（生物医学工程专业论文）具有类脑信息处理功能的人工味觉系统研究.pdf

浙江大学博士学位论文a b s u a c t a b s t r a c t m i m i c k i n gh u m a ng u s t a t o r ys y s t e m ，a r t i f i c i a lt a s t es y s t e m sb a s e do ra r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c ea t t r a c tal o to fi n t e r e s t so fs c i e n t i s t sa l lo v e rt h ew o r l d ，a n dh a v ea l r e a d y b e e na p p l i e do nf o o d , d m ga n do t h e ri n d u s t r k s i nt h i st h e s i s , b a s e do nt h es d u t yo f s o m en o v e lt e c h n i q u e sf o rs o i i s o rm a n u f a c t u r ea n dab i o n i cm o d e lf o ri n f o r m a t i o n p r o c e s s ，a l lo r i g i n a la r t i f i c i a lt a s t es y s t c mm i m i c k i n gt h ei n f o r m a t i o np r o c e s s i n g p r o c e d u r eo fb i o 】o g i c a li i c r v es y s t e m sh a sb e e nd e s i g e d s m d y i n gc o n d u c t i n gp o l y m e ra n dc a r b o nn a n o t u h e s w h i c ha r eh o t l yr e s e a r c h e d f u n c t i o n a lm a t e r i a l , f o rb e l 0 8 0 yf a b r i c a t i o n , d e s i g n e da h y d r o g e np e r o x 甜e b i e s e n s o rm o d i f i e db yp o l y p y r r o l ua n dag l u c o s eb i o s e m o rm o d i f i e db ya u b o n n a n o t u b e s t h e ya r eb o l hb ；i s c do ns c r e e n - p r i n t e dc a l b o np a s t ee l e c t m d e s t o m a n u f a c t m et h eh y d r o g e np e r o x i d eb i o s e m o r , p o l y p y r r o k 缸e s e dt ot r a ph y d r o g e n p e r o x i d a s ed u r i n gt h ee l c e t m p o l y m e r i z a t i o n , w h e r ep o l y p y r r o l ef u n c t i o n sa sc a r r i e rt o i m m o b h i z ee n z y m ew i t h i nt h em a t r i xw h e nm o d i f yt h ec a r b o ne k c t r o d e s t h i s o n e s t e pm e t h o d , w h i c hi se a s ya n dc o n t r o l l a b l ei no p e r a t i o n , r e a l i z e st h ee n z y m e i m m o b i l i z a t i o na n de l e c t r o d em o d i f i c a t i o n s i m u l t a n e o u s l y s t u d y i n g o nc a r b o n n a n o t u b e s ，g l u c o s eb i o s e n s o r sb a s e do us c r e e n - p r i n t e dc a r b o np a s t ee l e c t r o d e s m o d i f i e db yc a r b o nn a n o t u b e sa r ef a b r i c a t e d c o m p a r i s o ne x p e r i m e n t a lr e g t t h ss h o w t h a tt h es e n s i t 押r ya n dr e s p o n s er a t eo ft h es e u s o i sa r ei m p r o v e db yt h ec a r b o n n a n o t u h em o d i f i c a t i o n f u r t h e r m o r e ，t h e p o s s i b l e m e c h a n i s mh o wt h ec a r b o n n a n o t u b e sw o r ki sd i s c u s s e d f o ri n f o r m a t i o np r o c e 娼ab i o n i cn e e r a lm o d e lb a s e do um m i l l a f i a no l f a c t i o n s t r u c t u r ei ss t u d i e da n da p p l i e dt op a t t e r nr e c o g n i t i o n ar e a s o n a b l ep c r 自o l m a n e si s o b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h es i m i l a r i t yb e t w e e ng u s t a t o r ys y s t e ma n do l f a c t o r ys y s t e m , ao l f a c t o r ym o d e l ，w h i c he n t i t l e dk i l l ，i si n t r o d u c e dt op r o c e s si n f o r m a t i o ni nt h e a r t i f i c i a lt a s t es y s t e m p r o c e s s i n gi n f o r m a t i o nn o n l i n e a r i l yd y n a m i c a l l y , t h ek i i i n e t w o r k sc o n d u c td a t at r a n s f o r m a t i o n , s i g n a lp r o c e s s i n ga n dl e a r n i n gi naw a ym u c h c i o 辩rt op h y s i o l o g i c a lp r o c e d u r e st h a na l lo t h e ra l g o r i t h m s t ot a k ej u i c er e c o g n i t i o n a sa ne x a m p l e ，t h ea r t i f i c a lt a s t es y s t e mb a s e do hk i l lm o d e le x h i b i t sab e t t e r g u s t a t o r yr e c o g n i t i o nc a p a b i l i t yi nc o m p a r i s o nw i t ht h o s eb a s e do ns o 鹏o t h e rp a t t e r n r e c o g n i t i o na l g o r i t h m s ，s u c ha sa n da r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s 浙扛大学博士论文 k e y w o r d s a r t i f i c a lt a s t es y s t e m ；e l e c t r o n i ct o n g u e ；b i o s e n s o r ；c o n d u c t i v ep o l y m e r ； c a r b o nn a n o t u b e s ；ks e tm o d e l ；c h a o t i cn e u r a ln e t w o r k 浙江大学博士学位论文雷衰索弓 图表索引 插图 图1 1 人类味觉系统结构图一2 图1 2 人工味觉系统框图3 图1 3 模式识别系统及其主要功能单元8 图2 1 常见共轭聚合物的分子结构1 8 图2 2 导电聚合物酶传感器工作原理示意图龙 圈2 3 三电极丝网印刷电极的结构示意图3 1 图2 4 恒电位聚合毗咯过程，聚合电流时间曲线一3 3 图2 5 恒电流聚合吡咯过程。聚合电压时问曲线：一3 3 图2 6 聚合电压对传感器响应电流的影响3 4 图2 7 吡咯浓度对传感器响应电流的影响3 5 图2 8 聚合电量对传感器响应电流的影响一3 6 图2 9 高氯酸锂浓度对传赌嚣响应电流的影响3 7 图2 1 0 辣根过氧化物酶浓度对传感器响应电流的影响3 7 图2 1 1 电极的循环扫描曲线勰 圈2 1 2 过氧化氢传感器对1m m 过氧化氢溶液的时间电流曲线- 3 9 图2 1 3 过氧化氢传感器对务浓度过氧化氢溶液的时间电流曲线一4 0 图2 1 4p h 值传感器响应电流的影响4 1 图2 。1 5 过氧化氢传感器校准曲线一4 2 图3 1 碳纳米管结构示意图轫 图3 , 2 两电极丝网印刷碳糊电极结构示意图5 9 图3 3 铁氰化钾浓度对电极响应的影响 浙扛大学博士学位论文图表索引 图3 4 碳纳米管浓度对电极响应的影响6 l 图3 5 有无碳纳米管修饰电极的电流响应曲线6 2 图3 6 有碳纳米管修饰和无修饰电极的电流一浓度校正曲线一6 4 图4 1 大鼠舌部、味乳头和味蕾生理结构图硝 图4 2 舌部味蕾和神经分布图6 9 图4 3 味觉神经传导通路7 i 0 图4 4 嗅觉系统的解剖结构，7 l 图4 5 嗅觉系统的简化结构图7 3 图4 6 味觉系统框图7 6 图4 7q 函数及其导函数的图形7 9 图4 8k o 模型的拓扑结构 图4 9k 0 单元及其脉冲响应8 l 图4 1 0 两个兴奋性的k 0 组成的模型及其脉冲响应曲线8 1 图4 1 1 一个兴奋性和一个抑制性的k 0 组成的模型8 2 图4 1 2k l l 模型的拓扑结构。8 3 图4 1 3k i i 模型的响应性质8 4 图4 1 4 不同连接权对k i i 模型状态输出的影响一8 5 图4 1 5 由k 单元形成的k i i 网络8 6 图4 1 6 嗅觉神经系统的拓扑结构图8 7 图4 1 7k i i i 模型的拓扑结构图黯 图4 1 8 没有外加刺激时k i i i 模型模拟输出，9 3 图4 1 9 没有外加刺激时k i i i 模型的功率谱图9 4 图4 2 0 没有外加刺激时k i i i 模型的振荡幅度统计9 4 图4 , 2 1 加入幅度1 的刺激时k i i i 模型模拟输出9 5 v 浙扛大学博士学位论文圈袭索弓 图4 2 2 加入刺激时k i i i 模型的g 2 和e 1 节点的功率谱分析9 6 图4 2 3 没有外部刺激( 左) 和加入外部刺激( 右) 时k i i i 网络的相图9 7 图4 2 4k i i i 模型在不同初值情况下的模型输出蟠 图4 2 5 人脸识别的流程框图1 0 2 图4 2 6 人脸特征向量1 0 3 图4 2 7 通过d c r 的人脸图像对比过程1 0 4 图4 2 8s v d 的能量分布一1 0 4 图5 1 具有类脑信息处理功能的人工味觉系统框图1 0 7 图5 2 预扫描阶跃电压曲线1 0 9 图5 3 阶跃电势扫描曲线1 1 0 图5 4 铂电极响应电流。1 1 0 图5 5 纯澄汁a 的葡萄糖传感器响应电流。1 1 1 图5 6 金、铂、玻碳电极响应电流曲线汇总圈。1 1 3 图5 7 响应电流归一化后的数据l “ 图5 81 4 种橙汁样本的f c a 分布图1 1 5 图5 9b p 神经网络结构图1 1 8 表格 表l 1 五种基本味觉1 2 表2 1 各种聚合物酶传感器2 5 表2 2 过氧化氢传感器对各浓度过氧化氢的响应电流4 2 表3 1 粒子的大小与表面原子数的关系婀 表4 1 对于o r l 数据库的平均识别正确率。1 0 5 表4 2k i l l 模型与其他算法的比较1 0 5 表5 1 各类果汁葡萄糖浓度1 1 2 v i 新扛大学博士学位论文 图表素弓 表5 2 三类橙汁识别错误率1 1 6 表5 3 两类橙汁识别错误率1 1 6 表5 4 对6 类不同橙汁含量的饮料的识别错误率1 1 7 表5 5 对6 类不同橙汁含量的饮料3 天扫描数据分析1 1 7 v n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘望盘鲎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：星甬 签字日期： 7 年f 月7 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝主三盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盘姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在鳃密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 互萄 签字r 期：胖否月 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 寻师签名：荐吼 签字日期：沙7 年月7r 多撕必媸髓荨弘讶 t 仁 电话： 邮编：3 f 1 7 第1 章绪论 1 1 引言 人生活在一个丰富多彩的世界里，几乎每时每刻都会感受到多种刺激，从而 产生许多感觉( s e n s e ) 然而在现实生话中几乎没有绝对孤立的感觉，人们很少 只把握某一个事物的单一属性，而总是要通过整合感觉器官所得到的相关事物的 各个属性加以综合理解。只有这样才能真正把握这事物。例如：当人们认识一 个苹果时，既观察到它的形状、颜色，也感受到它的味道、口感等特性，把这些 方面的感觉信息整合起来，才构成对苹果的基本认识。这个信息整合过程就是知 觉( p e r c e p t i o n ) 。 知觉与感觉都是对客观事物的反映形式，但知觉与感觉是两种不同的神经信 息处理过程：1 、感觉是对事物个别属性的反映，比如我们听到的某种声音、看 到的某种颜色、闻到的某种气味，声音、颜色、气味都是物体的个别属性，这些 属性之阔是没有联系的，并且是单一感觉器官活动的结采。知觉不一样，它是在 获得感觉的基础上，对感觉到的信息进行一定的组织加工，把感觉信息整合、组 织起来，形成一个稳定完整的整体印象。它是多种器官联合活动的结果。2 ，感 觉只取决于刺激的物理特性，相同的刺激会引起相同的感觉；知觉则受过去经验 的影响，对同一刺激不同的人有不同的知觉。 传感技术发展到今天，科学家已经不满足于研究仅能感觉客观世界的传感器 系统，而是提出了具有人工智能的智能检测系统，它不仅可以检测客观世界，更 可以在感觉的基础上形成类似于人类的知觉功能。目前人工智能检测在模拟人类 视觉、听觉、嗅觉、味觉等感知系统方面都进行了较深入的研究。尤其在视觉和 听觉方面开展了很多实际应用，诸如：机器视觉、指纹识别、人脸识别、语音识 别、掌纹识别等。 味觉是人类五种基本感觉系统之一，是指食物在人的口腔内对味觉器官化学 感受系统的刺激并产生的一种感觉。人类的味觉感受首先从呈味物质刺激口腔内 的昧觉感受体开始，然后通过一个收集和传递信息的神经感觉系统传导到大脑的 味觉中枢，最后通过大脑的综合神经中枢的分析，从而产生味觉。 味觉检测主要应用在食品生产领域，现行的主要方法是靠专业技术人员进行 味觉评定。其评定结果包含了人为因素，由于品评人员个体、性别及阅历等生理 浙江大学博士学位论文：具有类脑信息处理功能的人工味觉系统研究 和心理的差异，对客观、真实的味觉感受表达存在着很大的制约性。难以满足食 品工业大批量、自动化生产的需求。构建不依赖于生物味觉的客观感受系统一人 工智能味觉系统是一项有意义而紧迫的工作。由于学科背景、技术出发点以及应 用目的的不同，人工智能味觉系统又被称为电子舌( e l e c t r o n i c t o n g u e ) 、仿生舌 ( m i m i ct o n g u e ) 以及味觉传感器( t a s t es e n s o r ) 等多个名称。 1 2 研究背景 味觉是味觉感受器受到溶解性化学物质刺激后，细胞层面的兴奋信号传导到 脑区味觉中枢，经过复杂知觉整合引起的一类感觉 1 】。 图1 1 人类味觉系统结构图。( a ) 舌和舌上的味蕾分布；( b ) 味觉系统神经 结构，包括舌、传入神经、孤束核、丘脑、味觉中枢。 图1 1 显示了人类味觉系统结构。分布在舌上的味蕾首先感受到里味物质的 刺激，感受器信号由传入神经经孤束核、丘脑传入味觉中枢，在这里汇合其它感 觉信息如嗅觉、触觉信息，产生味觉。 虽然目前生物味觉感受的分子细胞生物学原理还没有被完全揭示，但模拟生 物的味觉感知基本原理，利用味觉传感器采集溶液的复杂响应信号，使用计算机 进行数据处理和模式识别等智能算法辨识及表达味感，一直是现代科学技术的追 求。人工昧觉系统模仿生物味觉系统结构，包括传感器和信息处理两大部分，人 工味觉系统框图的如图1 2 所示。人工味觉检测是一门涉及电子、计算机科学和 2 绪论 神经科学等多个学科的交叉领域，其中传感器技术和模式识别技术是其两大基 础。 传勰”儒融睫、 铴理俦圭成分 感机理 分析 化举傣人工神经 f 粥懒b基机理划信号粥嶝b 两络 生物俦 l 棚暇别“ 臻机理 k 图1 2 人工味觉系统框图 下面将详细介绍人工味觉系统中使用的传感器和信息处理技术。 薹0 1 人工味觉系统常用传痨器 能够把特定的被测量信息( 如物理量，化学量、生物量等) 按一定规律转换 成某种可用信号的器件或装置，称为传感器。传感器是生物体感官的工程模拟物： 反过来，生物体的感官则可以看作是天然的传感器【2 】。 所谓“可用信号”，是指便于传输、便于处理的信号；就目前而言，电信号 最能满足便于传输、便于处理的要求。因此，也可以把传感器狭义地定义为：能 把外界非电量信息转换成电信号输出的器件或装置。目前只要谈到传感器，指的 几乎都是以电信号为输出的传感器【2 】。 现已发展起来的传感器用途纷繁、原理各异、形式多样，其分类方法也有多 种，其中有两种分类法最为常用。一是按外界输人信号转换至电信号过程中所利 用的效应来分类：如利用物理效应进行转换的为物理传感器；利用化学反应进行 转换的为化学传感器；利用生物效应进行转换的为生物传感器等。二是按输入量 分类：比如，输入信号是用来表征压力大小的，就称为压力传感器。这种分类法 可将传感器分为位移( 线位移和角位移) 、速度、角速度、力矩、压力、流速、 液面、温度、湿度、光、热、电压、电流、气体成分、浓度和粘度传感器等【2 l 。 味觉传感器的目的是以类似人类的味觉感受方式检测出味觉物质。在味觉检 测过程中，重点并不在于精确地分析出各组分的含量，而是要把涉及到成分相互 3 浙旺大学博士学位论文：具有类脑信息处理功能的人工味觉系统研究 作用的内在信息翻译成诸如味觉强度和质量之类的概念【3 】。在过去几十年里， 各国学者研究开发出多种基于不同原理的味觉感受器。目前，比较常见的味觉传 感器有化学传感器、物理传感器和生物传感器等。 1 2 1 1 化学传感机理 化学传感机理是对各种化学物质敏感并将其浓度转换为电信号。由于人体的 味觉和嗅觉感受器大多都属于化学传感器，所以在人工味觉系统中，化学传感器 占了大部分。目前用到的化学传感器按照分析方法可以分为电位分析传感器、伏 安分析传感器等。 1 ) 电位分析传感器 电位分析法是电化学分析方法之一，是根据电极电位的变化给出样品溶液中 被测组分含量的方法，它的理论基础是n e r n s t 方程。在电位分析法中，离子选 择性电极得到了广泛的使用。离子选择性电极也被称为膜电极，它们是由对某一 种离子具有不同程度的选择性响应的膜所构成。膜的一边与被测离子的溶液相接 触，膜的另一边则是离子活度一定的溶液。应用非常广泛的p h 玻璃电极就是最 早被应用的薄膜电极，电极膜是对氢离子有响应的玻璃膜。近年来，在离子选择 性薄膜研究方面发展很快，这些薄膜成为很有实际应用价值的离子选择性电极的 基础。 这些膜可由不同的材料制成，能对样品中各种不同类型的化学物质提供足够 的选择性。然而，它对非电解质和弱电解质物质( 如大多数甜味物质和一些苦味 物质) 不敏感，但可以通过使用单分子膜( 如l a n g m u i r - b l o d g e t t 膜、含硫醇类 的脂膜) 得以改进。如日本九洲大学的k i y o s h i t 0 1 【o 等【3 ，4 1 设计的多通道类脂膜 味觉传感器能鉴别啤酒、日本米酒、牛乳等多种食品；采用硫属化合物玻璃材料 制成的传感器配以p v c 膜，可用于检测饮料。这种类型的传感器有的已经商业 化用于自动的味感系统，并证实有着广泛的用途。 膜电位分析的传感器的主要特点是：操作简便、快速，能在有色或混浊试液 中进行分析，适用于酒类检测系统。因为膜电极直接给出的是电位信号，较易实 现连续测定与自动检测。其最大的优点是选择性高，缺点是检测的范围受到限制， 如某些膜只能对特定的离子和成分有响应。另外，这种感应器对电子元件的噪声 敏感，因此对电子设备和检测仪器有较高的要求。 2 ) 伏安法传感器 伏安分析法是指以被分析溶液中电极的电压电流行为为基础的一类电化学 分析方法。与电位分析法不同，伏安分析法是在一定的电位下对体系电流的测量。 伏安分析法包括两大类：电势控制法和电流控制法。根据电势施加方式和电流采 样方式的不同，电势控制法又可以分为电势阶跃法、电势扫描法、极谱法和脉冲 伏安法。 伏安法传感器的灵敏度高，并且由于被测溶液中几乎所有的组分在外加电压 下都会产生电流，因此相对于离子选择性电极，伏安法传感器获得的是广谱的溶 液信息，这些丰富的信息正好适合后级的信号处理单元从中提取出味觉信息。另 外，还可以通过使用不同金属材料制成的工作电极进一步丰富得到的信息。如 w m q u i s t 等人使用6 种金属( 金、铱、铂、钯、镰和铑) 分别制成工作电极，对 其施以脉冲电压，可以用来鉴别不同的果汁和牛乳。这种味觉传感器的优点是具 有很高的灵敏度，适应性强，操作简单，同时还可以选用不同的电压( 如周期性、 宣流或脉冲) 以获得足够的信息。 1 2 1 2 物理传感机理 由于味觉系统的分析对象是溶液，所以大多数味觉传感器采用的都是化学分 析方法。但是近年来，一些具有特殊性质的物理传感技术也被使用在味觉识别上。 通过物理方法产生数据信号获得味觉表达的方式目前还不是很多，实验的方法也 还不成熟，但物理方法具有高重现性和长期稳定性的特点。目前应用的物理味觉 传感器主要有表面等离子共振( s u r f a c ep l a s m o nr c n a n ，s p r ) 、光吸收法、表 面声波传感器等振动传感器和光学传感器。其信号只是从某一个方面来显示味觉 信息，更多的是对溶液的物理信号的表征。 1 ) 表面等离子共振传感器 表面等离子共振技术是一项用于分析生物大分子之间的相互作用的技术，它 5 浙江大学博士学位论文：具有类脑信息她理功能的人工睬篮系统研究 可以定性的判断两分子之间是否有相互作用，比较一种分子与其他几种分子之间 相互作用的强弱。也可以实时定量的测定分子间相互作用的亲和力参数( 平衡常 数) 和动力学参数( 速率常数) ，甚至热力学参数( 反应的焓) 。该技术是利用了 物理光学的原理，在研究两分子相互作用时，将一种分子固定在传感片表面。而 另一种分子的溶液流过其表面，两种分子的结合会使传感片表面的折射率改变， 因此检测两分子问的相互作用。1 9 8 3 年，瑞典l i n k o p i n g 理工学院应用物理 实验室l i e d b e r g 等人首先把它用于i g g 与其抗原相互作用的检测【5 】，并由 b i a c o r e 公司开发出s p r 传感器。此后s p r 传感器的研究与改进迅速发展，其 在生物医学中的应用也日益广泛。 2 ) 光学传感器 光学传感器在味觉检测上的应用主要有光寻址电位传感器。光寻址电位传感 器 聚对荤e 牌， 囊芴( 孵) 图2 1 常见共轭聚合物的分子结构 1 1 聚毗咯 目前研究最多的是聚吡咯( p p y ) 。在硫酸溶液中吡咯单体可以很容易的通过 导电聚合物惨怖的过氯化氢传感嚣研究 电化学方法聚合在铂电极上。但是不溶于有些有机溶液是使聚毗咯广泛应用的一 个障碍。吡咯单体( p y ) 是一种c 、n 五元杂环分子，在电场或氧化剂( 如：双 氧水、氯化铁和高氯酸锂等) 的作用下可以被氧化，进而发生聚合反应生成高分 子聚合物。聚吡咯的合成机制是：首先单体失去一个电子而被氧化为正性蹶子团。 接下来就是正性原子团的二聚、三聚直至生成聚合度为n 的链状分子。在这 一系列反应中，二聚反应是控制步骤由于正性原子团问的静电斥力的存在，必 须借助支撑电解液中的掺杂阴离子在其之间起到“桥梁”作用，使得齐聚反应以 较快的速度发生，并且在聚合过程中阴离子按固定的比倒以电荷补偿的方式同聚 合物主链相连接，最终得到聚吡咯 2 6 1 。聚吡咯具有较高的电子电导率、良好的 环境稳定性以及优异的机械性能 2 7 1 。 2 聚苯胺 聚苯胺( p a n ) 早在1 8 6 2 年被h l e t h e b y 发现。聚苯胺大分子链是由苯二 胺和琨二亚胺组成的，掺杂后的导电性能更好【冽。它可以通过电化学合成法和 化学合成法制备，具有合成简便、耐高温、抗氧化能性能秘环境稳定性能好，并 兼有可逆氧化还原反应的特性 2 9 1 。 3 1 聚噻吩 聚噻吩及其衍生物也可用化学或电化学等方法制得，并用这两种方法使其掺 杂导电【3 0 】。烷基取代聚噻吩被认为是主链堆积呈层状排列而烷基侧链互相交错 类似于“梳子”的结构。掺杂和温度会影响侧链的运动并对主链的构象造成很大 影响。掺杂过程导致噻吩环中的硫和碳原子发生极化，而加热又使高分子链回复 到类似于单体的结构状态0 1 1 导电聚合物的突出优点是既具有金属和无机半导体的电学和光学特性，又具 有有机聚合物柔韧的机械性能和可加工性，还具有电化学氧化还原活性这些特 点决定了导电聚合物材料在生物传感器研究领域发挥重要作用。 2 1 2 导电聚合物酶固定化技术 2 1 2 1 电化学酶传感器 电化学酶传感器是生物传感器领域中最重要、研究最多，且最灵敏的一种类 型。它基于酶化学反应( 2 1 ) 【3 2 和异相电子转移反应( 2 2 ) ，( 譬p 、e o x 、 浙扛大学博士学位论文具有类脑信息处理功能的人工味觉系统研究 e r e d 分别为反应物，产物、氧化态酶及还原态酶) ，在一定电势的情况下，电流 随反应过程有一定响应的原理。 只+ e o x 一p + f r e d ( z 1 ) g r e d - f o x 4 t i e 一 ( 2 。2 ) 1 9 6 2 年c l a r k 等【3 3 】研制的葡萄糖酶电极用于葡萄糖的测定就是基于这一原 理，这是世界上第一个电流型生物生物传感器。一个优良的酶传感器的主要性能 体现在灵敏度，选择性和重复性上。要满足：1 ) 固定的酶保持良好的生物活性， 且固定化层有良好的稳定性及耐用性，保持酶的高度选择性；2 ) 保证快的响应 时间及高的灵敏度，尽量减少其他活性物质的干扰。因此对于电流型酶传感器韵 研究，酶电极的制备是最关键的。 2 1 2 2 酶的固定化技术 酶固定或附着在转换器即电极上雨构成所谓的酶电极，是一种化学修饰电 极。因此，同常规固定化酶相比，电极上酶的固定化具有这样一些特征：1 ) 固 定化酶是与电极紧密接触的；2 ) 通过适当地控制固定化酶的微环境( 即通过化 学修饰电极表面) 可获得很多要求的性质，如增加的稳定性、高灵敏度、快速的 响应、高取样速率等；3 ) 固定酶的电极的尺寸、形状和表面性能方面具有较大 的灵活性：4 ) 防止溶液中其他物质的干扰和对电极表面的玷污等。 因此，酶电极制备的关键技术就是酶的固定化，即在电极表面覆盖一层敏感 膜。膜的厚度、致密性、均匀度与分子排列的有序性等因素对酶电极的性能也有 一定的影响。目前，固定方法很多，常用的有吸附法、组合法、交联法、共价键 合法、包埋法等等。 幻吸附法 吸附法即将含有酶的溶液滴在电极表面，溶剂自然挥发干，通过物理吸附作 用固定酶。此法简单，操作条件温和，但由于生物分子与固体表面结合力弱，易 泄漏或解脱，稳定性差，目前较少使用 组合法 组合法是酶和电极材料简单地混合以制备固定化酶电极的一种方法。典型的 是酶碳糊电极，另一种是用有机导电盐做电极材料与酶混合制得的酶电极。这种 固定方法制作简单，电极表面可更新，缺点是电极表面不均匀，重复性差，用酶 导电聚合物售怖的过氧化氢传摩嚣研究 量大。 订交联法 通过采用双功能团试剂如戊二醛等，在酶分子之间、酶分子与凝胶聚合物 之问交联形成网状结构而使酶固定化的一种方法。常见的是用牛血清、戊二醛溶 液和酶混合后涂于电极上制成酶电极。由于交联剂对酶有一定的破坏，现在较少 单独使用，经常与其他方法结合使用。 d 1 共价键合法 共价键合法实际上是一种表面修饰，基质可以是转换器即电极本身或另外一 种能够在其操作中沉积到电极表面的聚合物材料，即通过共价键将酶直接结合到 电极表面。如马来酸酐共聚物，甲基丙烯酸酸酐共聚物及其衍生物，或其他带 有硼，n h 2 ，- s h ，c o o h 等功能基团的聚合物材料以薄层的形式沉积列整个 电极上。逶过单体或其衍生物共聚合，或者通过与预聚物直接反应，可以将功能 性基团加到聚合物上，酶通过氮基酸残基进行结合。共价键合法的优点是酶结合 的牢固，稳定性好。酶固定的稳定性与其他方法相比是最好的。但如果共价键在 生物分子的活性部位键合。或反应条件苛刻，都会使生物分子的活性降低 c ) 凝胶聚合物包埋法 包埋法实际上是酶在凝胶聚合物基体中的物理保留。人们已经对许多种聚 合物作为捕集酶的基质进行了全面的研究，如明胶、环糊精、聚毗咯、聚苯胺、 聚氯乙烯、聚丙烯氟、聚乙烯噩胺及其他许多聚合物以及胶体，利用他们的单体 聚合时将酶一起包埋其中。此法的优点是：a 可采用温和的实验条件及多种凝 胶聚合物；b 大部分酶可以很容易地掺入聚合物膜中，一般不产生化学修饰； c 由于没有化学变化，对酶活性影响较小；d 膜的孔径和几何形状较易控制e 包 埋的酶比较牢固，并可结合其他固定化方法如共价键合和交联进一步改进包埋的 稳定性：f 可固定高浓度的活性生物组分等。 2 1 2 3 基于导电聚合物的酶固定化 导电聚合物酶传感器主要以导电聚合物为载体或包覆材料固定酶，并以此作 为敏感元件，再与适当的信号转换和检测装置结合而成的器件。其基本组成和工 作原理如图2 2 所示。 新旺大学博士学位论文：具有类脑信息处理功能的人工味觉系统研究 图2 2 导电聚合物酶传感器工作鳆理示意图 导电聚合物酶传感器通常通过电化学聚合的方法制备。电化学聚合 ( e l e c t r o c h e m i c a lp o l y m e r i z a t i o n ) 是指应用电化学方法在阴极上或阳极上进行的 聚合反应。其过程中包含电化学步骤。电化学聚合可简称为电聚合 ( e l e c t r o p o l y m e r i z a t i o n ) 。电聚合反应是使单体分子的官能团，以及作为中间产 物的聚合物分子链链端的官能团，在电极上电解氧化或电解还原，然后官能团之 间再发生相互作用而耦合的聚合反应。电聚合反应过程中的聚合物分子链必须首 先吸附在电极表面上，然后才能经电化学反应而进一步被聚合。由于聚合物大分 子链上各链节在吸附时的协同作用，高分子量聚合物的吸附能力大于低分子量聚 合物，且高分子量聚合物离开电极表面的扩散速度小于低分子量聚合物。因此高 分子量聚合物应较低分子量聚合物更易于继续生长，这就使得电缩聚反应聚合产 物分子量的分布一般说来宽于化学缩聚反应，且得到的电聚合膜与电极表面有良 好的结合力【3 4 】。导电聚合物( 例如：聚毗咯、聚苯胺、聚噻吩等) 通常电聚合 到惰性电极上( 铂、金、玻碳、石墨、碳糊、碳纤维电投等) ，在电聚合生成导 电聚合物膜的同时，酶被包裹到聚合物中。固定酶的量可通过酶溶液浓度和聚合 物膜厚度来控制。 电聚合的方法为聚合反应提供了新的控制手段( 电流和电势) ，所以电聚合 有化学聚合所没有的优点：- 聚合膜的几何形状和大小不受限制，通常与电极 形状相同 b 电聚合速度和聚合膜厚度容易控制；c 聚合膜有良好的均匀性和 重复性；d 电聚合工艺简单：e 可以用来制作微型生物传感器。 利用导电聚合物制备生物传感器具有以下优点： 导电聚合物修饰的过氧化氢传感器研究 幻采用电聚合法，生物活性分子可作为阴离子包埋在聚合物膜中。制得的 生物活性膜厚度均一、不易从电极上脱落 坼由于膜的厚度、生物活性分子固定的量可通过电解时间、电解电位、电 解电量来加以控制，因此传感器制备具有较好的重现性。 生物活性分圣由于不是简单吸附在导电聚合物中，而是与聚合物链间存 在着离子键力。因此不易脱附，有利于传感器的稳定。 d ) 可用不同的生物活性分子方便地构建多层结构，使生物传感器多功能化。 c 1 电聚合方法有利于生物传黪器的微型化。 但导电聚合物传感器仍有一些方面需改善： 吣具有电化学活性的导电聚合物很难消除电活性物质对安培生物传感器的 干扰。 坊通常，具有电化学活性的导电聚合物在低电位下具有较大的背景电流。 这限制了生物传感器的检测精度和检测范围 c ) 一些导电聚合物生物传感器的灵敏度和寿命还不能满足实际使用的需 要。 2 1 3 国内外研究现状 自从1 9 8 6 年f o u l d s 3 5 首次将葡萄糖氧化酶固定在聚毗咯上制成了聚毗咯葡 萄糖传感器后，许多研究工作陆续开展起来，先后用各种导电，不导电聚合物作 为载体材料制作了多种酶传感器。 目前的国内外的研究主要沿三个方向进行： 1 1研究新的酶电极的制备方法，包括新的电聚合步骤，新的制作工艺等： 2 )研究新的电极材料，包括新的聚合物，已有聚合物的衍生物，新的复 合、杂化方法； 研究新的应用，开发出新的传感器。 2 1 3 1 基于导电聚合物的新型生物传感器研究概况 自从1 9 8 6 年f o e l d s 3 5 1 首次将葡萄糖氧化酶固定在聚吡咯上制成了聚毗咯葡 莓糖传感器后，许多研究工作陆续开展起来，先后用各种导电聚合物作为载体材 浙江大学博士学位论文具有类脑倍息蹙理功能豹人工味觉系统研究 科制作了多类酶传感器、免疫传感器、微生物传感器等。表2 1 列出了近四年来 ( 2 0 0 2 2 0 0 5 ) 各种聚合物酶传感器的研究情况。其中葡萄糖传感器研究开始最 早，它的临床意义也是最大的，所以目前葡萄糖传感器研究也是最多的。其它传 感器还包括了过氧化氢、胆周酵、乳酸脱氢酶、乳酸盐、尿素、乳酸、酒糟、氨 基酸、一元胺、胆碱、硝酸盐、肌氨酸酐、重金属离子等多种传感器。检测的范 围也包括人体、环境等多个方面。具体的传感器制备方法将在下一节做详细介绍。 导电聚合物修饰的过氧亿氢传蓐嚣研究 表2 i 各种聚合物酶传感器 被测物 敏感酶聚合物文献 p o l y p y r r o l e 3 6 4 1 1 p o l y o , 一c h l o r o p h e n y l a m i n e )【4 2 】 p o l y p h e n o l【4 3 ，4 4 1 p o l y a n i l i e【4 5 】 p o l y ( o a m i n o p h e n 0 1 ) 4 6 ，4 7 1 葡萄糖葡萄糖氧化酶p o l y ( o p h e n y l e n e d i a m i n e ) 4 8 5 0 p o l y a n i l i n e - p o l y a c r y l o n i t r i l e 5 1 1 p o l y ( 3 ，4 - e t h y l e n e d i o x y t h i n p h e n e )【5 2 1 p o l y ( 2 , 6 - d i h y d r o x y n a p i n h a l e n e 5 3 1 2 - ( 4 - a m l n o p h e n y l ) - e t h y l a m i n e ) p o l y ( 5 一h y d r o x y t r y p t a m i n e )【5 4 】 过氧化氢辣根过氧化物酶 p o l y p y r r o l e 复合膜 【5 5 5 8 】 三氯磷酸酯胆碱腊酶 p o l y e t h y l e n e i m i n e【5 9 p o l y a n i l i n e - p o l y a c t y l o n i t r i k【6 0 ，6 1 】 多酚氧化酶 p o 阢a z u r e ：b )【6 2 】 酚化合物 p o l y ( 3 4 t h y l e n e d i o x y t h i o p h e n e )【6 3 1 p o l y p y r r o l e1 6 4 1 辣根过氧化物酶p o l y ( t y r a m i n e )【6 5 】 胆固醇胆固醇氧化酶p o l y p y r r o l e【6 6 ，6 7 1 乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶 p o l y ( 3 ，4 - d i h y d r o x y b e n z a l d e h y d e ) 6 8 】 乳酸盐乳酸盐氧化酶 p o l y ( j u o - c o - j u o a )【6 9 】 尿素脲酶p o l y t o l u i d i n eb l u e【7 0 】 乳酸乳酸氧化酶 酒精酒精氧化酶 p o l y ( 2 6 - d i h y d r o x y n a p h t h a l e n e 5 3 】 氨基酸氨基酸氧化酶 2 - ( 4 - a m i n o p h