仿生嗅覺傳感技術(shù)的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

1、仿生嗅覺傳感技術(shù)的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展摘 要：嗅覺是生物了解外界氣味信息的一個有效途徑，但長期以來，由于人們 對生物嗅覺基礎(chǔ)知識了解甚少，以致人們在漫長的探索中也未能很好地解決嗅覺 機(jī)理的根本問題，導(dǎo)致仿生嗅覺研究發(fā)展緩慢。近年來，隨著生物化學(xué)、微電子 制造技術(shù)的發(fā)展和生物電子技術(shù)的發(fā)展， 仿生嗅覺傳感技術(shù)的研究取得了新的進(jìn) 展，出現(xiàn)了如半導(dǎo)體材料、導(dǎo)電聚合物、聲表面波、SPR納米Sn等新型的“仿 生嗅覺”傳感元件。本文介紹當(dāng)前仿生嗅覺的研究基礎(chǔ)一生物嗅覺以及仿生嗅覺 傳感技術(shù)研究現(xiàn)狀和進(jìn)展。關(guān)鍵詞：氣敏傳感器陣列；陣列式交叉反應(yīng)；模式識別The status and development of

2、bionic olfactory sensing technologyAbstract: The sense of smell is one of the most interesting of five human sensors, yet is understoodthe least for a long time. In recent years, with the advance of biochemistry, micro-electrics,technique of manufacturing and bioelectric, the bionic olfactory sensin

3、g technology hasmadea new progress. New olfactory sensorshave been developed such as semiconductormaterial, conductive polymer, acoustic surface wave, SPR(Surface Plasmon Resonance),and nanometer. This paper introduces current research of bionic olfactory and the status anddevelopment of bionic olfa

4、ctorysensing technology in detail.Key words: gas sensor array; bionic recognition.一、 引言人們知道，動物是憑借靈敏的鼻 子來聞出各種各樣不同的氣體，并做 出相應(yīng)的生理反應(yīng)的。我們的鼻腔內(nèi) 壁上雖然只有大約1000個類似于氣敏 傳感器的氣體接受細(xì)胞組，但它卻能 辨別出種類達(dá)數(shù)以千計(jì)的不同氣味（嗅覺一般的人能聞出4000多種氣體,olfaction; array across reaction; pattern嗅覺靈敏的人可以聞出10000多種氣 體）。最新的研究表明嗅覺的產(chǎn)生是由 多個嗅覺細(xì)胞組合起來共同對某種氣

5、 味進(jìn)行“探測”的結(jié)果。每一種不同的組合，感知一種不同的氣味，由于組 合方式多種多樣，因此動物能辨別大 量不同的氣味。目前仿生嗅覺的研究 趨勢是利用具有交叉式反應(yīng)的氣敏元 件組成一定規(guī)模的氣敏傳感器陣列來對不同的氣體進(jìn)行信息提取，然后將 這些大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)交由計(jì)算機(jī)進(jìn)行 模式判別處理。二、生物嗅覺的機(jī)理及仿生嗅覺系統(tǒng)長期以來，嗅覺一直是我們所有 的感覺中最為神秘的東西。我們還不 知道識別和記憶約1萬種不同的氣味 的基本原理。不過，2004年諾貝爾生 理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎得主美國的理查德.阿克 塞爾(RichardAxel)和琳達(dá).巴克(Linda B. Buck)已經(jīng)解決了該難題，他們一 系列的開創(chuàng)性

6、研究闡明了我們的嗅覺 系統(tǒng)是如何工作的2-3 0兩位獲獎?wù)咴?1991年合作發(fā)表了基礎(chǔ)性的論文，宣 布他們發(fā)現(xiàn)了含約1,000個不同基因 的一個氣味受體基因大家族(占我們 基因總數(shù)的3%),這些基因構(gòu)成了相 同數(shù)量的嗅覺受體類型，而這些受體 位于嗅覺受體細(xì)胞內(nèi)。每一種嗅覺受 體細(xì)胞只擁有一種類型的氣味受4,每 一種受體能探測到有限數(shù)量的氣味物 質(zhì)。因此，嗅覺受體對某幾種氣味是 高度特異性的。盡管氣味受體只有約 1000種，但它們可以產(chǎn)生大量組合， 從而形成大量的氣味識別模式1,這 也是人類和動物能夠辨別和記憶不同 氣味的基礎(chǔ)。嗅覺系統(tǒng)工作時，嗅覺受體細(xì)胞 會發(fā)出神經(jīng)纖維信息到嗅小球，那里 大約

7、有2000多個確定的微區(qū)嗅小球5 嗅小球的數(shù)量大約是嗅覺受體細(xì)胞類 型數(shù)量的兩倍之多。嗅小球是很“專 業(yè)化”的，攜帶同種受體的受體細(xì)胞 聚集其神經(jīng)纖維進(jìn)入相同的嗅小球， 即來自具有相同受體的細(xì)胞的信息會 聚到同一嗅小球。隨后嗅小球激活僧 帽細(xì)胞的神經(jīng)細(xì)胞。每種僧帽細(xì)胞只 能由一個嗅小球激活，信息流的“特 異性”也就因而保留。僧帽細(xì)胞然后 將信號傳輸?shù)酱竽X其他地方。結(jié)果， 來自多種氣味受體的信息整合成每種 氣味所具有的“特征性的模式”，使得 我們可以自由地感受到識別的氣味。圖1是人類的嗅覺系統(tǒng)和仿生嗅 覺系統(tǒng)組成的比較。我們可以直觀地 從結(jié)構(gòu)上將仿生嗅覺系統(tǒng)的傳感器陣 列，數(shù)據(jù)采集器，模式識別系

8、統(tǒng)分別 與生物嗅覺系統(tǒng)的嗅覺細(xì)胞，嗅球神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，大腦神經(jīng)中樞相類比，更重 要的是在功能上，仿生系統(tǒng)具有生物 嗅覺系統(tǒng)的兩個特點(diǎn)：一是對多種氣 體或氣味敏感；二是通過必要的處理， 能夠識別所聞到的氣體或氣味。主時下更墓況留I人奘嗅情系洸削仿中嗅證需統(tǒng)憫SL龍比輪三、仿生嗅覺傳感器的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展仿生嗅覺系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題之 一是開發(fā)高靈敏度陣列氣味傳感器， 經(jīng)過過去20多年的發(fā)展，研究人員已 經(jīng)在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)一些材料具有對氣味 非常敏感的功能。這些不同材料制作 的嗅覺傳感器因不同的結(jié)構(gòu)、原理、 特性，具檢測氣體的種類和靈敏度也 不盡相同。仿生嗅覺系統(tǒng)提取氣味信息是利 用由單個氣體敏感元件組成的傳

9、感器 陣列來實(shí)現(xiàn)的。它使用了多個并列的 對每種氣體具有輕微不同響應(yīng)的傳感 器構(gòu)成陣列，陣列的響應(yīng)是所有氣體 成份的全體反映，功能上與生物嗅覺 系統(tǒng)中大量嗅覺感受體細(xì)胞相似。不 同嗅覺傳感器對不同氣味物質(zhì)的響應(yīng) 是不同的，組成傳感器陣列的每個敏感 元件對同一種氣味物質(zhì)的響應(yīng)也是不 相同的，它們具有的交叉靈敏度，這一 點(diǎn)非常重要，它是模仿生物嗅覺系統(tǒng) 的基礎(chǔ)。根據(jù)不同的工作原理和材料，目 前仿生嗅覺傳感器主要分成六類：導(dǎo) 電型傳感器，壓電型傳感器，電容-電 荷耦合型傳感器，光學(xué)嗅覺傳感器， 基于圖譜方法的傳感器和新型的納米 氣敏傳感器。（1） 導(dǎo)電型嗅覺傳感器導(dǎo)電型嗅覺傳感器分成兩種：一 種是以金

10、屬氧化物為材料制成，另一 種是以導(dǎo)電聚合物為材料制成。前者 主要是把二氧化錫（也可以是鋅、鈦、 鴇等的氧化物）及少量氯化鉗研細(xì)、 成型，在高溫下燒結(jié)成多孔性的半導(dǎo) 體陶瓷小片，把它裝在一個小棍的頭 部構(gòu)成探頭或安放在絕緣片上形成薄 膜，就具有很強(qiáng)的吸附氣體的性能。 這個半導(dǎo)體陶瓷探頭表面吸附有氧的 分子，把傳感器加熱到200c400c左 右6。當(dāng)易燃易爆氣體與探頭上吸附的 氧結(jié)合時，半導(dǎo)體表面的氧減少了， 電阻值就會發(fā)生變化，從而利用后續(xù) 電路則可檢測到氣體的變化。這種氣 敏傳感器可應(yīng)用于識別苯、一氧化碳、 氫氣、酒精、油漆、氨等幾十種氣味。圖2是一個導(dǎo)電型金屬氧化物傳 感器的基本結(jié)構(gòu)示意圖。

11、常用的活性 材料是金屬氧化物或?qū)щ娦途酆衔铩?電極可以是鋁、鋁或金，而基底材料可以是硅、玻璃和塑料。這類傳感器的 靈敏度約在（5500） X 10-6。第二種導(dǎo)電型傳感器是導(dǎo)電型聚 合物。常用的導(dǎo)電性聚合物有以下幾 種：聚叱咯、嚷吩、呷咪和吠喃等一類 家族6。當(dāng)其探測到揮發(fā)性有機(jī)化合物 時，化合物與導(dǎo)電聚合物的敏感膜發(fā) 生反應(yīng)，致使聚合物的導(dǎo)電性發(fā)生改 變，從而可通過后續(xù)電路對其變化進(jìn)行 檢測。導(dǎo)電型聚合物傳感器具有高靈 敏度、高選擇性，可在常溫和低溫下 使用等優(yōu)點(diǎn)。同時許多導(dǎo)電聚合物便 于修飾，可按功能基團(tuán)所需進(jìn)行分子 設(shè)計(jì)和合成。（2） 壓電型傳感器由壓電材料的壓電效應(yīng)和逆壓電 效應(yīng)可知，

12、在壓電物質(zhì)石英壓電晶體 上作用一個機(jī)械壓力時便產(chǎn)生一定幅 值的電壓，相反，當(dāng)有一定幅值的交 變電壓作用在壓電材料上時，它便產(chǎn) 生一定的變形。當(dāng)一定電壓的頻率和 壓電晶體的固有頻率相同時，則可構(gòu) 成穩(wěn)定的振蕩電路?；诰w和電極 的幾何學(xué)原理，它可構(gòu)建成一定的振 動模式。壓電型嗅覺傳感器也有兩種： 石英晶體微平衡型（quartz crystal mi-crobalance QCM）和表面 聲波型6 （surface acoustic waveSAW）。如圖3所示7,石英晶體微天平 （QCM）嗅覺傳感器主要由一個涂有聚 合物涂料的共振盤（直徑僅為幾毫米） 組成，盤的兩面附著金箔電極，電極 之間有鉛

13、絲相連接。實(shí)際使用時與共 振電路相連，在晶體板上施加一共振 電場時就產(chǎn)生了聲波。石英晶體的厚 度決定了基頻諧振的波長，厚度是這 類器件中頻率變化的決定因素，當(dāng)QCM表面有物質(zhì)變化時（增加或減少） 都可導(dǎo)致器件厚度的變化，進(jìn)而引起 共振頻率的變化。QCM型嗅覺傳感器 可以檢測石英晶體表面附著質(zhì)量的微 小變化，敏感層吸附氣體后，其質(zhì)量 增加使得晶體振動頻率下降，通過此 頻率可檢測氣體。石英晶體微天平傳 感器的靈敏度是由鍍在晶體表面的聚表面聲波（SAW）接收器是用有互 相交叉電極的壓電材料（氧化鋅和花 酸鹽）較厚的板極制成，用以激勵表 面波的振蕩。表面聲波（SAW）裝置可通 過在互相交叉電極兩端外加

14、交流電壓 激勵來使壓電晶體表層產(chǎn)生變形。聲 波的運(yùn)動是在表面進(jìn)行的，它穿透一 定的厚度的晶體當(dāng)中。SAW傳感器的核心部件是SAW振蕩器，有兩種不同 的結(jié)構(gòu)，這就是延遲線和共鳴器結(jié)構(gòu)， 如圖4所示。交或惟329怏冠圖4 SAW振-藩髀荒型(3)SPR光學(xué)嗅覺傳感器表面等離子體子共振(Surface Plasmon ResonanceSPR)!種物理光 學(xué)現(xiàn)象，它利用光在玻璃與金屬薄膜 界面處發(fā)生全內(nèi)反射時滲透到金屬薄 膜內(nèi)的消失波，引發(fā)金屬中的自由電 子產(chǎn)生表面等離子體子，在入射角或 波長為某一適當(dāng)值的條件下，表面等 離子體子與消失波的頻率和波數(shù)相等， 二者將發(fā)生共振，入射光被吸收，使 反射光能

15、量急劇下降，在反射光譜上 出現(xiàn)反射強(qiáng)度最低值，此即為共振峰。 緊靠在金屬薄膜表面的介質(zhì)折射率不 同時，共振峰位置(共振角或共振波長) 將不同。SPR光學(xué)嗅覺傳感器是依此 振角或共振波長將改變，通過測量和 分析紅外吸收峰來檢測氣體。有報(bào)告 表明能用SPR的角度調(diào)制測量發(fā)現(xiàn)比 如氨、甲苯、二甲苯、乙酸乙酯、4-甲 基-2戊酮和丙酸等很多有毒的氣體6。如圖5是棱鏡耦合式 SPR光學(xué) 嗅覺傳感器示意圖，使用棱鏡和金屬 薄片，高傳導(dǎo)性的金屬層放置于棱鏡 底層，其機(jī)理是采用角度調(diào)制進(jìn)行氣 體檢測。左邊入射的是波長為 660納 米的激光被當(dāng)作為光源去激勵 SPR光 學(xué)嗅覺傳感器，并以一定角度通過棱 鏡射向鋪

16、有甲基丙烯酸鹽、聚酯或丙 烯等對氣體敏感的合成物質(zhì)的金屬薄 膜片，由于待檢測的不同氣體和氣體 敏感物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，這時不同強(qiáng)度和 角度的SPR反射光譜對應(yīng)不同的氣體。 測量反射光是由個人計(jì)算機(jī)和CCD原理工作，當(dāng)氣體的種類發(fā)生改變， 不同種類氣體的紅外吸收峰不同，共日本電氣公司教授S.Ii Jima發(fā)現(xiàn)照相機(jī)完成的。反射度最小的角稱為 諧振角，它是在能量的聯(lián)結(jié)帶上的光 和表面的電漿子波之間發(fā)生。反射光 能利用CCD照相機(jī)觀察到。(4)納米氣敏傳感器碳納米管，具有優(yōu)異的表面化學(xué)性能 和良好的電學(xué)性能，是制作氣敏傳感 器的理想材料。當(dāng)前，J. Kong等人 已成功地研究了單根單壁半導(dǎo)體碳納 米管的氣

17、敏特性，為一維碳納米管作 為敏感材料構(gòu)成氣敏傳感器的研究打 開了大門?，F(xiàn)已成功開發(fā)出的納米嗅 覺氣敏傳感器有：單壁碳納米管嗅覺傳 感器網(wǎng)、多壁碳納米管嗅覺傳感器9、 多壁碳納米管陣列嗅覺傳感器10。美 國 PulichelM.Ajayan 11教授與 Nikhil Koratkar副教授的聯(lián)合研究小組，使用 碳納米管陣列成功開發(fā)出了多壁碳納 米管陣列嗅覺傳感器。該傳感器能夠 非常靈敏地定量及定性分析大氣中的 各種氣體，具結(jié)構(gòu)簡潔，如圖6所示。 利用嗅覺氣敏傳感器測定周圍的氣體 成分時，以M W N T （多壁碳納米管） 端為陽極（+）,鋁膜端為陰極（-）,施 加直流電壓。在MWNT頂端，很低的

18、 電壓就會產(chǎn)生強(qiáng)電場，從而在周圍離 子化氣體中發(fā)生介質(zhì)擊穿（DielectricBreakdown）現(xiàn)象。發(fā)生介 質(zhì)擊穿時的電壓因氣體種類的不同而 明顯不同，從而能對氣味進(jìn)行定性分 析，可分析的氣體種類范圍很廣，甚 至還能包括氮?dú)猓ˋr）和氯氣（He） 等惰性氣體。另外，介質(zhì)擊穿電壓盡 管不取決于氣體濃度，所產(chǎn)生的電流與濃度對數(shù)呈正比，這一結(jié)果表明氣 體能夠被定量分析。（5）其他類型的嗅覺傳感器目前研究開發(fā)的嗅覺傳感器除上 述介紹以外，還有以下幾種類型。金 屬氧化硅場效半導(dǎo)體（metaloxide silicon field effect transistor MOSFET） 型嗅覺傳感器，其

19、工作原理是：當(dāng)揮 發(fā)性有機(jī)化合物（VolatileOrganic Compounds VOCs）和金屬氧化劑接觸 時，在金屬內(nèi)會發(fā)生反應(yīng)，使其電性質(zhì) 發(fā)生變化。一個普合有n級的小區(qū)域， 并和帶有標(biāo)記源和排導(dǎo)口的金屬相接 觸。采用不同金屬催化劑的種類和厚 度，可使其靈敏度和選擇性達(dá)到最優(yōu)。氣相 色譜法（gas chromatographyGC） 。GC是利用欲分離的各組份在 體系中兩相白分配差異（即分配系數(shù)或 吸附等溫線不同）來工作的，當(dāng)兩相做 相對運(yùn)動時，這些組份隨著移動可反 復(fù)進(jìn)行多次的分配，組份的分配系數(shù) 雖然只有微小的差異，在移動速度上 卻有頗大的差別，于是這些組份得到 分離。采用這一技

20、術(shù)，可測定物質(zhì)的 一些物理化學(xué)性質(zhì)。質(zhì)譜法(mass spectrometry MS)是 利用在電場和磁場中運(yùn)動的氣體離子 (帶電荷的原子，分子或分子碎片)， 按它們的質(zhì)量電荷比分離后進(jìn)行檢測 的一種方法。測出了離子的準(zhǔn)確質(zhì)量， 就可以確定離子的化合物組成。四、結(jié)束語嗅覺傳感器作為機(jī)器嗅覺系統(tǒng)進(jìn) 行信號提取的第一環(huán)節(jié)，是機(jī)器嗅覺 系統(tǒng)進(jìn)行氣體識別的根本基礎(chǔ)，以上 的各種傳感器有的已經(jīng)商業(yè)化，有的 仍在試驗(yàn)研究階段，但隨著它們的研 制成功，仿生嗅覺系統(tǒng)的性能也將會 得到一個質(zhì)的提升。參考文獻(xiàn)：1 BUCK LB.Thesearch for odorantreceptorsJ. Cell, Vol

21、ume116, Supplement 2, 23 January 2004: S117-S120.2 BUCK LB, AXEL R.A novel multigene family may encodeodorantreceptors:a molecular basis for odor recognitionJ.Cell,1991,65(1):175-187 .3 The nobel assembly atKarolinskaInstitutetEB/OL.PressRelease: The 2004 Nobel Prize in PhysiologyorMedicine.http:/no

22、/medicine/l aureates/2004.4 TOUHARA K.Odor discrimination by G protein-coupledolfactoryreceptorsJ. Mierosc Res Tech, 2OO2, 58(3):135-1415 GOGOS JA, OSBORNE J, NEMES A, et al. Genetic ablationand restoration of the olfactory topographic mapJ. Cell,2000, 103(4):609-620 .6 PEARCE T C, SCHIFF MAN S S, NAGLE H T, GARDNERJ W.Handbook of machine olfaction: electronic