SCILI《〕E&T卜C日刊C托以〕YINFO刁州ATI以日高新技术新型传感器的研究进展丁晓冬(山东交通学院信息工程系250023)摘要:本文详细阐述和分析了三种新型传感器—生物传感器，无线传感器网络和电流型气体传感器的研究进展。因此本文具有深刻的理论意义和厂泛的实际应用。关键词:生物传感器无线传感器电流型气体传感器中图分类号:TPZ12文献标识码:A文章编号:1672一3791(2007)07(b卜0026一02，前言生物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。在最初巧年里，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。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。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(polyerasechainreaction，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(surfaCeplasmonr氏幻nce，SPR)技术将生物传感器的发展推向一个新的阶段。近年来，伴随着微机电系统(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。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、嵌人式计算技术、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。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、生产生活环境检测、医疗卫生等部门广泛应用。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、化学换能器捕捉日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。敏感材料是对日标物进行选择性作用的生物活性单元。最先被使用的是具有高度选择催化活性的酶。酶或是以物理方法(包埋、吸附等)，或是以化学方法(交联、聚合等)被固定在化学传感器的敏感膜中，然后，以化学电极作为换能器测定酶催化目标物反应所生成的特定产物的浓度，从而间接地测定目标物的浓度。随着物理检测手段的引入，人们已成功地把抗体、DNA聚合物、核酸、细胞受体和完整细胞等具有特异选择性作用功能的生物活性单元用作了敏感材料。换能器是能捕捉敏感材料与目标物之间的作用过程的器件。最早应用的换能器就是前面所提到的电化学传感器。这类换能器既可以是电位型的也可以是电流犁的，所不同的是前者测量零电流下电极表面的电荷密度变化，后者测量恒定电压下工作电极在反应过程中的电流变化。当今，纳米材料在生物传感器中的应用，使其研究进入崭新阶段。纳米颗粒对酶生物传感器的敏感性有增强作用，酶电极的性能是由酶的催化活性、酶活性中心和电极表面之间电子交换速率决定的。纳米颗粒比表面积大、表面自由能高，吸附能力较强.使更多的酶分子可以固定在纳米颗粒表面。另外，由于纳米颗粒尺寸很小，有可能与酶内部的亲水基团发生作用，从而引起酶构型上的变化。这种变化使得酶的活性中心更接近底物，提高了酶的催化效率。比如:纳米Au颗粒是电的良导体，具有很好的生物相容性，而改性纳米51叭颗粒对生物分子又具有很好的选择吸附性。因此，可望实现纳米Au和510:颗粒与酶分子活性中心及电极表面之间的直接电化学作用，大大增强生物传感器的灵敏度。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。响应时间的缩短，检测的线性范围的增大，都表明r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颖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千扰物质，通过引入纳米颗法，对序列图像中各像素进行处理，通过计算噪声在前N帧图像的变化规律，去除条状噪声，得到“干净”的背景图像。实验结果表明，用该方法处理后的图像与中值滤波相结合能较好地去除图像中的条状噪声。参考文献【1]赵明，李娜，陈纯.采用统计推断的自动视频对象分割，计算机辅助设计与图形学学报，2003年3月，第15卷第3期，P.318一323。[2]RolandMech，Michae1Wollborn.ANoiseRobustMethodforZDSha详助tilnationofMovlllgobjectsinVldeo3润uell。万ConSlderingaM0vlngCaITleraIJ].SignalProc已粥ing，1998，66(2):203一217.I3jABHadiashar，DSu橄.Robust0P一ticalFlowComPutation【PuterVision，1998，29(1):59一77.[4lMichaelMChang，AMuratTekalp，Mlbrahimsezan.AnAlgorithmforSimultane0USMotionEStimationand旋gmentationlC】.IEEEInternalCon一允陀nCeOnAcoljstiCS，Sp以犯handsi，lalProcessing(ICASSP’94)，Adelaide，Australia，1994:221一224.【5]贾振堂，韩艳芳，贺贵明，一种二值图像下的收缩型活动轮廓及其应用，小型微型计算机系统，2004，3，25(3):463一465.[61周锐锐等，一种有效的脉冲噪声滤波算法，空军工程大学学报(自然科学版)，2004，12，5(6):44一50.【7]丰洪才，邓华来，刘年波.视频中运动目标检测方法的研究与应用，计算机工程，2004，12，30(24):134一136.SC!ENCE&TECHNOLOGYIN卜ORMAT!ON高新技术—粒，还可以改善葡萄糖传感器抗干扰性能。2007NO.20SCIE限龙盈TEO曰《丸OGY}NF以刁材A丁ION3无线传感器网络无线传感器网络的协议框架包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。物理层负责载波频率的产生、信号的调制、解调等工作.数据链路层负责媒体接人和差错控制，媒体接入协议可以在通信网络中确保点对点和点对多点的连接。差错控制则保证源节点发出的信息可以完整、无误地到达目的节点。网络层协议负责路由发现与维护，在无线传感器网络中占据着重要的地位，路由协议的正确选择是网络设计成功与否的关键。在无线传感器网络中，大多数节点无法与接收发送器(Sink)直接通信，因此需要中间节点进行多跳路由。如果应用层需要，则传输层协作维护数据流。如果系统要接人Intemet或者与其他网络相连，则必须具备传输层。基于不同的监测任务，在应用层上会开发和使用不同的应用层软件.’应用层管理协议使底层的硬件、软件对于传感器网络的管理应用是透明的。其主要的协议有传感器管理协议(SensorManagementProtocol，SMP)、任务分配和数据通知协议(TaskAs一反gnmentandDataAdvertisementProtoco1，TADAP)、传感器查询和数据分发协议(5泊即rQue厅al、dDataDi及祀1创的atlollProt以刀1，SQDDP)。与各层网络协议相关的管理平台有能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。能量管理平台管理传感器节点的能量使用;移动管理平台用干检测和注册传感器节点的移动，维护到Sink的路由，从而使传感器节点能够跟踪其邻近节点;任务管理平台负责在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。感知能量和地理位置的路由算法GEAR(GcographicandEnergyAwareRouting)是充分考虑了能量有效性的基于位置信息的路由协议，它比其他的基干位置的路由协议如GPSR能更好地应用于无线传感器网络中。GEAR算法的提出基于以下思想:在传感器网络中向适当的区域发送查询时，此查询数据中包含了位置属性信息，因此，可以利用这一信息，将在整个网络中扩散的信息传送到适当的位置区域中。GEAR传送数据分组到目标区域中所有节点的过程包括两个阶段，即目标区域数据传送和域内数据传送。在目标区域数据传送阶段，当节点接收到数据分组，它将邻近节点与目标区域的距离和它自己与目标区域的距离相比较，若存在更小距离，则选择最小距离的邻节点作为下一跳节点;若不存在更小距离，则认为存在Hofe，节点将根据邻节点的最小开销来选择下一跳节点。在域内数据传送阶段，可通过两种方式让数据在域内扩散:①域内直接泛洪，②递归的目标区域数据传送，直到目标区域剩下唯一的节点。GEAR将网络中扩散的信息局限到适当的位置区域中，减少了中间节点的数量，从而降低了路由建立和数据传送的能量开销，更有效地提高了网络的生存期。其缺点是依赖节点的GPS定位信息，成本较高。4电流型气体传感器化学式传感器既能满足一般检侧所需要的灵敏度和准确性，又有体积小、操作简单、携带方便、可用于现场监测又价格低廉等优点。所以，在目前已有的各类气体检测方法中，电化学传感器占有很重要的地位，各种基于电阻、电位或氧化还原电流转化的电化学传感器得到广泛的研究。目前，广泛应用的有半导体气体传感器，参考文献【1杨留方，赵鹤云，唐启样，等.P+P型半导体气体传感器原理.仪表技术与传感器，20(抖(6):1一2。12.1210SWINHG，阳切nt.[3]即当气体接触到加热的金属氧化物Sno:、Fe203、znOZ等，电阻值就增大或减小。这[4l类传感器主要应用于还原性气体、城市排放气体等的检测。半导体气体传感器结构是全固态，因此传感器寿命长，使用过程中衰降小，构造与电路简单易于工业化生产。但其选择性与灵敏度低，而且能耗大。墓干电位变化的入型固态氧传感器在现代汽车中得到广泛应用的，但其工作原理不适合其他气体检测。而控制电位电解型即电流型气体传感器，由于其体积小，测量精度高.适用于现场直接监测等优点而受到广泛重视。该类传感器可检测气体浓度范围之宽(由10一9直至百分浓度)，应用范围很广。电流型气体传感器通常采用液体或凝胶电解质，因此受到使用寿命的限制，但是通常具有较高的选择性和灵敏度，有望推广应用。Clark氧传感器:基于电池构造的电流型气体传感器由工作电极、参比电极，对电极以及电解质构成。电解质起到提供反应场所、传递电流、去除离子型产物的作用，电解质有时也参与电极反应。电解质通常是由包含H+或OH一的水溶液组成。在要求不严格的传感器中，参比电极与对电极可以做在一个电极上。对于气体传感器研究的关键在于工作电极，它的一侧与气体接触另一侧与电解质接触，气体在发生反应之前必须能够完全溶解在电解之中或者是所谓的具有高效的气、固、液三相界面。电流型气体传感器的发展可以追溯到1953年的Clark电极用于溶解氧的检测。Clark电极是一种封闭式氧电极，由疏水透气膜将电解池体系与待测体系分开。待测的氧可以通过透气膜扩散到电极内，而待测溶液中的其他杂质不能透过，这样可以有效地防止电极被待测溶液中某些组分污染而中毒。电流型气体传感器的铂旋转圆盘电极(工作电极)与对电极/参比电极组合在一起，并且与被测溶液之间用透氧膜隔开，被测溶液中溶解的氧通过膜扩散到膜内电解质溶液薄层中，再通过扩散到铂电极表面进行还原。在Clark电极中存在有两层膜:一是透气膜，它将电极、电解液与待测溶液分开。二是液膜，大约5一15“m透气膜一般选用10一20林m厚的聚四氟乙烯膜。Clark电极主要用于溶氧的检测，也常用于游泳池内氛气检测，这种结构的传感器在原理也可用于气体检测，但由于液膜的存在，气体要到达电极表面必须经过液相扩散，因此气体扩散到电极表面的速度很慢，气体在液膜中的扩散成为整个电极过程的控制步骤，使传感器的响应时间较长，同时溶齐IJ的蒸发使液膜厚度发生改变，因此很难得到实际应用。151[6]17]3776832，1973一12一04.马龙超，范垂义，马彦，等.气体传感器在有毒气体监测中的应用.仪表技术与传感器，1989(2):11一14.KNAKER，JACQUINOTP.Amp吧rometricsensingi吐hegasZPhase.AnaZI对1caChimicaActa，2005(549):1一9.华凯峰，于春波，王玉江，等.HZS气体在不同催化剂表面的电化学氧化行为.分析化学，2004(32):1562一1562.WEISSHAARDE，TALLMANDE.KelZFZgraPhitecompositeelectrodeasan目已沈rochen五calde往犯torforllquldchjro一matograPhyandaPPllcationtoPhe一noliccomP0unds，1981(53):1809一1813.MORGANDM，WEBERSG.PETERC，Noiseandslgna12toZnoiseratioineleCtr0Che现iC81deteCtorS.AnalChem.，1984(56):2560一2567.【8]冯德荣.生物传感器的研究现状和发展方向[J].山东科学，1999，12(4):1一6.[9】姚赞，文孟良.生物传感器的发展与市场化[J].传感器技术，1999，18(2):1一3.【10]冯德荣，尚雪芹.适用于发酵生产过程的SBA一40型谷氨酸葡萄糖双功能分析仪的研制[J].食品与发酵工业，1993(4):33一37.【11]冯德荣，朱思荣.SBA一60型四电极生物传感分析系统的研制【J].山东科学，1998，11(2):45一49.【12]王晓辉，白志辉，孙裕生，等.硫化物微生物传感器的研制与应用【J].分析试验室，2000，19(3):83一86.[13]Nak习muraH.PhOSPhatelond日比n朴inationinwaterfordrinkingu纽ng玩osensors[J].Bunse址kagaku，2001，50(8):581一582.【14]FENG块Zro呀.BiosensorsandthelraPPlicationinthePeoPle’sRe一PublicofBioseflS0rs，ChinalJ].Advancesln1999，289一313.【15)韩树波，郭光美，李新，等.伏安型细菌总数生物传感器的研究与应用[Jl.华夏医学，2000，63(2):49一52.SC!ENCE&TECHNOLOGYINFORMAT!ON
微纳材料在传感器领域的应用研究
近年来，微纳技术的发展给传感器领域带来了巨大的变革。微纳材料的应用使得传感器的灵敏度、响应速度和稳定性得到了显著提高，为各个领域的科研和工业应用带来了新的可能性。
一、微纳材料的定义和特点
微纳材料是指在纳米尺度下具有特殊性能的材料，通常包括纳米颗粒、纳米线、纳米薄膜等形态。这些材料具有较大的比表面积、较高的表面能量和独特的量子效应，因此在传感器领域有着广泛的应用前景。
微纳材料的特点主要体现在以下几个方面：
1. 比表面积大：微纳材料的尺寸较小，相同质量的材料具有更大的表面积，使得传感器对目标物质的接触面积增大，从而提高了传感器的灵敏度。
2. 量子效应：微纳材料的尺寸接近或小于电子波长，因此在纳米尺度下会出现量子效应，如量子尺寸效应和量子限制效应。这些效应使得微纳材料具有独特的光学、电学和磁学性质，为传感器的设计和制备提供了新的思路。
3. 表面活性：微纳材料的表面活性较高，易于与其他物质发生反应，可以通过表面修饰等手段改变其化学性质，从而实现对不同目标物质的选择性识别。
二、微纳材料在传感器中的应用
1. 光学传感器：微纳材料在光学传感器中的应用是最为广泛的。纳米颗粒具有较高的光学吸收、散射和发射性能，可以用于制备各种光学传感器，如荧光传感器、表面增强拉曼散射传感器等。通过调控微纳材料的尺寸和形态，可以实现对不同目标物质的高灵敏度检测。 2. 电化学传感器：微纳材料在电化学传感器中的应用也十分重要。纳米颗粒和纳米薄膜具有较大的比表面积和较高的电化学活性，可以用于制备高灵敏度的电化学传感器。例如，纳米金属颗粒可以用于制备气体传感器，纳米氧化物薄膜可以用于制备化学传感器。
3. 生物传感器：微纳材料在生物传感器中的应用也日益受到关注。纳米颗粒和纳米线具有较大的比表面积和较高的生物相容性，可以用于制备生物传感器，如DNA传感器、蛋白质传感器等。通过与生物分子的特异性相互作用，可以实现对生物分子的高灵敏度检测。
纳米传感器的原理与应用
1.表面效应：纳米材料的表面相对于它们的体积更加活性。当目标物质接触到纳米传感器的表面时，会引起材料表面的电子结构或分子结构的改变，通过测量这些变化就可以检测到目标物质。例如，纳米金属颗粒表面的等离子共振可以用来检测环境中的有害气体。
2.量子效应：纳米尺度下，物质的量子效应开始变得显著，这些效应可以用来制造高灵敏度的传感器。例如，纳米晶体材料的荧光性质受到周围环境的微小变化影响，可以用来检测细胞病变等。
3.理论效应：纳米材料的电学、光学、磁学等特性可以通过理论模型进行计算和预测。通过测量这些特性，可以得到目标物质的相关信息。例如，纳米晶体管的电学特性和压强的关系可以用来检测压力变化。
1.生物医学：纳米传感器在生物医学领域的应用主要包括生物分子的检测、药物递送和细胞成像等。通过对细胞和组织的微小变化的检测，可以实现病变的早期诊断和治疗。
2.环境监测：纳米传感器可以检测环境中的有害气体、水质污染和土壤质量等。通过实时监测环境中的微小变化，可以及时采取相应的措施进行治理。
3.工业生产：纳米传感器可以在工业生产过程中检测微小的物质变化，并实时监控生产环境的质量和安全性。通过准确的监测和控制，可以提高生产效率和质量。
4.信息技术：纳米传感器可以用于信息存储和通信。使用纳米尺度的材料和结构可以大大提高信息存储和传输的速度和容量。 总之，纳米传感器凭借其高灵敏度和快速响应的特点，在多个领域有着广泛的应用前景。随着纳米技术的发展，纳米传感器将继续发挥重要作用，并为我们提供更好的生活质量和环境保护。
纳米传感器的原理与使用方法详解
引言：
随着纳米技术的快速发展，纳米材料在各个领域中的应用越来越广泛。纳米传感器作为一种特殊的传感器，具有灵敏、高度集成和快速响应等优势，在生物医学、环境监测、化学分析等领域中发挥着重要作用。本文将深入探讨纳米传感器的原理与使用方法，介绍其工作原理、结构特点以及应用案例。
一、纳米传感器的工作原理
纳米传感器是利用纳米技术制备出的传感器，在传感元件的表面或内部引入纳米材料，通过与所测物质的相互作用实现信号的转换和检测。其工作原理可分为光、电、磁等多种类型。
1. 光学原理
利用纳米材料对光的吸收、散射和放射特性的变化来检测物质。例如，将纳米量子点引入传感器中，其表面产生的荧光信号与所测物质的浓度相关，可以实现对物质浓度的定量检测。
2. 电学原理
基于纳米材料的导电性质，通过与所测物质的相互作用改变导电性能从而实现物质的检测。例如，纳米颗粒表面修饰上特定的分子，当与目标物相结合时，电阻、电流等电学参数发生变化，从而检测目标物质。
3. 磁性原理
利用纳米材料的特殊磁性性质，通过磁场的调控来检测物质。例如，纳米颗粒表面修饰上特定的分子，当目标物质存在时，磁感应强度发生变化，通过磁场的测量即可实现对目标物质的检测。 二、纳米传感器的结构特点
纳米传感器的结构特点主要体现在传感元件的尺寸、表面修饰和信号转换方面。
1. 尺寸特点
纳米传感器的尺寸通常在纳米级别，具有高度集成的特点。纳米材料的小尺寸使得传感元件具有更大的表面积，充分暴露于被测物质，提高了传感器的敏感度和响应速度。
2. 表面修饰特点
纳米传感器通过表面修饰使得传感元件具有特定的选择性和专一性。表面修饰可以是化学分子、生物分子等，通过与所测物质的相互作用实现信号的转换和传递。
3. 信号转换特点
纳米传感器利用纳米材料的特殊性能实现信号的转换和放大。例如，纳米金属颗粒的局域表面等离激元共振效应（localized surface plasmon resonance，LSPR）可以通过光谱分析实现目标物质的检测，提高了传感器的灵敏度。
