نانو حسگر های گازی مبتنی بر نانو مواد کربنی (carbon Nano material)

در این نانو حسگر ها، کربنبلک Carbon black درون یک پلیمر عایق متفرق شده و با این کار هدایت الکتریکی فیلم تامین میشود. درصورت وجود گاز/بخار مورد نظر، پلیمر متورم شده و در نهایت هدایت الکتریکی/مقاومت پلیمر دستخوش تغییر میشود.با استفاده از یک حلال مناسب، ویسکوزیته پلیمر/کربنبلک carbon black به نحو مطلوبی تنظیم میشود و در ادامه، این پلیمر روی سطح الکترود صافی الگودهی میشود.

برای قرار دادن پلیمر روی سطح الکترودها روشهای مختلفی، نظیر پوشش دهی اسپینی و قطره ای اعمال شده و در نهایت پوشش خشک میشود. تغییرات هدایت الکتریکی در نانو سنسور های گازی بر حسب درصد کربن بلک، Carbon black میباشد.خواص مختلف نانو مواد کربنی، نظیر ویژگی های نوری و الکتریکی موجب شده تا از این مواد برای ساخت حسگر استفاده شود. نانو سنسورهای گازی  که در اثر وجود ماده هدف، جریان الکتریکی عبوری از آنها دستخوش تغییر میشود.در صورتی که مقدار کربنبلک carbon black در نانو سنسور کم باشد، کامپوزیت عایق خواهد شد که دلیل این امر عدم اتصال میان ذرات رسانا در بدنه کامپوزیت است. با افزایش مقدار کربنبلک در پلیمر، مقاومت الکتریکی پلیمر به صورت نمایی کاهش می یابد. با افزایش غلظت کربنبلک و رسیدن آن به نقطه انتقال، بر اساس حد نفوذ، اتصال برقرار میشود. درصورت وجود بخار/گاز موردنظر، پلیمر متورم شده و مقدار هدایت/مقاومت الکتریکی تغییر میکند، این تغییر برای شناسایی گاز مورد استفاده قرار میگیرد. 

در نانو حسگرهای گازی دارای نانو مواد کربنی و هدایت الکتریکی مبتنی بر (کربن بلک Carbon black)سیگنال های مقاومت الکتریکی از این آرایه ها خارج شده و با استفاده از یک سیستم استاندارد مورد ارزیابی قرار میگیرد. و هدف این است که بتوان حضور بخارات مختلف از حلال های آلی را شناسایی کرد. این راهبرد را میتوان با سیستم های نرم افزاری و سخت افزاری مختلف ترکیب کرد و در نهایت حسگر های کامپوزیت پلیمر/کربن ممکن است در اثر کهولت ماتریکس پلیمری یا تغییر مکان ذرات کربنبلک،carbon black دچار تعلل در پاسخ دهی به محرک خارجی شوند. تغییر مکان ذرات یا کهولت ماتریکس موجب تغییر مسیر نفوذ میشود. این تغییر چیدمان در نتیجه تورم و چروکیده شدن مکرر ماتریکس پلیمری در اثر استفاده مکرر از حسگر اتفاق میافتد.نانو حسگرهای مبتنی بر پلاسمونیک به دلیل حساسیت فوق العاده آنها حتی در سطح تک مولکول ، مورد توجه قابل توجهی قرار گرفته اند. با این حال ، در حال حاضر ، نانو حسگرهای تقویت شده با پلاسمونی عملکرد های عالی را در کاربردهای عملی به دست نیاوردند و تشخیص آنها در غلظتهای فموتومولار یا اتمولار بسیار چالش برانگیز است.ذرات شناور اندازه بزرگ همراه با یک سطح لغزنده ممکن است از اثر حلقه قهوه جلوگیری کرده و توانایی غنی سازی مکانی آنالیت را در مکانهای حساس پلاسمیونی از طریق تجمع و بلند کردن اثر تقویت کنند. استراتژی ذرات شناور فعلی می تواند در طیف گسترده ای از برنامه های سنجش تقویت شده پلاسمونی برای تشخیص مقرون به صرفه ، ساده ، سریع ، انعطاف پذیر و قابل حمل مورد استفاده قرار گیرد.

برای نانو سنسور ها یک فرآیند نانو حساسیت به پلاسمونی شامل تعامل پیچیده سه عنصر در بین فوتون ها ، مولکول ها و نانوساختارها است. ، نانوپس ها ، نانو لوله ها و نانو ذره ها ، برای افزایش طیف سنجی رامان سطح پیشرفته و فلورسانس حساسیت در نانو حسگرهای (Nano sensor) تقویت شده پلاسمونی مبتنی بر نانو ذرات چند تا تک لایه و، تشخیص  برای بسیاری از مقاطع کوچک یا مولکولهای ضعیف جذب در نانو سنسور های پلاسمونیک دشوار است.

عملکرد ذرات شناور برای نانو حسگرهای (Nano sensor) تقویت شده پلاسمونی مبتنی بر نانو ذرات چند تا تک لایه در تعامل بین مولکولها و سطوح نانو ساختار. مبتنی بر مسیری برای تجمع کلوئیدی ، مولکولهای ضعیف جذب شده نمی توانند در طول تجمع سریع ، روی یک سطح فلزی جذب شوند. بنابراین ، این نقص طبیعی باعث می شود که این نانو سنسور ها حساسیت قابل توجهی از خود نشان ندهند. در سطح جامد با نانو ذرات دقیق فرو بردن بستر نانو سنسور در محلول حاوی آنالیت ممکن است جذب مولکول همگن را به همراه داشته باشد. با این حال ، زمان جذب (به عنوان مثال ، چند ساعت) بسیار فراتر از بازه های زمانی عملی است. در عوض، با خشک کردن قطره حاوی آنالیت بر روی یک زیر لایه، توزیع مولکول بر روی نانو حسگرهای (Nano sensor) تقویت شده پلاسمونی مبتنی بر نانو ذرات چند تا تک لایه  ممکن است مسئله یکنواختی روبرو می شوند.بومی سازی آنالیت ها به سمت نقاط داغ پلاسمونی با راندمان بالا از اهمیت بالایی در افزایش حساسیت نانو حسگرهای پلاسمونی برخوردار است.تاثیر حلقه قهوه یک پدیده بسیار متداول است و ماهیت آن این است که جریان مویرگی به بیرون از مرکز قطره قطره قطرات پراکنده را به لبه منتقل می کند که با تبخیر  ادامه می یابد . در بسیاری از شناسایی بر اساس نانوحسگرها پلاسمونیک، تشکیل یک  حلقه ممکن است در یک توزیع کاملا کنترل نشده از نانو ذرات کلوئیدی  و مولکول هدف منجر، و در نتیجه یکنواختی سیگنال رو به افول و حساسیت  کمتر در عملکرد ذرات شناور برای نانو حسگرهای (Nano sensor) تقویت شده پلاسمونی مبتنی بر نانو ذرات چند تا تک لایه به وجود می آورد.در ساختار نانو سنسورهای گازی  با استفاده از فناوری نانو  الکترونیک بهبود قابل توجهی تا کنون حاصل شده است. به گونه ای که حسگرهای دقیقتر، کوچکتر و با حساسیت بالا تحت عنوان نانوحسگرهای هوشمند به دست آمده است.نانو سنسورهای گازی در واقع گستره حرکت این حسگرها در ابعاد نانومتری است. به همین دلیل از دقت و واکنش پذیری بسیار بالایی بهره مند هستند.در طراحی یک نانو سنسورهای گازی علوم مختلف مانند بیوشیمی، بیولوژی، الکترونیک، شاخه های مختلف شیمی و فیزیک حضوردارند. قسمت اصلی یک حسگر شیمیایی یا زیستی عنصر نانو حسگر آن است. عنصر نانو حسگر در تماس با یک آشکارساز است. این عنصر مسئول شناسایی و پیوند شدن با گونه ی مورد نظر در یک نمونه ی پیچیده است. سپس آشکارساز سیگنالهای شیمیایی را که در نتیجهی پیوند شدن عنصر نانو حسگر با گونه ی مورد نظر تولید شده است را به یک سیگنال خروجی قابل اندازه گیری تبدیل میکند. نانو حسگرهای زیستی بر اجزای بیولوژیکی نظیر آنتی بادی ها تکیه دارند. آنزیم ها، گیرنده ها یا کل سلولها میتوانند به عنوان عنصر حسگر مورد استفاده قرار گیرند.

ساختار و خصوصیات نانو حسگر ها، کربنبلک (Carbon black)

نیاز به ساخت حسگرهای دقیقتر مانند نانو سنسورهای گازی، کوچکتر و دارای قابلیتهای بیشتر احساس شده است و امروزه از حسگرهایی با حساسیت بالا استفاده میشود به طوریکه در برابر مقادیر ناچیزی از گاز، گرما و یا تشعشع حساساند. بالا بردن درجه ی حساسیت، بهره و دقت این حسگرها به کشف مواد و ابزارهای جدید نیاز دارد. نانوحسگرها، حسگرهایی در ابعاد نانومتری هستند که به خاطرکوچکی و نانومتری بودن ابعادشان از دقت و واکنش پذیری بسیار بالای برخوردارند، به طوریکه حتی نسبت به حضور چند اتم از یک گاز هم عکسالعمل نشان میدهند.