仿生嗅觉传感技术的研究现状与进展.docx

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仿生嗅觉传感技术的研究现状与进展

摘要：

嗅觉是生物了解外界气味信息的一个有效途径，但长期以来，由于人们对生物嗅觉基础知识了解甚少，以致人们在漫长的探索中也未能很好地解决嗅觉机理的根本问题，导致仿生嗅觉研究发展缓慢。

近年来，随着生物化学、微电子制造技术的发展和生物电子技术的发展，仿生嗅觉传感技术的研究取得了新的进展，出现了如半导体材料、导电聚合物、声表面波、SPR、纳米Sn等新型的“仿生嗅觉”传感元件。

本文介绍当前仿生嗅觉的研究基础—生物嗅觉以及仿生嗅觉传感技术研究现状和进展。

关键词：

气敏传感器阵列；阵列式交叉反应；模式识别

Thestatusanddevelopmentofbionicolfactorysensingtechnology

Abstract:

Thesenseofsmellisoneofthemostinterestingoffivehumansensors,yetisunderstoodtheleastforalongtime.Inrecentyears,withtheadvanceofbiochemistry,micro-electrics,techniqueofmanufacturingandbioelectric,thebionicolfactorysensingtechnologyhasmadeanewprogress.Newolfactorysensorshavebeendevelopedsuchassemiconductormaterial,conductivepolymer,acousticsurfacewave,SPR（SurfacePlasmonResonance）,andnanometer.Thispaperintroducescurrentresearchofbionicolfactoryandthestatusanddevelopmentofbionicolfactorysensingtechnologyindetail.

Keywords:

gassensorarray;bionicolfaction;arrayacrossreaction;patternrecognition.

一、引言

人们知道，动物是凭借灵敏的鼻子来闻出各种各样不同的气体，并做出相应的生理反应的。

我们的鼻腔内壁上虽然只有大约1000个类似于气敏传感器的气体接受细胞组，但它却能辨别出种类达数以千计的不同气味（嗅觉一般的人能闻出4000多种气体，嗅觉灵敏的人可以闻出10000多种气体）。

最新的研究表明嗅觉的产生是由多个嗅觉细胞组合起来共同对某种气味进行“探测”的结果。

每一种不同的组合，感知一种不同的气味,由于组合方式多种多样，因此动物能辨别大量不同的气味。

目前仿生嗅觉的研究趋势是利用具有交叉式反应的气敏元件组成一定规模的气敏传感器阵列来对不同的气体进行信息提取，然后将这些大量复杂的数据交由计算机进行模式判别处理。

二、生物嗅觉的机理及仿生嗅觉系统

长期以来，嗅觉一直是我们所有的感觉中最为神秘的东西。

我们还不知道识别和记忆约1万种不同的气味的基本原理。

不过，2004年诺贝尔生理学或医学奖得主美国的理查德.阿克塞尔（RichardAxel）和琳达.巴克（LindaB.Buck）已经解决了该难题，他们一系列的开创性研究阐明了我们的嗅觉系统是如何工作的[2-3]。

两位获奖者在1991年合作发表了基础性的论文，宣布他们发现了含约1,000个不同基因的一个气味受体基因大家族（占我们基因总数的3%），这些基因构成了相同数量的嗅觉受体类型，而这些受体位于嗅觉受体细胞内。

每一种嗅觉受体细胞只拥有一种类型的气味受[4]，每一种受体能探测到有限数量的气味物质。

因此，嗅觉受体对某几种气味是高度特异性的。

尽管气味受体只有约1000种，但它们可以产生大量组合，从而形成大量的气味识别模式[1]，这也是人类和动物能够辨别和记忆不同气味的基础。

嗅觉系统工作时，嗅觉受体细胞会发出神经纤维信息到嗅小球，那里大约有2000多个确定的微区嗅小球[5]，嗅小球的数量大约是嗅觉受体细胞类型数量的两倍之多。

嗅小球是很“专业化”的，携带同种受体的受体细胞聚集其神经纤维进入相同的嗅小球，即来自具有相同受体的细胞的信息会聚到同一嗅小球。

随后嗅小球激活僧帽细胞的神经细胞。

每种僧帽细胞只能由一个嗅小球激活，信息流的“特异性”也就因而保留。

僧帽细胞然后将信号传输到大脑其他地方。

结果，来自多种气味受体的信息整合成每种气味所具有的“特征性的模式”，使得我们可以自由地感受到识别的气味。

图1是人类的嗅觉系统和仿生嗅觉系统组成的比较。

我们可以直观地从结构上将仿生嗅觉系统的传感器阵列，数据采集器，模式识别系统分别与生物嗅觉系统的嗅觉细胞，嗅球神经网络，大脑神经中枢相类比，更重要的是在功能上，仿生系统具有生物嗅觉系统的两个特点：

一是对多种气体或气味敏感；二是通过必要的处理，能够识别所闻到的气体或气味。

三、仿生嗅觉传感器的研究现状和进展

仿生嗅觉系统的关键技术问题之—是开发高灵敏度阵列气味传感器，经过过去20多年的发展，研究人员已经在实践中发现一些材料具有对气味非常敏感的功能。

这些不同材料制作的嗅觉传感器因不同的结构、原理、特性，其检测气体的种类和灵敏度也不尽相同。

仿生嗅觉系统提取气味信息是利用由单个气体敏感元件组成的传感器阵列来实现的。

它使用了多个并列的对每种气体具有轻微不同响应的传感器构成阵列，阵列的响应是所有气体成份的全体反映，功能上与生物嗅觉系统中大量嗅觉感受体细胞相似。

不同嗅觉传感器对不同气味物质的响应是不同的,组成传感器阵列的每个敏感元件对同一种气味物质的响应也是不相同的,它们具有的交叉灵敏度，这一点非常重要，它是模仿生物嗅觉系统的基础。

根据不同的工作原理和材料，目前仿生嗅觉传感器主要分成六类：

导电型传感器，压电型传感器，电容-电荷耦合型传感器，光学嗅觉传感器，基于图谱方法的传感器和新型的纳米气敏传感器。

（1）导电型嗅觉传感器

导电型嗅觉传感器分成两种：

一种是以金属氧化物为材料制成，另一种是以导电聚合物为材料制成。

前者主要是把二氧化锡（也可以是锌、钛、钨等的氧化物）及少量氯化钯研细、成型，在高温下烧结成多孔性的半导体陶瓷小片，把它装在一个小棍的头部构成探头或安放在绝缘片上形成薄膜，就具有很强的吸附气体的性能。

这个半导体陶瓷探头表面吸附有氧的分子，把传感器加热到200℃~400℃左右[6]。

当易燃易爆气体与探头上吸附的氧结合时，半导体表面的氧减少了，电阻值就会发生变化，从而利用后续电路则可检测到气体的变化。

这种气敏传感器可应用于识别苯、一氧化碳、氢气、酒精、油漆、氨等几十种气味。

图2是一个导电型金属氧化物传感器的基本结构示意图。

常用的活性材料是金属氧化物或导电型聚合物。

电极可以是铂、铝或金,而基底材料可以是硅、玻璃和塑料。

这类传感器的灵敏度约在（5～500）×10-6。

第二种导电型传感器是导电型聚合物。

常用的导电性聚合物有以下几种:

聚吡咯、噻吩、吲哚和呋喃等一类家族[6]。

当其探测到挥发性有机化合物时，化合物与导电聚合物的敏感膜发生反应，致使聚合物的导电性发生改变,从而可通过后续电路对其变化进行检测。

导电型聚合物传感器具有高灵敏度、高选择性，可在常温和低温下使用等优点。

同时许多导电聚合物便于修饰，可按功能基团所需进行分子设计和合成。

（2）压电型传感器

由压电材料的压电效应和逆压电效应可知，在压电物质石英压电晶体上作用一个机械压力时便产生一定幅值的电压，相反，当有一定幅值的交变电压作用在压电材料上时，它便产生一定的变形。

当一定电压的频率和压电晶体的固有频率相同时，则可构成稳定的振荡电路。

基于晶体和电极的几何学原理，它可构建成一定的振动模式。

压电型嗅觉传感器也有两种:

石英晶体微平衡型（quartzcrystalmi-crobalanceQCM）和表面声波型（surfaceacousticwaveSAW）[6]。

如图3所示[7]，石英晶体微天平（QCM）嗅觉传感器主要由一个涂有聚合物涂料的共振盘（直径仅为几毫米）组成,盘的两面附着金箔电极,电极之间有铅丝相连接。

实际使用时与共振电路相连，在晶体板上施加一共振电场时就产生了声波。

石英晶体的厚度决定了基频谐振的波长，厚度是这类器件中频率变化的决定因素，当QCM表面有物质变化时（增加或减少）都可导致器件厚度的变化，进而引起共振频率的变化。

QCM型嗅觉传感器可以检测石英晶体表面附着质量的微小变化，敏感层吸附气体后，其质量增加使得晶体振动频率下降，通过此频率可检测气体。

石英晶体微天平传感器的灵敏度是由镀在晶体表面的聚合物涂料决定的，其灵敏度较高,可达10-12g/Hz。

表面声波（SAW）接收器是用有互相交叉电极的压电材料（氧化锌和铌酸盐）较厚的板极制成，用以激励表面波的振荡。

表面声波（SAW）装置可通过在互相交叉电极两端外加交流电压激励来使压电晶体表层产生变形。

声波的运动是在表面进行的，它穿透一定的厚度的晶体当中。

SAW传感器的核心部件是SAW振荡器,有两种不同的结构，这就是延迟线和共鸣器结构，如图4所示。

（3）SPR光学嗅觉传感器

表面等离子体子共振（SurfacePlasmonResonanceSPR）是一种物理光学现象，它利用光在玻璃与金属薄膜界面处发生全内反射时渗透到金属薄膜内的消失波，引发金属中的自由电子产生表面等离子体子，在入射角或波长为某一适当值的条件下，表面等离子体子与消失波的频率和波数相等，二者将发生共振，入射光被吸收，使反射光能量急剧下降，在反射光谱上出现反射强度最低值，此即为共振峰。

紧靠在金属薄膜表面的介质折射率不同时，共振峰位置（共振角或共振波长）将不同。

SPR光学嗅觉传感器是依此原理工作，当气体的种类发生改变，不同种类气体的红外吸收峰不同，共振角或共振波长将改变，通过测量和分析红外吸收峰来检测气体。

有报告表明能用SPR的角度调制测量发现比如氨、甲苯、二甲苯、乙酸乙酯、4-甲基-2戊酮和丙酸等很多有毒的气体[6]。

如图5是棱镜耦合式SPR光学嗅觉传感器示意图，使用棱镜和金属薄片，高传导性的金属层放置于棱镜底层，其机理是采用角度调制进行气体检测。

左边入射的是波长为660纳米的激光被当作为光源去激励SPR光学嗅觉传感器，并以一定角度通过棱镜射向铺有甲基丙烯酸盐、聚酯或丙烯等对气体敏感的合成物质的金属薄膜片，由于待检测的不同气体和气体敏感物质发生反应，这时不同强度和角度的SPR反射光谱对应不同的气体。

测量反射光是由个人计算机和CCD照相机完成的。

反射度最小的角称为谐振角，它是在能量的联结带上的光和表面的电浆子波之间发生。

反射光能利用CCD照相机观察到。

（4）纳米气敏传感器

日本电气公司教授S.IiJima发现碳纳米管，具有优异的表面化学性能和良好的电学性能，是制作气敏传感器的理想材料。

当前，J．Kong等人已成功地研究了单根单壁半导体碳纳米管的气敏特性，为一维碳纳米管作为敏感材料构成气敏传感器的研究打开了大门。

现已成功开发出的纳米嗅觉气敏传感器有:

单壁碳纳米管嗅觉传感器[8]、多壁碳纳米管嗅觉传感器[9]、多壁碳纳米管阵列嗅觉传感器[10]。

美国PulichelM.Ajayan[11]教授与NikhilKoratkar副教授的联合研究小组，使用碳纳米管阵列成功开发出了多壁碳纳米管阵列嗅觉传感器。

该传感器能够非常灵敏地定量及定性分析大气中的各种气体，其结构简洁，如图6所示。

利用嗅觉气敏传感器测定周围的气体成分时，以MWNT（多壁碳纳米管）端为阳极（+），铝膜端为阴极（-），施加直流电压。

在MWNT