生物传感器技术全面研究

1、生物传感器技术全面研究8.1 生物传感器一、 概述1. 生物传感器及其分类 生物传感器是利用各种生物或生物物质做成的，用以检测与识别生物体内的化学成份的传感器。 生物或生物物质是指酶、微生物、抗体等，它们的高分子具有特殊的性能，能精确地识别特定的原子和分子。 生物传感器一般是在基础传感器上再耦合一个生物敏感膜，也就是说生物传感器是半导体技术与生物工程技术的结合，是一种新型的器件。 溶液中被测定的物质，经扩散作用进入生物敏感膜层，经分子识别，发生生物学反应。 其所产生的信息可通过相应的化学或物理换能器转变成可定量和可显示的电信号，就可知道被测物质的浓度。 2. 分子识别功能及信号转换 表1列出了

2、具有分子识别能力的主要生物物质。 生物传感器的信号转换方式主要有以下几种：（）化学变化转换为电信号方式；（）热变化转换为电信号方式；（）光变化转换为电信号方式； （）直接诱导电信号方式 。表1 具有分子识别功能的生物物质生物物质被识别的分子酶底物，底物类似物抑制剂辅酶抗体抗原，抗原类似物结合蛋白质维生素H ,维生素A等植物凝血素糖链，具有糖链的分子或细胞激素受体激素3. 生物物质的固定化技术 生物传感器的关键技术之一是如何使生物敏感物质附着于膜上或包含于膜之中,在技术上称为固定化。（1）化学固定法 化学固定法是在感受体与载体之间、或感受体相互之间至少形成一个共价键，能将感受体的活性高度稳定地固

3、定。（2）物理固定法 物理固定法是感受体与载体之间、或感受体相互之间，根据物理作用即吸附或包裹进行固定。 二、 生物传感器的工作原理及结构1. 酶传感器 酶传感器的基本原理是用电化学装置检测酶在催化反应中生成或消耗的物质（电极活性物质），将其变换成电信号输出。 固定化酶传感器是由Pt阳极和Ag阴极组成的极谱记录式H2O2电极与固定化酶膜构成的。 它是通过电化学装置测定由酶反应生成或消耗的离子，通过电化学方法测定电极活性物质的数量，以测定被测成分的浓度。 2. 葡萄糖传感器 测定血液和尿中葡萄糖浓度对糖尿病患者做临床检查是很必要的。 现已研究出对葡萄糖氧化反应起一种特异催化作用的酶葡萄糖氧化酶（

4、GOD），并研究出用它来测定葡萄糖浓度的葡萄糖传感器，如图1所示。 图1 葡萄糖酶传感器 3. 微生物传感器 酶传感器是利用单一的酶，而微生物传感器是利用多种酶有关的高度机能的综合即复合酶。 也就是说，微生物的种类是非常多的，菌体中的复合酶、能量再生系统、辅助酶再生系统、微生物的呼吸及新陈代谢为代表的全部生理机能都可以加以利用。 因此，用微生物代替酶，有可能获得具有复杂及高功能的生物传感器。 微生物传感器是由固定化微生物膜及电化学装置组成，如图2所示。微生物膜的固定化法与酶的固定方式相同。 由于微生物有好气（O2）性与厌气（O2）性之分（也称好氧反应与厌氧反应），所以传感器也根据这一物性而有所

5、区别。 好气性微生物传感器将微生物呼吸量转化为电流值来测定。 厌气性微生物传感器，利用CO2电极或离子选择电极测定代谢产物。 微生物固定化膜封闭式氧电极或CO2电极被测物质氧消耗变化(呼吸机能)电信号图2 微生物传感器基本结构(a)图微生物固定化膜电化学敏感电极被测物质新陈代谢变化(代谢机能)电信号图2 微生物传感器基本结构(b)图4. 免疫传感器 抗原是能够刺激动物机体产生免疫反应的物质。抗体是由抗原刺激机体产生的具有特异免疫功能的球蛋白，又称免疫球蛋白。 免疫传感器是利用抗体对抗原结合功能研制成功的，如图3所示。 抗原与抗体一经固定于膜上，就形成具有识别免疫反应强烈的分子功能性膜。 根据抗

6、体膜的膜电位的变化，就可测定抗原的吸附量。 图3 免疫传感器结构原理 5. 半导体生物传感器 半导体生物传感器是由半导体传感器与生物分子功能膜、识别器件所组成。 通常用的半导体器件是酶光电二极管和酶场效应管（FET），如图4和图5所示。因此，半导体生物传感器又称生物场效应晶体管（BiFET）。 最初是将酶和抗体物质（抗原或抗体）加以固定制成功能膜，并把它紧贴于FET的栅极绝缘膜上，构成BiFET ，现已研制出酶FET、尿素FET、抗体FET及青霉素FET等。图4 酶光电二极管 图5 酶场效应管 6. 多功能生物传感器 要求传感器能象细胞检测味道一样能分辨任何形式的多种成分的物质，同时测量多种化

7、学物质，具有这样功能的传感器称为多功能传感器。 实现这种技术的前提是各亲和物质的固定化方法。 目前按电子学方法论进行生物电子学的种种尝试，这种新进展称为第三代产品。 8.2 机器人传感器8.2 机器人传感器一、 机器人与传感器 机器人可以被定义为计算机控制的能模拟人的感觉、手工操纵，具有自动行走能力而又足以完成有效工作的装置。 按照其功能，机器人已经发展到了第三代，而传感器在机器人的发展过程中起着举足轻重的作用。 机器人传感器可以定义为一种能将机器人目标物特性（或参量）变换为电量输出的装置。被称为机器人的电五官。 二、 机器人传感器的分类 内部检测传感器是以机器人本身的坐标轴来确定其位置，它通

8、常由位置、加速度、速度及压力传感器组成。 外界检测传感器用于机器人对周围环境、目标物的状态特征获取信息，从而使机器人对环境有自校正和自适应能力。 外界检测传感器通常包括触觉、接近觉、视觉、听觉、嗅觉、味觉等传感器。三、 触觉传感器1. 人的皮肤的感觉 皮肤内分布着多种感受器，能产生多种感觉。一般认为皮肤感觉主要有四种，即触觉、冷觉、温觉和痛觉。. 机器人的触觉 机器人触觉，实际上是人的触觉的某些模仿。它是有关机器人和对象物之间直接接触的感觉，包括的内容较多，通常指以下几种： （1）触觉。手指与被测物是否接触，接触图形的检测。（2）压觉。垂直于机器人和对象物接触面上的力传感器。（3）力觉。机器人

9、动作时各自由度的力感觉。（4）滑觉。物体向着垂直于手指把握面的方向移动或变形。 机器人的触觉主要有两方面的功能：（1）检测功能 对操作物进行物理性质检测，如光滑性、硬度等，其目的是： 感知危险状态，实施自我保护； 灵活地控制手爪及关节以操作对象物； 使操作具有适应性和顺从性。（2）识别功能 识别对象物的形状（如识别接触到的表面形状）。 人们进行了所谓“人工皮肤”的研究。这种“皮肤”实际上也是一种由单个触觉传感器按一定形状（如矩阵）组合在一起的阵列式触觉传感器，如图所示。其密度较大、体积较小、精度较高。 “人工皮肤”传感器可用于表面形状和表面特性的检测。 图 阵列式触觉传感器 压觉指的是对于手指

10、给予被测物的力，或者加在手指上的外力的感觉。 目前，压觉传感器主要是分布型压觉传感器，即通过把分散敏感元件阵列排列成矩阵式格子来设计成的。 导电橡胶、感应高分子、应变计、光电器件和霍尔元件常被用作敏感元件单元。 力觉传感器的作用有：感知是否夹起了工件或是否夹持在正确部位；控制装配、打磨、研磨抛光的质量；装配中提供信息，以产生后续的修正补偿运动来保证装配的质量和速度；防止碰撞、卡死和损坏机件。 用于力觉传感器的主要有应变式、压电式、电容式、光电式和电磁式等。 机器人要抓住属性未知的物体时，必须确定自己最适当的握力目标值，因此需检测出握力不够时所产生的物体滑动。 利用这一信号，在不损坏物体的情况下

11、，牢牢抓住物体，为此目的设计的滑动检测器，叫做滑觉传感器。 如图所示为一种球形滑觉传感器。 球与被握物体相接触，无论滑动方向如何，只要球一转动，传感器就会产生脉冲输出。 球形滑觉传感器 图四、 接近觉传感器 接近觉是机器人能感知相距几毫米至几十厘米内对象物或障碍物的距离、对象物的表面性质等的传感器。 其目的是在接触对象前得到必要的信息，以便后续动作。1. 电磁式 如图所示，加有高频信号is的励磁线圈 L产生的高频电磁场作用于金属板，在其中产生涡流，该涡流反作用于线圈。 通过检测线圈的输出可反映出传感器与被接近金属间的距离。 检测线圈励磁线圈L金属面 涡流 磁束图电磁式接近传感器 is2. 电容

12、式 利用电容量的变化产生接近觉。 电容接近觉传感器如图所示。 其本身作为一个极板，被接近物作为另一个极板。 将该电容接入电桥电路或RC振荡电路，利用电容极板距离的变化产生电容的变化，可检测出与被接近物的距离。 电容式接近觉传感器具有对物体的颜色、构造和表面都不敏感且实时性好的优点。 图 电容接近觉传感器 3. 超声波式、红外线式、光电式 超声波式接近传感器适于较长距离和较大物体的探测，一般把它用于机器人的路径探测和躲避障碍物。 红外线式接近传感器可以探测到机器人是否靠近人或其他热源，用于保护和改变机器人行走路径。 光电式接近传感器的应答性好，维修方便，目前应用较广，但使用环境受到一定的限制（如

13、对象物体颜色、粗糙度、环境亮度等）。 五、 视觉传感器1. 人的视觉 人的眼睛是由含有感光细胞的视网膜和作为附属结构的折光系统等部分组成。 人眼的适宜刺激波长是370740nm的电磁波。 在这个可见光谱的范围内，人脑通过接收来自视网膜的传入信息，可以分辨出视网膜像的不同亮度和色泽，因而可以看清视野内发光物体或反光物体的轮廓、形状、颜色、大小、远近和表面细节等情况。 人眼视网膜上有两种感光细胞，视锥细胞主要感受白天的景象，视杆细胞感受夜间景象。 人的视锥细胞大约有700多万个，是听觉细胞的3000多万倍。 2. 机器人视觉 机器人的视觉系统通常是利用光电传感器构成的。 机器人的视觉作用的过程如图

14、所示。 三维实物（立体）二维图像（平面）景象描述传感器图像处理图 视觉作用过程 机器人视觉系统要能达到实用，至少要满足以下几方面的要求。 首先是实时性， 其次是可靠性， 再次是要求有柔性， 最后是价格适中。 在空间中判断物体的位置和形状一般需要两类信息：距离信息和明暗信息。 获得距离信息的方法可以有超声波、激光反射法、立体摄像法等。 而明暗信息主要靠电视摄像机、CCD固态摄像机来获得。 3. 视觉传感器（1）人工网膜 人工网膜是用光电管阵列代替网膜感受光信号。其最简单的形式是33的光电管矩阵，多的可达256256个像素的阵列甚至更高。 以33阵列为例。数字字符1，得到的正、负像如图9-23所示

15、，大写字母字符I ，所得正、负像如图9-24所示。事先作为标准图像存储起来。 正像 负像图 数字字符1的正、负像 正像 负像图 大写字母字符I的正、负像 工作时得到数字字符1的输入，其正、负像可与已存储的1和I的正、负像进行比较，结果见表。 在两者比较中，是1的总相关值是9，等于阵列中光电管的总数，这表示所输入的图像信息与预先存储的图像数字字符1的信息是完全一致的。 由此可判断输入的字符是数字字符1，不是大写字母字符I ，也不是其它字符。 表与1比较与I比较正像相关值33负像相关值62总相关值95（2）光电探测器件 最简单的光探测器是光电管和光敏二极管。 固态探测器件可以排列成线性阵列和矩阵阵

16、列使之具有直接测量或摄像的功能。 目前在机器人视觉中采用的非接触测试的固态阵列以CCD器件占多数，单个线性阵列已达到4096单元，CCD面阵已达到512512及更高。 利用CCD器件制成的固态摄像机有较高的几何精度，更大的光谱范围，更高的灵敏度和扫描速率，结构尺寸小，功耗小，耐久可靠等。 六、 听觉、嗅觉、味觉及其它传感器1. 人的听觉 人的听觉的外周感受器官是耳，耳的适宜刺激是一定频率范围内的声波振动。 科蒂器官和其中所含的毛细胞，是真正的声音感受装置。 听神经纤维就分布在毛细胞下方的基底膜中，对声音信息进行编码，传送到大脑皮层的听觉中枢，产生听觉。 2. 机器人的听觉 听觉也是机器人的重要感觉器官之一。 从应用的目的来看，可以将识别声音的系统分为两大类：（1）发音人识别系统。（2）语义识别系统。 机器人听觉系统中的听觉传感器的基本形态与麦克风相同，多为利用压电效应、磁电效应等。识别系统借助于计算机