《生物信息與仿生材料測試技術(shù)》 課件全套 第1-6章 緒論-智能測試及其在生物信息采集中的應(yīng)用

第一章緒論生物信息測試技術(shù)一、生物信息測試技術(shù)的概念電飯煲為什么能自動加熱和保溫而不會使飯燒焦?電冰箱、空調(diào)為什么可以自動控制電極的運(yùn)轉(zhuǎn)而保持恒溫？全自動洗衣機(jī)為什么可以自動完成洗衣過程？電梯門為什么不夾人？自動門為什么會自動開啟？怎樣實(shí)現(xiàn)自動通風(fēng)、自動噴水、自動報(bào)警？醫(yī)院和車站的人體溫度檢測如何實(shí)現(xiàn)？（一）生物信息測試技術(shù)的基本概念傳感器（Transducer/Sensor），國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T7665-2005《傳感器通用術(shù)語》）定義：能感受被測量信息并將其按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感器的定義包含了以下含義：①傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)；②其輸入量是一被測量，可能是物理量、化學(xué)量、生物量等；③其輸出量是一物理量，可以是氣、光、電等便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理和現(xiàn)實(shí)的物理量；④輸出量與輸入量有確定的對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)具有一定的精度。廣義上，傳感器是一種獲得信息的裝置，能夠在感受外界信息后，按一定的規(guī)律把物理量、化學(xué)量或生物量等轉(zhuǎn)變成便于利用的信號，轉(zhuǎn)換后的信息便于測量和控制。國際電工委員會（InternationalElectrotechnicalCommittee,IEC）對傳感器定義：傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測量的信號。一、生物信息測試技術(shù)的念傳感器一般由敏感元件（SensingElement）、轉(zhuǎn)換元件（TransducingElement）、變換電路三部分組成。敏感元件直接感受被測量，并輸出與被測量有確定關(guān)系的物理量信號；轉(zhuǎn)換元件將敏感元件輸出的物理量信號轉(zhuǎn)換為電信號；變換電路負(fù)責(zé)對轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號進(jìn)行放大調(diào)制；轉(zhuǎn)換元件和變換電路一般還需要輔助電源供電。一、生物信息測試技術(shù)的概念（一）生物信息測試技術(shù)的基本概念工作原理：待測物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入分子識別元件，經(jīng)分子識別作用與分子識別元件特異性結(jié)合，產(chǎn)生物理/化學(xué)反應(yīng)；傳感器將接收到的物理/化學(xué)反應(yīng)信號轉(zhuǎn)化為可測量的電、光、聲音、溫度等信號，并對產(chǎn)生的信號進(jìn)行放大、處理并輸出一、生物信息測試技術(shù)的概念（二）生物傳感器的工作原理1.機(jī)械化時(shí)代（人類出現(xiàn)-1870年前后）——開啟了人類傳感器雛形二、生物信息測試技術(shù)的發(fā)展（一）傳感器發(fā)展歷程史料記載最早的傳感器最早的度量衡傳感器商代骨尺仰韶陶質(zhì)量具楚墓天平日冕儀指南車

伽利略發(fā)明的氣體溫度計(jì)二、生物信息測試技術(shù)的發(fā)展（一）傳感器發(fā)展歷程世界上最早的溫度傳感器1593年，意大利科學(xué)家伽利略用一個(gè)45厘米長、麥稈粗細(xì)的玻璃管，一端吹成雞蛋大小的玻璃泡，一端仍然開口自動控制理論和信息論持續(xù)引領(lǐng)了第二次、第三次工業(yè)革命。以電力電子和氣動為基礎(chǔ)的生產(chǎn)自動化趨于成熟，以內(nèi)燃機(jī)帶動的汽車、飛機(jī)、火箭等現(xiàn)代化交通運(yùn)載工具持續(xù)大發(fā)展，以通信和互聯(lián)網(wǎng)為代表的信息化爆發(fā)性增長。2.電氣自動化時(shí)代（1870年前后-2009年）——傳感器成為不可或缺的關(guān)鍵性配套器件二、生物信息測試技術(shù)的發(fā)展（一）傳感器發(fā)展歷程（1）最早輸出電信號的傳感器——鉑電阻溫度計(jì)1821年，德國的塞貝克發(fā)現(xiàn)熱電效應(yīng)，同年英國的戴維發(fā)現(xiàn)金屬電阻隨溫度變化的規(guī)律，奠定了熱電偶溫度計(jì)和熱電阻溫度計(jì)的理論基礎(chǔ)；1876年，德國的西門子制造出第一支鉑電阻溫度計(jì)；精密的鉑電阻溫度計(jì)是最精確的溫度計(jì)，被用于定義國際溫度標(biāo)準(zhǔn)ITS-90的傳感器。它在-272.5℃至961.78℃溫度范圍內(nèi)具有非常線性的電阻-溫度關(guān)系和高重復(fù)性2.電氣自動化時(shí)代（1870年前后-2009年）——傳感器成為不可或缺的關(guān)鍵性配套器件二、生物信息測試技術(shù)的發(fā)展（一）傳感器發(fā)展歷程（2）工業(yè)批量化生產(chǎn)的第1代傳感器——結(jié)構(gòu)型傳感器當(dāng)前意義上的生物信息測試技術(shù)是在20世紀(jì)的中期真正開始的，這時(shí)期的傳感器主要是結(jié)構(gòu)型傳感器，也就是主要利用結(jié)構(gòu)參量變化來感受和轉(zhuǎn)化信號，如電阻應(yīng)變傳感器等。（3）固體傳感器——工業(yè)批量化生產(chǎn)的第2代傳感器70年代后期，隨著集成技術(shù)、分子合成技術(shù)、微電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了集成傳感器，即傳感器本身的集成化和傳感器與后續(xù)電路的集成化。3.智能時(shí)代（2009年至今）——傳感器已成為發(fā)展瓶頸、同時(shí)也是物聯(lián)網(wǎng)的核心基礎(chǔ)和突破口二、生物信息測試技術(shù)的發(fā)展（一）傳感器發(fā)展歷程（1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)爆發(fā)——無線化無處不在在油田中，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳輸傳感器采集到的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)對油田作業(yè)的全過程監(jiān)測，同時(shí)把才加到的數(shù)據(jù)利用無線網(wǎng)絡(luò)上傳到控制中心，由控制中心完成數(shù)據(jù)的處理和分析，最終對被測對象進(jìn)行實(shí)施控制和回饋。（2）智能傳感器的代表性產(chǎn)品——MEMS傳感器80年代智能傳感器主要以微處理器為核心IMU（慣性測量單元）最早在90年代開始規(guī)模應(yīng)用在汽車工業(yè)和國防工業(yè)

IMU440CAMEMS壓力傳感器1.國外生物信息測試技術(shù)發(fā)展歷程二、生物信息測試技術(shù)的發(fā)展（二）生物信息測試技術(shù)國外發(fā)展現(xiàn)狀1962年，Clark和Lyon把嫁接酶法和離子敏感氧電極技術(shù)結(jié)合，制造了測定葡萄糖含量的酶電極，開創(chuàng)了生物信息測試技術(shù)的先河。1974年，庫尼等人研制了以酶為敏感材料的測溫探針熱生物傳感器。所以在1975年Janata研制出了電化學(xué)免疫生物傳感器。1980年，Cams等人研制出可測青霉素的酶場效應(yīng)晶體管生物傳感1990年以來，生物傳感器依托微系統(tǒng)分析技術(shù)、納米技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展又進(jìn)入了一個(gè)全新階段。為離子酶場效應(yīng)晶體管開創(chuàng)了新研究局面，推動生物傳感器向集成化、多功能化發(fā)展.生物傳感器從最初的第1代逐漸發(fā)展到第3代2.國外生物傳感器研究成果二、生物信息測試技術(shù)的發(fā)展（二）生物信息測試技術(shù)國外發(fā)展現(xiàn)狀國家單位研究成果日本東京工藝研究所過氧化氫傳感器Tsukuba大學(xué)氧化還原酶的能量傳導(dǎo)系統(tǒng)Okazak分子生物學(xué)研究所研究電子接收體的生化物NIMSI連同大阪大學(xué)診療傳感器美國萬能傳感器公司Produsa公司唾液葡萄糖生物傳感器檢測乳酸鹽的生物傳感器植入式生物傳感器Electrozyme公司汗液實(shí)時(shí)檢測生物傳感器斯坦福大學(xué)人工晶體的青光眼傳感器布朗大學(xué)利用唾液檢測血糖的新型傳感器加州大學(xué)洛杉磯分校可鑒定引起感染的特定革蘭氏陰性菌英國ThomEmi公司英國國家物理實(shí)驗(yàn)室生物傳感器樣品新型隱形眼鏡生物傳感器法國貢比涅大學(xué)SteSeres公司互換膜多參數(shù)酶檢測器里昂克洛德·貝爾納大學(xué)帶有數(shù)字顯示屏幕的葡萄糖處理器澳大利亞蒙納士大學(xué)研發(fā)世界首個(gè)超聲波生物傳感器1.國內(nèi)生物信息測試技術(shù)的發(fā)展歷程二、生物信息測試技術(shù)的發(fā)展（三）生物信息測試技術(shù)國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀我國生物信息測試技術(shù)的研究開始于20世紀(jì)80年代初。1986年的第一屆工業(yè)生化及酶工程全國學(xué)術(shù)會標(biāo)志著我國生物傳感器的開端。20世紀(jì)90年代以來，我國在生物傳感器領(lǐng)域的研究人數(shù)不斷增加，對生物傳感器的認(rèn)識逐漸加深，對于生物傳感器的研究也從單一研究生物學(xué)擴(kuò)大到研究化學(xué)、電子學(xué)等與生物學(xué)的緊密結(jié)合。2.國內(nèi)生物傳感器研究成果二、生物信息測試技術(shù)的發(fā)展（三）生物信息測試技術(shù)國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀單位研究技術(shù)中科院微生物所臨床診斷分析用生物傳感器山東省科學(xué)院生物研究所40C/40D/40E/90型生物傳感分析儀清華大學(xué)生物技術(shù)系生物膜重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室柔性瞬態(tài)電化學(xué)傳感器上海工業(yè)微生物研究所手掌型血糖分析儀研制和產(chǎn)業(yè)化中科院電子學(xué)研究所傳感器技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室電場傳感器及系統(tǒng)SPR生化分析儀上海冶金研究所氧傳感器熒光化學(xué)傳感器復(fù)旦大學(xué)化工系可植入纖維生物傳感器纖維電化學(xué)生物傳感器湖南大學(xué)化工系組織、免疫傳感器陜西師范大學(xué)化學(xué)系光生物傳感器浙江大學(xué)教育部生物傳感器國家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室嗅覺和味覺生化傳感器河北科技大學(xué)BOD微生物傳感器浙江大學(xué)寧波校區(qū)智能柔性生物傳感器1.土壤環(huán)境檢測二、生物信息測試技術(shù)的發(fā)展（四）生物信息測試技術(shù)在農(nóng)業(yè)生物信息測量中的應(yīng)用土壤測定：檢測土壤中各種成分含量，檢測出與植物生長直接相關(guān)的速效營養(yǎng)成分，與大田作物栽培實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合，提出施肥或是土壤改良建議。傳感器實(shí)時(shí)檢測：機(jī)械的田間作業(yè)過程，也可以用于連續(xù)監(jiān)測土壤成分的動態(tài)變化。土壤環(huán)境實(shí)時(shí)檢測：水分、PH值、速效礦質(zhì)營養(yǎng)成分、通氣狀況等1.土壤環(huán)境檢測二、生物信息測試技術(shù)的發(fā)展（四）生物信息測試技術(shù)在農(nóng)業(yè)生物信息測量中的應(yīng)用土壤水分測定：水在土壤中以重力水、毛管水、束縛水三種形式存在，其中毛管水是植物吸收水分的主要來源，相應(yīng)地與植物吸水關(guān)系最密切的土壤保水性能指標(biāo)就是田間持水量，也就是土壤最大的毛管水和束縛水含量。準(zhǔn)確動態(tài)監(jiān)測土壤的有效含水量是十分困難的任務(wù)，不過在國外，已經(jīng)利用生物傳感器部分解決了這一難題，投資信息公司Baseline公司在其公司網(wǎng)站上推出了一種新式土壤濕度生物傳感器，其主結(jié)構(gòu)是一種帶狀結(jié)構(gòu)，脈沖信號在傳感器中傳播的延時(shí)受土壤水含量的影響，因而可以通過脈沖延時(shí)量來測定土壤濕度，據(jù)稱該傳感器的延時(shí)分辨精度達(dá)到10ps的水平，同時(shí)還可以校正溫度和水分含鹽帶來的誤差。1.土壤環(huán)境檢測二、生物信息測試技術(shù)的發(fā)展（四）生物信息測試技術(shù)在農(nóng)業(yè)生物信息測量中的應(yīng)用土壤PH測定：PH值檢測通?？梢岳貌Ａщ姌O構(gòu)成的傳感器完成，實(shí)際上這是土壤分析測量PH值時(shí)常用的方法之一，在理論上，這類傳感器的穩(wěn)定性與壽命也足以勝任田間的實(shí)時(shí)測量任務(wù)，不過土壤含水量、代換性陽離子以及其他一些因素會對檢測造成干擾，在這種場合下，可以利用生物膜或者其它離子選擇性半透膜來減小干擾從而提高傳感器的精度。1.土壤環(huán)境檢測二、生物信息測試技術(shù)的發(fā)展（四）生物信息測試技術(shù)在農(nóng)業(yè)生物信息測量中的應(yīng)用土壤元素含量測定：一般情況下，N、P、K是土壤所普遍缺乏的，施肥通常也是以補(bǔ)充這三種元素為主。土壤礦質(zhì)營養(yǎng)不足會影響植物的生長，而過多或者各成分失去平衡則會對植物發(fā)生毒害作用，因此準(zhǔn)確測量土壤的礦質(zhì)營養(yǎng)水平對于施肥而言具有重要的意義，因?yàn)檫^度施肥不僅會造成浪費(fèi)，還會造成污染和降低作物的品質(zhì)。土壤的各種礦質(zhì)營養(yǎng)數(shù)據(jù)可以事先通過土壤測定獲得，不過這樣取得的數(shù)據(jù)對于一個(gè)一體化的水肥管理策略來說是不夠的，精確的水肥管理還需要傳感器提供的各種礦質(zhì)營養(yǎng)成分田間動態(tài)數(shù)據(jù)。微生物傳感器是以微生物作為敏感材料的一類傳感器，微生物的生長繁殖會受到某種或某些特定的礦質(zhì)元素的影響，因而可以用于礦質(zhì)營養(yǎng)的測量。硝化細(xì)菌為敏感材料的氨敏生物傳感器可以用于測量氨態(tài)氮1.土壤環(huán)境檢測二、生物信息測試技術(shù)的發(fā)展（四）生物信息測試技術(shù)在農(nóng)業(yè)生物信息測量中的應(yīng)用土壤的通氣情況測定：可以用微生物傳感器來測量。土壤通氣狀況主要受土壤含水率、土壤結(jié)構(gòu)、微生物的活動等因素的影響，而通氣狀況則又會直接影響到土壤的氧化還原電位。直接測量土壤溶液溶解氧的含量與氧化還原電位可能不是一個(gè)好主意，因?yàn)橥寥乐醒醯幕瘜W(xué)性質(zhì)十分活潑，在土壤中的變化規(guī)律過于復(fù)雜，而影響土壤氧化還原電位的因素又非常多，因此二者的測量結(jié)果可能缺乏可靠性。如果使用微生物傳感器，則可以利用微生物的好氧特性與厭氧特性來檢測通氣狀態(tài)的綜合性影響而獲得良好的結(jié)果，因?yàn)榻?jīng)過長期的自然選擇，微生物對于特定環(huán)境有著良好的適應(yīng)性和依賴性，土壤通氣狀況在一段時(shí)間之內(nèi)對于微生物生長繁殖的影響十分穩(wěn)定。2.生理信息檢測二、生物信息測試技術(shù)的發(fā)展（四）生物信息測試技術(shù)在農(nóng)業(yè)生物信息測量中的應(yīng)用植物體成分測定：無機(jī)成分和有機(jī)成分兩部分：通過各種植物分析手段定量或半定量檢測出來，特別是基于層析原理而發(fā)展起來的各種色譜分析方法在近年來獲得飛速發(fā)展，不但可以在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行分析實(shí)驗(yàn)，也可以用便攜式儀器進(jìn)行現(xiàn)場檢測。但化學(xué)分析手段的固有缺點(diǎn)在于難以實(shí)施連續(xù)的在線監(jiān)測和難于實(shí)現(xiàn)檢測的自動化，因此大田和溫室作物生理信息的實(shí)時(shí)檢測仍將主要依靠包括生物傳感器在內(nèi)的各種傳感器完成。植物生理信息檢測方法可以區(qū)分為宏觀和微觀兩類，如稱量重量、測量尺寸、觀察形狀、顏色、電磁特性檢測等可以歸于宏觀方法，微觀方法則主要是對植物的組成成分進(jìn)行測量。2.生理信息檢測二、生物信息測試技術(shù)的發(fā)展（四）生物信息測試技術(shù)在農(nóng)業(yè)生物信息測量中的應(yīng)用植物體成分測定：植物體內(nèi)的無機(jī)成分，一部分以游離態(tài)存在于植物體內(nèi)汁液之中，另一部分與有機(jī)成分結(jié)合而被“固定”下來，與植物的全量分析不同，使用傳感器檢測植物體內(nèi)的無機(jī)成分，以前者為主，與游離態(tài)無機(jī)成分相對較易于檢測有關(guān)，但更主要的原因是這樣的檢測能夠滿足實(shí)際的需要。檢測植物體內(nèi)無機(jī)成分目的是檢驗(yàn)施肥效果、預(yù)報(bào)和協(xié)助診斷缺素癥或者單素毒害、為查明其他故障提供線索等，而游離態(tài)無機(jī)成分?jǐn)?shù)據(jù)能夠很好達(dá)到這一目的。例如氮肥供應(yīng)充足時(shí)植物體內(nèi)就會有一定的硝態(tài)氮積累，供肥過多，硝態(tài)氮含量就會超標(biāo)，供肥嚴(yán)重不足時(shí)，硝態(tài)氮含量也極低，其它礦質(zhì)元素，類似，如土壤PH值過低而使得某些元素如Mn的濃度過高時(shí)就會引起植物體內(nèi)游離態(tài)Mn的嚴(yán)重超標(biāo)。植物生理信息檢測方法可以區(qū)分為宏觀和微觀兩類，如稱量重量、測量尺寸、觀察形狀、顏色、電磁特性檢測等可以歸于宏觀方法，微觀方法則主要是對植物的組成成分進(jìn)行測量。2.生理信息檢測二、生物信息測試技術(shù)的發(fā)展（四）生物信息測試技術(shù)在農(nóng)業(yè)生物信息測量中的應(yīng)用植物體成分測定：液中各種無機(jī)離子是生物傳感器常見的檢測對象之一，適用于這一類檢測的主要是離子敏場效應(yīng)管生物傳感器，在臨床醫(yī)學(xué)上已經(jīng)可以用于檢測H+、K+、Na+、Cl+、Ca2+、Mg2+、NH4+等?，F(xiàn)有的這類生物傳感器常用于血檢和尿檢之中，經(jīng)過適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)也可以用于植物組織液中礦質(zhì)離子的檢測，不過要做到植入式檢測，就必須對傳感器進(jìn)一步微型化并改進(jìn)傳感器的結(jié)構(gòu)以避免因植物體的排異反應(yīng)而使傳感器失效。2.生理信息檢測二、生物信息測試技術(shù)的發(fā)展（四）生物信息測試技術(shù)在農(nóng)業(yè)生物信息測量中的應(yīng)用植物體成分測定：對于植物體內(nèi)有機(jī)成分：例如，葉片進(jìn)行光合作用形成葡萄糖，葡萄糖則結(jié)合成蔗糖的形式運(yùn)輸?shù)街参矬w的其他部分后再分解，因此在合適的位置測量葡萄糖與蔗糖的含量就可以在一定程度上推斷出光合作用進(jìn)行的狀況。以呼吸作用為例，當(dāng)環(huán)境氧分壓過低時(shí)植物無氧呼吸作用加強(qiáng)，如果植物長時(shí)間缺氧，那么無氧呼吸產(chǎn)生的酒精或乳酸就會積累并最終發(fā)生毒害作用，因此可以通過檢測酒精、乳酸的含量來推斷植物體的呼吸作用是否正常進(jìn)行。當(dāng)植物體發(fā)生其他代謝故障時(shí)也會有類似的情況發(fā)生，這與人體代謝類疾病的診斷原理是相同的。當(dāng)植物生長發(fā)育進(jìn)入某一特定階段或者在植物體的某些特定的部位，某些特定的物質(zhì)含量會有明顯的變化，如植物衰老時(shí)脫落酸大量增加，在新生組織中生長素的含量明顯高于其他組織等等，這一類變化也是傳感器進(jìn)行植物生理信息檢測的依據(jù)之一。3.種子活力的檢測二、生物信息測試技術(shù)的發(fā)展（四）生物信息測試技術(shù)在農(nóng)業(yè)生物信息測量中的應(yīng)用種子活力是表示種子強(qiáng)壯程度的重要品質(zhì)指標(biāo)之一，是種子內(nèi)在生命力強(qiáng)弱的屬性。種子活力的標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語是Vigor，按照國際種子檢驗(yàn)協(xié)會（ISTA）的定義，種子活力是指種子在廣泛大田條件下能迅速、整齊地發(fā)芽，茁壯地生長，并能長成正常幼苗和植株而達(dá)到豐產(chǎn)及優(yōu)質(zhì)的潛在能力。生化測定法是諸多種子活力測定方法中的一類，常用生化測定法包括TTC法、ATP含量測定法、酶活性測定法等。雖然生化測定法是“間接法”，不如幼苗生長勢法和幼苗生長分級法等方法直接，但這類方法具有快速預(yù)測的優(yōu)點(diǎn)，因而是很常用的方法3.種子活力的檢測二、生物信息測試技術(shù)的發(fā)展（四）生物信息測試技術(shù)在農(nóng)業(yè)生物信息測量中的應(yīng)用圖形法和定量法：圖形法不僅要求嚴(yán)格控制TTC染色程度，具體檢測時(shí)還需逐粒切割種子，因此操作十分煩瑣，且對檢驗(yàn)人員操作要求很高，定量法雖然檢驗(yàn)操作相對比較簡單，但檢驗(yàn)結(jié)果可靠性比較差，且要使用比較貴重的測試儀器，因此通常只作為輔助手段使用。各種生化測定法直接檢測的對象都是生物活性物質(zhì)，如TTC法的實(shí)質(zhì)是檢測了呼吸過程中脫氫酶的活性，ATP法檢測的就是ATP等等。如果能夠使用生物傳感器來檢測這些活性物質(zhì)的話，就會使檢測過程變得更快更簡單，同時(shí)由于不需要對種子做過多的額外處理，也會使檢測結(jié)果更加可靠。ATP法就是其中有望能夠得到改進(jìn)的方法之一。3.種子活力的檢測二、生物信息測試技術(shù)的發(fā)展（四）生物信息測試技術(shù)在農(nóng)業(yè)生物信息測量中的應(yīng)用ATP是生物體內(nèi)的通用能量載體，在休眠的種子中ATP含量極低，在種子萌發(fā)過程中，ATP大量合成，且其合成量與種子活力成正相關(guān)，因而是測定種子活力的一個(gè)理想途徑，當(dāng)然也有研究者認(rèn)為，單純ATP含量不能全面反映問題的實(shí)質(zhì)，因此主張通過測定能量負(fù)荷來表示種子活力。目前ATP測定法中ATP的測量一般是通過測定熒光素酶催化ATP與熒光素反應(yīng)產(chǎn)生的光量來實(shí)現(xiàn)的。但近年在國外不少類型的ATP生物傳感器相繼被開發(fā)出來，這些研制出的ATP傳感器中，比較成功的一例就是英國沃里克大學(xué)生物系研制的以甘油激酶和3-磷酸甘油氧化酶為敏感材料的鉑電極生物傳感器，據(jù)報(bào)道該傳感器響應(yīng)速度快，10%-90%上升時(shí)間小于10s，對200nM-50mM之間的ATP含量具有良好的線性響應(yīng)特性，靈敏度大約在250mA.M-1.cm-2左右。這類傳感器的研制成功為改進(jìn)現(xiàn)有的種子活力ATP測定方法打下了良好的基礎(chǔ)。三、生物信息測試技術(shù)的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢（一）生物信息測試技術(shù)的特點(diǎn)（1）測定范圍廣；（2）專一性強(qiáng)，只對特定的底物起反應(yīng)，而且不受顏色、濁度的影響；（3）生物傳感器使用時(shí)一般不需要樣品的預(yù)處理，樣品中的被測組分的分析檢測同時(shí)完成，且測定時(shí)一般不需要加入其他試劑；（4）采用固定化生物活性物質(zhì)作敏感基元（催化劑），昂貴的試劑可以重復(fù)多次使用，克服了成本費(fèi)用高和化學(xué)分析繁瑣復(fù)雜的缺點(diǎn)；（5）測定過程簡單迅速，通常可以在一分鐘得到結(jié)果；（6）準(zhǔn)確度和靈敏度高，一般相對誤差不超過1%；（7）操作系統(tǒng)簡單，由于它的體積小，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測，容易實(shí)現(xiàn)自動分析；（8）可進(jìn)入生物體內(nèi)進(jìn)行檢測；（9）成本低，同時(shí)傳感器連同測定儀的成本遠(yuǎn)低于大型的分析儀器，便于推廣普及。三、生物信息測試技術(shù)的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢（二）生物信息測試技術(shù)的發(fā)展趨勢微小化、植入式生物傳感器，百年來，科學(xué)家們一直在使用光來研究活細(xì)胞。但由于生物材料對光的吸收和散射，只允許科學(xué)家觀察細(xì)胞內(nèi)部和薄片組織，在深層組織和其他不透明環(huán)境中對光進(jìn)行成像非常困難。麻省理工學(xué)院和紐約大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，通過將光信號轉(zhuǎn)換為磁共振成像（MRI）可以檢測到的磁信號，實(shí)現(xiàn)腦組織深處光分布的表征。研究人員首先制造了光敏MRI探針，具體方法是將磁性顆粒包裹在稱為脂質(zhì)體的納米顆粒中，該脂質(zhì)體由先前開發(fā)的特殊光敏脂質(zhì)制成。這項(xiàng)研究設(shè)計(jì)的新型MRI傳感器，實(shí)現(xiàn)了大腦光子檢測，為光子和質(zhì)子驅(qū)動的神經(jīng)影像學(xué)研究開辟了一條新的途徑光敏納米顆粒探針存在條件下利用MRI繪制組織內(nèi)光空間分布MIT研發(fā)可食用的消化道傳感器三、生物信息測試技術(shù)的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢（二）生物信息測試技術(shù)的發(fā)展趨勢傳感器技術(shù)的主要發(fā)展動向：1、開展基礎(chǔ)研究，重點(diǎn)研究傳感器的新材料和新工藝；2、實(shí)現(xiàn)傳感器的智能化；3、向集成化方向發(fā)展，傳感器集成化的一個(gè)方向是具有相同功能的傳感器集成化，從而使一個(gè)點(diǎn)的測量變成對一個(gè)平面或一個(gè)空間的測量。例如，利用電耦合器件形成的固體圖像傳感器來進(jìn)行的文字和圖形識別。31）用物理現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)和生物效應(yīng)設(shè)計(jì)制作各種用途的傳感器，這是傳感技術(shù)的重要基礎(chǔ)工作。例如，利用某些材料的化學(xué)反應(yīng)支撐的能識別氣體的“電子鼻”，利用超導(dǎo)技術(shù)研制成功的高溫超導(dǎo)磁傳感器等。2）傳感器向高精度、一體化、小型化的方向發(fā)展。在傳感器制造上很重視發(fā)展微機(jī)械加工技術(shù)，微機(jī)械加工技術(shù)除全面繼承氧化、光刻、擴(kuò)散、沉積等微電子技術(shù)外，還發(fā)展了平面電子工藝技術(shù)，各向異性腐蝕、固相鍵合工藝和機(jī)械分?jǐn)嗉夹g(shù)。3）發(fā)展智能型傳感器。智能型傳感器是一種帶有微處理器并兼有檢測和信息處理功能的傳感器，智能型傳感器被稱為第四代傳感器，使傳感器具備感覺、辨別、判斷、自診斷等功能，是傳感器的發(fā)展方向。21三、生物信息測試技術(shù)的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢（二）生物信息測試技術(shù)的發(fā)展趨勢三、生物信息測試技術(shù)的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢（二）生物信息測試技術(shù)的發(fā)展趨勢生物信息測試技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的發(fā)展趨勢生物信息測試技術(shù)的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢生物信息測試技術(shù)的發(fā)展趨勢圖1.16生物傳感器主要應(yīng)用本章習(xí)題本章習(xí)題1.簡述生物測試技術(shù)的基本概念。3.簡述生物信息測試技術(shù)的特點(diǎn)。2.簡述生物傳感器的工作原理。4.舉例說明生物信息測試技術(shù)實(shí)際生活中的應(yīng)用場景。謝謝第二章生物信息測試技術(shù)基礎(chǔ)生物信息測試技術(shù)敏感材料是對電、光、聲、力、熱、磁、氣體分布等場的微小變化而表現(xiàn)出性能明顯改變的功能材料（通常稱之為第二代材料），是能將各種物理的或化學(xué)的非電參量轉(zhuǎn)換成電參量的功能材料。特點(diǎn)：電阻率隨溫度、電壓、濕度以及周圍氣體環(huán)境等的變化而變化。用敏感材料制成的傳感器具有信息感受、交換和傳遞的功能，可分別用于熱敏、氣敏、濕敏、壓敏、聲敏以及色敏等不同領(lǐng)域。敏感元件的定義：如果被檢測或被控制的量不是電信號，那么把各種各樣的物理量變成電信號來測量的元件，就是所謂的敏感元件。一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（一）敏感材料的定義根據(jù)被測參數(shù)的功能類型來劃分：溫度敏感材料、壓力敏感材料、應(yīng)變敏感材料、光照度敏感材料等。按照材料的結(jié)構(gòu)類型分類：半導(dǎo)體敏感材料、陶瓷敏感材料、金屬敏感材料、有機(jī)高分子敏感材料、光線敏感材料、磁性敏感材料等等。一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類傳感器對半導(dǎo)體敏感材料最基本要求是換能效率高，即可將其他形式能量轉(zhuǎn)換為電能，且易制成器件。傳感器用的半導(dǎo)體敏感材料種類主要有：元素半導(dǎo)體及化合物、金屬氧化物以及幾種金屬氧化物經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成的半導(dǎo)體陶瓷、多元化合物等，此外還有新開發(fā)的有機(jī)半導(dǎo)體材料，如酞薔金屬化合物等。半導(dǎo)體在光、電、熱、磁等因素作用下會產(chǎn)生光電、熱電、霍爾、磁阻、壓電、場和隧道等效應(yīng)，利用這些效應(yīng)可以制作各種具有獨(dú)特性能的敏感元件。其特點(diǎn)是：靈敏度高、重量輕、響應(yīng)快、工作電壓低等。一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類1.半導(dǎo)體敏感材料一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類1.半導(dǎo)體敏感材料（1）光敏半導(dǎo)體材料：光能轉(zhuǎn)換為電信號，按其換能原理分：①光導(dǎo)效應(yīng)半導(dǎo)體材料：半導(dǎo)體材料接受光子的能量，使載流子由束縛態(tài)激發(fā)到自由態(tài)，從而電導(dǎo)率增大；②光電效應(yīng)半導(dǎo)體材料：入射光在兩種半導(dǎo)體的結(jié)合處激發(fā)起電子-空穴對，電子與空穴分別被結(jié)電場拉開，向相反方向運(yùn)動，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。用這類材料可制成光電二極管、光電三極管及雪崩光二極管等器件，廣泛用于自動控制。（2）磁敏半導(dǎo)體材料：磁場強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電信號。按應(yīng)用原理可：①霍爾效應(yīng)材料：當(dāng)有均勻電流流過的半導(dǎo)體材料受到一垂直于電流方向的磁場作用時(shí)，因洛倫茲力作用，產(chǎn)生一橫向的電場?；魻栯妷旱拇笮∨c磁場強(qiáng)度成正比，依此可將磁場強(qiáng)度線性地轉(zhuǎn)換為電壓信號。要求材料具有高遷移率及薄層結(jié)構(gòu)。②磁電阻效應(yīng)材料：當(dāng)半導(dǎo)體中有均勻電流流過，并受垂直于電場方向的外界磁場作用時(shí)，因霍爾效應(yīng)，電流偏離電場方向一個(gè)角度，使電流所經(jīng)的路程變長。在電流方向，材料兩端設(shè)置金屬元件，電阻就增大。常用InSb、InAS制作磁敏電阻，同樣要求材料具有高遷移率及薄層結(jié)構(gòu)。一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類1.半導(dǎo)體敏感材料（3）壓力敏感半導(dǎo)體材料壓力轉(zhuǎn)換為電信號。按其換能效應(yīng)原理：①壓阻半導(dǎo)體材料：這類材料受外力作用時(shí)，產(chǎn)生晶格形變。晶格的距離改變，導(dǎo)致禁帶寬度及載流子在電場下的運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化，促使電阻率改變。②壓電半導(dǎo)體材料：這類材料的作用機(jī)理都基于壓電效應(yīng)。當(dāng)外力作用到不具有對稱中心的晶體上時(shí)，引起晶體中荷電質(zhì)點(diǎn)位移，偏離平衡位置，使材料的正負(fù)電重心不重合而極化，晶體表面電荷。一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類2.陶瓷敏感材料某些精密陶瓷對聲、光、電、熱、磁、力場及氣體分布場顯示了優(yōu)良的敏感特性和耦合特性，容易制得各種單功能與多功能的傳感器。由于與半導(dǎo)體陶瓷的導(dǎo)電性有關(guān)的現(xiàn)象多半跟晶界的存在及性質(zhì)有關(guān)，故與晶界有關(guān)的各種現(xiàn)象往往成為陶瓷的特殊功能。目前，已得到實(shí)用的陶瓷傳感材料可分為：（1）利用晶體本身性質(zhì)的NTC熱敏電阻、高溫?zé)崦綦娮韬脱鯕鈧鞲衅?；?）利用晶界性質(zhì)的PTC熱敏電阻、半導(dǎo)體電容器；（3）利用表面性質(zhì)的半導(dǎo)體電容器、BaTiO3系壓敏電阻、各種氣體傳感器、濕度傳感器。一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類2.陶瓷敏感材料

（1）溫度敏感陶瓷材料：陶瓷溫度傳感器是利用陶瓷材料的電阻、磁性、介電、半導(dǎo)等物理性質(zhì)隨溫度而變化的現(xiàn)象制成的，其中電阻隨溫度變化顯著的成為熱敏電阻。對熱敏電阻的基本特性要求包括有：電阻率、溫度系數(shù)的符號與大小、穩(wěn)定性。按熱敏電阻的溫度特性可分為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC），正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）和臨界溫度電阻（CTR）3類。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻之溫度－電阻特性可表示為：式中：R、R0為T、T0時(shí)的電阻值；B為熱敏電阻常熟。由上式可得電阻溫度系數(shù)為：一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類2.陶瓷敏感材料（2）濕敏傳感器材料：特點(diǎn)是可靠性高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、靈敏度高，在實(shí)用的范圍內(nèi)能長時(shí)間經(jīng)受其他氣體的侵襲和污染而保持性能不變以及對溫度依賴性小。陶瓷材料的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，通過控制原料組成、成型、燒結(jié)等工藝可以使陶瓷材料具有特定的孔隙度，這些氣孔可以吸附、吸收或凝結(jié)水蒸氣，所以這種陶瓷材料適合做濕度傳感器材料。1）多孔陶瓷濕敏材料多孔陶瓷等價(jià)電路CB、RB是陶瓷自身的電容、電阻，CS’、RS’是吸附在貫通細(xì)孔表面的水的電容、電阻，CB’、CB’是存在于入口細(xì)孔的電極間陶瓷的電容、電阻?？傠娮鑊ob為一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類2.陶瓷敏感材料---濕敏傳感器材料影響多孔陶瓷材料感濕特性的因素包括：①細(xì)孔表面積；②表面氫氧基濃度；③物理吸附水量。質(zhì)子的生成是由吸附水的解離而成，則電導(dǎo)率σ滿足如下關(guān)系：式中：k為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度；E為活化能。改善陶瓷濕敏特性的方法：①在陶瓷基體中引入強(qiáng)酸性離子；②在陶瓷基體中引入堿離子來降低陶瓷的體電阻；③改變陶瓷自身的物性。

硅膠的電阻與表面氫氧基濃度關(guān)系

1）多孔陶瓷濕敏材料一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類2.陶瓷敏感材料---濕敏傳感器材料2）尖晶石型陶瓷濕度敏感材料：尖晶石的結(jié)構(gòu)化學(xué)通式為AB2O4，按A在晶體結(jié)構(gòu)中所處的位置不同可分為正尖晶石（基本屬于絕緣體）、反尖晶石（電導(dǎo)率最大，通常為半導(dǎo)體）和半反尖晶石（電導(dǎo)率小于全反尖晶石）。每個(gè)晶胞有32個(gè)氧離子（O2-），16個(gè)B3+，8個(gè)A2+。每個(gè)晶胞有8個(gè)立方單元組成。這8個(gè)單元可分為甲、乙兩種結(jié)構(gòu)類型。尖晶石的晶胞結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)類型一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類2.陶瓷敏感材料---濕敏傳感器材料2）尖晶石型陶瓷濕度敏感材料：典型尖晶石結(jié)構(gòu)陶瓷濕度敏感材料：純MgCr2O4為正尖晶石結(jié)構(gòu)，是絕緣體，不宜用作感濕材料。當(dāng)加入適量雜質(zhì)，如MgO、TiO2、SnO2等；或在高溫煅燒瓷體中呈現(xiàn)過量的MgO時(shí)，MgCr2O4即形成半導(dǎo)體。當(dāng)TiO2加入量小于20%（mol）時(shí)，電阻率迅速增加。當(dāng)加入TiO2的量較大時(shí)[20%-90%(mol)]，電阻率降低。這是由于Ti3+，離子提供過多的電子，除補(bǔ)償了MgCr2O4的空穴外，多余的電子形成n型電導(dǎo)，如圖所示，當(dāng)TiO2的量過大（超過90%（mol））時(shí)，由于形成大量的金紅石相，電阻率又增加。雜質(zhì)（MgO）對MgCr2O4電阻率的影響

TiO2含量對電阻的影響一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類2.陶瓷敏感材料---濕敏傳感器材料3）鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)陶瓷濕度敏感材料：鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的化學(xué)通式為ABO3，具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的氧化物陶瓷材料的表面、界面性質(zhì)優(yōu)異，對環(huán)境濕氣度化非常敏感，是濕度敏感材料發(fā)展的新方向。BaTiO3晶體是較早被人們認(rèn)識的鐵電材料之一。BaTiO3具有很好的濕敏性質(zhì)，隨著BaTiO3顆粒尺寸的減小，濕敏特性提高，響應(yīng)加快。BaTiO3陶瓷樣品在大氣中隨時(shí)間變化的直流電阻與電容（溫度27℃，濕度約為98%）的關(guān)系如圖所示。BaTiO3陶瓷樣品受大氣中水汽影響使直流電阻、電容隨時(shí)間而變化，這種變化是空氣中水汽向樣品擴(kuò)散過程的反應(yīng)，樣品隨吸附的水汽濃度增加，直流電阻和電容值發(fā)生變化。BaTiO3陶瓷樣品直流電阻隨時(shí)間的變化規(guī)律BaTiO3樣品電容隨時(shí)間的變化規(guī)律（f=1kHz）一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類2.陶瓷敏感材料---濕敏傳感器材料4）厚膜型陶瓷濕度敏感材料：將具有感濕特性金屬氧化物微粒經(jīng)過堆積、粘接而形成的材料，可稱之為陶瓷厚膜，用這種厚膜陶瓷材料制作的濕敏器件，一般被成為厚膜型陶瓷濕敏器件或陶瓷型濕敏器件，以與薄膜（厚度d一般在2～2μm范圍）相區(qū)別。厚膜型濕度敏感材料的理化性能比較穩(wěn)定、器件結(jié)構(gòu)比較簡單、測濕量程大、使用壽命長、成本低廉。厚膜型Fe3O4濕敏器件的阻值，一般要高于燒結(jié)型陶瓷濕敏器件的阻值，在低濕段其阻值要在107Ω以上。然而，當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生變化時(shí)，F(xiàn)e3O4濕敏器件組織變化卻非常之大。感濕膜結(jié)構(gòu)的松散、微粒間的不緊密接觸，既造成接觸電阻的偏大，又使這種多孔性的感濕膜具有較強(qiáng)的透濕能力。BaTiO3陶瓷樣品直流電阻隨時(shí)間的變化規(guī)律BaTiO3樣品電容隨時(shí)間的變化規(guī)律（f=1kHz）一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類2.陶瓷敏感材料---氣體敏感陶瓷材料氣敏陶瓷的電阻值將隨所處環(huán)境的氣氛而改變，其阻值隨氣體的濃度作有規(guī)則的變化。常見的半導(dǎo)體氣敏陶瓷有SnO2、ZnO、γ-Fe2O3、ZrO2等。表面吸附氣體分子后，電導(dǎo)率將隨半導(dǎo)體類型和氣體分子種類而變化。半導(dǎo)體陶瓷氣體傳感器靈敏度高、體積小、結(jié)構(gòu)簡單。目前可檢測的氣體有：碳?xì)湎禋怏w、H2、C2H50H、CO、O2、鹵素氣體、SO2、NO、NH3、SiH4和煙霧等。一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類2.陶瓷敏感材料---光學(xué)敏感陶瓷材料半導(dǎo)體陶瓷受到光的照射后，由于能帶間的躍遷和能帶-能級間的越前而引起光的吸受現(xiàn)象，在能帶內(nèi)產(chǎn)生自由載流子，而使電導(dǎo)率增加。利用這種光電導(dǎo)效應(yīng)可制出檢測光強(qiáng)度的光敏元件。光敏材料主要用于光電二極管、光電池、光敏電阻器、紅外通信、火箭衛(wèi)星軌跡探測、導(dǎo)彈的制導(dǎo)定向與跟蹤以及紅外照相與偵察等。一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類2.陶瓷敏感材料---壓力敏感陶瓷材料利用陶瓷的壓電效應(yīng)，可制成壓力傳感器。當(dāng)壓電陶瓷元件在某一方向上感受應(yīng)力時(shí)，在相應(yīng)的電極接頭處，產(chǎn)生與這些應(yīng)力成比例的開路電壓?？梢?，根據(jù)壓電陶瓷的這種力敏特性，可將機(jī)械力轉(zhuǎn)換成電訊號加以檢測。用作壓力傳感器的壓電陶瓷有BaTiO3、PbTiO3和PbTiO3-PbZrO3系陶瓷等。一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類3.高分子敏感材料利用高分子敏感材料可以制作溫敏、壓敏、力敏、熱敏、聲敏、氣敏、光敏、離子敏、生物敏等各種敏感元件，這種材料的主要特點(diǎn)是質(zhì)輕、透明、柔軟、易加工、成本低廉等?？煞郑簩?dǎo)電性高分子材料、變換性高分子材料、生物傳感器用高分子材料、絕緣性高分子材料、高分子光纖等。導(dǎo)電性高分子材料主要有直接合成本身具有導(dǎo)電性的高分子材料和在高分子中摻入導(dǎo)電性物質(zhì)加以復(fù)合制成的高分子材料。前者的導(dǎo)電性是由于高分子中的主鏈有共軛體系或大分子的側(cè)鏈有電氣活性基團(tuán)所致。后者的導(dǎo)電性是大分子中加入導(dǎo)電性物質(zhì)（金屬、碳粉）造成的。。一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類3.高分子敏感材料---敏感性高分子水凝膠分子凝膠由具有彈性的交聯(lián)高分子網(wǎng)絡(luò)組成，有著固體材料的機(jī)械強(qiáng)度，在網(wǎng)絡(luò)的間隙中能充滿液體，可保持濕潤和柔軟，又能產(chǎn)生較為明顯的變形。凝膠的這種結(jié)構(gòu)決定了其在外界環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，可以改變形狀和大小。根據(jù)要求不同，高分子凝膠唱作成凝膠小球或凝膠膜。它們能實(shí)現(xiàn)可逆變形，也能承受一定的靜壓力，這種流變特性與凝膠中流體的高摩擦性有關(guān)。對于凝膠球來說，具有可逆形變能力且用于生物物質(zhì)的工業(yè)分離中，使得分離效率大大提高，分離成本大大降低。對于凝膠膜來說，保持凝膠膜大小不變，那么膜內(nèi)的伸縮力會使膜孔發(fā)生長大或縮小，從而改變膜的滲透性，這一機(jī)理應(yīng)用到了超濾膜的生產(chǎn)中，使超濾膜的功能大大提高。。一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類3.高分子敏感材料---敏感性高分子水凝膠1）葡萄糖敏感水凝膠，其溶脹度能隨環(huán)境葡萄糖濃度改變而改變的水凝膠?？梢远喾N形態(tài)用于可自我調(diào)控的胰島素可控釋放體系。糖敏水凝膠的另一個(gè)重要用途是做為葡萄糖傳感器的敏感元件。新型葡萄糖敏感水凝膠的研制可能為實(shí)現(xiàn)血糖的長期連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測奠定基礎(chǔ)。作為葡萄糖傳感器的敏感元件主要利用糖敏水凝膠在不同濃度葡萄糖下溶脹度的變化，再將這種變化轉(zhuǎn)化為電信號或光信號的變化，從而指示血糖濃度的變化。2）濕敏水凝膠，最傳統(tǒng)的應(yīng)用之一就是物質(zhì)的富集與分離。優(yōu)點(diǎn)是：水溶膠容易再生，可反復(fù)使用；

耗能少，操作條件不苛刻；

不會被濃縮或分離物質(zhì)中毒；

可根據(jù)要濃縮和分離的生物物質(zhì)的分子尺寸或分子性質(zhì)測定凝膠的交聯(lián)密度和單體單元結(jié)構(gòu)。一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類3.高分子敏感材料---敏感性高分子水凝膠3）壓敏水凝膠，凝膠之所以表現(xiàn)出明顯的壓敏性，首先是因?yàn)樗鼈兙哂袦孛粜?，另外還因?yàn)槠湎噢D(zhuǎn)變溫度隨壓力的增加而有所升高，于是，當(dāng)溫度不變時(shí)，如果常壓下處于收縮態(tài)的凝膠因?yàn)閴毫Φ脑黾佣蛊渌帨囟鹊陀谙噢D(zhuǎn)變溫度的話，凝膠將發(fā)生大幅度的溶脹，從而證實(shí)了弄叫溫敏性與壓敏性的內(nèi)在聯(lián)系。4）光敏水凝膠，水凝膠的光刺激溶脹體積變化是由于聚合物鏈的光刺激構(gòu)型的變化，即其光敏性部分經(jīng)光輻照轉(zhuǎn)變?yōu)楫悩?gòu)體。這類反應(yīng)為光異構(gòu)化反應(yīng)，而其光敏部分即為光敏變色分子，反應(yīng)常伴隨此類發(fā)色團(tuán)物理和化學(xué)性質(zhì)的變化，如偶極矩和幾何結(jié)構(gòu)的改變，這就導(dǎo)致具有發(fā)色團(tuán)聚合物性質(zhì)的改變。在紫外光輻射時(shí)，凝膠溶脹增重，而膨脹了的凝膠在黑暗中可退溶脹至原來的重量。一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類3.高分子敏感材料---敏感性高分子水凝膠5）電場敏感水凝膠，這種水凝膠在電場的作用下可以快速彎向一側(cè)電極，表現(xiàn)出很好的電場敏感性。6）基于水凝膠的光線光柵鹽度傳感器，該傳感器是由一根光線布拉格光柵和水凝膠包層組成。根據(jù)水凝膠吸水體積膨脹以及液體中鹽濃度等影響，使得光線布拉格光柵的反射波長發(fā)生響應(yīng)移動。記錄光線光柵布拉格反射波長的移動量就可以得到被測鹽溶液的濃度變化?；谒z的光線光柵鹽度傳感器探頭結(jié)構(gòu)示意圖一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類3.高分子敏感材料---高分子液晶材料高分子液晶材料作為一種新型的特種高分子材料，已經(jīng)以纖維、復(fù)合材料和注模制件等形式應(yīng)用于航空、航海和汽車中。由于液晶能夠?qū)囟?、電場、磁場、機(jī)械應(yīng)力或化學(xué)環(huán)境等訊號變成看得見的彩色圖樣，因此可以用來檢查材料內(nèi)部的缺陷和材料的均勻度。聚合物分散液晶（Polymerdispersedliquidcrystal，簡稱PDLC）膜，是一種代表性的新型液晶高分子膜，具有電光響應(yīng)速度快、無泄漏、無需偏振片、制備工藝簡單、可制成折疊式固態(tài)顯示器件等優(yōu)點(diǎn)，其在光電顯示方面具有很大的優(yōu)越性。一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類3.高分子敏感材料---高分子氣敏材料氣敏材料的發(fā)展經(jīng)歷了由單一無機(jī)半導(dǎo)體向復(fù)合無機(jī)半導(dǎo)體、金屬有機(jī)半導(dǎo)體、共軛導(dǎo)電高分子、高分子/無機(jī)（納米）復(fù)合材料的發(fā)展過程。高分子氣體傳感器又可分為電阻型、電容型、石英振子型、聲表面波型、濃差型和極限電流型等。隨著納米材料的發(fā)展，出現(xiàn)了全新的一維線性材料---碳納米管。碳納米管是一種具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)性能的新型納米材料。1）共軛導(dǎo)電高分子/碳納米管復(fù)合物，高分子/碳納米管復(fù)合物可以提高碳納米管的氣體響應(yīng)靈敏度、恢復(fù)性以及選擇性。簡單化其制備工作。2）非導(dǎo)電高分子/炭黑、碳納米管復(fù)合物，非導(dǎo)電高分子/炭黑復(fù)合材料主要是通過復(fù)合物在被測氣體作用下發(fā)生一個(gè)可逆的膨脹，而引起材料自身電阻的改變來實(shí)現(xiàn)氣體的檢測。一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類3.高分子敏感材料---高分子濕敏材料高分子濕度敏感材料與陶瓷型濕度敏感材料相比，具有量程寬、響應(yīng)快、濕滯小、制作簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為研究的重點(diǎn)。根據(jù)濕度傳感原理，高分子濕度敏感材料可分為電容型、電阻型、聲表面波型、光敏型等。1）電容型高分子濕度敏感材料，其原理是基于高分子膜的介電常數(shù)（ε≈5）和水分子的介電常數(shù)（ε≈80）相差較大，隨著環(huán)境溫度辯護(hù)啊，高分子膜吸附水分子的量不同，會改變其電容比，由此可測定相對濕度。典型響應(yīng)特性如下圖。電容型濕度傳感器結(jié)構(gòu)電容型濕度傳感器響應(yīng)特性一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類3.高分子敏感材料---高分子濕敏材料2）電阻型高分子濕度敏感材料，高分子電阻濕度傳感器可分為兩類：電子導(dǎo)電型和離子導(dǎo)電型電阻型濕度傳感器結(jié)構(gòu)電阻型濕度傳感器響應(yīng)曲線一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類3.高分子敏感材料---高分子濕敏材料3）聲表面波（SAW）型與光敏性高分子濕度敏感材料，聲表面波（SAW）型：體積小、測試靈敏度高，可精準(zhǔn)測定10%RH以下的低濕區(qū)，可靠性高、一致性好，且制造方便。聲面波（SAW）是一種沿物體表面?zhèn)鞑デ彝度肷疃葴\的彈性波。SAW濕度傳感器可分為兩類：SAW諧振器（SAWRS）和SAW延遲線型（SAWOS）。其中SAWOS型應(yīng)用最多。光敏型：光敏性濕度傳感器是將光敏物質(zhì)（一般為燃料）與高分子材料混合制備濕敏膜。濕度不同，光敏物質(zhì)發(fā)光強(qiáng)度不同，由此可測知相對濕度。所用濕敏材料有7-羥基香豆素系染料摻雜PMMA、磺鈦燃料摻雜聚合物等。一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類3.高分子敏感材料---高分子濕敏材料4）羥乙基纖維素碳濕度敏感材料，羥乙基纖維素吸收水分后體積膨脹，摻入可導(dǎo)電的微粒或離子可以將其體積隨環(huán)境濕度的變化，轉(zhuǎn)變?yōu)楦袧癫牧想妼?dǎo)率的變化，從而測得環(huán)境濕度。5）聚苯乙烯磺酸鋰濕度敏感材料，這類器件的優(yōu)點(diǎn)是測濕量程寬、響應(yīng)快、性能穩(wěn)定且成本低。聚苯乙烯磺酸鋰是高分子的電解質(zhì)，故其電導(dǎo)率隨溫度變化較為明顯。器件具有負(fù)溫度系數(shù)，在應(yīng)用該器件時(shí)，應(yīng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類3.高分子敏感材料---炭黑填充硅橡膠力敏材料炭黑填充硅橡膠復(fù)合材料的三相結(jié)構(gòu)模型，圖中A相為未被炭黑離子吸附的硅橡膠分子鏈，能夠進(jìn)行自由微布朗運(yùn)動；B相是交聯(lián)的硅橡膠分子鏈，分子運(yùn)動收到一定限制；C相為“殼層橡膠”。在復(fù)合材料中，C相起“骨架”作用，它與具有彈性的A相和B相相連，構(gòu)成由炭黑與硅橡膠大分子鏈結(jié)合在一起的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于炭黑電阻率遠(yuǎn)比硅橡膠的小，因此，炭黑在硅橡膠集體中起著導(dǎo)電相的作用，復(fù)合材料也是一個(gè)三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)炭黑間距小到足以發(fā)生接觸傳到和隧道效應(yīng)時(shí)，將形成“局部導(dǎo)電通道”。而當(dāng)局部導(dǎo)電通道貫穿復(fù)合材料基體時(shí)，將形成“有效導(dǎo)電通道”。殼層模型示意圖有效（局部）導(dǎo)電通道示意圖一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類4.電流變敏感材料電流變現(xiàn)象（效應(yīng)）是指“在外電場控制下，能在微秒量級的短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生黏度、阻尼性能及剪切強(qiáng)度可逆性變化的現(xiàn)象（或效應(yīng)）”。具有這種效應(yīng)的材料被成為“電流變材料”，由于該材料在未加電場時(shí)一般呈液體狀態(tài)，故又稱為“電流變液體”（ERF）或“電黏性液體”。ERF材料特點(diǎn)：材料形態(tài)在固態(tài)屬性和也太屬性間快速轉(zhuǎn)變，響應(yīng)速度很高，為毫秒數(shù)量級或更低；材料表觀黏度的轉(zhuǎn)變，乃至從液態(tài)至固態(tài)的變化是完全可逆的；表觀黏度隨電場大幅度無極變化，轉(zhuǎn)換可由一簡單電場信號控制，主要用作電-機(jī)特性轉(zhuǎn)化元件，易于控制；由于控制相變的能量極低，應(yīng)用中能耗量極低。一種具有特殊組分和結(jié)構(gòu)的液體材料，在直流外電場作用下，產(chǎn)生黏度可逆化快速變化的效應(yīng)被稱為“ER效應(yīng)”。電場強(qiáng)度增大，液體黏度增大階段稱為“正效應(yīng)”，而電場強(qiáng)度減小，黏度降級階段，稱為“負(fù)效應(yīng)”。一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類4.電流變敏感材料---電流變體的結(jié)構(gòu)和組成根據(jù)ERF的應(yīng)用情況，從原理上分析，具有兩種不同的結(jié)構(gòu)形式。1）固定電極結(jié)構(gòu)：外力作用在ERF材料上，使ERF流過施加電壓的電極板之間。2）滑動電極結(jié)構(gòu)：兩極間通以電壓，外力作用在一個(gè)電極上，使電極以一定速度相對于另一電極運(yùn)動。ERF的不同電極結(jié)構(gòu)一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類4.電流變敏感材料---電流變體的結(jié)構(gòu)和組成常用于測量ERF材料主要參數(shù)的同心圓柱流變儀（Couette流變儀），根據(jù)滑動電極結(jié)構(gòu)涉及，其中內(nèi)圓柱接電源，外圓筒接地，內(nèi)圓柱以角速度相對于外圓筒運(yùn)動，外圓筒安裝在一測距傳感器上，根據(jù)角速度與轉(zhuǎn)矩值指示，可獲得ERF材料的剪切應(yīng)力、剪切應(yīng)變、靜態(tài)屈服應(yīng)力、剪切應(yīng)變速度、電流密度等值。Couette容器應(yīng)變儀原理示意圖ERF通常由下列三個(gè)主要成分組成：①連續(xù)介質(zhì)（溶劑）②分散介質(zhì)（懸浮粒子）③表面活化劑一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類4.電流變敏感材料---電流變材料在智能控制中的應(yīng)用實(shí)例發(fā)動機(jī)懸置式ERF可控支座示意圖可控（主動）發(fā)動機(jī)懸置結(jié)構(gòu)，ERF材料使一種“主動減震裝置（方法）”，可根據(jù)振動狀態(tài)，自適應(yīng)地調(diào)節(jié)工作參數(shù)，利用ERF表觀黏度隨電場強(qiáng)度的增大而增大，而無法隨意使黏度減小，所以嚴(yán)格的說，它智能被成為“半主動式減（隔）振材料”一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類4.電流變敏感材料---電流變材料在智能控制中的應(yīng)用實(shí)例自動無級變速離合器示意圖自控?zé)o級變速離合器，ERF自控變速器（離合器）的特點(diǎn)在于：摒棄了機(jī)械傳動系統(tǒng)中多年來處于主導(dǎo)地位的復(fù)雜的齒輪機(jī)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)大為簡化；并可輕易的實(shí)現(xiàn)無級傳動。另一重大革新，是該系統(tǒng)不存在磨損，從而大大提高了機(jī)械系統(tǒng)的效率（功耗）和使用壽命一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類4.電流變敏感材料---電流變材料在智能控制中的應(yīng)用實(shí)例ERF液壓活塞系統(tǒng)油路示意圖ERF在液壓控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，如果通過電量來改變物理黏度，則可不需經(jīng)過機(jī)械位移，即可實(shí)現(xiàn)信號的控制，從而大大延長控制元件的壽命一、傳感器的敏感材料與檢測技術(shù)（二）敏感材料的分類4.電流變敏感材料---電流變材料在智能控制中的應(yīng)用實(shí)例盤式ER轉(zhuǎn)子阻尼器結(jié)構(gòu)圖ERF阻尼器，盤式ERF阻尼器為Nikolajsen所涉及，是一種用于降低電極轉(zhuǎn)子越過其臨界轉(zhuǎn)速時(shí)產(chǎn)生過大振動振幅的裝置，從而可增加轉(zhuǎn)子的支承剛度和外加阻尼ERF轉(zhuǎn)子阻尼器降低臨界轉(zhuǎn)速振動振幅原理曲線二、傳感器的基本結(jié)構(gòu)（一）傳感器的定義傳感器(英文名稱：transducer/sensor)是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對傳感器下的定義是:"能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律(數(shù)學(xué)函數(shù)法則)轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成"。中國物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟認(rèn)為，傳感器的存在和發(fā)展，讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官，讓物體慢慢變得活了起來。""傳感器"在新韋式大詞典中定義為:"從一個(gè)系統(tǒng)接受功率，通常以另一種形式將功率送到第二個(gè)系統(tǒng)中的器件"。二、傳感器的基本結(jié)構(gòu)（二）傳感器的特點(diǎn)傳感器的特點(diǎn)包括：微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化。它是實(shí)現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器的存在和發(fā)展，讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官，讓物體慢慢變得活了起來。通常根據(jù)其基本感知功能分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類。二、傳感器的基本結(jié)構(gòu)（三）傳感器的基本結(jié)構(gòu)傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、變換電路和輔助電源四部分組成。二、傳感器的基本結(jié)構(gòu)（四）傳感器的基本特性1.靜態(tài)特性---被測量不隨時(shí)間變化或隨時(shí)間變化緩慢時(shí)輸入與輸出間的關(guān)系。如果不考慮遲滯特性和蠕動效應(yīng)，傳感器的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型一般可用n次多項(xiàng)式來表示為：傳感器典型靜態(tài)特性曲線二、傳感器的基本結(jié)構(gòu)（四）傳感器的基本特性1.靜態(tài)特性---被測量不隨時(shí)間變化或隨時(shí)間變化緩慢時(shí)輸入與輸出間的關(guān)系。傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)包括:線性度:傳感器輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離理論擬合直線的成單獨(dú)，又稱非線性誤差;靈敏度:是傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出增量與輸入增量的比值重復(fù)性:傳感器在輸入量按同一方向做全量程多次測試時(shí)，所得特性曲線不一致性的程度遲滯:傳感器在正向行程（輸入量增大）和反向行程（輸入量減?。┢陂g，輸入—輸出特性曲線不一致的程度分辨力和閾值:傳感器的分辨力是在規(guī)定測量范圍內(nèi)所能檢測的輸入量最小變化量（有量綱）穩(wěn)定性:穩(wěn)定性有短期穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性之分漂移:外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的不需要的變化量程范圍:傳感器所能測量的最大被測量（輸入量）的數(shù)值成為測量上限，最小被測量稱為測量下限，上限與下限之間的區(qū)間，稱為測量范圍二、傳感器的基本結(jié)構(gòu)（四）傳感器的基本特性1.靜態(tài)特性---被測量不隨時(shí)間變化或隨時(shí)間變化緩慢時(shí)輸入與輸出間的關(guān)系。傳感器的靈敏度重復(fù)性遲滯特性分辨力和閾值二、傳感器的基本結(jié)構(gòu)（四）傳感器的基本特性2.動態(tài)特性---被測量隨時(shí)間快速變化使傳感器輸入與輸出間的關(guān)系傳感器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是指在隨時(shí)間變化的動態(tài)信號作用下，傳感器輸出與輸入量間的函數(shù)關(guān)系，通常稱為響應(yīng)特性。動態(tài)數(shù)學(xué)模型一般采用微分方程和傳遞函數(shù)描述。微分方程：絕大多數(shù)傳感器都屬于模擬（連續(xù)變化信號）系統(tǒng)。對于線性系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)研究，可將傳感器作為線性定常熟（時(shí)間不變）系統(tǒng)來考慮，因而其動態(tài)數(shù)學(xué)模型可以用線性常系數(shù)微分方程來表示：二、傳感器的基本結(jié)構(gòu)（四）傳感器的基本特性2.動態(tài)特性---被測量隨時(shí)間快速變化使傳感器輸入與輸出間的關(guān)系傳感器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型微分方程：對于復(fù)雜的系統(tǒng)，常采用拉普拉斯變換將實(shí)數(shù)域的微分方程變成復(fù)數(shù)域（S域）的代數(shù)方程，也可采用傳遞函數(shù)。動態(tài)特性的傳遞函數(shù)在線性定常系統(tǒng)中是初始條件為0時(shí)，系統(tǒng)輸出量的拉式變換與輸入量的拉式變換之比。由數(shù)學(xué)理論知，如果當(dāng)t≤0時(shí)，y(t)=0，則y(t)的拉普拉斯變換可定義為：拉普拉斯變換傳遞函數(shù)H(s)與輸入無關(guān)的表達(dá)式，只與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。二、傳感器的基本結(jié)構(gòu)（四）傳感器的基本特性2.動態(tài)特性---被測量隨時(shí)間快速變化使傳感器輸入與輸出間的關(guān)系傳感器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型動態(tài)特性：在動態(tài)輸入信號作用下，傳感器能迅速準(zhǔn)確地響應(yīng)和再現(xiàn)被測信號的變化。動態(tài)特性分時(shí)域特性和頻域特性。其中時(shí)域特性也叫瞬態(tài)響應(yīng)法（研究系統(tǒng)輸出波形---階躍信號）頻域特性也叫頻率響應(yīng)法（研究系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)—正弦信號）。二、傳感器的基本結(jié)構(gòu)（四）傳感器的基本特性2.動態(tài)特性---被測量隨時(shí)間快速變化使傳感器輸入與輸出間的關(guān)系傳感器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型動態(tài)特性：（1）階躍響應(yīng)特性（時(shí)域）

給傳感器輸入一個(gè)單位階躍函數(shù)信號：一階傳感器階躍響應(yīng)特性二傳感器階躍響應(yīng)特性二、傳感器的基本結(jié)構(gòu)（四）傳感器的基本特性2.動態(tài)特性---被測量隨時(shí)間快速變化使傳感器輸入與輸出間的關(guān)系傳感器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型動態(tài)特性：（2）頻率響應(yīng)特性：給傳感器輸入各種頻率不同而幅值相同,初相位為零的正弦信號

輸入輸出間的關(guān)系系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性可用下式表示：輸入輸出第三章典型生物功能材料跨尺度表征測試技術(shù)自然界典型生物功能材料分類及特點(diǎn)概述道法自然，向自然學(xué)習(xí)，是原始創(chuàng)新科學(xué)研究的源泉，是創(chuàng)造新材料和新器件的重要途徑，一直在推動著人類社會的發(fā)展和文明的進(jìn)步。自然界中的動物和植物經(jīng)過億萬年的進(jìn)化，其結(jié)構(gòu)與功能已達(dá)到近乎完美的程度。例如，自然界生物表面的特殊浸潤、黏附性能，飛鳥骨骼系統(tǒng)具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度大的構(gòu)造形態(tài)，貝殼的珍珠層具有高的韌性和硬度等優(yōu)異的力學(xué)性能，蜘蛛絲兼具獨(dú)特的高強(qiáng)度、高彈性和高斷裂功等機(jī)械性能和良好的可降解性和與生物組織的相容性等生物學(xué)特性。研究表明，自然界中生物體具有的這些優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和功能均是通過由簡單到復(fù)雜、由無序到有序的多級次、多尺度的組裝而實(shí)現(xiàn)。因此，向自然學(xué)習(xí)是新型高性能納米復(fù)合結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的重要思路。自然界生物體中獨(dú)特的微米、納米結(jié)構(gòu)賦予其特殊的表面浸潤、黏附性能。浸潤性是材料表面的重要特征之一，表面可控浸潤性的研究無論在基礎(chǔ)研究和工業(yè)應(yīng)用方面都有著重要的意義。自然界典型生物功能材料分類及特點(diǎn)概述荷葉的自清潔性荷葉“出淤泥而不染”及以及一些昆蟲翅膀（如蟬、蜻蜓、蝴蝶翅膀等）表面的自清潔性，就是由于它們表面特殊的微觀結(jié)構(gòu)使固/液界面形成了氣膜，水滴不能浸潤而達(dá)到超疏水性引起的。其實(shí)遠(yuǎn)在兩千多年前，人們就發(fā)現(xiàn)有些植物雖然生長在污泥里，但是它的葉子卻幾乎永遠(yuǎn)保持清潔，一個(gè)最為典型的例子就是荷葉。荷花通常生長在沼澤和淺水區(qū)域，但卻具有“出淤泥而不染”的特性，這使得荷花成為幾千年以來被人們作為純潔的象征。荷葉上的灰塵和污垢會很容易被露珠和雨水帶走，從而保持表面的清潔?？茖W(xué)家將這樣的子清潔現(xiàn)象稱之為“荷葉效應(yīng)”。然而荷葉始終保持清潔的機(jī)理卻一直不為人們所知，直到20世紀(jì)60年代中期掃描電子顯微鏡（SEM）的發(fā)展，人們才逐漸揭開了荷葉“出淤泥而不染”秘密。自然界典型生物功能材料分類及特點(diǎn)概述荷葉的自清潔性1977年，德國伯恩大學(xué)的Barthlott和Neinhuis通過掃描電鏡研究了荷葉的表面結(jié)構(gòu)形態(tài)（如圖3.1所示）。揭示了荷葉表面的微米乳突結(jié)構(gòu)以及蠟物質(zhì)是其擁有自清潔功能的關(guān)鍵。他們認(rèn)為認(rèn)為產(chǎn)生的“荷葉效應(yīng)”是由蠟狀物質(zhì)這種低表面能的材料以及乳突這種具有微米粗糙結(jié)構(gòu)共同引起的。研究表明，荷葉表面分布著大量微米級的蠟質(zhì)微乳突結(jié)構(gòu)（圖3.1a）；每一個(gè)乳突上又分布著大量納米級的細(xì)枝狀結(jié)構(gòu)（圖3.1b）；而且荷葉的表皮上存在許多的蠟質(zhì)三維細(xì)管（圖3.1c），這樣的微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，致使水滴與荷葉表面具有很低的接觸面積。因此，荷葉表面蠟質(zhì)組分和微/納米復(fù)合結(jié)構(gòu)共同作用，賦予荷葉獨(dú)特的超疏水和低粘附性。荷葉上水的接觸角和滾動角分別約為160°和2°。水滴在荷葉表面幾乎呈現(xiàn)球形，并且可以在所有方向上自由滾動，同時(shí)帶走荷葉表面的灰塵，表現(xiàn)出很好的自清潔效應(yīng)（圖3.1d）。荷葉效應(yīng)，即自清潔表面表現(xiàn)為：與水的接觸角大于150有很強(qiáng)的抗污染能力，即表面污染物如灰塵等可以被滾落的水滴帶走而不留下任何的痕跡[1]。圖3.1荷葉表面結(jié)構(gòu)SEM圖像自然界典型生物功能材料分類及特點(diǎn)概述常見的具有捕霧能力的生物為了在極端干旱的條件下生存，許多生物進(jìn)化出了特殊的的結(jié)構(gòu)和潤濕性，這使得它們能夠在霧流中獲得寶貴的水分（圖3.2）。納米比亞沙漠甲蟲在霧流到來時(shí)，都會找到較高的沙丘，抬起它的背部迎接來自海岸的霧氣流。霧氣在其背部親水區(qū)域聚集成水滴，然后在重力的作用下沿著疏水區(qū)域滑落到甲蟲的口腔中，從而獲得一天所需要的水分。仙人掌棘錐形非對稱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的拉普拉斯壓差與梯度槽產(chǎn)生的表面能量梯度協(xié)同作用，使液滴從尖端到底部定向運(yùn)動。掛滿露珠的蜘蛛網(wǎng)讓人們意識到這種一維材料也有其獨(dú)特的捕霧技巧。研究發(fā)現(xiàn)蜘蛛絲在潮濕條件下會形成周期性的紡錘結(jié)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生拉普拉斯壓力差，結(jié)合各向異性結(jié)構(gòu)特征所帶來表面能量梯度共同作用，可以實(shí)現(xiàn)在蜘蛛絲主軸結(jié)周圍水滴連續(xù)冷凝和定向收集。江雷院士團(tuán)隊(duì)在豬籠草口器邊緣發(fā)現(xiàn)連續(xù)的的定向水輸送，由于其在微尺度和納米尺度上的分級結(jié)構(gòu)，誘導(dǎo)了在輸送方向上毛細(xì)上升增強(qiáng)，并通過釘住任何反向移動的水前緣防止回流，使得站在口器邊緣的昆蟲能夠迅速的滑落到豬籠草的消化袋中。這種獨(dú)特的潤濕特性能夠加速霧水收集裝置表面液滴的滑落，為霧水收集裝置的設(shè)計(jì)提供了新的思路[2]。圖3.2常見的具有捕霧能力的四種生物模型納米比亞沙漠甲蟲（a-c），仙人掌（d-e），蜘蛛絲（f-i）和豬籠草（j-n）自然界典型生物功能材料分類及特點(diǎn)概述常見的具有捕霧能力的生物玫瑰花瓣表面由周期性排列的微乳突陣列構(gòu)成，這些乳突表面又覆蓋著密集的納米折疊。獨(dú)特的多級結(jié)構(gòu)賦予玫瑰花瓣與眾不同的表面潤濕行為：水滴在其表面的接觸角不僅大于150°，而且在超疏水狀態(tài)下，微液滴可懸掛在其表面而不掉落，這種現(xiàn)象被稱之為花瓣效應(yīng)（圖3.3）。這不僅有利于玫瑰花瓣的表面自清潔，而且可幫助玫瑰花瓣保濕保鮮。玫瑰花瓣的這些特性，使其成為自然界中微液滴操控小能手。與荷葉表面可以輕松滾動的小水滴不同，玫瑰花瓣上的小水珠卻往往牢牢地粘附在其表面。通過對玫瑰花瓣的微觀探索，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)玫瑰花瓣表面由微米尺度的乳突組成，而在乳突的尖端則是許多納米尺度的折疊結(jié)構(gòu)，而這種納米折疊結(jié)構(gòu)正是導(dǎo)致玫瑰花瓣高黏附特性的關(guān)鍵因素。氣體可以存在于納米折疊結(jié)構(gòu)之中，而水則可以輕松刺入微米乳突之間[3]。圖3.3玫瑰花表面結(jié)構(gòu)示意圖[3]自然界典型生物功能材料分類及特點(diǎn)概述水黽腿和蜘蛛腿的超疏水力水黽腿具有超級疏水力使得水黽能夠在水上自由行走。水黽可以在水面上輕松行走甚至跳躍。其秘密就是其多毛腿部的強(qiáng)大超疏水性。水黽在水面站立時(shí)，其腿部與水面形成了大約4mm深度的渦旋而不是刺入水面下方，每一條腿所具有的強(qiáng)健持久的超疏水作用力可以支撐其大約15倍的體重。同時(shí)，水黽腿部的特殊微觀結(jié)構(gòu)也被發(fā)現(xiàn)，大量有序的條狀微米結(jié)構(gòu)覆蓋了水黽的腿部，這些微米結(jié)構(gòu)以約20的角度定向排列，而每個(gè)微米條狀結(jié)構(gòu)又由呈螺旋狀的納米溝槽組成（圖3.4）。這種獨(dú)特的分層微納米多尺度結(jié)構(gòu)可以在水黽腿與水面之間有效地捕捉氣體而形成有力的氣膜。水黽腿的強(qiáng)健超疏水能力為設(shè)計(jì)全新的水棲設(shè)備帶來了靈感。水黽腿和水蜘蛛腹部的超疏水纖維結(jié)構(gòu)的一個(gè)共同的尺寸特征，即微米尺度的錐形纖維。它可以用參數(shù)rp/l表示（r、l和p分別為的半徑、長度和纖維之間頂點(diǎn)間距）[4]。自然界典型生物功能材料分類及特點(diǎn)概述水黽腿和蜘蛛腿的超疏水力圖3.4水黽腿和水蜘蛛腹部超疏水纖維結(jié)構(gòu)的尺寸特征[4]自然界典型生物功能材料分類及特點(diǎn)概述蚊子復(fù)眼防霧性蚊子復(fù)合眼睛排列有緊密的六邊形小眼，而在每個(gè)小眼上都排列有緊密的六邊形突。這種獨(dú)特的復(fù)合結(jié)構(gòu)使得蚊子的復(fù)眼擁有了極強(qiáng)的疏水性。當(dāng)蚊子暴露于霧氣環(huán)境中時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)在蚊子眼睛表面并不能形成極小的液滴，而在蚊子眼睛周圍的絨毛上霧氣凝結(jié)了大量液滴。這種極強(qiáng)的疏水性可以阻止霧滴在蚊子眼睛的表面附著和凝聚，從而給蚊子帶來清晰的視野。這個(gè)發(fā)現(xiàn)為開發(fā)干性防霧表面材料提供了極具啟發(fā)性的研究思路。在自然界中，蚊子即使在霧蒙蒙和潮濕的環(huán)境中也能擁有非凡的視力（圖3.5a）。2007年，Jiang等人首次揭開了蚊子復(fù)眼的防霧特征之謎。這主要得益于蚊子復(fù)眼自身的微-納分級結(jié)構(gòu)。蚊子的復(fù)眼是由無數(shù)個(gè)半球狀的小眼組成，其平均直徑大小在26μm左右（圖3.5b），呈緊密六角形排列（hcp），每個(gè)微米級的小眼表面覆蓋著非緊密排列（ncp）的納米級乳突結(jié)構(gòu)，其平均直徑為101.1±7.6nm，分布間隔為47.6±8.5nm（圖3.5c）。這表明，正是這種獨(dú)特的微納結(jié)構(gòu)導(dǎo)致復(fù)眼具有超疏水性。納米級尺度的ncp乳突陣列可以防止微尺度霧滴在小眼表面凝結(jié)，而微米級尺度的hcp陣列可以有效地防止霧滴陷入小眼的空隙中。研究人員通過軟光刻法制造了具有防霧性能的人造復(fù)眼表面，然后，用氟硅烷對表面進(jìn)行改性（圖3.5d-f），并提出了一種“干式”防霧策略，該發(fā)現(xiàn)對未來設(shè)計(jì)新型超疏水防霧材料有一定的啟發(fā)作用[5]。自然界典型生物功能材料分類及特點(diǎn)概述蚊子復(fù)眼防霧性圖3.5蚊子復(fù)眼結(jié)構(gòu)及仿生設(shè)計(jì)（a）蚊子復(fù)眼的照片。雖然暴露在霧蒙蒙的環(huán)境中，但眼睛表面依然保持干燥和清晰；（b）小眼陣列的SEM圖像；（c）小眼表面所覆蓋的乳突陣列的SEM圖像；（d）仿生復(fù)眼表面的光學(xué)顯微鏡圖像；（e）與蚊子復(fù)眼相似的微半球陣列的SEM圖像；（f）水滴坐落在仿生復(fù)眼表面的輪廓圖[5]自然界典型生物功能材料分類及特點(diǎn)概述自然界中具有光學(xué)特性的生物自然界中的生物擁有各種各樣的顏色，但是這些顏色并不都是通過生物體內(nèi)所含有的色素對光的吸收所引起的顏色，而有些生物如色彩絢麗的孔雀羽毛、蝴蝶翅膀、天然蛋白石、珍珠等與生物體的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，這些顏色是光在生物體的亞微米結(jié)構(gòu)中的反射、散射、干涉或衍射所形成的顏色。由于這種顏色與結(jié)構(gòu)有關(guān)而與色素?zé)o關(guān)，因此也稱為結(jié)構(gòu)色。結(jié)構(gòu)色中最著名的是光子晶體，是一類特殊的晶體，其原理很像半導(dǎo)體，有一個(gè)光子能隙，在此能隙里電磁波無法傳播。例如，蛋白石的組成僅是宏觀透明的二氧化硅，其立方密堆積結(jié)構(gòu)的周期性使其具有了光子能帶結(jié)構(gòu)，隨著能隙位置的變化，反射光也隨之變化，最終呈現(xiàn)了絢麗的色彩。對生物結(jié)構(gòu)色中光子晶體的研究，為開發(fā)新一代光子材料、存儲材料以及顯示材料具有重要指導(dǎo)意義。自然界典型生物功能材料分類及特點(diǎn)概述孔雀羽毛結(jié)構(gòu)色生物結(jié)構(gòu)顏色的復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)是通過自然生長過程產(chǎn)生的。以孔雀尾巴上色彩斑斕的眼紋為例（圖3.6a）。這種彩色圖案中的小管包含由嵌入角蛋白基質(zhì)中的黑色素棒和氣孔組成的二維光子晶體。通過控制羽毛發(fā)育過程中角蛋白的生長，孔雀可以改變相鄰黑色素棒之間的間距，從而有效地調(diào)節(jié)晶格常數(shù)來調(diào)節(jié)光子帶隙，從而產(chǎn)生多樣化的顏色（圖3.6b）。這種可持續(xù)的方法不僅允許生物體連續(xù)而精確地進(jìn)化其原始皮毛上的顏色和圖案，而不是用一組不同尺寸的組件生成新的基材，而且是機(jī)械堅(jiān)固的矩陣，這意味著從根本上創(chuàng)新，高效，可持續(xù)的方法來合成或調(diào)解結(jié)構(gòu)顏色圖形[6]。自然界典型生物功能材料分類及特點(diǎn)概述孔雀羽毛結(jié)構(gòu)色圖3.6孔雀羽毛微結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)色機(jī)理（a）孔雀及其尾羽枝的圖像。SEM圖像展示了藍(lán)色（向上）和棕色（向下）的小羽枝及其橫截面結(jié)構(gòu)。（b）孔雀羽毛產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色的光子晶體復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖[6]自然界典型生物功能材料分類及特點(diǎn)概述蝴蝶結(jié)構(gòu)色小天使翠鳳蝶是一種稀有的燕尾蝶，屬鳳蝶科（Papilionidae），僅在東南亞的部分地區(qū)分布。小天使翠鳳蝶本身具有鮮明的生物學(xué)特征，易于辨識。雄性個(gè)體翅展約6.6cm，新月形的綠色斑塊橫跨前后翅，并在蝴蝶身體兩側(cè)對稱分布，如圖3.7（a）所示。借助超景深體視顯微鏡，可以觀察到其綠色翅鱗區(qū)被大量閃耀的綠色鱗片覆蓋，這些鱗片具有高度相似的形狀和尺寸，并沿著翅脈的方向有序地排列成陣列模式，如圖3.7（b）所示。單個(gè)鱗片的特征尺寸約為122μmx61μm。每個(gè)翅鱗的表面充斥著密密麻麻的微小的閃耀“斑點(diǎn)”，這些點(diǎn)狀物沿著鱗片縱軸方向均勻分散。正是這些閃亮的微米尺度的鱗片陣列，組成了宏觀上肉眼可見的蝴蝶翅膀的綠色特征翅鱗區(qū)[7]。自然界典型生物功能材料分類及特點(diǎn)概述蝴蝶結(jié)構(gòu)色圖3.7蝴蝶結(jié)構(gòu)色（a）小天使翠鳳蝶雄性個(gè)體；（b）綠色翅鱗陣列[7]自然界典型生物功能材料分類及特點(diǎn)概述蟬翼減反射性蟬翅也是仿生學(xué)領(lǐng)域典型的生物原型之一，具有明顯的疏水性、光誘捕性和殺滅細(xì)菌等特性。宏觀看來，除了脈絡(luò)與邊緣位置，蟬翼表面是非常透明的，脈絡(luò)組成了一個(gè)個(gè)六邊形結(jié)構(gòu)拼接在一起，覆蓋在蟬翼表面，六邊形結(jié)構(gòu)的面積大約為1-2μm2；而蟬翼表面的微觀是由準(zhǔn)周期排列的錐形乳頭狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成，且背部與腹部表面均具有這種結(jié)構(gòu)，錐形乳頭間距離約為190nm，高約400nm，錐頂直徑約80nm，錐底直徑約150nm。蟬翼表面的錐形乳頭亞波長結(jié)構(gòu)使光阻抗發(fā)生了變化，使得與空氣-角質(zhì)層界面相一致，從而提高了光子收集并降低了反射率，通過這種阻抗匹配機(jī)制，蟬具有與翅膀上的錐形納米結(jié)構(gòu)的減反射功能相關(guān)的偽裝能力，以避免自己被捕獲。蟬翼上的錐形乳頭結(jié)構(gòu)可以近似為一組多層膜，使得蟬翼與環(huán)境之間具有了梯度折射率，當(dāng)光線照射的蟬翼表面，由于梯度折射率的作用，減少了光線的反射，在400到1000納米的寬波長范圍內(nèi)反射率小于2%[8]。自然界典型生物功能材料分類及特點(diǎn)概述蟬翼減反射性圖3.8蟬翼減反射性（a）蟬翼圖片；（b）蟬翼SEM照片；（c）蟬翼FEM照片；（d）3種不同蟬翼透射光譜；（e）蟬翼反射率光譜[8]自然界典型生物功能材料分類及特點(diǎn)概述自然界中輕質(zhì)高強(qiáng)韌的生物材料一般來說，材料的性能主要是由它的化學(xué)組成及結(jié)構(gòu)共同決定的。對于一種材料來說，由于其化學(xué)組成是本身固有的特征，研究材料的結(jié)構(gòu)就變得更有意義了。在輕質(zhì)高強(qiáng)韌的基礎(chǔ)上，生物結(jié)構(gòu)材料還需要兼具某些特殊的特性以保證其自身對于環(huán)境的適應(yīng)性。通常來說，由于生存環(huán)境和所面臨生存挑戰(zhàn)的差異，生物往往要進(jìn)化出許多不同的特性來適應(yīng)復(fù)雜多變的生存環(huán)境。如圖9所示，這些特性主要用于確保生物自身生存的安全和提升生物自身的生存效率。保證自身生存安全主要是生物通過進(jìn)化使生物材料具備某種特殊的屬性來保證生物本身免受捕食者和環(huán)境因素的侵害，例如，海螺等各類軟體動物的甲殼便是保護(hù)它們免受捕食者的侵害[9]，而長期穴居的生物其體表均進(jìn)化出具有耐磨功能的生物材料，保護(hù)它們在穴居過程中免受土壤沙石環(huán)境的磨損與侵害[10,11]。而生物結(jié)構(gòu)材料對于生存效率的提升可以體現(xiàn)在捕食效率、遷徙效率、以及種內(nèi)競爭與種間競爭中，例如，螳螂蝦鰲棒便是通過其特有的抗沖擊特性提升其捕食效率[12]；而一些生物為提升自身行動的效率，在滿足所需強(qiáng)度的基礎(chǔ)上兼具中空特性或是以內(nèi)部填充輕質(zhì)泡沫來代替實(shí)心結(jié)構(gòu)，則是對于遷徙效率的有效提升[13]；而麋鹿等生物在求偶、領(lǐng)地爭奪過程中利用它們強(qiáng)有力的角進(jìn)行爭斗，則是生物材料高強(qiáng)韌特性在種內(nèi)競爭中的體現(xiàn)[14]；同樣的一些生物強(qiáng)有力的利爪、獠牙，也會讓它們在種間競爭中取得相應(yīng)的優(yōu)勢[15,16]。自然界典