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灵感来自生物的超高性能传感器产品分析

作者:时间:2014-05-26来源:慧聪电子网收藏

  的优良机制在领域也发挥了威力。比如可对一个分子做出反应的超高敏度,以及对特定气味做出反应的昆虫。灵敏度丝毫不输人类的触觉也进入了开发“射程”。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/247344.htm

  借助的力量,可制造凭借现有电子部件和半导体技术难以实现的超高敏度。其中,的力量有望极大发挥作用的是气味传感器。虽然也有研究在想通过半导体传感器来实现,但存在很多课题,比如对气味的选择性低、检测用时较长,等等。

  还有像机场的缉毒犬那样用犬代替传感器的方法,但同样存在很多问题,比如训练缉毒犬需要时间和金钱、无法长时间集中精力、难以进入有生命危险的场所等。

  但如果能将生物的嗅觉机制应用于工学,就有可能突破这些壁垒。着眼于这一点开发高敏度传感器的,是东京大学生产技术研究所教授竹内昌治领导的研发小组。该研发小组的目标是实现只要用一个分子即可检测的传感器。

  具体来说就是利用细胞具备的“膜蛋白质”。膜蛋白质可作为用一个分子即可检测出特定物质的传感器使用。

  细胞被称为“脂质双分子层”的双层脂质分子膜包覆。多种膜蛋白质贯穿这种分子膜。特定的分子附着在膜蛋白质上后,膜蛋白质就会变形,脂质双分子层上出现小孔。根据膜蛋白质种类的不同,发生反应的分子种类也不同。

  脂质双分子层上开孔时,膜的正反面如果有电位差,就会流过大量的离子。通过检测离子的流动来发挥传感器的作用。只要有一个分子附着在膜蛋白质上,1秒钟就会有大约107个离子移动,因此能以高敏度进行传感。

  将膜蛋白质用作传感器时,重要的是作为基础的脂质双分子层。但此前脂质双分子层比较难形成,“一般由熟练的研究人员通过手工作业等制作,以往的方法不适合大批量生产”(东京大学的竹内)。

  因此,竹内等人开发出了可轻松制造脂质双分子层的方法。在分散有脂质的油中滴入少量的水滴,即可根据脂质的自组织,形成以单层脂质膜包覆的水。利用通过MEMS技术制造的“微流体装置”,使两个由单层脂质膜包覆的水滴接触,接触部分就会形成双分子层。这种制造方法称为“DropletContactMethods(DCM)”。通过DCM制造双分子层的装置已经与神奈川科学技术研究院(KAST)完成共同开发。

  试制可卡因传感器

  在利用DCM制作的脂质双分子层中嵌入与想检测的物质的分子发生反应的膜蛋白质,作为传感器使用。也就是说,制作仅针对特定物质发生反应的人工细胞。

  竹内等人在利用DCM制作的脂质双分子层中埋入“α-溶血素”膜蛋白质,试制了针对可卡因发生反应的传感器。

  α-溶血素是有直径约1.5nm的孔的筒状物质,会通过脂质双分子层的正反面。在此之上组合了只与可卡因分子结合的“DNA核酸适体”。

  DNA核酸适体能以单链穿过α-溶血素的孔。但与可卡因分子结合的话,形状会发生变化,就无法再穿过孔了。通过检测DNA核酸适体与可卡因分子结合后被孔卡住时产生的电流来检测可卡因。能够检测到溶解在1L液体中的0.3mg的可卡因。检测时间只有25秒。

  可卡因传感器利用的这种检测法通过改变DNA核酸适体的种类,还能高敏度检测其他物质。估计将来可用于环境传感器,用来检测食品的气味以调查新鲜度、农药量和产地,或者检测水中和大气中的有害物质。还打算用于根据口臭和体臭诊断疾病的传感器。

  注1)竹内等人开发的人工细胞除传感器用途外,还可用于新药领域。因为,药物是否经由膜蛋白质进入了细胞内决定着药效。

  气味检测利用昆虫的特性

  此外还有其他积极利用生物制造传感器的动向。其中,昆虫不但种类繁多,还具备能对气味、尤其是费洛蒙做出敏感反应的性质。东京大学尖端技术研究中心副所长、生命智能系统领域的教授神崎亮平领导的研发小组,就在推进将昆虫的这种特性用于传感器的研究。

  神崎等人现在正大力构筑使昆虫的嗅觉受体(膜蛋白质)与气味物质的联系实现系统化的数据库。他们从不同种类的昆虫中提取嗅觉受体,测量其对哪种气味物质会做出什么程度的反应,然后做成表格。目标是完成300种嗅觉受体与200种气味物质的组合。

  该数据库的制作利用了根据“甘蓝夜蛾蛹卵巢”培养的细胞“Sf21”。在Sf21中嵌入从各种昆虫中提取的嗅觉受体基因进行培养,调查对气味物质做出的反应。通过在Sf21中嵌入与气味物质跟嗅觉受体结合时流入细胞内的钙离子发生反应的荧光蛋白质基因,可以从外部观察这种反应。根据对气味物质的反应强度的不同,荧光量也会增大,因此该方法可以测量反应强度。

  该数据库建成后,就能从想检测的气味物质中推断出反应的受体。例如,有望检索最适合癌症患者的患部发出的气味物质之一“二甲基三硫”的受体是什么等。另外,估计还能检索可检测多种气味物质的受体组合。

  神崎的研发小组打算用两种方法实现利用该数据库的传感器。一是“传感器桑蚕”。桑蚕具备检测到费洛蒙后就会移动的性质。如果在其触觉的费洛蒙检测部通过基因操作导入对目标气味物质发生反应的受体,就能实现把这种气味物质误认为是费洛蒙并做出反应的桑蚕。“例如,可以考虑在机场的行李检查线上设置经过基因操作的桑蚕,当装有非法肉类和爆炸品的行李靠近,桑蚕会一起做出反应”(神崎)。

  另一种是作为传感器细胞安装的方法。通过为上述Sf21导入目标受体的基因,可制造对特定气味物质发光的细胞。

  不输人类的触觉传感器

  除了利用生物自身机制的传感器外,利用生物感觉器官的形状,大幅提高传感器性能的研发也在进行中。其中比较独特的是福岛大学理工学院教授岛田邦雄的研发小组试制的触觉传感器,该传感器采用了人类指纹的凸凹构造。即使在垂直方向以0.01N的微弱力量摩擦物体,也能判断材质的不同。“飞机和船舶进行涂装后,用人工传感器无法判断涂装是否平滑,因此现在仍然是由工匠用手来确认。如果采用我们试制的传感器,就可以代替工匠来做这项工作”。

  在试制的传感器中发挥重要作用的,是岛田的研发小组2001年开发的磁性材料“MagneticCompoundFluid(MCF)”。由粒径为μm级的金属颗粒物与粒径约为10nm的磁铁矿(Fe3O4)以及溶剂混合制作。开发之初金属颗粒物采用铁(Fe),不过现在采用灵敏度高的镍(Ni)。

  将MCF混入橡胶中,边加载磁场边使之凝固,制作具备磁各向异性的导电性橡胶。

  在向MCF橡胶加载电压的同时摩擦物体,橡胶会根据其表面状态变形。由此电阻值会发生变化,流过MCF橡胶的电流值也因此而改变。把这种电流变化作为触觉传感器来利用。

  以往的感压式导电性橡胶也能实现相同的功能,不过MCF橡胶的“灵敏度要高得多”(福岛大学的岛田)。针对压力的电阻变化是以往的导电性橡胶的100倍以上。还能检测竹荚鱼鱼鳞的凸凹,以及鸣鸣蝉和秋蝉翅膀表面光滑度的不同等。

  模仿指纹提高灵敏度

  岛田认为,“人类的指纹应该有助于提高触觉灵敏度”,因此在MCF橡胶的表面贴上了带有指纹凸凹的膜(硅橡胶)。由此进一步提高了MCF橡胶传感器的灵敏度。关于凸凹,尝试了横线状、格子状和同心圆状等多种形状。哪种形状更好因触摸对象物而异,不过“无论哪种形状,总的来说都能提高灵敏度”。

  利用MCF橡胶的话,不仅是触觉,还能制成检测“痛觉”、“压觉”、“温觉”、“冷觉”的传感器。仅用MCF橡胶就能实现人的5觉。压觉方面,MCF橡胶的电阻值会根据压力而改变,因此能实现。痛觉会“在单位面积的力较强时产生”,所以用面积除以检测的压力即可计算出来。温觉和冷觉方面,MCF橡胶会随着温度变化而略微变形,调查因此而产生的电流值变化即可查明。

  MCF橡胶虽然可实现5觉,但分解每种感觉进行辨别是一个课题。因此,岛田打算对MCF橡胶检测到的电流进行快速傅里叶变换,通过分析其频率成分来区分5觉。虽然目前还不能完全分离,不过“感觉就快实现了”。

  MCF橡胶传感器的灵敏度较高,估计还能实现可轻轻抚摸人的头部的机器人。

  MCF除了传感器外,还可用于抛光材料和抗震用减震器。采用MCF的抛光机已经实现实用化。

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关键词: 生物 传感器

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