксен, Йонас Р .; Кумар, Е.К. Прамод; Альмдал, Кристоффер; Андресен, Томас Л. (2015). «Столкнувшись с проблемами дизайна наносенсоров на основе частиц для количественной оценки метаболитов в живых клетках». Химические обзоры . 115 (16): 8344–8378. DOI : 10.1021 / cr400636x . PMID 26244372 .
Внешние ссылки
- Взвешивание очень маленьких: «Нанобаланс» на основе углеродных нанотрубок демонстрирует новое применение в наномеханике , Georgia Tech Research News.
- Новые технологии и окружающая среда
- Нанотехнологии и социальная трансформация
- Нанотехнологии, конфиденциальность и меняющиеся социальные условности
- Нанотехнологии и наблюдение