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盘点十项拥有强大检测本领的智能传感器

中国化工仪器网 2016-08-17 08:54:24

[导读] 传感器作为一种检测装置,如今被运用到生产生活的方方面面,极大地提高了社会生产效率并为日常生活带来极大地便利。技术的日益提高,使得传感器不断向着微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化方向发展。不容忽视的是,传感器在科学仪器领域更是发挥着举足轻重的作用,下面笔者就为大家盘点了一下近期多项新型传感器,看看它们都拥有哪些强大的本领?

传感器作为一种检测装置,如今被运用到生产生活的方方面面,极大地提高了社会生产效率并为日常生活带来极大地便利。技术的日益提高,使得传感器不断向着微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化方向发展。不容忽视的是,传感器科学仪器领域更是发挥着举足轻重的作用,下面笔者就为大家盘点了一下近期多项新型传感器,看看它们都拥有哪些强大的本领?

1、生物纳米传感器研究新发现:疾病早期诊断新星

对于很多疾病来说,诊断得越早,疗效和预后就越好。英国伦敦帝国学院和西班牙维戈大学的科学家研制出一种新的生物纳米传感器,有望更早地诊断疾病。由MollyStevens和同事们研制的这种新传感器则相反,靶分子浓度越低,产生的信号越强,从而能够可靠地检测到低浓度的靶分子,其可检出的最低浓度比医院现在使用的诊断方法低好几个数量级,比目前最灵敏的检测方法也至少低10倍,有利于早期诊断疾病。

研究团队用直径50纳米的小金星(纳米星)制造传感器。金表面的传导电子发生相干振荡,形成等离子体;葡萄糖氧化酶(GOx)粘附到金星表面,作为生物催化剂,将溶液里的银离子还原为银原子。当GOx浓度较低时,银原子在纳米星周围沉积,为它们裹上一层银衣,导致其表面等离子体的共振频率加快(蓝移)。而当GOx浓度较高时,银的结晶率也较高,更容易在溶液里形成独立的晶核,纳米星表面等离子体的共振频移也较不明显。向纳米星上照射可见-近红外光,一部分光将被吸收,通过检测最大吸收峰可测定共振频率。通过这个技术,研究人员可以检测到浓度低至10^-18g/ml的PSA,这比医院里广泛使用的酶联免疫吸附法(ELISA)所能检测到的下限低十亿倍。

2、新型“光学微腔”传感器,让癌症筛检成为日常

据报道,一个由加拿大维多利亚大学的卢涛教授和美国罗彻斯特大学的林强教授以及他们的博士学生于文彦和姜伟组成的团队报道了一种能够在液态环境里探测单个生物分子的光学传感器

未来,这个小小的器件可以用来探测血液或尿液样本中的癌细胞生物标记物。因为它的精度能够测到单分子信号,所以理论上来说即使样本中仅有一个生物标记物也能够被探测器捕捉到。这就意味着,当最初的几个细胞发生癌变时,只要及时检查就能够发现,为进一步的检查治疗争取到了大量宝贵的时间。这项技术发展成熟后,其操作难度与血糖仪相当,加上器件成本很低,可以彻底改变癌症筛查的现状。不必再等每年一次的医院体检,自己在家就能检测。最后需要强调的是,这项技术是完全基于微光腔和“光子弹簧”的物理特性,不涉及任何化学反应。若在器件表面进行化学处理,实现功能化,即只针对某种特定的生物标记物,那就可以用来筛查各种不同的疾病而不局限在癌症。那时,它的应用可能更加广阔。

3、超声波神经灰尘传感器,可以检测人体神经信号

这是第一种可以监控活体生物神经活动的传感器,未来可以帮助治疗癫痫症等神经类疾病。生物电子在医学领域的快速发展,让谷歌决定让旗下的Verily生物科学实验室与葛兰素史克药厂联手投资1.75亿美元组建了合资企业GalvaNIBioelectronics,而目前这家企业已经推出了自己最新的研发成果,一种非常微小的植入式电子设备,可以检测到我们身体发出的自然信号。

来自加州大学伯克利分校的工程师团队将这种最新的研究成果称作“超声波神经灰尘传感器”,在微型无线技术领域取得了新的突破。这是第一种可以监控活体生物神经活动的传感器,未来可以帮助治疗癫痫症等神经类疾病。这是第一次有人用超声波的方式将超微系统植入体内,并且可以检测神经、器官、肌肉或胃肠道的数据,并且通过无线的方式传输出来。研究人员已经将这种只有灰尘大小的传感器植入到了老鼠的肌肉和周围神经,并且通过超声波将神经信息信号返回。另外超声波本身还能提供电能,可以让这种传感器无需电池和供电设备就能使用。

4、“神经灰尘”传感器检测健康状况

近年来,健身追踪器已变成了一种更加流行的可穿戴科技产品。不过,加州大学伯克利分校的工程师们将这个概念更推进了一步,开发出了极小的无线传感器用以检测人体内的健康状况。这些设备大约只有一粒灰尘大小,并将被植入人的体内。它们将在那里对组织、肌肉及神经进行实时检测

Maharbiz和同事及加州大学伯克利分校的神经科学家JoseCarmena共同领导了这项研究。他解释说,“采用体内遥测技术曾经是绝无可能的,因为无法将一个超小的物体放入很深的地方。但是现在,我可以拿起一个极小的物体,将它放入神经或器官、消化道或肌肉旁边,并读取数据。”为了测试他们的器件,Maharbiz和Caarmena采用每一百毫秒发出六个540纳秒超声脉冲以驱动传感器。这让他们可以持续从器件内读取实时数据。目前,实验还仅限于末梢神经和肌肉。但研究人员对于它们在大脑和中枢神经系统中也会起效很有信心。最终,它甚至会被用来控制假肢器械。

5、新型传感器,粘在手腕处即可检测血液酒精浓度

现在智能穿戴技术发展迅速,人们通过各种手环即可测量心跳、血压等。现在有一项新技术只需将检测装置黏贴在手腕上,你就能通过手机查看到血液酒精浓度。

它所实现的原理就是通过特殊贴纸粘在皮肤上时会释放出一种叫做毛果碱的导汗化学成分,通过电化学的方法测定血液中的酒精含量,然后将收集到的数据通过蓝牙传输到手机上。目前,研究人员找了9名志愿者进行实验,结果表明该装置对9个受试者的测试结果均是准确的。具体商用时间暂不可知。

6、可植入生物传感器,可检测身体状况信息

美国国防部先进研究项目局(DARPA)宣布将与美国陆军研究办公室(U.S.ArmyResearchOffice)一同研发能够植入人体组织中的生物传感器。DARPA给一家旧金山的公司Profusa投资了750万美元,让他们来领导这个项目的研发工作。美军希望这项技术能够提升士兵执行任务时的效率,让他们掌握可能影响任务的身体状况信息。

据称,Profusa的生物传感器技术是在身体中植入一种“智能水凝胶”,这种材料与隐形眼镜所用材料很像,能够克服身体天生的排异反应。要做到实时无线监测,这个生物传感器需要搭配光学扫描装置。光学扫描装置负责与智能手机应用通讯,为用户提供有价值的身体信息。这些信息也可发送给医生和公共健康分析师,在数据量充足的情况下,他们能利用这些数据完成长期研究。

7、新型应力传感器,可在不间断条件下进行无损检测

俄罗斯国家研究型技术大学莫斯科钢铁合金学院的科学家研制出一种能检测核电站、天然气管道等工业及能源重要设施运行状况的新型应力传感器,并进行了测试。该传感器可在不间断运行的条件下对承载高温和辐射的工业设备部件进行无损检测

应力传感器的主要部件是直径仅有几微米的非晶铁磁微型导线,这种比头发丝还细的微型导线能捕捉到外部拉伸应力造成的磁化曲线变化,并将其记录在专门的电子电路上。根据导线直径的不同,感应器可区分从几到数千兆帕的机械应力,记录千分之一到十分之一毫米的长度变化。它的优点之一是非接触信号读取,可集成到测量系统中,对重要的工业设施进行连续不断检测。目前,该原型机正在进行相关测试,预计2016年11月前完成专利申请。俄紧急情况部计划还用它监测工业设施火灾前后受损的情况。

8、新型传感器,科探测极低浓度下测量一氧化碳浓度

日本及法国科学院共同研发了新型测量一氧化碳浓度的传感器,该装置具有令人意想不到的灵敏度,能够探测到极低浓度下的一氧化碳,且生产成本低。

作为一种有毒和污染性气体,一氧化碳在空气中的检测一直都是一个大问题。其主要来源于含碳物质的不充分燃烧过程中,比如烹饪用的燃气和汽油。由于一氧化碳无色无味,因此很难被人察觉到。长期以来,科学家们从未停止对能够测量一氧化碳浓度的传感器的研究。测试结果显示,该装置具有令人意想不到的灵敏度,能够探测到极低浓度下的一氧化碳。“将采用氧化铜纳米细丝和微型加热膜的一氧化碳传感器小型化,这是发展下一代气体传感器的第一步。”团队中另一名成员Sowwan教授评论道,“与其他测量技术相比,我们所研发的这种方式不仅成本低,而且适合进行大批量生产。”

9、高精度激光吸收水气传感器,发挥湿度测量先进水平

据悉,现有市场上传统的测量方法具有低温下分辨率低、高湿迟滞、误差大等问题,而航天易联公司经过多年研究,通过大量试验、测试提出的激光调制吸收(TDLAS)水气传感器应用技术可使水气测量精度更高,响应速度更快,同时环境适应性也更好。可应用于气象环保、文物保护、石油化工、电力等众多领域的湿度监测。

中国著名激光与非线性光学专家、中科院院士姚建铨,中国华云气象科技集团公司董事长王晓云,中国航天空气动力技术研究院副院长黄育群,中国文化遗产研究院副院长马清林等21位专家作为评委出席本次评价会。评委会讨论后认为,该技术成果具有多项核心自主知识产权,在湿度测量应用等方面具有重要意义,使用前景广阔,达到国际先进水平。

10、新型生物感应器:快速测试出帕金森症

巴西国家纳米技术实验室(LNNano)研发了一款生物感应器,可以快速测试出帕金森症、失智症及部分癌症,如乳腺癌,令病人可以在初期得知病况,及早开始治疗。据报道,感应器是由一片有机纳米晶体管铺在玻璃片上制成,它对一种称为“谷胱甘肽S转移酶”(简称GST)的有机化学物极为敏感。这种物质可成为检测帕金森症、失智症及部分癌症的重要指标。

报道指出,装置价钱便宜,体积小而且灵敏度高,非常适合作为日后普及检测工具的发展基础。研究团队正在尝试以一种有导电能力的纸张取代玻璃片,以进一步降低成品价格,令它更便携、更易生产,使用后也更易被分解处理。

编辑总结

“生物技术”、“航天科技”、“机器人应用”、“智慧城市、“工业制造业””等等依托先进科学技术进步的工业、社会、生产都离不开传感器极其强大而广泛的应用。随着传感器技术的日益提升,据资料预测,到2030年,全球传感器数量将突破100万亿个,传感器市场未来一片光明。

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