Nanosenzor - Nanosensor

Nanosenzory jsou zařízení v nanoměřítku, která měří fyzikální veličiny a převádějí je na signály, které lze detekovat a analyzovat. V současné době existuje několik způsobů výroby nanosenzorů; mezi ně patří litografie shora dolů, sestava zdola nahoru a molekulární samo sestavení . Na trhu a ve vývoji pro různé aplikace existují různé typy nanosenzorů, zejména v obranném, environmentálním a zdravotnickém průmyslu. Tyto senzory sdílejí stejný základní pracovní tok: selektivní vazbu analytu, generování signálu z interakce nanosenzoru s bioelementem a zpracování signálu do užitečných metrik.

Vlastnosti

Senzory založené na nanomateriálech mají několik výhod v citlivosti a specificitě oproti senzorům vyrobeným z tradičních materiálů, a to díky vlastnostem nanomateriálů, které nejsou přítomny v sypkém materiálu, který vzniká v nanoměřítku. Nanosenzory mohou mít zvýšenou specificitu, protože fungují v podobném měřítku jako přírodní biologické procesy, což umožňuje funkcionalizaci chemickými a biologickými molekulami, s událostmi rozpoznávání, které způsobují detekovatelné fyzikální změny. Vylepšení citlivosti pramení z vysokého poměru povrchu k objemu nanomateriálů a také z nových fyzikálních vlastností nanomateriálů, které lze použít jako základ pro detekci, včetně nanofotoniky . Nanosenzory lze také potenciálně integrovat do nanoelektroniky, aby se nanosenzorům přidala schopnost nativního zpracování.

Kromě své citlivosti a specifičnosti nabízejí nanosenzory významné výhody v nákladech a dobách odezvy, díky čemuž jsou vhodné pro vysoce výkonné aplikace. Nanosenzory poskytují monitorování v reálném čase ve srovnání s tradičními detekčními metodami, jako je chromatografie a spektroskopie. Získání těchto tradičních metod může trvat dny až týdny a často vyžadují investice do kapitálových nákladů i času na přípravu vzorku.

Jednorozměrné nanomateriály, jako jsou nanodráty a nanotrubice, jsou velmi vhodné pro použití v nanosenzorech ve srovnání s hromadnými nebo tenkovrstvými planárními zařízeními. Mohou fungovat jako snímače a vodiče k přenosu signálu. Jejich velký povrch může způsobit velké změny signálu po navázání analytu. Jejich malá velikost může umožnit rozsáhlé multiplexování individuálně adresovatelných senzorových jednotek v malém zařízení. Jejich provoz je také „bez štítků“ ve smyslu, že na analytech nejsou požadovány fluorescenční nebo radioaktivní štítky. Nanodrát z oxidu zinečnatého se používá pro aplikace snímání plynů, protože vykazuje vysokou citlivost na nízkou koncentraci plynu za okolních podmínek a lze jej snadno vyrobit s nízkými náklady.

Existuje několik výzev pro nanosenzory, včetně vyhýbání se driftu a znečištění , vývoje reprodukovatelných kalibračních metod, použití předkoncentračních a separačních metod k dosažení správné koncentrace analytu, která se vyhne nasycení, a integrace nanosenzoru s ostatními prvky sady senzorů spolehlivým vyrobitelným způsobem. Protože nanosenzory jsou relativně novou technologií, existuje mnoho nezodpovězených otázek týkajících se nanotoxikologie, která v současné době omezuje jejich použití v biologických systémech.

Mezi potenciální aplikace nanosenzorů patří medicína, detekce kontaminantů a patogenů a monitorování výrobních procesů a dopravních systémů. Na základě měření změn fyzikálních vlastností ( objem , koncentrace , posun a rychlost , gravitační , elektrické a magnetické síly, tlak nebo teplota ) mohou být nanosenzory schopny rozlišit a rozpoznat určité buňky na molekulární úrovni, aby mohly dodávat léky nebo sledovat vývoj na konkrétní místa v těle. Typ signální transdukce definuje hlavní klasifikační systém pro nanosenzory. Některé z hlavních typů odečtů nanosenzorů zahrnují optické, mechanické, vibrační nebo elektromagnetické.

Jako příklad klasifikace lze nanosenzory, které používají molekulárně potištěné polymery (MIP), rozdělit do tří kategorií, kterými jsou elektrochemické , piezoelektrické nebo spektroskopické senzory. Elektrochemické senzory indukují změnu elektrochemických vlastností snímacího materiálu, která zahrnuje náboj , vodivost a elektrický potenciál . Piezoelektrické snímače buď převádějí mechanickou sílu na elektrickou, nebo naopak. Tato síla je poté přenesena do signálu. Spektroskopické senzory MIP lze rozdělit do tří podkategorií, kterými jsou chemiluminiscenční senzory, senzory povrchové plazmonové rezonance a fluorescenční senzory. Jak název napovídá, tyto senzory produkují signály na bázi světla ve formě chemiluminiscence, rezonance a fluorescence. Jak je popsáno v příkladech, typ změny, kterou senzor detekuje, a typ signálu, který indukuje, závisí na typu senzoru

Přehled obecného pracovního postupu nanosenzoru.

Mechanismy provozu

Existuje několik mechanismů, kterými lze událost rozpoznání přenést na měřitelný signál; obecně využívají senzitivitu nanomateriálu a další jedinečné vlastnosti k detekci selektivně vázaného analytu.

Elektrochemické nanosenzory jsou založeny na detekci změny odporu nanomateriálu po navázání analytu v důsledku změn rozptylu nebo vyčerpání nebo akumulace nosičů náboje . Jednou z možností je použít nanodráty, jako jsou uhlíkové nanotrubičky , vodivé polymery nebo nanodráty z oxidu kovu jako brány v tranzistorech s efektem pole , ačkoli od roku 2009 ještě nebyly prokázány v podmínkách reálného světa. Chemické nanosenzory obsahují systém chemického rozpoznávání (receptor) a fyziochemický měnič, ve kterém receptor interaguje s analytem za vzniku elektrických signálů. V jednom případě měl nanoporézní měnič po interakci analytu s receptorem změnu impedance, která byla stanovena jako signál senzoru. Další příklady zahrnují elektromagnetické nebo plazmonické nanosenzory, spektroskopické nanosenzory, jako je povrchová Ramanova spektroskopie , magnetoelektronické nebo spintronické nanosenzory a mechanické nanosenzory.

Biologické nanosenzory se skládají z bioreceptoru a převodníku. Metodou volby transdukce je v současné době fluorescence kvůli vysoké citlivosti a relativní snadnosti měření. Měření lze dosáhnout použitím následujících metod: navázání aktivních nanočástic na aktivní proteiny v buňce, použití místně cílené mutageneze k produkci indikátorových proteinů, umožňující měření v reálném čase, nebo vytvořením nanomateriálu (např. Nanovlákna) s připojovacími místy pro bioreceptory. I když lze k měření intracelulárních vlastností použít elektrochemické nanosenzory , jsou pro biologická měření typicky méně selektivní, protože jim chybí vysoká specificita bioreceptorů (např. Protilátek, DNA).

Fotonická zařízení lze také použít jako nanosenzory ke kvantifikaci koncentrací klinicky relevantních vzorků. Princip činnosti těchto senzorů je založen na chemické modulaci objemu hydrogelového filmu, který zahrnuje Braggovu mřížku . Jak hydrogel nabývá nebo se zmenšuje při chemické stimulaci, Braggova mřížka mění barvu a rozptyluje světlo při různých vlnových délkách. Rozptýlené světlo lze korelovat s koncentrací cílového analytu.

Dalším typem nanosenzoru je ten, který pracuje na kolorimetrickém základě. Zde přítomnost analytu způsobí chemickou reakci nebo morfologickou změnu, aby došlo k viditelné změně barvy. Jednou z takových aplikací je, že nanočástice zlata lze použít k detekci těžkých kovů. Mnoho škodlivých plynů lze detekovat také kolorimetrickou změnou, například prostřednictvím komerčně dostupné trubice Dräger Tube . Poskytují alternativu k objemným systémům v laboratorním měřítku, protože je lze miniaturizovat, aby se používaly pro zařízení typu point-of-sample. Například mnoho chemikálií je regulováno Agenturou pro ochranu životního prostředí a vyžaduje rozsáhlé testování, aby bylo zajištěno, že úrovně kontaminantů jsou v příslušných mezích. Kolorimetrické nanosenzory poskytují metodu pro stanovení mnoha kontaminantů na místě.

Výrobní metody

Výrobní metoda hraje ústřední roli při určování charakteristik vyrobeného nanosenzoru v tom, že funkce nanosenzoru může být prováděna kontrolou povrchu nanočástic. Při výrobě nanosenzorů existují dva hlavní přístupy: metody shora dolů, které začínají vzorem generovaným ve větším měřítku a poté redukovaným na mikroškálu. Metody zdola nahoru začínají atomy nebo molekulami, které vytvářejí nanostruktury.

Metody shora dolů

Litografie

Zahrnuje to začátek s větším blokem nějakého materiálu a vybojování požadované formy. Tato vybojovaná zařízení, zejména používaná ve specifických mikroelektromechanických systémech používaných jako mikrosenzory, obecně dosahují pouze mikroskopické velikosti, ale nejnovější z nich začaly zahrnovat nanosované komponenty. Jedna z nejběžnějších metod se nazývá litografie elektronového paprsku. I když je velmi nákladná, tato technika účinně vytváří distribuci kruhových nebo elipsoidních grafů na dvourozměrném povrchu. Další metodou je elektrolytické nanášení, které k výrobě miniaturizovaných zařízení vyžaduje vodivé prvky.

Tahání vláken

Tato metoda spočívá v použití napínacího zařízení k protažení hlavní osy vlákna při jeho zahřívání, aby se dosáhlo měřítka velikosti nano. Tato metoda se speciálně používá v optických vláknech k vývoji nanosenzorů na bázi optických vláken.

Chemické leptání

Byly hlášeny dva různé typy chemického leptání. V Turnerově metodě je vlákno leptáno do bodu, zatímco je umístěno v menisku mezi kyselinou fluorovodíkovou a organickou vrstvou . Ukázalo se, že tato technika produkuje vlákna s velkými úhly zúžení (čímž se zvyšuje světlo dosahující ke špičce vlákna) a průměry špiček srovnatelné s metodou tažení. Druhou metodou je leptání trubek, které zahrnuje leptání optického vlákna jednosložkovým roztokem fluorovodíku . Křemíkové vlákno obklopené organickým obkladem je vyleštěno a jeden konec je vložen do nádoby s kyselinou fluorovodíkovou. Kyselina poté začne odleptávat špičku vlákna, aniž by zničila opláštění. Jakmile se křemičité vlákno odleptá, polymerní obložení působí jako stěna a vytváří mikroproudy v kyselině fluorovodíkové, které spolu s kapilárním působením způsobují leptání vlákna do tvaru kužele s velkými, hladkými zúženími. Tato metoda vykazuje mnohem menší náchylnost k parametrům prostředí než metoda Turner.

Metody zdola nahoru

Tento typ metod zahrnuje sestavení senzorů z menších komponent, obvykle jednotlivých atomů nebo molekul. Toho je dosaženo uspořádáním atomů do specifických vzorů, čehož bylo dosaženo v laboratorních testech pomocí mikroskopie atomových sil , ale stále je obtížné je hromadně dosáhnout a není to ekonomicky životaschopné.

Vlastní montáž

Tato metoda, známá také jako „pěstování“, nejčastěji zahrnuje již kompletní sadu komponent, které by se automaticky sestavily do hotového produktu. Přesná schopnost reprodukovat tento efekt pro požadovaný senzor v laboratoři by znamenala, že vědci by mohli vyrábět nanosenzory mnohem rychleji a potenciálně mnohem levněji tím, že by se nechaly shromáždit četné molekuly s malým nebo žádným vnějším vlivem, než aby musely ručně sestavovat každý senzor .

Přestože se konvenční výrobní techniky ukázaly jako účinné, další zdokonalení způsobu výroby může vést k minimalizaci nákladů a zvýšení výkonu. Mezi výzvy současných výrobních metod patří nerovnoměrné rozložení, velikost a tvar nanočástic, které všechny vedou k omezení výkonu. V roce 2006 vědci v Berlíně patentovali svůj vynález nového diagnostického nanosenzoru vyrobeného pomocí nanosférické litografie (NSL), který umožňuje přesnou kontrolu nad velikostí a tvarem nanočástic a vytváří nanoislandy. Kovové nanoislandy způsobily zvýšení přenosu signálu a tím zvýšenou citlivost snímače. Výsledky také ukázaly, že citlivost a specifikace diagnostického nanosenzoru závisí na velikosti nanočástic, že zmenšení velikosti nanočástic zvyšuje citlivost.

Aplikace

Jeden z prvních pracovních příkladů syntetického nanosenzoru postavili vědci na Georgia Institute of Technology v roce 1999. Jednalo se o připojení jedné částice na konec uhlíkové nanotrubice a měření vibrační frekvence nanotrubice jak s částicí, tak bez ní . Rozpor mezi těmito dvěma frekvencemi umožnil vědcům měřit hmotnost připojené částice.

Od té doby se rostoucí množství výzkumu dostalo do nanosenzorů, přičemž byly vyvinuty moderní nanosenzory pro mnoho aplikací. V současné době aplikace nanosenzorů na trhu zahrnují: zdravotnictví, obranu a armádu a další, jako jsou potraviny, životní prostředí a zemědělství.

Stručný přehled současných průmyslových aplikací nanosenzorů.

Obrana a armáda

Nanověda jako celek má mnoho potenciálních aplikací v obranném a vojenském sektoru - včetně chemické detekce, dekontaminace a forenzní techniky. Některé vyvíjené nanosenzory pro obranné aplikace zahrnují nanosenzory pro detekci výbušnin nebo toxických plynů. Takové nanosenzory fungují na principu, že molekuly plynu lze rozlišit na základě jejich hmotnosti například pomocí piezoelektrických senzorů. Pokud je molekula plynu adsorbována na povrchu detektoru, změní se rezonanční frekvence krystalu, což lze měřit jako změnu elektrických vlastností. Tranzistory s efektem pole, které se používají jako potenciometry , mohou navíc detekovat toxické plyny, pokud je jejich brána citlivá na ně.

V podobné aplikaci mohou být nanosenzory použity ve vojenských a donucovacích oděvech a výstrojích. Institut pro nanovědy Navy Research Laboratory studoval kvantové tečky pro použití v nanofotonice a identifikaci biologických materiálů. Nanočástice vrstvené polymery a jinými molekulami receptoru změní barvu, když jsou kontaktovány analyty, jako jsou toxické plyny. Toto upozorní uživatele, že je v nebezpečí. Mezi další projekty patří vložení oblečení s biometrickými senzory k přenosu informací o zdraví a životních podmínkách uživatele, což by bylo užitečné pro sledování vojáků v boji.

Některé z nejnáročnějších aspektů při vytváření nanosenzorů pro obranné a vojenské účely jsou překvapivě spíše politické než technické. Mnoho různých vládních agentur musí spolupracovat při přidělování rozpočtů a sdílení informací a pokroku v testování; to může být u tak velkých a složitých institucí obtížné. Kromě toho se víza a imigrační status mohou stát problémem zahraničních výzkumných pracovníků - jelikož jejich předmět je velmi citlivý, může být někdy vyžadováno povolení od vlády. A konečně v současné době neexistují dobře definované nebo jasné předpisy týkající se testování nanosenzorů nebo aplikací v průmyslu senzorů, což přispívá k obtížnosti implementace.

Potraviny a životní prostředí

Nanosenzory mohou vylepšovat různé podoblasti v potravinářském a environmentálním sektoru, včetně zpracování potravin, zemědělství, monitorování kvality ovzduší a vody a balení a dopravy. Díky své citlivosti, stejně jako jejich laditelnosti a výsledné selektivitě vazby jsou nanosenzory velmi účinné a mohou být navrženy pro širokou škálu environmentálních aplikací. Takové aplikace nanosenzorů pomáhají při pohodlném, rychlém a ultracitlivém hodnocení mnoha druhů látek znečišťujících životní prostředí.

Chemické senzory jsou užitečné pro analýzu pachů ze vzorků potravin a detekci atmosférických plynů. „Elektronický nos“ byl vyvinut v roce 1988 za účelem stanovení kvality a čerstvosti vzorků potravin pomocí tradičních senzorů, ale v poslední době byl snímací film vylepšen pomocí nanomateriálů. Vzorek se umístí do komory, kde se těkavé sloučeniny koncentrují v plynné fázi, přičemž plyn se poté čerpá komorou a přenáší aroma k senzoru, který měří jeho jedinečný otisk prstu. Vysoký poměr povrchové plochy k objemu nanomateriálů umožňuje větší interakci s analyty a rychlá doba odezvy nanosenzoru umožňuje oddělení interferujících odezev. Také chemické senzory byly postaveny pomocí nanotrubiček k detekci různých vlastností plynných molekul. Mnoho senzorů založených na uhlíkových nanotrubičkách je navrženo jako tranzistory s efektem pole, využívající jejich citlivosti. Elektrická vodivost těchto nanotrubiček se změní v důsledku přenosu náboje a chemického dopingu jinými molekulami, což umožní jejich detekci. Aby se zvýšila jejich selektivita, mnoho z nich zahrnuje systém, pomocí kterého jsou nanosenzory konstruovány tak, aby měly specifickou kapsu pro jinou molekulu. Uhlíkové nanotrubice se používají ke snímání ionizace plynných molekul, zatímco nanotrubice vyrobené z titanu se používají k detekci atmosférických koncentrací vodíku na molekulární úrovni. Některé z nich byly navrženy jako tranzistory s efektem pole, zatímco jiné využívají možnosti optického snímání. Selektivní vazba analytu je detekována pomocí spektrálního posunu nebo fluorescenční modulace. Podobným způsobem Flood a kol. prokázali, že chemie supramolekulárního hostitele a hosta nabízí kvantitativní snímání pomocí Ramanova rozptýleného světla i SERS .

V současné době se vyvíjejí další typy nanosenzorů, včetně kvantových teček a nanočástic zlata , které detekují znečišťující látky a toxiny v životním prostředí. Využívají výhody lokalizované povrchové plazmonové rezonance (LSPR), která vzniká v nanoměřítku, což vede ke specifické absorpci vlnové délky. Toto LSPR spektrum je obzvláště citlivé a jeho závislost na velikosti nanočástic a prostředí lze použít různými způsoby k navrhování optických senzorů. Aby bylo možné využít posun spektra LSPR, ke kterému dochází, když se molekuly váží na nanočástice, mohou být jejich povrchy funkcionalizovány tak, aby diktovaly, které molekuly se budou vázat, a spustí reakci. Pro environmentální aplikace lze povrchy kvantových teček upravit pomocí protilátek, které se specificky vážou na mikroorganismy nebo jiné znečišťující látky. Spektroskopii lze poté použít k pozorování a kvantifikaci tohoto posunu spektra, což umožňuje přesnou detekci, potenciálně v pořadí molekul. Podobně mohou fluorescenční polovodičové nanosenzory k dosažení optické detekce využít výhod přenosu energie fluorescenční rezonance (FRET). Kvantové tečky mohou být použity jako dárci a budou přenášet elektronickou excitační energii, pokud jsou umístěny v blízkosti molekul akceptoru, čímž ztratí svou fluorescenci. Tyto kvantové tečky mohou být funkcionalizovány, aby se určilo, které molekuly se budou vázat, na které se obnoví fluorescence. K velmi přesné detekci těžkých kovů lze použít optické senzory založené na zlatých nanočásticích; například hladiny rtuti až 0,49 nanometrů. Tato způsob snímání využívá výhod FRET, ve kterém přítomnost kovů inhibuje interakci mezi kvantovými tečkami a nanočásticemi zlata a potlačuje reakci FRET. Další potenciální implementace využívá k dosažení iontového snímání závislosti na velikosti spektra LSPR. V jedné studii Liu et al. funkcionalizované nanočástice zlata s enzymem citlivým na Pb ²⁺ k výrobě olověného senzoru. Obecně by se nanočástice zlata agregovaly, jak by se blížily, a změna velikosti by vedla ke změně barvy. Interakce mezi enzymem a ionty Pb ²⁺ by inhibovaly tuto agregaci, a tak by mohla být detekována přítomnost iontů.

Hlavní výzvou spojenou s použitím nanosenzorů v potravinách a životním prostředí je stanovení jejich související toxicity a celkového vlivu na životní prostředí. V současné době nejsou k dispozici dostatečné znalosti o tom, jak bude implementace nanosenzorů z dlouhodobého hlediska ovlivňovat půdu, rostliny a člověka. To je obtížné plně vyřešit, protože toxicita nanočástic silně závisí na typu, velikosti a dávkování částice a také na proměnných prostředí včetně pH, teploty a vlhkosti. Za účelem zmírnění potenciálního rizika se v rámci celkového úsilí o ekologickou nanotechnologii provádí výzkum výroby bezpečných netoxických nanomateriálů.

Zdravotní péče

Nanosenzory mají velký potenciál pro diagnostickou medicínu, což umožňuje včasnou identifikaci onemocnění bez spoléhání se na pozorovatelné příznaky. Ideální implementace nanosenzorů se snaží emulovat odezvu imunitních buněk v těle, přičemž zahrnují jak diagnostické, tak imunitní funkce, zatímco přenášejí data, aby bylo možné sledovat vstup a odezvu senzoru. Tento model však zůstává dlouhodobým cílem a výzkum je v současné době zaměřen na okamžité diagnostické schopnosti nanosenzorů. Intracelulární implementace nanosenzoru syntetizovaného s biologicky odbouratelnými polymery indukuje signály, které umožňují monitorování v reálném čase, a tím připravuje cestu pro pokrok v dodávce a léčbě léků.

Jeden příklad těchto nanosenzorů zahrnuje použití fluorescenčních vlastností kvantových teček selenidu kademnatého jako senzorů k odhalení nádorů v těle. Nevýhodou teček selenidu kademnatého je však to, že jsou pro tělo vysoce toxické. Výsledkem je, že vědci pracují na vývoji alternativních bodů vyrobených z jiného, méně toxického materiálu, přičemž si stále zachovávají některé fluorescenční vlastnosti. Zejména zkoumali konkrétní výhody kvantových teček na bázi sulfidu zinečnatého, které, i když nejsou tak fluorescenční jako selenid kademnatý, lze rozšířit o další kovy, včetně manganu a různých lanthanoidových prvků. Navíc se tyto novější kvantové tečky stávají více fluoreskujícími, když se spojí se svými cílovými buňkami.

Další aplikace nanosenzorů zahrnuje použití křemíkových nanodrátů v liniích IV ke sledování zdraví orgánů. Nanodráty jsou citlivé na detekci stopových biomarkerů, které difundují do linie IV krví, což může monitorovat selhání ledvin nebo orgánů. Tyto nanodráty by umožnily kontinuální měření biomarkerů, což poskytuje některé výhody z hlediska časové citlivosti oproti tradičním kvantifikačním testům biomarkerů, jako je ELISA.

Nanosenzory lze také použít k detekci kontaminace orgánových implantátů. Nanosenzor je zabudován do implantátu a detekuje kontaminaci v buňkách obklopujících implantát pomocí elektrického signálu zaslaného lékaři nebo poskytovateli zdravotní péče. Nanosenzor dokáže detekovat, zda jsou buňky zdravé, zánětlivé nebo kontaminované bakteriemi. Hlavní nevýhoda však spočívá v dlouhodobém používání implantátu, kdy tkáň roste nad senzory a omezuje jejich schopnost komprimovat. To znemožňuje produkci elektrických nábojů, čímž se zkrátí životnost těchto nanosenzorů, protože používají piezoelektrický efekt k vlastní energii.

Podobně jako ty, které se používají k měření znečišťujících látek v atmosféře, se nanosenzory na bázi zlatých částic používají k včasné diagnostice několika typů rakoviny detekcí těkavých organických sloučenin (VOC) v dechu, protože růst nádoru je spojen s peroxidací buněčné membrány. Další aplikací související s rakovinou, i když je stále ve fázi zkoumání myší, je použití nanočástic potažených peptidy jako senzory založené na aktivitě k detekci rakoviny plic. Dvě hlavní výhody použití nanočástic k detekci nemocí spočívají v tom, že umožňuje detekci v rané fázi, protože dokáže detekovat velikost nádorů v řádu milimetrů. Poskytuje také nákladově efektivní, snadno použitelný, přenosný a neinvazivní diagnostický nástroj.

Nedávné úsilí o pokrok v nanosenzorové technologii využilo molekulární imprinting , což je technika používaná k syntéze polymerních matric, které působí jako receptor při molekulárním rozpoznávání. Analogicky k zámku a klíčovému modelu enzym-substrát využívá molekulární imprinting molekuly templátu s funkčními monomery k vytvoření polymerních matric se specifickým tvarem odpovídajícím jeho cílovým templátovým molekulám, čímž se zvyšuje selektivita a afinita matric. Tato technika umožnila nanosenzorům detekovat chemické druhy. V oblasti biotechnologie jsou molekulárně potištěné polymery (MIP) syntetizovány receptory, které ukázaly slibné a nákladově efektivní alternativy k přírodním protilátkám, protože jsou konstruovány tak, aby měly vysokou selektivitu a afinitu. Například experiment se senzorem MI obsahujícím nanotipy s nevodivým polyfenolovým nano potahem (PPn povlak) ukázal selektivní detekci proteinu E7 a prokázal tak potenciální využití těchto nanosenzorů při detekci a diagnostice lidského papilomaviru, jiných lidských patogenů a toxinů . Jak je uvedeno výše, nanosenzory s technikou molekulárního otisku jsou schopné selektivně detekovat ultrazvukové chemické druhy v tom, že umělou modifikací polymerních matric zvyšuje molekulární otisk afinitu a selektivitu. Ačkoli polymery s molekulárním potiskem poskytují výhody při selektivním molekulárním rozpoznávání nanosenzorů, samotná technika je relativně nedávná a stále přetrvávají výzvy, jako jsou útlumové signály, detekční systémy postrádající účinné snímače a povrchy postrádající účinnou detekci. Další výzkum a výzkum v oblasti molekulárně potištěných polymerů je zásadní pro vývoj vysoce účinných nanosenzorů.

Aby bylo možné rozvíjet inteligentní zdravotní péči s nanosenzory, je třeba vytvořit síť nanosenzorů, často nazývaných nanosíť, aby bylo možné překonat omezení velikosti a výkonu jednotlivých nanosenzorů. Nanosítě nejenže zmírňují stávající výzvy, ale také poskytují řadu vylepšení. Rozlišení nanosenzorů na úrovni buněk umožní léčbě eliminovat vedlejší účinky, umožní nepřetržité sledování a hlášení stavu pacientů.

Nanosítě vyžadují další studium toho, že nanosenzory se liší od tradičních senzorů. Nejběžnějším mechanismem senzorových sítí je elektromagnetická komunikace. Současné paradigma však není použitelné pro nanodevice kvůli jejich nízkému dosahu a síle. Optická signální transdukce byla navržena jako alternativa ke klasické elektromagnetické telemetrii a má monitorovací aplikace v lidských tělech. Mezi další navrhované mechanismy patří bioinspirovaná molekulární komunikace, kabelový a bezdrátový aktivní transport v molekulární komunikaci, Forsterův přenos energie a další. Je zásadní vybudovat efektivní nanosíť, aby ji bylo možné použít v oblastech, jako jsou lékařské implantáty, sítě oblastí těla (BAN), internet nano věcí (IoNT), doručování léků a další. Díky adeptové nanosíti mohou bioimplantabilní nanodevice poskytnout vyšší přesnost, rozlišení a bezpečnost ve srovnání s implantáty v makro měřítku. Sítě v oblasti těla (BAN) umožňují senzorům a akčním členům shromažďovat fyzikální a fyziologické údaje z lidského těla, aby lépe předvídaly jakékoli nemoci, což usnadní léčbu. Mezi potenciální aplikace BAN patří monitorování kardiovaskulárních chorob, řízení inzulínu, umělé vidění a sluch a řízení hormonální terapie. Internet biologických věcí označuje sítě nanozařízení, ke kterým lze přistupovat prostřednictvím internetu. Vývoj IoBNT připravil cestu k nové léčbě a diagnostickým technikám. Nanosítě mohou také pomoci při dodávání léků zvýšením lokalizace a doby oběhu drog.

Mezi stávající výzvy výše uvedených aplikací patří biokompatibilita nanoimplantátů, fyzická omezení vedoucí k nedostatku energie a paměti a biokompatibilita designu vysílače a přijímače IoBNT. Koncept nanosíť má mnoho oblastí pro vylepšení: patří mezi ně vývoj nanomachinů , problémy se zásobníky protokolů, techniky zajišťování napájení a další.

Stále existují přísné předpisy pro vývoj standardů pro nanosenzory, které mají být použity v lékařském průmyslu, kvůli nedostatečným znalostem nepříznivých účinků nanosenzorů a potenciálních cytotoxických účinků nanosenzorů. Kromě toho mohou existovat vysoké náklady na suroviny, jako je křemík, nanodráty a uhlíkové nanotrubice, které zabraňují komercializaci a výrobě nanosenzorů vyžadujících zvětšení rozsahu pro implementaci. Aby se zmírnila nevýhoda nákladů, vědci zkoumají výrobu nanosenzorů vyrobených z nákladově efektivnějších materiálů. Existuje také vysoký stupeň přesnosti potřebný k reprodukovatelné výrobě nanosenzorů kvůli jejich malé velikosti a citlivosti na různé techniky syntézy, což vytváří další technické výzvy, které je třeba překonat.

Languages

In other projects