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- 靈感來(lái)自生物的超高性能傳感器
- 來(lái)源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2014/5/23
生物的優(yōu)良機(jī)制在傳感器領(lǐng)域也發(fā)揮了威力。比如可對(duì)一個(gè)分子做出反應(yīng)的超高敏度傳感器，以及對(duì)特定氣味做出反應(yīng)的昆蟲(chóng)傳感器。靈敏度絲毫不輸人類的觸覺(jué)傳感器也進(jìn)入了開(kāi)發(fā)“射程”。
借助生物的力量，可制造憑借現(xiàn)有電子部件和半導(dǎo)體技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的超高敏度傳感器。其中，生物的力量有望極大發(fā)揮作用的是氣味傳感器。雖然也有研究在想通過(guò)半導(dǎo)體傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，但存在很多課題，比如對(duì)氣味的選擇性低、檢測(cè)用時(shí)較長(zhǎng)，等等。
還有像機(jī)場(chǎng)的緝毒犬那樣用犬代替?zhèn)鞲衅鞯姆椒ǎ瑯哟嬖诤芏鄦?wèn)題，比如訓(xùn)練緝毒犬需要時(shí)間和金錢、無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間集中精力、難以進(jìn)入有生命危險(xiǎn)的場(chǎng)所等。
但如果能將生物的嗅覺(jué)機(jī)制應(yīng)用于工學(xué)，就有可能突破這些壁壘。著眼于這一點(diǎn)開(kāi)發(fā)高敏度傳感器的，是東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所教授竹內(nèi)昌治領(lǐng)導(dǎo)的研發(fā)小組。該研發(fā)小組的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)只要用一個(gè)分子即可檢測(cè)的傳感器。
具體來(lái)說(shuō)就是利用細(xì)胞具備的“膜蛋白質(zhì)”。膜蛋白質(zhì)可作為用一個(gè)分子即可檢測(cè)出特定物質(zhì)的傳感器使用。
細(xì)胞被稱為“脂質(zhì)雙分子層”的雙層脂質(zhì)分子膜包覆。多種膜蛋白質(zhì)貫穿這種分子膜。特定的分子附著在膜蛋白質(zhì)上后，膜蛋白質(zhì)就會(huì)變形，脂質(zhì)雙分子層上出現(xiàn)小孔。根據(jù)膜蛋白質(zhì)種類的不同，發(fā)生反應(yīng)的分子種類也不同。
質(zhì)雙分子層上開(kāi)孔時(shí)，膜的正反面如果有電位差，就會(huì)流過(guò)大量的離子。通過(guò)檢測(cè)離子的流動(dòng)來(lái)發(fā)揮傳感器的作用。只要有一個(gè)分子附著在膜蛋白質(zhì)上，1秒鐘就會(huì)有大約107個(gè)離子移動(dòng)，因此能以高敏度進(jìn)行傳感。
將膜蛋白質(zhì)用作傳感器時(shí)，重要的是作為基礎(chǔ)的脂質(zhì)雙分子層。但此前脂質(zhì)雙分子層比較難形成，“一般由熟練的研究人員通過(guò)手工作業(yè)等制作，以往的方法不適合大批量生產(chǎn)”（東京大學(xué)的竹內(nèi)）。
因此，竹內(nèi)等人開(kāi)發(fā)出了可輕松制造脂質(zhì)雙分子層的方法。在分散有脂質(zhì)的油中滴入少量的水滴，即可根據(jù)脂質(zhì)的自組織，形成以單層脂質(zhì)膜包覆的水。利用通過(guò)MEMS技術(shù)制造的“微流體裝置”，使兩個(gè)由單層脂質(zhì)膜包覆的水滴接觸，接觸部分就會(huì)形成雙分子層。這種制造方法稱為“Droplet Contact Methods（DCM）”。通過(guò)DCM制造雙分子層的裝置已經(jīng)與神奈川科學(xué)技術(shù)研究院（KAST）完成共同開(kāi)發(fā)。
試制可卡因傳感器
在利用DCM制作的脂質(zhì)雙分子層中嵌入與想檢測(cè)的物質(zhì)的分子發(fā)生反應(yīng)的膜蛋白質(zhì)，作為傳感器使用。也就是說(shuō)，制作僅針對(duì)特定物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的人工細(xì)胞。
竹內(nèi)等人在利用DCM制作的脂質(zhì)雙分子層中埋入“α-溶血素”膜蛋白質(zhì)，試制了針對(duì)可卡因發(fā)生反應(yīng)的傳感器。
α-溶血素是有直徑約1.5nm的孔的筒狀物質(zhì)，會(huì)通過(guò)脂質(zhì)雙分子層的正反面。在此之上組合了只與可卡因分子結(jié)合的“DNA核酸適體”。
DNA核酸適體能以單鏈穿過(guò)α-溶血素的孔。但與可卡因分子結(jié)合的話，形狀會(huì)發(fā)生變化，就無(wú)法再穿過(guò)孔了。通過(guò)檢測(cè)DNA核酸適體與可卡因分子結(jié)合后被孔卡住時(shí)產(chǎn)生的電流來(lái)檢測(cè)可卡因。能夠檢測(cè)到溶解在1L液體中的0.3mg的可卡因。檢測(cè)時(shí)間只有25秒。
可卡因傳感器利用的這種檢測(cè)法通過(guò)改變DNA核酸適體的種類，還能高敏度檢測(cè)其他物質(zhì)。估計(jì)將來(lái)可用于環(huán)境傳感器，用來(lái)檢測(cè)食品的氣味以調(diào)查新鮮度、農(nóng)藥量和產(chǎn)地，或者檢測(cè)水中和大氣中的有害物質(zhì)。還打算用于根據(jù)口臭和體臭診斷疾病的傳感器。
注1）竹內(nèi)等人開(kāi)發(fā)的人工細(xì)胞除傳感器用途外，還可用于新藥領(lǐng)域。因?yàn)椋幬锸欠窠?jīng)由膜蛋白質(zhì)進(jìn)入了細(xì)胞內(nèi)決定著藥效。
氣味檢測(cè)利用昆蟲(chóng)的特性
此外還有其他積極利用生物制造傳感器的動(dòng)向。其中，昆蟲(chóng)不但種類繁多，還具備能對(duì)氣味、尤其是費(fèi)洛蒙做出敏感反應(yīng)的性質(zhì)。東京大學(xué)尖端技術(shù)研究中心副所長(zhǎng)、生命智能系統(tǒng)領(lǐng)域的教授神崎亮平領(lǐng)導(dǎo)的研發(fā)小組，就在推進(jìn)將昆蟲(chóng)的這種特性用于傳感器的研究。
神崎等人現(xiàn)在正大力構(gòu)筑使昆蟲(chóng)的嗅覺(jué)受體（膜蛋白質(zhì)）與氣味物質(zhì)的聯(lián)系實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化的數(shù)據(jù)庫(kù)。他們從不同種類的昆蟲(chóng)中提取嗅覺(jué)受體，測(cè)量其對(duì)哪種氣味物質(zhì)會(huì)做出什么程度的反應(yīng)，然后做成表格。目標(biāo)是完成300種嗅覺(jué)受體與200種氣味物質(zhì)的組合。
該數(shù)據(jù)庫(kù)的制作利用了根據(jù)“甘藍(lán)夜蛾蛹卵巢”培養(yǎng)的細(xì)胞“Sf21”。在Sf21中嵌入從各種昆蟲(chóng)中提取的嗅覺(jué)受體基因進(jìn)行培養(yǎng)，調(diào)查對(duì)氣味物質(zhì)做出的反應(yīng)。通過(guò)在Sf21中嵌入與氣味物質(zhì)跟嗅覺(jué)受體結(jié)合時(shí)流入細(xì)胞內(nèi)的鈣離子發(fā)生反應(yīng)的熒光蛋白質(zhì)基因，可以從外部觀察這種反應(yīng)。根據(jù)對(duì)氣味物質(zhì)的反應(yīng)強(qiáng)度的不同，熒光量也會(huì)增大，因此該方法可以測(cè)量反應(yīng)強(qiáng)度。
該數(shù)據(jù)庫(kù)建成后，就能從想檢測(cè)的氣味物質(zhì)中推斷出反應(yīng)的受體。例如，有望檢索最適合癌癥患者的患部發(fā)出的氣味物質(zhì)之一“二甲基三硫”的受體是什么等。另外，估計(jì)還能檢索可檢測(cè)多種氣味物質(zhì)的受體組合。
神崎的研發(fā)小組打算用兩種方法實(shí)現(xiàn)利用該數(shù)據(jù)庫(kù)的傳感器。一是“傳感器桑蠶”。桑蠶具備檢測(cè)到費(fèi)洛蒙后就會(huì)移動(dòng)的性質(zhì)。如果在其觸覺(jué)的費(fèi)洛蒙檢測(cè)部通過(guò)基因操作導(dǎo)入對(duì)目標(biāo)氣味物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的受體，就能實(shí)現(xiàn)把這種氣味物質(zhì)誤認(rèn)為是費(fèi)洛蒙并做出反應(yīng)的桑蠶。“例如，可以考慮在機(jī)場(chǎng)的行李檢查線上設(shè)置經(jīng)過(guò)基因操作的桑蠶，當(dāng)裝有非法肉類和爆炸品的行李靠近，桑蠶會(huì)一起做出反應(yīng)”（神崎）。
另一種是作為傳感器細(xì)胞安裝的方法。通過(guò)為上述Sf21導(dǎo)入目標(biāo)受體的基因，可制造對(duì)特定氣味物質(zhì)發(fā)光的細(xì)胞。
不輸人類的觸覺(jué)傳感器
除了利用生物自身機(jī)制的傳感器外，利用生物感覺(jué)器官的形狀，大幅提高傳感器性能的研發(fā)也在進(jìn)行中。其中比較獨(dú)特的是福島大學(xué)理工學(xué)院教授島田邦雄的研發(fā)小組試制的觸覺(jué)傳感器，該傳感器采用了人類指紋的凸凹構(gòu)造。即使在垂直方向以0.01N的微弱力量摩擦物體，也能判斷材質(zhì)的不同�！帮w機(jī)和船舶進(jìn)行涂裝后，用人工傳感器無(wú)法判斷涂裝是否平滑，因此現(xiàn)在仍然是由工匠用手來(lái)確認(rèn)。如果采用我們?cè)囍频膫鞲衅�，就可以代替工匠�?lái)做這項(xiàng)工作”。
在試制的傳感器中發(fā)揮重要作用的，是島田的研發(fā)小組2001年開(kāi)發(fā)的磁性材料“Magnetic Compound Fluid（MCF）”。由粒徑為μm級(jí)的金屬顆粒物與粒徑約為10nm的磁鐵礦（Fe3O4）以及溶劑混合制作。開(kāi)發(fā)之初金屬顆粒物采用鐵（Fe），不過(guò)現(xiàn)在采用靈敏度高的鎳（Ni）。將MCF混入橡膠中，邊加載磁場(chǎng)邊使之凝固，制作具備磁各向異性的導(dǎo)電性橡膠。
在向MCF橡膠加載電壓的同時(shí)摩擦物體，橡膠會(huì)根據(jù)其表面狀態(tài)變形。由此電阻值會(huì)發(fā)生變化，流過(guò)MCF橡膠的電流值也因此而改變。把這種電流變化作為觸覺(jué)傳感器來(lái)利用。
以往的感壓式導(dǎo)電性橡膠也能實(shí)現(xiàn)相同的功能，不過(guò)MCF橡膠的“靈敏度要高得多”（福島大學(xué)的島田）。針對(duì)壓力的電阻變化是以往的導(dǎo)電性橡膠的100倍以上。還能檢測(cè)竹莢魚(yú)魚(yú)鱗的凸凹，以及鳴鳴蟬和秋蟬翅膀表面光滑度的不同等。
模仿指紋提高靈敏度
島田認(rèn)為，“人類的指紋應(yīng)該有助于提高觸覺(jué)靈敏度”，因此在MCF橡膠的表面貼上了帶有指紋凸凹的膜（硅橡膠）。由此進(jìn)一步提高了MCF橡膠傳感器的靈敏度。關(guān)于凸凹，嘗試了橫線狀、格子狀和同心圓狀等多種形狀。哪種形狀更好因觸摸對(duì)象物而異，不過(guò)“無(wú)論哪種形狀，總的來(lái)說(shuō)都能提高靈敏度”。
利用MCF橡膠的話，不僅是觸覺(jué)，還能制成檢測(cè)“痛覺(jué)”、“壓覺(jué)”、“溫覺(jué)”、“冷覺(jué)”的傳感器。僅用MCF橡膠就能實(shí)現(xiàn)人的5覺(jué)。壓覺(jué)方面，MCF橡膠的電阻值會(huì)根據(jù)壓力而改變，因此能實(shí)現(xiàn)。痛覺(jué)會(huì)“在單位面積的力較強(qiáng)時(shí)產(chǎn)生”，所以用面積除以檢測(cè)的壓力即可計(jì)算出來(lái)。溫覺(jué)和冷覺(jué)方面，MCF橡膠會(huì)隨著溫度變化而略微變形，調(diào)查因此而產(chǎn)生的電流值變化即可查明。
MCF橡膠雖然可實(shí)現(xiàn)5覺(jué)，但分解每種感覺(jué)進(jìn)行辨別是一個(gè)課題。因此，島田打算對(duì)MCF橡膠檢測(cè)到的電流進(jìn)行快速傅里葉變換，通過(guò)分析其頻率成分來(lái)區(qū)分5覺(jué)。雖然目前還不能完全分離，不過(guò)“感覺(jué)就快實(shí)現(xiàn)了”。
MCF橡膠傳感器的靈敏度較高，估計(jì)還能實(shí)現(xiàn)可輕輕撫摸人的頭部的機(jī)器人。
MCF除了傳感器外，還可用于拋光材料和抗震用減震器。采用MCF的拋光機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。
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