Nanocapteur : composants, types, fonctionnement, techniques de fabrication, types et ses applications

Le premier exemple de nanocapteur a été développé en 1999 au Georgia Institute of Technology par des chercheurs, une innovation créée à partir de nanotubes de carbone. Un nanocapteur est un type unique de capteur. Il s'agit de petites plates-formes conçues pour détecter et mesurer des informations chimiques, biologiques, physiques ou environnementales à l'échelle nanométrique. Ces capteurs sont idéaux principalement pour les applications de détection en raison de leurs propriétés uniques de nanoparticules telles que ; leur énorme rapport surface/niveau. Cet article fournit de brèves informations sur les nanocapteurs, leur fonctionnement, leurs types et leurs applications.

Définition du nanocapteur

Un type de capteur ayant des dimensions caractéristiques de quelques nanomètres est appelé nanocapteur. Il s'agit d'un capteur mécanique ou chimique, utilisé pour détecter l'apparition de nanoparticules et d'espèces chimiques ou vérifier différents paramètres physiques. Ceux-ci sont utilisés dans des applications de diagnostic médical telles que la détection de la qualité de l'eau, des aliments et d'autres produits chimiques. Ce capteur fonctionne de manière similaire à un capteur normal mais il détecte de petites quantités et les transforme en signaux qui doivent être analysés. Les nanocapteurs sont utilisés dans les systèmes de transport, la détection d'agents pathogènes, la médecine, la fabrication, le contrôle de la pollution, etc.

Certains des exemples de nanocapteurs sont : nanocapteurs fluorescents à base d'ADN ou de peptides, nanotubes de carbone, points quantiques, nanocapteurs dépendant du couplage plasmonique, imagerie par résonance magnétique et photoacoustique.

Composants du nanocapteur

Les composants du nanocapteur comprennent principalement un analyte, un capteur, un transducteur et un détecteur. Les nanocapteurs sont capables de mesurer le niveau d'un point d'une seule molécule. Généralement, ces capteurs fonctionnent en suivant les changements électriques au sein des matériaux du capteur.

Dans ce diagramme, tout d’abord, l’analyte de la solution diffuse vers la surface du nanocapteur. Après cela, il répond spécifiquement et efficacement, ce qui modifie les propriétés physico-chimiques de la surface du transducteur, ce qui entraîne une modification des propriétés électroniques (ou) optiques de la face du transducteur. Finalement, celui-ci est transformé en un signal électrique qui est détecté

Principe de fonctionnement du nanocapteur

Le nanocapteur fonctionne en suivant les changements électriques dans les matériaux du capteur. Les éléments fondamentaux d’un nanocapteur sont : l'analyte, le transducteur, le détecteur et la ligne de rétroaction du détecteur vers le bloc capteur. Le nanocapteur mesure les niveaux d'une molécule unique et fonctionne simplement en maintenant un changement électrique dans le matériau du capteur.

L'analyte de ce capteur diffuse d'abord de la solution vers la surface du capteur et répond exactement et très efficacement en modifiant les propriétés physico-chimiques de la surface. Après cela, cela provoque une modification des propriétés du transducteur optique électronique. Finalement, ce changement peut être converti en un signal électrique remarqué.

Histoire des nanocapteurs

• Nanosensor sous le nom de «Nanoprobe» a été fondé en 1990 et s'appuie sur des recherches menées par IBM Sindelfingen sur les technologies de base requises pour le traitement par lots des sondes AFM en silicium avec micro-usinage en masse.
• Nanosensors a commercialisé les sondes AFM et SPM dans le monde entier en 1993. Ainsi, leurs développements dans les technologies de traitement par lots pour la création de sondes AFM ont contribué à initier les microscopes à force atomique dans l'industrie du temps.
• Pour l'identification de cette réalisation, ces capteurs ont reçu le prix de l'innovation Dr.-Rudolf-Eberle pour l'État allemand du Bade-Wurtemberg, le prix de l'innovation de l'industrie allemande en 1995 et le prix de l'innovation du Förderkreis für die Mikroelektronik e.V. 1999. Nanosensors a été acquis en 2002 et intégré à NanoWorld, basé en Suisse, qui est une unité commerciale indépendante.
• En 2003, ces capteurs ont introduit une nouvelle sonde innovante de type AFM comme AdvancedTEC™. Il permet un positionnement exact et permet à cette sonde de fournir une visibilité réelle de la pointe dans tout le système optique d'un microscope à force atomique, même lorsque la sonde AFM est légèrement inclinée en raison de son montage.
• Sensors a nommé en 2003 NanoAndMore GmbH comme son nouveau distributeur officiel pour la Turquie, Israël et l'Europe.
• En 2004, le PointProbe® Plus a été introduit, réunissant les fonctionnalités éprouvées de la série PointProbe®, telles que la compatibilité et la grande polyvalence d'application avec les AFM commerciaux.
• En 2005, le Q30K-Plus a été annoncé. Il s'agit d'une nouvelle sonde AFM à balayage de proximité avec un excellent facteur Q et un rapport S/B amélioré pour les applications UHV.
• Nanosensors 2006 a changé le réseau de distribution nord-américain, membre du groupe NanoWorld,
• NanoAndMore USA Corp., est devenu le distributeur officiel du Nanosensor aux États-Unis, au Mexique et au Canada.
• Nanosensors 2007 a lancé une nouvelle série de sondes MFM AFM en silicium, a présenté la série PointProbe® Plus XY-Alignment, a lancé la série de sondes Plateau Tip AFM et a annoncé la série de sondes PointProbe® Plus AFM.
• En 2008, elle a introduit la sonde Akiyama à actionnement et détection automatiques.
• Nanosensor 2011 a mis en ligne sa liste initiale de développement spécial et a annoncé une nouvelle série de sondes AFM conductrices et résistantes à l'usure, ainsi que les sondes Platinum Silicide AFM.
• En 2013, il annonce les deux premiers screencasts sur sa chaîne YouTube.
• Elle a introduit une nouvelle série de sondes AFM connue sous le nom d'uniqprobe™ en 2013.

Techniques de fabrication de nanocapteurs

Il existe plusieurs techniques proposées pour réaliser ces capteurs ; lithographie descendante, assemblage ascendant et auto-assemblage moléculaire.

1. Approches descendantes
   • Lithographie: Cette méthode consiste à graver des motifs à l'échelle nanométrique sur des substrats à l'aide de techniques telles que la lithographie par faisceau d'électrons (EBL) ou la photolithographie. EBL, en particulier, offre une haute résolution, permettant une modélisation précise essentielle à la création de caractéristiques à l'échelle nanométrique.
   • Gravure: Les méthodes de gravure humide et sèche sont utilisées pour éliminer sélectivement le matériau de la surface d'un substrat afin de créer des structures à l'échelle nanométrique. La gravure ionique réactive (RIE) est une technique de gravure sèche populaire pour sa précision et sa capacité à créer des motifs complexes.
2. Approches ascendantes
   • Dépôt chimique en phase vapeur (CVD) : Le CVD est un processus dans lequel des réactifs gazeux forment des matériaux solides sur des substrats, créant ainsi des films minces et des nanostructures. Des variantes telles que le CVD amélioré par le plasma (PECVD) améliorent le processus en utilisant le plasma pour augmenter les taux de réaction.
   • Auto-assemblage : Cette technique implique l'organisation spontanée de molécules en arrangements structurés. La nanotechnologie de l'ADN, par exemple, utilise les propriétés d'appariement de bases de l'ADN pour créer des nanostructures complexes.
   • Traitement sol-gel : Cela implique la transition d’un système de solution d’une phase liquide « sol » à une phase solide « gel ». Il est particulièrement utile pour créer des nanostructures céramiques et vitreuses.
3. Approches hybrides

                      Lithographie par nanoimpression (NIL) : Cela combine des aspects d’approches descendantes et ascendantes. Il s’agit de presser un moule nanostructuré dans une couche de polymère, puis de durcir le polymère pour transférer les caractéristiques à l’échelle nanométrique.

Types de nanocapteurs

Il existe différents types de nanocapteurs qui sont décrits ci-dessous.

Nanocapteurs physiques

Ces capteurs sont utilisés pour mesurer les changements de grandeurs physiques telles que la vitesse, la température, la pression, les forces électriques, le déplacement, la masse et bien d'autres encore. Ces nanocapteurs sont utilisés dans diverses applications de la vie quotidienne ainsi que dans l'industrie. Nanowear Inc. utilise des nanocapteurs physiques pour fabriquer des sous-vêtements portables afin de détecter une éventuelle insuffisance cardiaque avant qu'elle ne survienne chez les patients atteints de maladies chroniques en examinant les changements dans les signaux électriques de notre corps.

Nanocapteurs chimiques

Ces capteurs aident à détecter différents produits chimiques (ou) propriétés chimiques comme la valeur du pH. Ceci est donc utile lorsque l’on examine la pollution écologique (ou) pour l’analyse pharmaceutique. Habituellement, ces capteurs sont fabriqués à partir de différents nanomatériaux comme des nanoparticules métalliques ou du graphène, car ceux-ci réagissent à l'apparition de produits chimiques cibles particuliers qui doivent être calculés.

Le meilleur exemple de ce capteur est la détection de la valeur pH d’un liquide. Un groupe étudié a pu construire un tel type de capteur en utilisant des brosses polymères recouvertes de nanoparticules d'or pour détecter la valeur du pH par technique spectroscopique.

Nano-biocapteurs

Les nanobiocapteurs utilisés en médecine et en soins de santé peuvent détecter avec précision les agents pathogènes, les toxines, les tumeurs et les biomarqueurs. Ces capteurs convertissent la réponse des molécules en signaux optiques ou électriques et ont l'avantage de pouvoir viser de manière extrêmement précise ce qui doit être mesuré. Chaque fois que la taille d’un objet et son rapport surface/volume augmentent, ces capteurs présentent un grand avantage en faveur des biocapteurs plus grands, car ils fournissent une meilleure détection lorsque la réaction à travers les molécules ciblées se produit plus fréquemment.

Ces capteurs sont utilisés par la start-up taïwanaise Instant NanoBiosensors Co., Ltd. Ils utilisent une fibre optique recouverte de nanoparticules d'or et d'anticorps pour détecter divers composés biologiques.

Nanocapteur optique

Les nanocapteurs optiques comportent des matériaux de capteur à l'échelle nanométrique (ou) nanostructurés qui démontrent une réaction différente aux fréquences optiques à l'excitation électromagnétique. Ces capteurs sont principalement utilisés à des fins analytiques pour la surveillance ainsi que pour l'identification de processus chimiques ou biologiques. Ces capteurs transforment également les données en signaux pour des informations importantes.

Avantages et inconvénients

Le avantages des nanocapteurs inclure les éléments suivants.

• Les nanocapteurs peuvent facilement interagir au niveau nano et observent des développements uniques au niveau nano qui sont différents du niveau macro.
• Ces capteurs ont une sensibilité élevée qui permet plus de précision.
• Ceux-ci sont durables, stables, portables, haute sensibilité, petits, réponse robuste, détection en temps réel, sélectivité et légers,
• Ce capteur a une faible consommation d'énergie
• Il nécessite un faible volume d'échantillon pour l'analyse et provoque le moins de perturbations possible dans le matériau observé.
• Le temps de réponse de ce capteur est faible et plus rapide que les autres capteurs, ce qui leur permet d'effectuer une analyse en temps réel.
• Ce capteur détecte simultanément diverses choses, ce qui permet une variété de fonctions.
• Les nanocapteurs affichent des plages significatives de sensibilité (ou) de résolution de détection.
• Ces capteurs fonctionnent à plus petite échelle.
• Ils ont une plus grande sensibilité et plus de précision.

Les inconvénients des nanocapteurs sont les suivants.

• Ces capteurs sont normalement moins sélectifs, principalement pour les mesures biologiques, car ils ne disposent pas d'une spécificité plus élevée pour les biorécepteurs comme l'ADN et les anticorps.
• Le nanocapteur fabriqué de haut en bas a une résolution limitée et est coûteux.
• Les nanocapteurs de type ascendant sont très peu efficaces, ont une grande échelle et sont extrêmement coûteux par rapport aux autres.

Applications

Les applications des nanocapteurs sont les suivantes.

• Les nanocapteurs sont principalement utilisés pour un grand nombre d'applications dans le domaine des sciences végétales telles que : un approvisionnement énergétique constant, la détection des activités métaboliques, le stockage et le calcul des informations, ainsi que la détection et la réponse à un large éventail de stimuli écologiques.
• Il s'agit d'un type unique de capteur, conçu principalement pour détecter et mesurer des informations chimiques, biologiques, environnementales (ou) physiques à l'échelle nanométrique.
• Il s'agit de capteurs mécaniques ou chimiques, utilisés dans différentes applications qui vont des industries biomédicales aux industries environnementales.
• Certaines applications courantes de ces capteurs incluent principalement :
• Ces capteurs aident à détecter une variété de produits chimiques dans les gaz pour surveiller la pollution.
• Un nanocapteur est utilisé pour surveiller les paramètres physiques tels que le déplacement, le débit et la température.
• Les nanocapteurs aident à surveiller la signalisation et le métabolisme des plantes pour comprendre la biologie végétale.
• Cela aide à étudier les neurotransmetteurs dans le cerveau pour reconnaître la neurophysiologie.
• Ces capteurs peuvent être utilisés comme accéléromètres dans les dispositifs MEMS tels que les capteurs d'airbag.
• Il est utilisé pour recueillir des mesures en temps réel de l’état du sol, telles que : pH, nutriments, humidité et pesticides résiduels principalement à des fins agricoles.
• Ce capteur est utilisé pour détecter les pesticides sur les légumes et les fruits afin de détecter les cancérigènes dans les aliments.
• Il détecte les agents pathogènes dans les aliments dans le cadre des mesures de sécurité alimentaire et de contrôle de la qualité.
• Ce capteur détecte et surveille les métabolites de petites molécules.
• Il est utilisé pour la surveillance en temps réel de l’activité métabolique des cellules cancéreuses en réponse à une intrusion thérapeutique.

Ainsi, c'est un aperçu d'un nanocapteur , leur fonctionnement, leurs types, leurs avantages, leurs inconvénients et leurs applications. Un nanocapteur est un appareil à l'échelle nanométrique qui mesure des quantités physiques et se transforme également en signaux pouvant être détectés et analysés. Ces capteurs sont disponibles en différents types utilisés dans diverses applications telles que les industries de la défense, de la santé et de l'environnement. Il existe différentes techniques disponibles pour fabriquer ces types de capteurs ; la lithographie descendante, la deuxième est l'assemblage ascendant et la troisième est l'auto-assemblage moléculaire. Voici une question pour vous, le nanocapteur a-t-il été inventé par ?