光电—权家琪—仿生传感器

仿生传感器•演讲人：权家琪•仿生传感器组光电信息科学技术与工程第一部分对仿生传感器进行简单的介绍一、仿生传感器的简介仿生传感器，是一种采用新的检测原理的新型传感器，它采用固定化的细胞、酶或者其他生物活性物质与换能器相配合组成传感器。二、仿生传感器的优缺点优点：性能好、寿命长缺点：再现性和可批量生产性明显不足目前，虽然已经发展成功了许多仿生传感器，但仿生传感器的稳定性、再现性和可批量生产性明显不足，所以仿生传感技术尚处于幼年期，因此，以后除继续开发出新系列的仿生传感器和完善现有的系列之外，生物活性膜的固定化技术和仿生传感器的固态化值得进一步研究。三、仿生传感器的分类仿生传感器按使用介质分类按模拟生物体功能酶传感器微生物传感器细胞传感器组织传感器味觉仿生传感器听觉仿生传感器触觉仿生传感器嗅觉仿生传感器四、按使用介质的不同分类研究：1、酶传感器（高灵敏度）2、微生物传感器（稳定性好）3、细胞传感器（可实时监测）4、组织传感器（机械性能高）4.1.1酶传感器的定义：酶生物传感器是将酶作为生物敏感基元，通过各种物理、化学信号转换器捕捉目标物与敏感基元之间的反应所产生的与目标物浓度成比例关系的可测信号。实现对目标物定量测定的分析仪器。4.1.2酶传感器的发展史：第一阶段•经典葡萄糖酶电极的葡萄糖生物转换器第二阶段•介体葡萄糖酶电极的葡萄糖生物转换器第三阶段•直接葡萄糖酶电极的葡萄糖生物转换器4.1.3酶传感器的基本结构：物质识别原件（固定化酶膜）信号转换器（基体电极）酶膜电活性物质基体电极电信号生物信号简单的流程图：4.2.1微生物传感器的定义：微生物传感器由固定化微生物、换能器和信号输出装置组成，利用固定化微生物代谢消耗溶液中的溶解氧或产生一些电活性物质并放出光或热的原理实现待测物质的定量测定。微生物传感器的运用生物工业酵工程酶工程细胞培养食品检测环境监测临床医学区分白血病患者的正常细胞和病变细胞进行治疗信息源固定化微生物信号转换器输出3.3.1细胞传感器的定义：细胞传感器是微生物传感器的一个重要分支。检测细胞内外环境的细胞传感器检测细胞特殊行为的细胞传感器检测细胞电生理行为的细胞传感器检测细胞力学行为的细胞传感器四种细胞传感器待测源检测细胞代谢变化采样输出4.4.1组织传感器的定义：组织传感器是以动、植物组织薄层切片作为感受器的一类生物传感器，它是利用大然组织中的酶的催化作用而制作的。测定机理同酶传感器。但因酶存在于天然动梢物织织内，有时相当稳定，使用寿命较长，且取材容易，易于推广二如将猪肾组织切片覆盖在氨气敏电极，制备成可利用该组织内丰富的谷氨酞按酶来测定谷氨酞胺的传感器组织传感器按组织来源按技术手段植物组织传感器动物组织传感器气敏电极组织电极以二价铁为中间介质的组织传感器化学发光生物传感器由于有些反应不知道是什么酶的催化反应，或对生物催化途径不清楚的反应系统，无法使用酶电极，所以只能使用组织电极。3、新型细胞传感器可以让细胞发光1、酶标基因传感器运用在医疗方面2、微生物传感器用于检测火星气体4、利用组织传感器研究半机器人五、按模拟生物体功能研究：4、嗅觉仿生传感器1、味觉仿生传感器2、听觉仿生传感器3、触觉仿生传感器5.1、味觉传感器：味觉和嗅觉传感器统称为化学感觉传感器，它的功能是确定对象物体的酸、咸、苦、甜及芳香等程度，以确定对象物体的化学特性。味觉传感器又被称为”电子舌”,它是一套能够模拟人类的舌头并将各种味觉数字化的味觉识别装置。味觉物质作用电极参照电极电信号传感器仿生味觉细胞传感器芯片电子糖果VR技术中利用味觉传感器实现了味觉发展前景：味觉传感器目前国内外发展任然处于起步阶段。国内的著名学者在讨论学科发展战略中建议将味觉传感技术的研究作为生物传感技术的一个重要支持方向，以缩短传感器技术和检测方法上与国外的差距。随着生物芯片和生物信息科学的发展，生物计算机的出现，味觉图像传感器研究的深入，味觉传感器市场将不断形成和扩大，前景十分诱人。5.2、听觉传感器：听觉传感器主要用于声音识别。例如:人——机对话。能够实现机器能听懂人讲的话，还要讲出人能够听懂的话，即：语言识别+语音合成。声音预处理采样A/D提取特征量计算机语音合成可以与人交流的机器人中国科技大人机交互机器人声控智能家居发展前景：智能语音、智能家居、智能机器人等5.3、触觉传感器：在机器感觉系统中，触觉是仅次于视觉的重要知觉形式。可定义为（1）狭义触觉是指传感器接触对象接触面上的力觉。（2）广义上触觉包括接触触觉、压觉、滑动觉、接近觉、冷热觉和力觉等与接触有关的感觉。因此，现代触觉传感器正朝着多传感器集成、多传感器信息融合的方向发展。触觉传感器接触传感器压觉传感器滑觉传感器接近觉传感器冷热觉传感器触觉电信号采样输出触觉传感器鼠标拥有触觉的机器人手使用触屏的电子产品发展前景：现代触觉传感器正朝着多传感器集成、多传感器信息融合的方向发展。5.4、嗅觉传感器：嗅觉传感器是一种模拟生物嗅觉工作原理的新颖仿生检测技术，气味分子被机器嗅觉系统中的传感器阵列吸附，产生电信号；生成的信号经各种方法加工处理与传输；将处理后的信号经计算机模式识别系统做出判断。有味气体多空半导体吸附陶瓷采样输出检测到的气味用于手机的嗅觉传感器嗅觉传感器用于对有害气体的检测电子鼻发展前景：对于有毒有害气体的采样分析，对于外太空气体成分分析等。第二部分以电子鼻为例对仿生传感器深入探究六、以电子鼻为例介绍仿生传感器的重要作用6.1电子鼻的发展历程：1964年：电子鼻的最早报道1965年：利用接触式电势的变化实现了气体的测量1987年：提出模式识别的概念1989年：第一次电子鼻会议召开1994年：正式提出“电子鼻”的概念1994年~现在：电子鼻在食品、农业、医药、生物等领域得到了广泛的运用，电子鼻进入高速发展的时代电子鼻，又称人工嗅觉，因其具有寿命长、操作简单、体积小、成本低可定性和定量测量，可实现原位、在线和实时测量等优点而受到广泛重视。电子鼻被称为嗅觉模拟最具有发展前景的解决方案。6.2、电子鼻与人的嗅觉系统构造流程图：气味嗅觉细胞嗅球神经网络（嗅小球）大脑（神经中枢）做出判断传感器阵列数据采集处理器模式识别系统人类嗅觉系统电子鼻气体传输系统敏感材料敏感材料敏感材料敏感材料….传感器1传感器2传感器3传感器N….传感器信号预处理传感器信号预处理传感器信号预处理传感器信号预处理….阵列信号预处理模式识别引擎气味表达知识库气味表达训练测试6.3、传感器阵列组合：HCL..CO..NO..传感器1传感器2传感器M..测试1测试2测试NS1S3S2Sp关于传感器阵列的数学模型，目前还没有详细的描述，常用的说法是：选用M个器件构成一个阵列，每个传感器有N种测试模式，这样阵列共有P=M*N个模式。传感器阵列对于被测气体的响应，在不同的测试模式中是不同的。气敏传感器的响应曲线6.4、信号预处理电路：一、信号调节：将传感器对气体的响应转变为容易测量的电信号（电压或者电流）二、AD采样：将模拟信号转变为模式识别系统所需要的数字信号几种典型的信号调节电路信号调节电路实质上就是一种接口电路，设计时在考虑输出电信号本身精度和动态范围，也应该考虑ADC（模拟数字转换器）的输入范围和量化精度以及后续处理的进一步要求。Rs为气敏传感器的电阻值；Rc为采样电阻；由表可知，几种电路的输出电压及其对Rs的一阶导数。从表中可知，前两种的输出电压与气敏传感器电阻成反比，后三种输出电压导数与Rs无关。6.5、模式识别技术：模式识别是伴随着计算机的研究、应用发展起来的一门新兴学科,在计算机理论、信号与信息处理、自动控制理论等方面得到了广泛的应用。近年来被用于智能嗅敏中,已引起普遍的重视。按照广义的定义,模式是一些供模仿用的、完美无缺的标本;模式识别就是识别出特定客体所模仿的标本。具体地说,模式被理解成取自客观世界有限部分的单一样本的被测量值的综合;模式识别就是试图确定一个样本的类别属性,即把某一样本归属于多个类型中的某一类型。被识别对象模式采集预处理特征提取模式分类电子鼻中常用的模式识别方法统计模式识别几何分类统计分类聚类分析模糊模式识别直接法：按“最大隶属原则”归类间接法：按“择近原则”归类人工神经网络模式识别：据人脑的基本功能特征，通过数学抽象及粗略的逼近和模仿。人工神经网络是在现代神经科学研究成果的基础上,而研发的新型识别技术优点缺点良好的错容性和很强大适应能力具有很强的自学习和对环境的自适应能力训练好的网络具有快速操作性能需要大量的数据和时间分类器不透明输入1输入2输入3...输入M.........输入1输入2输入3输入4...输入N输入层隐藏层输出层一个典型的多层神经网络有三层,使用反传算法训练,这里,输入层被从传感器输出来的信息激励,该激励将经过加权后传递,通过第二层(隐藏层)到达输出层。因此,输入神经元的数量是阵列中所用传感器数量的函数,典型的输出神经元的数量等于被分成的类别数。6.6、输出模式：电子鼻的两种输出方式直接输出识别或分类结果（适用于完全用电子鼻来做决策的情况）输出被测物的数字指纹（特征值）（供人或分布式电子鼻系统中的主机系统作为参考依据。）早期的气敏传感器测试系统和电子鼻系统都采用封闭式进样系统,其主要特点是将样品直接注入封闭的传感器室,一般用于测量稳态响应,除了不能测试动态响应之外,它们还有一个缺点就是脱附比较慢,不太适合大量采集样本数据。七、早期的电子鼻：