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1、新型传感器进展摘要：详细阐述和分析了四种新型传感器生物传感器, 耐高温压力传感器、无线传感器网络、电流型气体传感器的研究进展。并对相应原理进行介绍，在工程应用中，选择传感器类型往往是一项复杂的问题。本文可为工程应用提供指导。关键词：生物传感器 耐高温压力传感器 无线传感器网络 电流型气体传感器1.前言传感器是多学科综合交叉的一门技术,在科学研究、工业生产乃至人们的生活中起着很重要的作用。目前，传感器的主要种类有生物传感器、耐高温压力传感器、无线传感器网络、电流型气体传感器等1-10。其中生物传感器主要以酶作为敏感材料,但是,由于酶的价格昂贵,且性能又不够稳定,所以,其应用受到一定的限制1-3。
2、近些年来,随着微生物固定化技术地不断发展, 各类新型生物传感器不断涌现,产生了微生物电极传感器。微生物电极以微生物活体作为分子识别敏感物质,能快速、准确地测量物理、化学和生物量, 在环境监测、医学研究、食品工业、发酵工业等方面得到广泛的应用4。目前,光纤生物传感器的应用也越来越广泛, 而且, 随着聚合酶链式反应(polyerase chain reaction, PCR) 技术的发展, 应用PCR 的DNA 生物传感器也越来越多。20 世纪80 年代初,新兴起一种表面等离子体共振( surface p lasmon resonce, SPR)技术将生物传感器的发展推向一个新的阶段。伴随着微机电
3、系统(MEMS)、处理器和存储技术的发展,生产出功耗低、体积小、低成本的微传感器节点已逐步实现。这些微传感器节点具备感知能力、无线通信能力以及计算能力5。无线传感器网络是由成百上千的传感器节点遍布在大规模而形成地域,它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术。网络中各个节点能够协作地进行实时监测、感知并采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息,并对这些信息进行处理,进而获得详尽而准确的信息, 然后传送给需要这些信息的用户,因此无线传感器网络受到了越来越多的关注7。气体传感器在生产生活中发挥了重要的作用,它将气体浓度信号转换成电信号直观显示出来, 在大气污染防治、生
4、产生活环境检测、医疗卫生等部门广泛应用。在工程应用中，选择传感器类型往往是一项复杂的问题。本文对目前主流的传感器进行主要内容进行介绍，为工程应用提供指导。2 生物传感器生物传感器是以固定化的生物成分( 酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等)或生物体本身(细胞、微生物、组织等)为敏感材料、与适当的化学换能器相结合产生的一种快速检测各种物理、化学和生物量的器件。它通过各种物理、化学换能器捕捉目标物与敏感材料之间的反应,然后,将反应的程度转变成电信号, 根据电信号推算出被测量的大小。在生物传感器研究领域内, 集纳米技术、生物技术和自组装方法于一体,实现具有高酶活性的三维有序组装制备生物传感器的报
5、道不多。从已有的一些报道来看, 加入纳米粒子后制备的生物传感器的灵敏度得到了很大提高5-6。响应时间的缩短, 检测的线性范围的增大, 都表明了生物传感器性能的提高。Morrin 等人基于可加工的传导聚苯胺纳米颗粒制成了生物传感器。国内外学者还对纳米颗粒增强葡萄糖氧化酶(GOD)生物传感器开展了大量研究。结果表明: 葡萄糖生物传感器具有选择性高、测试简便、快速的特点, 是检测葡萄糖浓度最常用的方法。人的血液和体液中含有许多干扰物质, 通过引入纳米颗粒, 还可以改善葡萄糖传感器抗干扰性能。2.1 电容式传感器电容式生物传感器(capacitive biosensor ，CBS) 是近年来出现的一类
6、新型生物传感器，其原理是基于检测电极表面因特性键合导致的介电特性变化。它不仅具有灵敏度高、结构简单、易于小型化等优点，而且能够采用目前已成熟的半导体微加工技术大批量制作。另外，它无需昂贵的放射性同位素、酶和荧光探针等标记试剂，可直接检测抗原、抗体、蛋白质、DNA 片段以及重金属离子。CBS 本质上属于电化学传感器的范畴，之所以称之为电容式传感器是因为传感器的电极表面通常要用化学或物理的方法涂覆一层绝缘物质，与传感器表面的生物识别层一起相当于电容器的介质。这种传感器基于多孔硅技术主要的先进性在于8, 11-14：（1）、信号转导物质（Si）可以很容易固化到系统当中（厚度从纳米级到微米级）；（2）
7、、传感器的组成部件具有很高的机械稳定性；（3）、因为其采用了微组装及半导体技术，使其容易小型化便于商业生产；（4）、相比于ISFETs(ion-sensitive field-effect transistors)不需要额外的钝化层。随着微加工工艺的日臻完善和生物识别物质的固定化技术与电容测量技术的不断发展，CBS 可望成为检测限最低、仪器最简单的一类传感器。相信在不远的将来，CBS 在病原体的确定、疾病快速诊断、疗效评价、有效药物筛选、法医鉴定以及中药材的真伪鉴别等方面将发挥重要作用。2.2光纤光栅生物传感器光纤生物传感器是利用化学方法检测固定于光纤表面的生物分子膜的变化。当待测物质与生物分
8、子膜反应时, 会使起辅助性作用的荧光指示剂( 或者辐射性指示剂) 发出荧光( 辐射) , 从而实现检测。它的缺点是需昂贵费时的辅助试剂。近年来, 研究人员发现可利用待测物质与分子膜结合引起的光纤瞬逝场区有效折射率的变化以实现检测。由此光纤光栅生物传感器迅速成为生物传感领域研究的热点之一。这是因为; 1) 光纤光栅是一种本征型光纤光学传感元件, 光栅周围环境的目的参量的微小变化都会引起波长的位移; 2)光纤光栅传感器已经在化学、电力、航天、医学、土木等领域里得到广泛的应用, 制作工艺比较成熟; 3) 光纤光栅具有亲生物活性、便于复用等适用于生物领域应用的优点。光纤光栅是利用掺杂光纤( 如锗、磷等
9、) 的光敏性, 即利用紫外光照射使光纤纤芯的折射率周期性变化形成空间相位光栅。光纤光栅的实质是在纤芯内形成一个窄带的( 透射或反射) 滤波器或反射镜。利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。这些器件具有反射带宽范围大、附加损耗小、体积小, 易与光纤耦合, 可与其它光器件兼容成一体, 不受环境尘埃影响等一系列优异性能。因此光纤光栅在光纤通信、传感和光信息处理等领域都有着广阔的应用。传感型光纤光栅主要分两大类: 一是FBG 光栅( 布拉格光栅, 也称为反射或短周期光栅) ; 二是LPG 光栅( 长周期光栅, 也称为透射光栅) 。它具有很多优点, 例如: 1) 抗电磁干扰: 2) 具有很好的亲生
10、物活性; 3) 可在高腐蚀性、高温等恶劣条件下使用: 3) 便于复用, 实现准分布式检测: 因此光纤光栅是一种很适合于生物领域的传感器。图1 是光纤光栅的基本结构图。图1光栅结构图近年光纤光栅生物传感器的研究工作不仅可以促进本身的发展, 还可以促进相关领域研究工作的发展, 如: 1) 光纤光栅传感器的新型结构, 如Athanasios N. Chryssis 等人提出刻蚀纤芯法的光纤光栅最早应用在生物领域, 也可用于化工、坏境、医学等领域; 2) 可固定于光纤表面的生物活性膜的研究, 既有利于光纤光栅对折射率检测的高灵敏性以及实现生物膜固定过程的在线监控, 又可促进生物活性膜的研究; 反过来,
11、 生物活性膜的研究也会进一步促进光纤光栅生物传感器的研究工作; 3) 光纤光栅传感应用研究会促进相关学科的发展, 例如, 抗原抗体生物传感器可以应用在临床诊断、医学科研领域, DNA 生物传感器可以应用在环境监控如检测污染物和其它环境有害物质等测检。利用光纤光栅生物传感器的小尺寸、便于复用、耐腐蚀、可重复等特性还可以实现DNA阵列传感器等, 以满足将来医疗诊断、基因研究、新药研制、环境监测、食品安全等方面的需求。所以光纤光栅生物传感器预计会有一个很好的发展前景15。2.3光学生物传感器光学生物传感器利用被测物质与探测试剂反应后引发的光信号作为探测基础, 一般由传感层(B io log ieal
12、 reeog n itionlay er )、光信号转换(T ran sd ueer )与放大处理(A m plifieatio n )3个功能模块组成, 如图1 所示。传感层是对被测定物质具有高选择性识别能力的“ 感受器” , 它是光学生物传感器的核心部件, 其作用是提取与各种被测定生物量有关的光信息。一个优良的传感层应该具有较高的灵敏度, 较好的选择性, 较快的响应速度和良好的稳定性以及较长的寿命。此外, 它与待测物质的传感反应还应该是可逆的, 某些不可逆的传感层也有应用, 通常称为“ 探针”( pr obe).图2 光学生物传感器的结构传感层的探测基础是生物体的识别反应。生物识别是生物体
13、之间的一种独特功能, 具有生物识别能力的物质称为生物功能物质。如葡萄糖氧化酶能从多种糖分子的混合物中识别出葡萄糖并迅速使它催化氧化, 这种葡萄糖酶即为生物功能物质。迄今已经发现的生物功能物质有酶、核酸、抗原或抗体、结合蛋白质、植物凝血素和激素受体等。生物体之间的识别反应分为催化型(Bi ocata lyt ic )和亲和型(Bi oa fi n it y )两类。前者利用酶对被分析物识别的高度专一性和对生化反应的高效催化性, 由于识别反应涉及复杂的光化学过程, 测试时需要检测整个反应动力学过程的总效应, 因此影响因素较多, 稳定性不高, 反应条件也难以控制, 重现性差;后者则是利用了生物体之间
14、(如抗原一抗体、配体一受体) 的特异亲和性, 识别反应的结果是生成一个稳定的配合物, 测试时检测的是热力学平衡的结果, 稳定性较高, 检测机制也灵活多样, 是生物传感器发展的方向。经过多年的发展, 每种光学生物传感器都形成了各自独有的特色, 同时也都存在一些尚未解决的问题。目前商品化的产品大多是光激发源无标记结构阶, 但这些传感器的经济成本相对较高, 灵敏度与间接型传感器相比也有一定差距。有标记物的各种间接型传感器虽然可以获得高的测试灵敏度, 但是其稳定性普遍较差, 严重制约了其实用化的步伐。因此进一步完善生物功能物质的固定化技术、开发新型荧光标记材料等对光学生物传感器的研制和推广具有十分重要
15、的意义16。纵观光学生物传感器的发展历程, 微型化、集成化、智能化将是其今后发展的必然趋势, 随着传感器的结构改进和功能完善, 它在生产、生活以及研究等领域的作用也将日益突现, 如近年来基于生物传感器发展起来的生物芯片技术在应用中已经取得巨大成功。目前, 材料科学、光学技术以及计算机技术等支撑学科的相关研究工作已逐步展开, 如新型无机荧光材料的开发及其在生物标记方面的应用已经吸引大量的材料科学家, 并且取得了长足的进步, 这为光致荧光生物传感器的发展莫定了坚实的基础。总之, 光学生物传感器横跨多个学科, 它的研究与应用必将带动相关学科共同进步, 具有很大的实际意义和发展前景。2.4 微腔光学晶
16、体生物传感器PS是纳米多孔微阵列构成的薄膜结构, PSM是在PS基础上发展起来的,由一系列不同孔隙率的PS层交替排列组成,由于PS的折射率n依赖于孔隙率,将薄膜光学中干涉滤光片的原理应用于PS多层膜结构中, 即可设计出PSM。PSM为一种特殊的功能材料,具有三明治结构,主要由2个分布布拉格反射镜( distributed Bragg relector,DBR)和位于中心的光学微腔( op tical microcavity,MC)构成。其中, DBR是由2种不同孔隙率的单晶硅刻蚀层交替排列组成,其单晶硅刻蚀层的PS微结构为纳米孔状结构。结合目前研究的PS与PSM材料结构来看, PS与PSM用于传感器主要基于以下几点: 1)材料为孔状结构,具有大的比表面积; 2)材料是一种敏感的光学半导体结构,对渗入的生物试剂非常敏感,微量的变化即会导致其光致发光、反射系数或电导率的变化; 3)材料是一种多孔渗透结
