Veijo Hänninen
Antureita nanomittauksiin
Nanotekniikka mahdollistaa anturitekniikalle uusia ulottuvuuksia. Tutkimustasolla liikutaan jo yksittäisien solujen, molekyylien ja elektronien varauksien tasolla. Mutta tuo nanotekniikka arkisempiinkin anturitarpeisiin uutta puhtia.
Hiilinanoputkia hyödynnetään jo edullisina kaasuja tunnistavina antureina mutta niitä voidaan käyttää myös erilaisten molekyylien havaitsemiseen.
MIT:n tutkijat ovat edelleen kehittäneet niihin tukeutuen anturin, joka mittaa kehoon asennettuna sen sisäistä typpioksiditasoa.
Typpioksidi on yksi elävien solujen tärkeimmistä signaalimolekyyleistä ja sitä pidetään hyvänä mittarina elimistön tilasta.
Anturit hyödyntävät nanoputken fluoresenssia eli valon vaikutusta kytkemällä ilmiö haluttuun aineeseen. Elimistössä olevaan anturiin suunnataan infrapunalaserin valoa ja heijastuva valo kuvaa tilannetta anturissa.
Typpioksidin havaitsemiseksi hiilinanoputki kiedotaan yhteen dna:n kanssa. Tällainen anturirakenne voidaan muuntaa havaitsemaan myös muita molekyylejä, kuten glukoosia.
Kokeissa hiiren ihon alle istutettu nanoputkianturi toimii yli vuoden ajan.
Grafeeni
Grafeeni on myös anturien ja erityisesti läpinäkyvien elektrodirakenteiden tutkimuksen ja jo käytännönkin sovelluksissa.
Jo vuonna 2013 Kansas State Universityn kemian insinöörit sijoittivat grafeenin kvanttipisteitä polymeerikuidulle luoden näin aivan uudenlaista anturitekniikkaa. Kosteuden vaihtelujen mukaan kvanttipisteet ovat kauempana tai lähempänä toisiaan ja tuottavat näin elektronien muuttuvaa tunnelointivirtaa hyödyntävän tunnistuslaitteen.
Kesällä 2014 Manchesterin ja Southamptonin yliopistojen tutkijat osoittivat, että grafeeni voisi mahdollistaa erittäin herkät fotoniikkapohjaiset kemialliset anturit ja valoilmaisimet.
Tässä työssä grafeenipinnoitteita sovellettiin aaltojohdesilmukasta muodostuviin "ravirata resonaattoreihin. Kun valo kulkee ympäri tällaista rataa, osa valosta vuotaa ulos ja tätä vaimenevaa kenttää voidaan käyttää kemiallisissa anturisovelluksissa.
Molybdeenidisulfidi anturina
Luonnollisesti myös muut kaksiulotteiset ovat kiinnostaneet mahdollisina anturisovelluksina.
Vuonna 2014 UC Santa Barbaran tutkijat kehittivät erittäin herkän bioanturin molybdeenidisulfidiseen (MoS2) kanavatransistoriin (fet) perustuen.
Molybdeenidisulfidin käyttö biosensorissa ylittää vastaavassa tarkoituksessa grafeenin herkkyydessä sekä tarjoaa paremmat mahdollisuudet massavalmistukselle.
- Tämä keksintö luo perustan uuden sukupolven ultraherkille ja edullisille biosensoreille, jotka voivat lopulta mahdollistaa yksittäisen molekyylin tunnistuksen, joka on Graalin malja diagnostiikan ja biotekniikan tutkimuksessa, totesi tuolloin professori Samir Mitragotri yliopistonsa tiedotteessa.
Biotunnistuksen parissa käytetyissä fettirakenteissa fyysinen portti on poistettu ja kanavan virtaa moduloidaan reseptorimolekyylin ja sähköisesti varatun kohdebiomolekyylin välisellä sidoksella.
MoS2:n keskeinen etu biofeteissä on suhteellisen suuri ja yhtenäinen energiarako, joka vähentää vuotovirtaa ja kasvattaa fetin kytkentäjyrkkyyttä, mikä lisää tunnistusherkkyyttä.
Lisäksi MoS2-fetin kanavapituutta bioanturissa voidaan skaalata mittoihin, jotka ovat pienten biomolekyylien, kuten DNA:n tai pienten proteiinien tasolla.
Vuotta myöhemmin University of California Riversiden insinöörit kehittivät molybdeenidisulfidista ja grafeenista antureita kemiallisille höyryille.
Heidän MoS2-fetit (TF-FET) saattoivat selektiivisesti havaita etanolin, asetonitriilin, tolueenin, kloroformin ja metanolin höyryjä. Anturien valikoiva havaitseminen ei edellytä pinnan ennalta funktionalisointia tietyille höyryille.
Ainutlaatuista UC Riversiden kaasuantureissa - sekä grafeenissa että MoS2-versioissa on, että ne käyttävät matalataajuista virran vaihtelua ylimääräisenä havaintosignaalina. Perinteisesti kemiallisissa antureissa hyödynnetään vain joko sähkövirran tai vastuksen muutosta.
Plasmonit tehostavat optista tunnistusta
Optinen tunnistus on erittäin tehokas havaitsemaan ja tunnistamaan kaasuja, mutta perustuu usein suuriin ja kalliisiin laboratoriolaitteisiin.
Plasmoniikan avulla voidaan tuottaa entistä pienempiä anturirakenteita koska sen avulla voidaan lisätä valoon liittyvää herkkyyttä.
Muun muassa Oregon State Universityn insinöörit ovat käyttäneet plasmonisia nanokiteitä, jotka valoa keskittäessään parantavat herkkyyttä.
Heidän kaasuanturi koostuu metalli-orgaanisista ohutkalvorakenteista, jotka voivat nopeasti adsorboida kaasuja materiaalihuokosiin ja kierrättää niitä tyhjiöprosessilla. Lähi-infrapunan alueella toimivat plasmoniset materiaalit auttavat kasvattamaan signaalia ja siten analysoimaan tarkasti erilaisten kaasujen esiintymisen ja määrät.
Lämpötilan mittauksia nanorakenteista
Lämmönhallinta on elektroniikkateollisuuden yksi keskeisiä ongelmia. Ei kuitenkaan ole olemassa niin pieniä antureita, etteikö se häiritsi yksittäisen transistorin lämpötilan mittausta.
Kalifornian (UCLA) yliopiston tutkijat keksivät, että välttääkseen koettimen häiritsevän vaikutuksen he päättivät luopua siitä kokonaan.
Kaikki materiaalit muuttavat tilavuuttaan lämpötilasta riippuen. Näin materiaalin lämpötila voidaan määrittää tarkasti mittaamalla sen tiheys.
Mittauksessa ryhmä suuntasi TEM-mikroskoopin säteen alumiiniin, mikä tuotti siihen plasmonien varausvärähtelyn, joiden on jo kauan tiedetty riippuvan materiaalin tiheydestä, mutta aiemmin niitä ei ole analysoitu tarpeeksi huolellisesti käytettäväksi lämpötilan mittaukseen.
TEM:iä ja EELS-spektroskopiaa käyttäen, ryhmä pystyi määrittämään alumiinin plasmonien energian ja näin tarkasti määrittämään sen lämpötilan nanometriluokan resoluutiolla.
Nanopalkit
Nanopalkit ovat osoittautumassa erittäin herkiksi mitta-antureiksi. Niiden avulla eräät tutkijat yrittävät jopa ymmärtää miten antibiootit toimivat.
EPFL:n tutkijat kehittivät niihin tukeutuen vuonna 2014 erittäin herkän mutta yksinkertainen liiketunnistimen. Järjestelmä kykenee havaitsemaan bakteereita, hiivaa ja jopa syöpäsoluja.
Nanopalkin ulokkeelle mahtuu noin 500 bakteeria ja kaikki elämä on liikettä.
Jopa pienet mikro-organismit värähtelevät aineenvaihduntansa seurauksena. Nanopalkki tunnistaa nämä vaihtelut ja ne voidaan liittää tiettyihin yksilöihin.
Tämä tekniikka ei mittaa elämän kemiallista reaktiota, mikä vaatisi etukäteen tietoa aineenvaihdunnasta. Sen sijaan, se seuraa minkälaisia fyysisiä ilmentymiä mikro-organismien aineenvaihdunnalla voi olla.
Menetelmä onkin harkittavana lääkkeiden pikatestimarkkinoille mutta myös havaitsemaan mahdollista maapallon ulkopuolista elämää.
Lämpötilamittauksia spinillä
Typpivakanssi on vika timantin atomirakenteessa, jossa yksi timantin hiiliatomi on korvautunut typpiatomilla jolloin viereinen paikka jää auki ja sen ympärille jää vapaita elektroneja.
Tällaiset timantin vikakohtien spinit ovatkin nousseet viime vuosina lupaavaksi ehdokkaaksi nanomittakaavan magneetti- ja sähkökenttien aistijoiksi.
Jo vuonna 2013 Chicagon yliopiston tutkimusryhmä kehitti aiheesta myös lämpömittarin, joka perustui spinistä riippuvaan fotoluminenssiin timantin typpivakanssikeskuksessa.
Tutkijoiden tavoitteena on kehittää kvanttifysiikkaan perustuva anturi, jolla voisi mitata magneetti- ja sähkökenttien lisäksi myös lämpötilaa.
Solujen sisäisiä mittauksia
Äärimmäisen pieniin timantteihin liittyneenä typpivakansseja voitaisiin sijoittaa jopa yksittäisien solujen sisälle toimimaan biologisina koettimina ja antureina, koska ne ovat myrkyttömiä ja valon suhteen vakaita.
Ongelmana on kuitenkin, että yksittäinen vikapaikka antaa kovin heikon signaalin joten useammat vikapaikat pitää saada tuottamaan yhdessä suurempi vaste.
Tänä keväänä MIT tutkijat kertoivatkin kehittäneensä konstin, jolla ultraherkkä magneettikentän ilmaisin on tuhat kertaa energiatehokkaampi kuin edeltäjänsä.
Pienikin timanttisiru voi sisältää miljoonia typpivakansseja, joista jokainen pystyy suorittamaan oman magneettikentän mittauksen. Ongelma on yhdistää kaikki nämä mittaukset.
MIT:n tutkijat onnistuivat tässä lisäämällä timantin kulmaan prismaviisteen ja kytkemällä lasersäteen siihen. Siten kaikki timanttiin pistetty valoenergia voi aikansa poukkoiltuaan absorboitua ja olla hyödyksi mittaukselle.
Herkempiä sähköisiä tuntoaisteja
Erilaisia pietsoilmiöitä hyödynnetään anturisektorilla laajasti mutta vuonna 2013 Georgia Techin tutkijat rakensivat pietsotronisten transistorien ryhmän, joka voi muuntaa mekaanisen liikkeen suoraan sähköiseksi ohjaussignaaliksi. Se on toteutettu nipulla pystymäisiä sinkkioksidisia nanolankoja.
Tällaiset transistoriryhmät voisivat antaa roboteille paremmin mukautuvan tuntoaistin, mutta siitä voi valmistaa myös läpinäkyviä ja joustavia kosketuskalvoja.
Nanolankatransistorien (taxels) kolmantena porttina on mekaaninen rasitus, jonka vaikutuksesta ne säätävät lävitsensä kulkevaa virtaa. Tämä omalaatuinen ohjausportti perustuu pietsotronisen vaikutuksen sähkövaraukseen, jota generoi Schottky-kontaktin rajapinta pietsosähköisesti kun nanolankaa rasitetaan mekaanisella voimalla. Tekniikka toimii vain materiaaleilla, joilla on sekä pietsosähköisiä että puolijohteisia ominaisuuksia.
Pienempiä omavoimaisia antureita
Michigan State Universityssä (MSU) on kehitetty omavoimaisia antureita, jotka voivat itsenäisesti aistia, käsitellä tietoa ja tallentaa kumulatiivista tilastoja venymämuutoksista, ilman akkuja.
Uudenlainen anturitekniikka perustuu löytöön erikoisesta yhteydestä flash-muistien fysiikan ja mekaanista rasitusta energiaksi muuntavien fyysisten laitteiden välillä.
Se johti pietsosähköisyyteen liittyvään innovaatioon (piezoelectricity-driven hot electron injection, p-IHEI). Sen myötä oman käyttöenergiansa kerääviä antureita voidaan radikaalisti pienentää.
Tekniikkaa markkinoidaan jo MSU Technologies Office kautta muodostetun Piezonix start-up yrityksen kautta.
Pehmeitä venymäliuskoja
Vuonna 2014 Purduen yliopiston tutkijat kehittivät tekniikan upottaa gallium-indium nesteseoslinjoja kumimaisen polymeerin sisälle ja muodostaa näin uudenlaisia venymäliuska-antureita.
Menetelmän avulla voidaan valmistaa joustavasta materiaalista ja sulametalleista joustavia rakenteita esimerkiksi robotiikkasovelluksiin, lääkinnällisiin laitteisiin ja kulutuselektroniikkaan.
Metallikalvoista valmistetut perinteiset venymäanturit eivät voi mitata yli yhden prosentin muodonmuutosta ennen murtumistaan. Pehmeä venymäanturi voisi mitata materiaalin venytystä sataan prosenttiin materiaalin venymästä.
Hengitysilman mittauksia CMOS-tekniikalla
Infrapunan säteet imeytyvät eri tavoin eri molekyyleihin, joten niitä voidaan käyttää analysoimaan nesteitä ja kaasuja.
Erilaisia sairauksia ja kehon tiloja, astmasta maksasairauteen voidaan diagnosoida ja seurata nopeasti ja kivuttomasti hengityksestä käyttämällä kaasun tunnistusta.
Cambridgen yliopiston spin-out Cambridge CMOS Sensorsin (CCMOSS) kehittämä herkkä ja edullinen infrapunarakenne pystyy tunnistamaan yli 35 biomarkkeria uloshengitysilmasta.
Typen, hapen ja hiilidioksidin lisäksi me hengitämme ulos tuhansia kemiallisia yhdisteitä jokaisella hengenvedolla. Useimmat hengitysilman analysoinnin testit tukeutuvat massaspektrometriaan tai lasereihin. Nämä menetelmät voivat havaita vain rajallisen määrän yhdisteitä.
CCMOSS:n kehittämä tekniikka käyttää laajakaistaista infrapunasäteilyä (2 -14 µm) tehdäkseen havaintoja mahdollisimman monenlaisista biomarkkereista yhdessä laitteessa. Laitteen mikrolämmittimet voidaan lämmittää 700 °C:een sekunnin murto-osassa, joka on riittävän korkea emittoimaan infrapunasäteilyä.
Germaniumia infrapunafotoniikkaan
Infrapuna on monen mittaustekniikan keskeinen tekijä mutta sen tuottaminen ja ilmaisu toteutetaan monenlaisin konstein.
Southamptonin yliopiston johtamassa tutkimushankkeessa on tavoitteena selvittää voitaisiinko germaniumia, ryhmä IV puolijohdetta käyttää materiaalina keski-infrapunan (mid-IR) fotoniikan piireissä ja antureissa.
Keski-IR ja ryhmä IV-fotoniikalla on useita tärkeitä sovellusalueita mutta toistaiseksi alan tutkimus on keskittynyt piipohjaisilla laitteilla lyhempiin aallonpituuksiin, koska piin etuina ovat saatavuus, edullisuus ja vakiintuneet valmistusprosessit sekä mahdollisuus fotoniikan ja elektroniikan integrointiin.
Kuitenkin piin läpinäkyvyys ulottuu vain kahdeksaan mikrometriin eikä näin ollen ole erityisen sopiva perusmateriaaliksi keski-infrapunan kaistalle (8-14 µm).
Mikrosirulle sopiva IR-laser
Tutkimuskeskus Jülichin ja Paul Scherrer Instituten tutkijoiden johdolla on puolestaan kehitelty ensimmäinen puolijohde, joka koostuu yksinomaan pääryhmän IV alkuaineista.
Tämän seurauksena germanium-tina (GeSn) -perustainen laser voidaan valmistaa suoraan piisirulle jolloin syntyy uusi perusta siirtää dataa mikropiireillä valon avulla.
Lisäksi sen käyttämä noin kolmen mikrometrin aallonpituus mahdollistaa uusia sovelluksia sillä monet hiiliyhdisteet, kuten kasvihuonekaasut tai biomolekyylit, osoittavat vahvoja absorptioviivoja tällä rajalla lähi- ja mid-infrapunan välissä.
Sovelluksina tulisivat kyseeseen kaasuanturit tai jopa kehoon implantoitavat sirut sovelluksiin, jotka voivat kerätä tietoa verensokerista tai muista parametreista spektroskooppisen analyysin avulla.
Edullisia orgaanisia antureita
Tokion yliopiston tutkijat kehittivät vuonna 2014 maailman ensimmäisen joustavan langattoman orgaaninen tunnistinjärjestelmän, jota voidaan käyttää vaikkapa kertakäyttöisenä anturina laastareissa ja vaipoissa.
Sen tehon- ja tiedonsiirto tapahtuu sähkömagneettisen resonanssikentän kautta. Polymeerikalvolle istutettu orgaaninen integroitu piiri rakentuu lohkoista, joista ensimmäinen tuottaa virtaa magneettisesta resonanssista ja orgaanisista diodeista muodostetusta tasasuuntaajapiiristä.
Toinen lohko on sijoitettu orgaaniseen rengasoskillaattoriin, jonka värähtelytaajuus muuttuu mittausresistanssin muutoksen mukaan. Kolmas lohko on ESD-suoja, joka käsittää orgaanista diodit, jotka suojaavat ihmiskehon staattisilta purkauksilta.
Elektroniset nenät ja kielet
Useista erilaisista antureista koostuvilla elektronisilla nenäjärjestelmillä haistellaan nykyään muun muassa taistelukaasuja ja hedelmien kypsyyttä.
Universitat Politčcnica de Valencia ja Valencia Rosendahl Torre Orian tukijat ovat puolestaan kehittäneet elektronisen kielen viinirypäleiden kypsyyden testaamiseen.
Uudenlaiset miniaturisoidut elektroniset "nenät" tarjoavat kiehtovia näkymiä, kuten uloshengitysilman analyysi ja ympäristön ilmanlaadun valvonta. Sellaisia tutkitaan toteuttavaksi muun muassa nanopalkkitekniikkaan perustuen.
Illinoisin Chicagon yliopiston tutkijat löysivät puolestaan tasomaisista grafeenikiteistä vikakohtia, joiden avulla he pystyivät tehostamaan kaasumolekyylien absorbtioherkkyyttä 300-kertaisesti ehjään rakenteeseen verrattuna.
Näin herkästä kemiallisesta anturista voisi luoda luotettavan ja vakaan "elektronisen nenän", joka saattaa havaita jopa yksittäisiä kaasumolekyylejä.
Kone haistaa paremmin kuin oikea nenä?
Manchesterin yliopiston ja italialaisen University of Barin tutkijat ovat keksineet tavan luoda antureita, jotka voivat mahdollistaa koneiden haistaa paremmin kuin ihmiset.
Jokaisella tuoksulla on oma erityinen malli, jonka nenämme pystyvät tunnistamaan. Käyttämällä proteiinien yhdistelmää, jotka on kytketty transistoreihin, koneet pystyvät ensimmäistä kertaa erottamaan hajuja, jotka ovat peilikuvia toisistaan.
Tutkimustyössä luotiin biosensori, joka hyödyntää hajusteita sitovia proteiineja. Sellaisia löytyy nenän limasta, jossa ne toimivat hajureseptorina. Ryhmä löysi tavan valmistaa näitä proteiineja sellaisia määriä, että niitä voitaisiin käyttää biosensoreissa.
Lisäksi he kehittivät menetelmiä muuttaa tapaa, jolla proteiinit reagoivat niin, että ne voivat tunnistaa erilaisia kemikaaleja. Käyttämällä transistorityyppiä, joka sisältää näitä proteiineja tutkijat pystyivät mittaamaan uniikkeja muutoksia kun proteiinit reagoivat eri hajuihin.
Ultravaloa tarkkaillen
Vuoden 2014 alussa Northwestern Universityn tutkijat esittelivät kehittämänsä kvanttihyötysuhteeltaan maailman tehokkaimman (89 %) ultravioletin (UV) valoilmaisimen.
Saavutukseen päästiin muokkaamalla alalla jo käytettyä vahvan alumiinikoostumuksen AlxGa1-xN -pohjaisista puolijohderakennetta. Sellaiset lämmönlähteet, kuten liekit, suihkumoottorit tai ohjuksen häntä säteilevät valoa spektrinsä UV-osalla ja ne voidaan helposti havaita alle 290 nanometrin aallonpituuksilla koska ei ole olemassa vastaavaa maanpäällistä taustaa.
Seuraavana vuonna University of Surrey Advanced Technology Instituten tutkijat muokkasivat sinkkioksidia ja tuottivat nanolankoja joista rakentuva ultravioletin valoilmaisin on 10000 kertaa herkempi UV-valolle kuin perinteinen sinkkioksidi-ilmaisin.
Nykyiset optiset savuanturit havaitsevat suurimpia savuhiukkasia, joita löytyy tiheästä savusta, mutta ne eivät ole yhtä herkkiä pienille savuhiukkasille joita esiintyy nopeassa tulipalossa.
Venytetty neste havaitsee säteilyä
Purduen yliopiston tutkijat ovat kehittäneet nesteen venyttelyyn perustuvan tekniikan, joka voi johtaa edullisempiin säteilyantureihin.
Tekniikassa nestettä venytetään femtometrien mittakaavassa niin paljon, että ydinhiukkaset vuorovaikuttavat ja luovat nesteistä vapaita alueita.
Tekniikkaan perustuvat anturit pystyvät osoittamaan myös säteilyn suunnan, joten käyttäjät saavat tietoa siitä mistä säteily on peräisin.
Perinteiset säteilyanturit ovat tarkoitettu suurille organisaatioille kuten, ydinvoimaloille eikä niinkään torjumaan ydinterrorismia tai käytettäväksi kodeissa tai pienyrityksissä.
Yliopisto on lisensoinut tekniikan kaupallistettavaksi startup-yhtiö Sagamore-Adams Laboratories LLC:lle.
Elektroneja laskien
Samassa Cambridgen laboratoriossa Yhdistyneessä kuningaskunnassa, jossa brittifyysikko JJ Thomson löysi elektronin 1897, eurooppalaiset tutkijat ovat nyt kehittäneet uuden ultra-herkän elektronien varauksen anturin, joka kykenee ilmaisemaan yksittäisten elektronien liikettä.
Rakenne voi havaita yhden elektronin sähkövarauksen alle mikrosekunnissa. Sovelluksina tällaiselle rakenteelle ovat esimerkiksi ultratarkat bioanturit, yksittäisen elektronin transistorit, molekyylipiirit ja kvanttitietokoneet.
Toukokuu 2015