关于化学传感器学术论文怎么写 与纳米技术在化学传感器中的应用相关学年毕业论文范文

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纳米技术在化学传感器中的应用

一、引言

1959 年, 著名物理学家, 诺贝尔奖获得者 RichardFeynman 首次提出了在纳米级别操纵单个原子与分子的设想,预言了纳米技术的出现.随着科学技术水平的不断发展,科学工作者开始研究开始从宏观世界走向纳米尺度的微观世界,并且发现纳米级别下的物质存在着特殊的物理和化学特性,这使科研工作者越来越关注纳米技术的发展.利用纳米技术进行化学传感器的研究是近年的研究热点,其优势在于能够极大地提高检测物质的灵敏度和检测范围,并且低廉.同时,越来越多的化学传感器都向微型和智能化发展,这也促进了纳米技术的不断发展,因此纳米技术在化学传感器中的应用是十分具有前景的.

二、纳米技术的概述

纳米技术是指在纳米尺寸下制备新物质的科学手段.它以许多现代先进科学技术为基础的一门新技术,包括量子力学、分子生物学等现代科学和微电子技术、计算机技术等现代技术.早在1974 年,唐尼古奇教授第一次使用“纳米技术”一词来定义这门特殊的学科,其要求我们能够在0.1 至100纳米的范围内研究物质的性质与应用,并且在超小尺寸下的精密制备和加工.[1] 目前纳米技术主要包括如下四个方面,分别是纳米材料学、纳米动力学、纳米生物与药物学和纳米电子学.

2.1 纳米材料学

如果物质在三维空间中的某一维度处于1~100 纳米的范围内,物质的物理化学性质会产生变化不同于宏观材料,如纳米级的铜、银不导电,原来绝缘的二氧化硅在纳米尺度开始导电等.纳米材料其在光、电、磁、热等方面出现的特殊性质.再如1991 年人们发现碳纳米管,其质量在相同体积下仅仅是钢的六分之一,但硬度却是钢的10 倍.这些独特的性质在化学传感器中能起到十分重要的作用,因此人们利用这些纳米材料研究高效催化剂、微型手术刀以及新型靶向药物等.同时纳米材料也推进了如生物芯片等微型传感器向智能化发展.

2.2 纳米动力学

纳米动力学也称为微型电动机械系统(MEMS),其主要包括微机械和微电机.主要应用于有传动机械的微型传感装置、执行器、光纤通讯系统、医疗和诊断仪器及特种电子设备等.纳米动力学是一种类似于规模电器设计和制备的新工艺,其优势有三点:第一是部件尺寸小,要求在数十至数百微米级别上刻蚀;第二是消耗功耗低;第三是易于集成化和多功能化.对于化学传感器来说,这些特点能有效的缩短了传感器的工作时间和检测误差范围.纳米动力学是纳米技术未来重要的发展方向,尤其在集成电路等方面有着重要的研发潜力,进而促进化学传感器等领域不断进步,因此具有很高的科研价值和广阔的发展前景.

2.3 纳米生物与药物学

生物体内的大分子如蛋白质、DNA 和RNA 等都有特殊的纳米结构,因此纳米技术为分子生物的研究带来新的思路和发展.线粒体被称为“细胞的动力工厂”,其内部的质子泵在氢离子带动下产生腺苷三磷酸(ATP),为机体持续提供能量,另外通过实验发现胃黏膜溃疡等由胃酸分泌失常所引起的胃部疾病,正是在纳米技术的帮助下人们发现其治病原因是由质子泵导致的,从而启发科学家研制出质子泵抑制剂来治疗此类疾病.这体现了纳米技术与生物结合带来的改变,人体是一个精密的工厂,组织和细胞组成一个庞大的生命系统,而其中许多问题都需要在纳米级别上对细胞的结构做研究,揭示人体生命的生理特征和病理信息.同时对疾病的控制和预防,依赖于新型纳米药物的开发和新型的检测手段,纳米技术在生物医药领域有着广阔的应用.

2.4 纳米电子学

无论是家庭电器还是通讯设备都给我们的现代生活带来了极大的便捷,电子器件的发展推动了对人类社会的不断进步.从世界上产生第一台计算机”ENIAC”到如今每人必备的智能手机,当前科学技术的发展要电子学向更小、更快、更冷的方向发展.主要要求电子器件和系统响应速度要快,工作的功耗要更小,而且器件尺寸要小.未来要实现这以目标,微电子器件必须要向纳米电子器件发展.纳米电子学包括研究量子效应的纳米电子器件、纳米电子材料的表征,纳米结构下的光/ 电性质,以及原子操纵和原子组装等.化学传感器在它的帮助下变得越来越小,纳米尺寸的传感器科研工作重要研究方向.

三、纳米技术在化学传感器的应用

3.1 纳米气敏传感器

纳米气敏传感器[2] 是一种运用纳米技术对气体浓度进行监测的传感器.随着对大气污染监控的越来越重要,纳米气敏传感器技术同时得到了快速的发展.其作为传感器具有如下几个优点,一是庞大的界面,提供大量检测通道,大幅度提高了工作效率和灵敏度;二使工作所使用的温度大大降低,令其的工作范围更广;三是减小了传统传感器的体积,使传感器的使用更加便捷灵活,这些都是传统传感器无法实现的.例如家庭中用的SnO2 危险气体报警器就是一种纳米气敏传感器,不但小巧易使用,而且灵敏度高.此外,还由研究利用碳纳米管的特殊电学性质,通过吸附作用导致的电阻变化来检验气体浓度.因此,纳米气敏传感器是一种应用广泛且使用方便的新型传感器.

3.2 纳米电化学生物传感器

纳米电化学传感器[3] 是将纳米材料作为一种新型的生物传感介质,与特异性分子识别物质如酶、DNA、抗原等相结合,并以电化学信号为检测信号的分析仪器.纳米电化学生物传感器具有选择性高,传递速度快,性质稳定,生物分子融合性好,成本低的特点.其通常可以分为以下几个类型:纳米颗粒生物传感器,纳米管、纳米棒与纳米线生物传感器,纳米片及纳米阵列生物传感器等,其中尤以碳纳米材料的发展最为迅速.在人体经脉内皮细胞上固定三乙酸纤维膜,以离子选择性电极作为传感器,通过检测癌症标志物的浓度变化来判断病变情况,进行癌症的早期检测.此外,利用纳米技术结合抗体与抗原的特异性反应,通过电位差来检测B 型肝炎抗原的存在.随着技术的不断发展,纳米电化学传感器在临床检测、食品安全、环境保护等领域发挥着越来越重要的作用.

3.3 光纤传感器

光纤传感[4] 发展较早,它主要利用光在介质中的性质变化来检测理化性质的变化,如温度、压力和浓度等.这种传感器具有高灵敏、抗腐蚀、能耗低,传输距离远,抗电磁干扰和检测速度快的优点,在基础研究,规模生产,地方医疗检测等方面有很强的应用价值和发展前景.目前光纤传感器主要包括两大类,功能性光纤传感器与非功能性光纤传感器,功能性光纤传感器技术成熟,实现简单,对技术要求程度不高,而非功能性光纤传感器的操作条件苛刻,但是发展潜力巨大.

3.4 热成像传感器

热成像传感器是能将红外功率信号转化成电信号,并将根据检测物体的信号强弱显示到屏幕上.其原理是通过任何物体只要温度高于绝对零度时,内部原子进行无规则运动并不断辐射出热红外能量,而灵敏的热像传感器能快速捕捉到这部分热能量.目前热成像传感器主要应用于医学检测、食品无损检测、安全防护以及国防军事等方面.人们利用纳米材料做元件,将纳米动力学和纳米电子学结合到传感器上制备出纳米热像传感器,这类传感器敏度高、响应速度更快且结构简单,具有十分重要的研究意义.

3.5 纳米荧光膜传感器

纳米荧光膜传感器[5] 是以纳米材料为载体,通过利用荧光活性物质或生物酶发出的光学信号实现的检测物质的一种智能传感器.其主要特点是使用方便、灵活,维修维护简单,检测反应迅速等.如二氧化硅表面的自组装荧光活性物,利用二氧化硅纳米粒子的网状结构,将荧光物质分散在纳米材料内部,提高了荧光物质的发光效率,减少了聚会产生的淬灭效应,极大地提高了纳米荧光检测器的使用寿命.

四、结束语

随着中国科研技术水平的逐步提升,我国研发的化学传感器在研制和生产水平取得了显著的成绩,不仅开发出了新的工业经济产品,还形成了一个数亿乃至于数十亿的产业.纳米技术发展迅速,大大推动了化学传感器的发展.同时,纳米电化学传感器的应用不仅会在医学检测上起着重要作用,而且还会进一步影响环境保护,国防军事,食品安全等领域,与我们的生活紧密相连.

化学传感器论文范文结:

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