微生物传感器的应用研究
微生物传感器的应用研究
摘要：微生物传感器是一种以微生物活细胞或细胞碎片作为敏感元件,结合电化学换能器,对被分析物具有高度选择性的装置,具有灵敏度高、检测速度快、操作简便、成本低、可进行连续动态监测等优点.在介绍微生物传感器的结构、工作原理及分类的基础上,对其在生物工业、环境监测和临床医学等领域中的.应用研究进行综述,并探讨了微生物传感器的发展前景.作 者： 作者单位： 期 刊：现代农业科技 Journal：XIANDAI NONGYE KEJI 年，卷(期)：, “”(6) 分类号：X859 关键词：微生物传感器 生物工业 环境监测 临床医学
随着微生物固定化技术的发展,微生物传感器的研究和应用取得很大的进展。微生物传感器以微生物活体作为识别元件,特别适用于需复酶和辅酶再生系统参与的生物反应测定,在生化需氧量和生物毒性等综合指标的监测上表现出独特优势[8,9,10,11]。微生物传感器分析周期短,操作简便,自动化程度高,具有较高的精密度和准确度,节省了人力、物力,提高了工作效率,能广泛应用于地表水、生活污水及部分工业废水的测定[12]。微生物传感器现已应用于生物工业、环境监测、临床医学等领域,具有广泛的发展前景。
1 微生物传感器的结构
微生物传感器是使用微生物活细胞或细胞碎片作为敏感元件与电化学换能器来制备生物传感器[13,14]。主要由2部分组成[15,16]:第1部分是微生物膜,此膜是由微生物与基质(如PVA,海藻酸钠等)以一定的方式固化形成;第2部分是信号转换器(如O2电极、气敏电极或离子选择电极等)。
2 微生物传感器的工作原理及分类
微生物在利用物质进行呼吸或代谢的过程中,将消耗溶液中的溶解氧或产生一些电活性物质。在微生物数量和活性保持不变的情况下,其所消耗的溶解氧量或所产生的电活性物质的量反映了被检测物质的量,再借助气体敏感膜电极(如溶解氧电极、氨电极、二氧化碳电极、硫化氢电极)或离子选择电极(如p H玻璃电极)以及微生物燃料电池检测溶解氧和电活性物质的变化,就可求得待测物质的量,这是微生物传感器的一般原理。
微生物电极的种类很多,根据微生物与底物作用原理的不同,微生物电极可分为测定呼吸活性型微生物电极、测定代谢物质型微生物电极。根据测量信号的不同,可分为电流型微生物电极、电位型微生物电极[17]。
3 微生物传感器的应用
3.1 在生物工业中的应用
生物工业泛指利用生物系统或生物材料加工生产的过程,如发酵工程、酶工程、细胞培养工程、食品工程等。
Hikuma等[18]于1979年用固定化毛孢子菌制成的醇电极实现了对发酵罐中醇的测定,之后又于1980年利用固定化大肠杆菌制成的谷氨酸电极对发酵罐中谷氨酸的含量进行测定,得到令人满意的结果。Karube[19]在1979年首先使用P.fluorescens菌株制成了葡萄糖传感器,Mascini[20]于1986年使用S.cerevisiae菌株制成另一支葡萄糖传感器,二者均可检测发酵液中葡萄糖的含量,后者实现了离线监测。
1989年,张先恩等[21]将酿酒酵母菌固定在氧电极表面,用于蔗糖等低分子糖的测定,用动态法和稳态法测定糖的浓度有不同的线性响应,动态法响应范围高至100 mg/L,稳态法仅达75 mg/L,这种差异可归处于细胞与环境的综合效应,与测试搅拌速度、外部溶液的供氧能力、底物在传感器界面和细胞内的传质速率等因素有关。该微生物电极用于以蔗糖为唯一碳源的类胡罗卜素微生物发酵过程的监测,样品需要量50μL,测定结果显示醪液中蔗糖消耗与生物量增长有明显的异向同步性。值得注意的是,微生物电极测定葡萄糖的浓度时,检出下限为10-5mol/L,而用酶电极为10-4mol/L,可见微生物电极灵敏度较相应的酶电极的高。
1990年,Surareungchai等[22]报道了一种新的测乙醇微生物电极,这种电极有2个特征:对乙酸及其他醇类不响应(表1)和在p H值为2~10的范围内均能稳定工作。
2002年,Tkac J等[23]将一种以铁氰化物为媒介的葡萄糖氧化酶细胞生物传感器用于测量发酵工业中的乙醇含量,13 s内可以完成测量。
3.2 在环境监测中的应用
微生物传感器是生物传感器研究中的一个热点,它是将活细胞作为探测单元,利用微生物的新陈代谢机能进行污染物的检测和分析。微生物传感器具有反应速度快、便于连续化和自动化控制、易于管理等优点,广泛应用于检测环境中的农药残留物(表2)、氯苯甲酸盐类物质、苯类物质、氰化物、多氯联苯和有毒重金属等[24,25]。
1977年,Karube首次将土壤中微生物用骨胶原膜固定在氧电极上测定污水的生化耗氧量(bio-chemical oxygen demand,BOD)。目前,国内外已研制和应用于环境监测的微生物传感器有10多种,已见报道的有水质监测的BOD传感器、硝酸盐微生物传感器、酚类物质及阴离子表面活性剂传感器和水体富营养化监测传感器以及有利于大气和废气监测的亚硫酸、亚硝酸盐、氨、甲烷及CO2微生物传感器等[29]。
Han等发明了一种新型微生物传感器,可用于测定三氯乙烯。该传感器将假单细胞菌JI104固定在聚四氟乙烯薄膜上,再将薄膜固定在氯离子电极上。带有Ag Cl/Ag2S薄膜的氯离子电极和Ag/Ag Cl参比电极连接到离子计上,记录电压的变化,与标准曲线对照,测出三氯乙烯的浓度。该传感器线性浓度范围为0.10~4.00 mg/L,是用于检测工业废水,在最优化条件下,其响应时间不到10 min。Shikha R等[30]采用一种新的固定微生物膜的方法,在4℃下把微生物膜存储在50 mmol/L、p H值为6.8的磷酸盐缓冲溶液中,传感器可保持180 d的稳定性;在反应特征信号无明显降低的前提下,被固定的微生物膜可以重复使用200次;最低检测限为1 g/L BOD该传感器在5~10 min内对于含有高、中、低浓度并且可生物降解的有机物质的工业废水可进行准确的评估。田中良春等人将硝化细菌固定化菌膜固定在溶解氧电极上组成传感器,以KCN为毒性参照物,通过监测硝化细菌的呼吸速率的变化来测定有毒物质的毒性,响应时间能达到20 min,最低检出限为0.05 mg/L,微生物膜能够稳定使用1个月[31]。严珍用普通滤纸作菌膜组装的发光细菌生物传感器可用于海洋水质监测和蔬菜农药残留的检测,选择脱脂牛奶作为保护剂,采用冷冻干燥并真空包装的方法,使菌膜在一定程度上隔绝水分和氧气而不会过分生长,便于野外或携带至船上进行实时监测,菌膜的使用寿命能达到1个月,与标准的发光细菌毒性试验相比,具有操作简单、重现性好、易于携带等优点[32]。
目前,微生物传感器的研究主要集中在利用基因工程的方法和技术,把含有lux或lac操纵子的重组子转移到受体细胞中,受体细胞表达荧光索蛋白或其他信号报告系统如碱性磷酸酶,β-半乳糖苷酶等,用以对特殊污染物进行检测。
在特殊污染物检测和污染物分类方面,用产GFP的假单胞菌(Pseudomonas sp.)检测甲苯和相关化合物的传感器已有报道。用基因工程的Sphingomonas sp.检测芴和它的降解产物、用GFP报告基因检测亚砷盐和砷盐、相似的技术检测生物胺、用2种不同菌样研究汞和其他重金属的毒性效应等均有报道。Shao C等[33]用蓝细菌(cyanobacteria)制成的生物发光传感器检测除草剂。Mirasoli M等[34]通过引入额外的报告基因研制了一种运用分析反应内在修正机制的细菌传感器。Christoph W等[35]将携带lux AB基因的NAH7质粒导入恶臭假单胞菌(Pscudomonas putida)中,制成生物传感器检测空气中的有机污染物,对萘的检测浓度达到0.5μmol/L。Michael N等[36]筛选出2种微生物用于传感器研究,检测水中NO2-的灵敏度可达1μmol/L,而且90%的反应在3min以内完成,完全可以用于废水中NO2-的监测。
许多研究者报道了不产生发光信号的基因工程微生物,其中lac Z使用最多。基于呼吸检测的微生物和植物细胞传感器已用于特殊废水分析。最近,表面显示技术已用于微生物传感器,在细胞外膜引进新的表面蛋白,造成细胞表面新的结合或催化功能,而对细胞无害。
微生物传感器可以定性、定量测量被分析物质的信息,即确定某类物质存在与否及浓度大小。以活细胞为感受器发挥了微生物特别是部分耐极端环境微生物的长处,重复使用率高,在一定程度上降低了成本。基因工程技术的引入使得敏感元件分子与耐受菌株、信号传递能够完美结合。更重要的是,微生物传感器能够测量功能性信息,即监测被分析物对活细胞生理功能的影响,从而解决一些与功能性信息相关的问题。因此,微生物传感器未来仍然是环境监测中生物传感器的主力。但其缺点也较为明显,活细胞必然带来许多不确定因素,这就需要不断对微生物的生理和遗传做深入研究。
3.3 在临床医学中的应用
在医学领域,许春向[37]首次运用半微分循环伏安法进行了人白血病白细胞和健康人白细胞的识别工作,取得了令人满意的结果。着眼于致癌物质对遗传因子的变异诱发性,人们利用微生物传感器对致癌物质进行一次性筛选。在临床检验中[38],Vincke等于1983年利用变形杆菌制成了尿素传感器。同年,Kabo等制成了用于测定血中肌酸肝含量的微生物传感器。血糖传感器和尿酸传感器使糖尿病和痛风患者能在家中对病情进行自我监测[39]。
4 微生物传感器的优点和不足
以微生物活细胞来设计生物传感器,其实就是调动微生物细胞的整个系统来对外源物质进行响应,其优点在于:获取微生物细胞比较容易;微生物细胞是极为丰富的酶源,而且细胞膜系统本身就是最适宜的酶活动的载体,通过特定方法维持细胞活性,可以保持长时间的酶活性;由于调动整个细胞或部分酶体系参与反应,催化过程有可能在细胞内循环,信号得以放大,因此,微生物电极的灵敏度比相应的酶电极的高。但又由于微生物细胞的复杂性,致使微生物电极也存在一些先天不足:一是多酶体系的存在,有可能对复杂样品产生非特异性响应。二是维持细胞活性是一个精细的过程,然而常常由于缺乏足够的经验而导致细胞过早的死亡,微生物传感器的工作寿命因而受到影响。三是以全细胞为敏感元件的微生物电极,测定受到多种因素的影响,如细胞的通透性、酶的诱导活性、细胞内相关酶的活性状态等,因而微生物电极测定的精度和重复性一般比酶电极的要差。四是微生物固定化方法也需要进一步完善,首先,要尽可能保证细胞的活性;其次,细胞与基础膜结合要牢固,以避免细胞的流失;另外,微生物膜的长期保存问题也有待进一步的改进,否则难以实现大规模的商品化。五是生物响应稳定性和微型化便携式等问题。仪器小型化将降低样品体积、试剂消耗和生产费用。
5 结语
如果能够充分利用上述优点并克服或避免其缺陷,则微生物传感器能够发挥重要作用。在这方面,前日本东京大学先导科学研究所的Iso Karube研究组最为活跃。美国的Harold H.We等指出,生物传感器商品化要具备以下条件:足够的敏感性和准确性、易操作、价格便宜、易于批量生产、生产过程中进行质量监测。其中,价格便宜决定了传感器在市场上有无竞争力。而在各种生物传感器中,微生物传感器最大的优点就是成本低、操作简便、设备简单,因此其在市场上的前景是十分巨大和诱人的。
微生物传感器现已在各领域得到应用,其检测能力已被广泛认识,但很多传感器目前仍处于研究阶段,测定对象中的毒害因素如重金属和有毒有机物是影响微生物传感器稳定响应和寿命的关键因素,也是微生物传感器市场化的主要控制因素。因此,开发新的固定化技术,利用微生物育种、基因工程和细胞融合技术研制出新型、高效耐毒性的微生物传感器是该领域科研人员面临的课题。相信微生物传感器作为一个具有发展潜力的研究方向,定会随着生物技术、材料科学、微电子技术等的发展取得更大的进步,并逐步趋向微型化、集成化、智能化。
摘要：微生物传感器是一种以微生物活细胞或细胞碎片作为敏感元件,结合电化学换能器,对被分析物具有高度选择性的装置,具有灵敏度高、检测速度快、操作简便、成本低、可进行连续动态监测等优点。在介绍微生物传感器的结构、工作原理及分类的基础上,对其在生物工业、环境监测和临床医学等领域中的应用研究进行综述,并探讨了微生物传感器的发展前景。
身为人类我们利用视觉，触觉，味觉，嗅觉和听觉这些感官受体，作为一种手段来感受周围环境并周围环境交互。利用这些感觉中的一个或者多个，人类将从环境中察觉到新未被定义的事物。例如，作为人类，我们可以执行灵巧的任务，如可以灵活的拿起一个鸡蛋是理所当然的。当拿到鸡蛋，鸡蛋的形状，温度，纹理，颜色和大小通过感受器传输的我们的大脑。如果施加的力太小，鸡蛋那就会滑走。反之，如果所施加的力太大了，鸡蛋就会碎掉。精确的力的施加和力的反馈能够使我们拿住鸡蛋。此外，鸡蛋的物理属性的先验知识，如它的重量和脆弱性也集成到操作处理中去。如果同样的任务要使用用机器人来实现的，那么类似于人类去探索和互动的对象所提供必要反馈是至关重要。作为一个机器操作者，它不可能理解我们人类的操作物体的先验知识，所以准确的感觉反馈更加重要。
1.1什么是触觉传感器
本文回顾了触觉传感器设计领域的仿真研究。触觉传感器是通过身体的接触来获得触觉信息的一种传感器。可以测得物体性质如温度，振动，柔软，质地，形状，组成，边缘和普通的接触力。触觉传感器可以测量一个或更多的这些特性。虽然压力和扭矩传感通常不包括在触觉感知的定义中，压力和扭矩是重要的属性，通常通过身体的接触获得，并可作为触觉参数。
1.2触觉传感器的应用范围
触觉传感器的应用相当成熟，已经有了30年的历史了。早期的研究者如哈蒙，发现了触觉传感器在机器人领域应用潜力巨大。有趣的是哈蒙认为触觉传感不适合在医学和农业这些技术难度大回报低的领域。同时，其他研究者如内文斯和惠特尼也排除了触觉传感器在被动检测中的应用需要。在21世纪触觉传感器被设想具有能开发出更多智能的产品和系统从而改善人类生活的潜力。其中应用最多的是医疗领域和工业自动化领域。作者认为触觉传感器的应用更广泛，主要内容将会总结在表6。然而这份调查报告显示，它并没有很大的进入到它的目标市场中去，直到90年代。触觉传感器的重要性在其他传感器的衬托下更显著，比如用视觉传感器作为例子，它可能不是最佳的传感器选择，尤其是在非结构化或空间有限的情况下，后文将作详细论述。虽然在过去的三十年里认识到了触觉传感器的重要性并投入了精力去发展，但是仍然没有设计出一个匹配人的触觉的一个触觉传感器，因此也阻碍了机器人和微创手术领域的进步。
1.3早期的技术
力和触觉的反馈研究是现在一个多学科的事业。触觉传感器的综合调查在过去就已经进行了并且有很多文献资料。触觉的机器人和机电一体化遥感应用进行了综述和文献报道的。2000年，李发表了简短而综合的触觉传感技术的回顾，并分析了拖延的工业和消费市场接受这种技术的原因。艾特比和翰威特研究触觉传感系统微创外科技术并重申了这一特定领域的触觉传感器的重要性。虽然很多书籍在机器人相关的应用里提到了触觉传感器，但是并没有单独讲解触觉传感器的书。有几个出版的关于触觉传感器的书值得关注。维特尔斯在他的书中演示了如何用触觉传感器来模仿人类的皮肤。Dargahi Najarian在2009年发布了一本传感器在医学界最全面的书。这本书包含了人类触觉感知的基础，及传感技术在生物医学工程领域的应用。通过比较以前对触觉传感技术的评价：本文扩展了以前的评价；将重点放在当前国家的最先进的学科；触觉传感器研究发展趋势；突出的挑战；必须克服的内容；还讨论了运营优势和不同的触觉传感器的设计缺陷的原则。除了先前提到的领域的应用，我们也提出了该技术在其他方面的应用，如在休闲体育，航空航天，领域。接下来我们概述下常用的触觉传感器的应用。
2.传导触摸技术
常用的触觉传导技术是基于电容式，压阻式，热阻，归纳，压电，磁和光学法这些原理。很好确立的是这些相关的技术原理都拥有不同优缺点。在一般情况下电容式，压阻式，压电式，感应式和光学方法设计的触觉传感器拥有很多潜在的优越性和实用性，往往是设计者的首选传感器。本章节将会简略的回顾这些传感器的优缺点。
2.1电容式触觉传感器
电容式传感器由两个导电片和介质层构成。其中平行板的电容c可以表示为C=（AeOer）/d。其中c是电容，eO是自由空间的介电常数，er是介质材料的相对介电常数和D板之间的距离。电容式触觉传感器通常表现出良好的频率响应，这些传感器是更容易受到噪声的干扰，特别是在一个网格配置中，因为存在串扰噪声，场的相互作用和边缘电容，所以需要增加相对复杂的电路来滤除这种噪声。
2.2压阻式触觉传感器
压阻式传感器由压敏传感器所构成，应对不同大小的施加力其电阻大小也不同。一个简单的电阻元件的电压电流特性可以表示为V=IR；其中V的电压，I是电流和R是材料的电阻。通常电压（或电流）的特性是固定的，当电阻的变化时通过电流（或电压）也发生变化。为了观察变化通常需要一个电阻元件如弹性体形式的导电橡胶，或是压力敏感导电油墨。这些材料一般发生很小的电阻变化就能量化，所以容易制造和整合。相比于电容式传感器，他们不受噪声影响，因此在网格配置中没有相声或场的相互作用。电阻式触觉传感器受到滞后，因此有一个较低的频率响应时间。
2.3压电式触觉传感器
压电式触觉传感器采用一些特别的晶体还有陶瓷材料制作而成，其发生形变就会产生电压电位的变化。晶体的灵敏度取决于它的结构，还有其所允许的横向力，纵向力，切割面的力。电压V的变化正比于对其所施加的力。这些传感器具有很好的高频响应，这使得他们成为振动测量的理想选择；然而，由于其大的内部阻力，只能有限的测量动态力，而且无法测量的静态力。在传感器的设计中，接口电路的输入阻抗必须被视为显著影响器件的响应。
2.4感应式触觉传感器
光电传感器因其灵敏轻便等优势而被广泛应用于自动化设备检测装置中。20世纪80年代，美国军事领域开始应用光电传感器信息融合技术;3月15日，美国国防先期计划研究局(DARPA)公布了在阿灵顿召开的已进入第二阶段的MIST-LR项目会议，指出在未来的第三阶段，将开发出能够提升飞行器性能的原型系统传感器，极大发挥其在民用和军事两个方面的助推器作用。
1 应用必要
第一，光电传感器获取信息的过程实际是一个多对一的对应抽样过程，在将客观世界空间的信息传输至传感器这一过程中信息丢失的问题难以避免;第二，军事领域中光电传感器的数量庞大，急需处理的信息量也繁多冗杂，这些都会给人工处理带来一定困扰，而光电传感器信息融合技术的应用巧妙地解决了这一信息综合处理的难题;第三，应用环境决定了光电传感器性能发挥的好坏，但截至目前尚未有一个国家可以开发出适用于任何环境下且性能优于其他类型的光电传感器。
2 概念优点
光电传感器信息融合的过程正是为了完成目标分类、识别及跟踪等任务而进行信息自动分析综合处理的过程。军事领域中的目标识别及跟踪可以实现光电传感器目标属性中的监视功能，有利于精确定位与预估判决。我国航天技术的高速发展离不开当前最热门的技术之一――航天技术上光电传感器信息融合技术，它能够有效提高空间的分辨率和系统的可靠性，无疑成为我国GDP增长的“助推器”。
3 工作原理
光电传感器能够有效检测到光强度变化的情况并将光强度的变化转换为电信号的变化。通常情况下，光电传感器这种小型电子设备由三部分组成：发送器、接收器与检测电路。发送器负责向目标发射来源于发光二极管、激光二极管及红外射二极管等的光束，不间断发射出的光束经过像光圈、透镜这种光学元件后达到由光电二极管、光电三极管及光电池构成的接收器中，接收器接收到光束后会将其传输至能够过滤该信号是否有效并决定是否应用的检测电路。详细流程见下图所示。
需要强调的一点是发射板和光导纤维作为光电传感器结构元件的一种也独具特色。众所周知，三角形的结构最为稳定，因此由极细小的三角锥体反射材料组成的三角反射板是一种能保证光束可以准确无误地从反射板返回的发射装置，其结构极其稳固且具有极强的实用性。
4 应用领域
4.1研制抄表系统
为及时结算用户的电费，一般由电力部门派专门的抄表人员到有关用户处定期走家串户地查看、抄写设置在现场的电能表，通过人工读取、记录、计算和收费。这不仅浪费人力，而且还会因人工读取造成不必要的误差，给用户带来不必要的麻烦和损失，甚至会发生不法分子假冒抄表人员入室作案而影响社会治安。因此，无论是电力部门还是用户们均迫切要求改变当前的落后状态。随着微电子技术、传感器技术、计算机技术及现代通讯技术的发展，可以利用光电传感器来研制自动抄表系统。
电能表的铝盘受电涡流和磁场的作用下产生的转矩驱动而旋转，采用光电传感器则可将铝盘的转数转换成脉冲数。如在旋转的光亮的铝盘上局部涂黑，再配以反射式光电发射接收对管，则当铝盘旋转时在局部涂黑处便产生脉冲，并可将铝盘的转数采样转换为相应的脉冲数，并经光电耦合隔离电路，送至CPU的T0端口进行计数处理。采用光电耦合隔离器可以有效地防止干扰信号进入微机，再结合其它传输方式便可形成自动抄表系统。目前自动抄表系统没有大规模使用与当前的技术有莫大关系，这套技术还有很多需要改进之处，相信在未来几年随着技术的发展，自动抄表将在全国范围内实现。
4.2节能灯具设计
光敏传感器、红外传感器、颜色传感器已进入各种自控节能LED照明系统的设计方案之中，它们的自主控制、方便应用使得不少公共照明LED灯具和居家照明灯具实现智能化。光电传感器可以协助公共照明的LED灯具实现灯光的自动开启关闭，可以智能的感应人和车辆进出而自动开关灯光，可以智慧的控制LED灯光开启的时间和控制亮度，甚至按人类的意愿自动调整光线的色温，营造人类想要的光氛围。
4.2.1光敏传感器应用
光敏传感器中最简单的电子器件是光敏电阻，它能感应光线的明暗变化，输出微弱的电信号，通过简单电子线路放大处理，可以控制LED灯具的自动开关。对于远程的照明灯具，如街灯、庭院灯、草坪灯等都可经济而简单的实现节能自动控制。太阳能路灯本身是利用太阳光发电、储能的LED照明灯具，无需电网供电也就无需架设成本不菲的输电线路，因此使用光敏传感器可以实现极低成本、自动开启关闭的节能管理。
4.2.2红外传感器应用
红外热释电传感器(PIR)在LED照明中的应用已有近十年的`历史。红外传感器的视角有限，需要搭配菲涅尔透镜才能扩大探测区，才能监视移动的热源(人或车)。菲涅尔透镜有两个作用：一是聚焦作用，将热释红外信号折射在PIR上;二是将探测区内分为若干个明区和暗区，使进入探测区的人能以温度变化的形式在PIR上产生变化的热释红外信号。
4.3航天技术应用
我国神舟十号发射成功后到与天宫一号的自动交会对接，多项航天技术成果移植国民经济成为经济发展“倍增器”，其中光电传感器技术发挥了重要作用。神舟十号和天宫一号对接机构十分复杂，由上百个传感器、上千轴承组合而成。对接任务要求严丝合缝且不能漏气。另外考虑到飞行器在太空环境中失重要经历高低温的变化，因此必须保证对接时不出现故障。手控交会对接时要有精确的传感器测量设备，不断测量两个飞行器之间的距离、相对速度和姿态等，稍有差池后果不堪设想。最后对接时，要求轴向误差≤18cm。这些对航天员的身心都是极大的挑战，要求他们具有极高的眼手协调性、操作精细性和过硬的心理素质等。在交会对接的过程中，航天员需要紧盯电视图像，根据实时传输的数据让两个航天器一点点逼近，根据仔细计算决定速度变化方案完成交会对接，其中传感器起到决定性作用，为实现航天梦奠定最强基础。
4.4工业自动化装置
光电传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，在工业上常用于非接触测量物位、距离和条码等信息，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。随着现代检测技术的发展出现了很多新型的光电传感器，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。相关应用行业的系列产品如下：
1)光电式烟雾报警器。没有烟雾时，发光二极管发出的光线直线传播，光电三极管没有接收信号，没有输出;有烟雾时，发光二极管发出的光线被烟雾颗粒折射，使三极管接受到光线，有信号输出，发出报警。如今频遭吐槽的雾霾天气说明环境污染问题严重，而光电式烟雾报警器则可通过光在烟道里传输过程的变化检测到烟道中的烟尘浊度;2)点钞机的计数传感器。具有结构微型化、操作简便化、使用耐用型等特点的点钞机在我们的日常生活中应用频繁，其不光在金融机构中被大量使用，也逐渐成为一些大型企事业单位必备的办公用品，成就其的正是结构简单、响应速度快、精确度高的光电传感器。点钞机的技术传感器采用两组由一个红外发光二极管和一个接收红外光的光敏三极管组成的红外光电传感器，没有钞票时，接收管受光照导通而输出为0;有钞票时，接收管光通量不足而输出为1且产生一个脉冲信号，经检测电路输入至负责计数和显示的单片机。只有不断提升光电传感器的性能，才能满足商业经济和财务自动化日新月异变化而产生的高要求。
参考文献
[1]黄斌.基于多传感器信息融合的节能控制系统.测控技术，2013(4).
[2]赵娟妮.多传感器数据融合技术及其在光伏电站监控系统中的应用.科技信息，2013(7).
[3]魏宏飞，赵慧.多传感器信息融合技术在火灾报警系统的应用[J].现代电子技术，2013(6).
导论：
人体存在高度精密而复杂的生物信号，每一种信号都在传递着身体的工作状态，器官机能是否正常，呼吸、循环系统是否健全，人体是否处于一种健康状态……随着信息科技的发展，在医学研究领域，产生了“高端”的医生，它们通过接收人体信号，对人体信息进行检测，实现疾病的诊断和防治。
生物医学传感器好比人的五官，人通过五官，即眼（视觉）、耳（听觉）、鼻（嗅觉）、舌（味觉）和四肢（触觉）感知和接受外界信息，然后通过神经系统传递给大脑进行加工处理。传感器则是一个测量控制系统的“电五官”，他感测到外界的信息，然后送给系统的处理器进行加工处理。如果一个系统没有传感器，就相当于人没有五官。
生物医学信号处理是生物医学工程学的一个重要研究领域，也是近年来迅速发展的数字信号处理技术的一个重要的应用方面，正是由于数字信号处理技术和生物医学工程的紧密结合，才使得我们在生物医学信号特征的检测、提取及临床应用上有了新的手段，因而也帮助我们加深了对人体自身的认识。
生物医学传感器的认识
一、定义
我们定义：传感器是能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的电子线路组成。也可把传感器狭义地定义为：能把外界非电信号转换成电信号输出的器件或装置。
二、分类
生物医学传感器是一类特殊的电子器件，它能把各种被观测的生物医学中的非电量转换为易观测的电量，扩大人地感官功能，是构成各种医疗分析和诊断仪器与设备的关键部件。我们将生物医学传感技术中常用的传感器按被观测的量划分为以下三类：
（1）物理传感器：用于测量和监护生物体的血压、呼吸、脉搏、体温、心音、心电、血液的粘度、流速和流量等物理量的检测。
（2）化学传感器：用于生物体中气味分子，体液（血液、汗液、尿液等）中的PH值，氧和二氧化碳含量（pO2、pCO2），Na+、K+、Ca2+、Cl-以及重金属离子等化学量的检测。
（3）生物传感器：用于生物体中组织、细胞、酶、抗原、抗体、受体、激素、胆酸，乙酰胆碱、五羟色胺等神经递质，DNA与RNA以及蛋白质等生物量的检测。
传感器按尺寸划分有：常规传感器（毫米级，可用于组织检测），微型传感器（微米级，可用于细胞检测）和纳米传感器（纳米级，可用于细胞内检测）。
三、对传感器的性能要求：
（1）有较高的灵敏度和信噪比。
灵敏度高时，输入较小的信号即可产生较大的输出信号。传感器输出信号电压与噪声电压之比称为信噪比。信噪比越高，说明获得的有用的输出信号就越大，信噪比越小，信号与噪声越难分辨，严重时将出现信号被噪声淹没的现象，无法获得有用的信号，测量无效。
（2）有良好的线性和较高的响应速度
线性好是指传感器的输出信号在规定的工作范围内与输出信号成比例关系，而不产生信号非线性失真。响应速度快表明输出和输入的延迟时间短、实时性好。
（3）重复性、一致性和选择性好
重复性好是指传感器反复使用，其性能不变。一致性好是指传感器的互换性强，在生产与修理中尤为重要。选择性好是指传感器只对确定目标的变量有响应，不受其他变量的影响。
（4）化学、物理性能好
传感器必须与人体的化学成分相容，既不会腐蚀也不会给人体带来毒性。传感器的形状、尺寸和结构应与待测部位的解剖结构相适应，对被测对象的影响要小，使用时应不损伤组织。
（5）电气安全性好
传感器要与人体有足够的电绝缘，即使在传感器损伤的情况下，人体收到的电击也应在安全之下。
（6）操作性好
传感器应操作简单、维护方便、便于消毒。
生物医学传感器的意义
随着生物传感技术的不断发展，生物传感器必将在医学领域掀起一股热潮。
（1）生物传感器采用固定化生物活性物质作催化剂，价值昂贵的试剂可以重复多次使用，克服了过去酶法分析试剂费用高和化学分析繁琐复杂的缺点。因此，这一技成本低，在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人民币，术在很大程度上减轻病患医疗费用上的负担。（2）生物传感器专一性强，只对特定的底物起反应，而且不受颜色、浊度的影响，准确度高，一般相对误差可以达到1％；分析速度快，可以在一分钟得到结果。因此，这一技术应用于医学上不仅提高了检测结果的准确性，更是缩短了整个过程所需的时间，进一步提供了救治病人的先机。
（3）操作系统比较简单，容易实现自动分析。在临床中，许多操作对于病患来说是痛苦的，若能很好的利用生物传感器的这一特点，我相信将为他们减少很多的痛苦。
当前各种利用生物传感技术开发的仪器也已问世，但是在应用上还有许多技术需要深入研究。诊断各种疾病的医用传感器，还有待于引深研发，例如谷氨酸传感器是一种稳定的脱氢酶、转氨酶、血氨的指示性传感器，它在临床急症室等许多场合可取代光度法测定，有潜在应用前景；测定胸外科病人乳酸指标的生物传感器也已开始应用,与肾透析联用的几种生物传感器也有产业化开发价值。今后这些生物传感器将逐渐得到普及，给广大病患带来更多的福音。
生物医学信号
生物医学信号有一维、二维之分一般而言, 将一维信号称为信号, 二维信号称为图像自然界广泛存在的生物医学信号是连续的, 由于计算机巨大的计算能力, 一般先用转换器将
连续信号转换成数字信号, 然后在计算机内用各种方法编制成的软件进行分析处理限于篇幅, 这里只论一维生物医学信号的处理方法。
信号处理的领域是相当广泛而又深人的, 已在不同程度上渗透到几乎所有的医疗卫生领域从预防医学、基础医学到临床医学, 从医疗、科研到健康普查, 都已有许多成功的例子如心电图分析, 脑电图分析, 视网膜电图分析, 光片处理, 图像重建, 健康普查的医学统计, 疾病的自动诊断, 细胞、染色体显微图像处理, 血流速度测定, 生物信号的混沌测量等等。
一、生物医学信号特点
（1）信号弱：直接从人体中检测到的生理电信号其幅值一般比较小。如从母体腹部取到的胎儿心电信号仅为10～50μV，脑干听觉诱发响应信号小于1μV，自发脑电信号约5～150μV，体表心电信号相对较大，最大可达5mV。
因此，在处理各种生理信号之前要配置各种高性能的放大器。
（2）噪声强：噪声是指其它信号对所研究对象信号的干扰。如电生理信号总是伴随着由于肢体动作、精神紧张等带来的干扰，而且常混有较强的工频干扰；诱发脑电信号中总是伴随着较强的自发脑电；从母腹取到的胎儿心电信号常被较强的母亲心电所淹没。这给信号的检测与处理带来了困难。
因此要求采用一系列的有效的去除噪声的算法。
（3）频率范围一般较低：经频谱分析可知，除声音信号（如心音）频谱成分较高外，其它电生理信号的频谱一般较低。如心电的频谱为0.01～35Hz，脑电的频谱分布在l～30Hz之间。
因此在信号的获取、放大、处理时要充分考虑对信号的频率响应特性。
（4）随机性强：生物医学信号是随机信号，一般不能用确定的数学函数来描述，它的规律主要从大量统计结果中呈现出来，必须借助统计处理技术来检测、辨识随机信号和
估计它的特征。而且它往往是非平稳的，即信号的统计特征（如均值、方差等）随时间的变化而改变。这给生物医学信号的处理带来了困难。
因此在信号处理时往往进行相应的理想化和简化。当信号非平稳性变化不太快时，可以把它作为分段平稳的准平稳信号来处理；如果信号具有周期重复的节律性，只是周期和各周期的波形有一定程度的随机变异，则可以作为周期平稳的重复性信号来处理。更一般性的方法是采用自适应处理技术，使处理的参数自动跟随信号的非平稳性而改变。
二、生物医学信号的检测方法
（1）AEV方法
AEV方法原是通信研究中用于提高信噪比的一种叠加平均法, 在医学研究中也叫平均诱发反应法,简称方法所谓诱发反应是指肌体对某个外加刺激所产生的反应,AEV方法常用来检测那些微弱的生物医学信号如希氏束电图、脑电图、耳蜗电图等希氏束电图的信号幅度仅一拼, 它们在用丫方法检测出之前, 几乎或完全淹没在很强的噪声中, 这些噪声包括自发反应, 外界干扰, 仪器噪声方法要求噪声是随机的, 并且其协方差为零, 信号是周期或可重复产生的, 这样经过平方次叠加, 信噪比可提高N倍, 使用方法的关键是寻找叠加的时间基准点。
（2）生物医学信号的混沌测量
传统的测量技术以线性方法为主, 强调的是稳定、平衡和均匀性而非线性系统是在不稳定、非平衡的状态中提取信息、处理信息, 从而显示它特有的优点混沌用于测量闭可以说是一种尝试, 也许人们很难想象一个极不稳定的混沌系统能进行精确的测量, 可是生物的感觉器官就是极不稳定的混沌系统, 其检测灵敏度却远远超出目前的科技水平, 这是一个全
混沌系统的最大特点是初值敏感性和参数敏感性, 即所谓蝴蝶效应混沌测量的基本思路就是把蝴蝶效应倒过来应用将敏感元件作为混沌电路的一部分, 其敏感参数随待测量变化而变化, 并使系统的混沌轨道变化, 测出馄沌轨道的变化就可得到待测量, 这是一种不同于传统测量的新方法。
三、生物医学信号的处理方法
简单的信号处理是建立在线性时不变系统理论基础上的，这种理论只适用于平稳信号的处理，非平稳信号是多种多样的。其中有一种是均值缓慢变化而方差不变的信号。由于生物体对处界刺激的适应能力，生物体在接受外界刺激的适应过程中产生的生物信号就具有这样的特点。均值变化的规律称为趋势函数，一旦从这类信号中除去趋势函数，信号就变成了平稳的。因而在分析这种信号时，首先应进行消除趋势函数处理；另一类非平稳的信号可近似地看成是分段平稳的。脑电信号常具有这个特点，因为脑电信号随着精神状态的改变而改变，造成逐段平稳的状态。在处理这类信号的第一步是把它正确地分段，使它的每一段都可以认为是平稳的，再用平稳信号处理方法处理它们。
由于计算机技术的普及与发展，以及数字处理方法的通用性和灵活性，数字信号处理技术己成了信号处理技术的主流。为了进行数字信号处理，必须在正式处理前先把模拟信号时间离散化、量化。在数字信号处理中已经指出，采样导致信号频谱的周期延托，周期延拓结果造成频谱混叠。对一个频带宽度有限的信号，只要采样频率大于信号最高频率的两倍，就可以避免这种频谱混叠。然而，实际信号的频谱并不像理想的那样，在高于某个最高频率的区域上幅度就截然变为零，而只是比较小而已。因此，采样定理只能近似地满足，实际频谱混叠仍然存在。为了克服这个问题，必须在采样以前，将信号通过一个高频抑制能力较理想的低温滤波器(称为抗混迭滤波器)进行限带滤波处理。
根据信号处理系统任务要求，有时在取得信号后，不需立即得到处理结果，这时就可以来用离线处理。大多数情况下，要求处理结果在采集同时或采集结束后立即得到，就要用实时的或在线的处理方法。在实时和在线的处理中，处理(运算)速度要足够快，占用内存空间也有一定限制，均比离线处理要求高，有时为了实现足够快的处理速度，不得不采用专用的硬件处理器。
参考文献：
《现代仪器分析在生物医学研究中的应用》化学工业出版社钱小红 谢剑炜 主编 《生物医学测量与仪器》西安交通大学出版社李天钢马春排主编
《生物传感器的应用现状和发展趋势》 马莉萍毛斌 等著
《生物医学信号数字处理技术及应用》 科学出版社聂能 尧德中 等著
应用振动光谱技术检测鉴定微生物的研究进展
振动光谱(红外光谱和拉曼光谱)技术与化学计量学相结合的`方法对微生物进行分类、鉴定和无损检测,该方法快速简便、准确度高、仅需微量样品和少量化学试剂、对样品本身没有损害.介绍了振动光谱技术在微生物鉴定检测中的工作原理、关键技术和应用,并对该方法存在的问题和研究前景进行了分析和展望.
作 者：作者单位：刊 名：光谱实验室 PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF SPECTROSCOPY LABORATORY年，卷(期)：200926(6)分类号：O657.33 O657.37关键词：红外光谱 拉曼光谱 微生物 Infrared Spectra Raman Spectra Microorganisms
1 生物传感器的概述和进展
生物传感器(Biosensor)是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术。因其具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、在复杂的体系中进行在线连续监测，特别是它的高度自动化、微型化与集成化的特点，使其在近几十年获得蓬勃而迅速的发展。生物传感器一般是指可将待检生物浓度、生物量转换为电信号并输出的仪器。通常是由固定化的生物敏感材料作识别元件(包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质)与适当的理化换能结构器(如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等)及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器主要用于临床诊断检查、治疗时实施监控、发酵工业、食品工业、环境和机器人等方面[3]。1967年S.J.乌普迪克等制出了第一个生物传感器用于血液中葡萄糖浓度检测，它用酶分解血糖[4]。在这个过程中电子转移到电极上，从而可以测量血糖的浓度。此后，Kramerr等人研究的光纤生物传感器可以在几分钟内检测出食物中的病原体(如大肠杆菌0157.H7)，而传统的方法则需要几天。生物传感器研究的标志性事件是：1985年“生物传感器”国际刊物在英国创刊;1987年生物传感器经典著作在牛津出版社出版;1990年首届世界生物传感器学术大会在新加坡召开，并且确定以后每隔二年召开一次。
20世纪90年代以来，纳米技术的介入为生物传感器的发展提供了新的活力，并已取得了突破性的进展。DNA传感器是目前生物传感器中报道最多的一种，用于临床疾病诊断是DNA传感器的最大优势，它可以帮助医生从DNA,RNA、蛋白质及其相互作用层次上了解疾病的发生、发展过程，有助于对疾病的及时诊断和治疗。此外，进行药物检测也是DNA传感器的一大亮点[5]。Brabec等人利用DNA传感器研究了常用铂类抗癌药物的作用机理并测定了血液中该类药物的浓度。目前人们正在将具有分化潜能的干细胞变成特定的细胞用于组织工程或医疗领域，而新的纳米生物传感器能监测转录因子的活动，因此可确保干细胞被正确地重新编程[6]。除上述的DNA核酸传感器外，目前还有免疫传感器、酶传感器、组织和全细胞传感器、用于生物传感器的天然与合成受体、新的信号转导技术、系统整合/蛋白质组学/单细胞分析、生物电化学/生物燃料/微分析系统、商业发展和市场。单分子/细胞分析生物传感器由于它们良好的发展态势及在生命科学研究中也被人们越来越重视[7,8]。
2 现代传感器技术有可能增强人们的眼、耳等感官功能
纳米科技、微电子技术、实时通讯、检测技术网络化及云端运算等技术的发展和进步，使得人们能够研制出微型、高成本效益及智能的生理传感器结点。2011年，意法半导体公司推出了自己的未来传感系统技术(Cyborg)，包括传感器和微机电系统(MEMS)以及惯性模块评估板(iNEMO)，其采用先进的滤波及预测软件采用精密的算法，能够整合多个MEMS传感器的输出数据，研制人员利用这一科技有可能弥补并加强人们的眼、耳、肺、心、脑等人体感官功能，让其更灵敏、准确，甚至可帮助大脑对外部数据的加工判断更加系统快速。此外，已经有报道一个创新的可穿戴的健康监控系统WBAN，这一类似带上“帽子”就能监控体温、血压甚至代谢等信息参数，同时帮助那些在视觉、听觉等有障碍人群获得信息，该传感系统的技术核心采用了IEEE 802.15.4标准规定的一个与医疗传感器体域网络相关的小功率低数据速率无线方案[9]。
3 新材料让未来医学领域中传感器超微型化成为可能
2010年诺贝尔物理学奖授予了石墨烯的杰出创新研究。石墨烯在物理学、化学、信息、能源以及器件制造等领域，都具有巨大的研究价值和应用前景。2004年，英国曼彻斯特大学的物理学教授安德烈·杰姆(Andre Geim)和他的学生克斯特亚·诺沃消洛夫(Kostya Novoselov)用简单易行的胶带分离法制备出了石墨。他们从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，把石墨片一分为二，不断重复这样的操作，于是薄片越来越薄，最后得到了仅由一层碳原子构成的薄片，即石墨烯。该材料不仅可用于制造超轻防弹衣、超薄超轻型飞机材料、“太空电梯”缆线、抗菌材料、超微型晶体管、传感器、代替硅用于电子产品、生产未来的超级计算机等。2012年我国科学院上海分院在石墨烯抗菌性、透明电极、生物传感器等方面探索获得的研究结果，引起国内外同行的广泛关注。同时该材料已经显示出了与纳米材料一样的优良特性，让电子传感器超微型结构成为可能，也许有一天，石墨烯可直接实现快速低成本低的基因测序[10]，几个小时就能测定完人类个体的基因序列，从而快速的明确疾病的真实原因。新材料微型化传感器让人们相信未来的疾病早期诊断和预防不再困难，而有可能早日成为现实[11]。
4 未来新材料微型生物传感器的应用遐想
让我们畅想在未来某个阳光明媚的早上，我们起床后所融入各式各样的健康诊断元素：家用的全自动尿液分析系统将检测尿液的pH值、尿比重、蛋白质、葡萄糖、酮体、胆红素、白细胞等，这些指标的改变可能提示我们是否有肾功能损害的风险;而自动化温度检测系统将被安装在日常使用的镜子后面，通过红外分析功能能够准确的测量体温是否正常;每当站在梳妆台打扮的时候，镜子的右上角就会显示体温;刷牙时，全自动漱口水过滤分析系统将会自动分析口腔环境是否健康。在我们的衣服或是睡衣扣子上，有石墨烯材料所制成的超微型软性传感器，可以进行心电图、肺功能和脉搏的实时性监测，并透过无线短距离传输到终端数据中心即我们的手机上储存与分析;脑电波分析系统将帮助进行精神状态分析和疲劳程度分析，提示是否需要休息，什么时候工作效率会高一点;面容分析系统将记录每天的容貌，并分析健康情况;营养分析系统将分析每日摄入的营养并评价是否达到营养标准以及给出所需补充的营养建议;洁净测试体系将进入生活的方方面面，例如在干手机安装自动检测系统帮助检测双手是否清洗干净;在冰箱里安装细菌检测系统，检测冰箱带菌的种类和数量，提示及时对冰箱进行清洁。可以设想，新材料微型生物传感器将会渗透到生活的方方面面[12]。
5 未来智能医院的电子传感器系统遐想
在未来，家庭的微型化健康监测系统提供给公众的是第一道防线，而医院仍然可以提供公众一个全方位检测与治疗的解决方案[13]。由于诊断技术的进步，现今大医院的拥挤状况在未来是不会再现的。那么，让我们继续设想在未来某个阳光明媚的早上，我们起床后，去医院里就医的情景吧：我们每个人会拥有一张属于自己的健康卡，里面记录着自己的健康状况，包括个人基本信息、既往病例信息等，同时，这张卡可以在医院、医疗网络等多处使用，以便在需要治疗或健康帮助的时候提供必要的健康信息。试想一下：当我们踏入医院大门的时候，随身带的健康卡就可以被大门上面的感应装置识别，并读取其中的信息;同时，还有其他一些健康检测装置正在对我们进行基本的健康检查，如门顶上的超音波装置可以通过距离的反射算出身高，地上的感应垫可以检测并记录体重;并且，这些信息都将可以通过信息传输更新、储存到联网云端数据中心的健康卡里。
在医院的长廊上，红外线摄像仪可以记录我们的体温和心跳;而铺在地面的红毯下所布满的压力传感器，可以在路过的同时记录左右脚底施力的均匀度;通过将数据送至终端机上，可以进一步通过软件评估脊椎与骨盆腔是否存在问题。等到我们缓步走到了长廊的末端，已经在不知不觉中更新了最新的一些基本信息;而这样的自动化处理过程仍然继续着，我们会发现有几台自动柜台机就矗立在面前，而需要就诊的人只要坐在自动柜台机前，此时，设备上的摄像头就会对脸部进行拍照，并针对瞳孔进行辨识，这样就可以通过身份确认调出个人的既往病例数据及云端数据，并自动分发就诊排号;在待诊的过程中，设备会把它下载到目标医生的可视终端;如果有必要的话，自动柜台机的显示屏还会提示大家把手深入指定的插孔中，两个夹板会升起将手固定住，一个细针会快速插入皮肤，吸取10μL的血液，快速、无痛地完成采血的步骤;与此同时，血样被平均分成多份，透过细小的微管道传输系统送到柜台机后方的不同部分进行各项生化项目检测，包括对体内的各种成分，代谢物，自由基等进行的监测，以便了解患者的进一步健康状况，并调取云端信息进行比对与处理。
关于肠胃的检测，可以通过胶囊机器人进行内镜检测、药物释放、图像采集、组织活检和肠道治疗等。胶囊机器人大小如同胶囊，带有微型探头，吞服至体内后可以展开四肢，像一个微型的变形金刚，可以在肠胃内缓慢自主移动至各个部位进行检测，完成检测任务后可直接通过消化道排出体外，无需回收利用。针对内部器官的检测，则是利用全自动4D超声检测系统，采用三维超声图像加上时间维度参数，实时获取三维图像，超越了传统超声的限制;装置可以安装至走廊或门上，当按下启动键后，从走廊通过时就可以进行全自动的4D超声扫描，并做数据分析，以达到检测肝脏、胆囊、胰腺、肾上腺等器官的形态，观察是否发生病变的目的。当一切必要的检查就这么轻松完成后，此时即可以走到诊疗室与医生会面了，也许整段时间还不到10 min。到了诊疗室，所有检验报告和病历也已通过网络传至诊疗室的墙壁大幕显示屏上，在医生问诊的过程，医生可从大幕显示屏上看到刚才所有的检验报告，这些信息可以迅速、准确地帮助医生作出初步诊断。然而，当碰到病因不明之处时，诊室内也配有现场检测的专用仪器。比如：要检验是哪种类型病毒感染所造成的病症时，医生只要拿出专属探棒，在病患粘膜部位上轻触几秒，仪器即可显示病毒的种类和浓度的高低。
在未来，如果在开药的过程中发现疑虑，医生也可以用小型传感检测设备，用采集棒在口腔壁轻抹，放入培养盒中，待几分钟后，盒子上就会利用石墨烯材料制成的新型传感器自动显示基因型，帮助医生判定用药种类，整个医疗过程大概10 min。医生也就会有更多的时间来关心病患的精神状况，更好地实施人文关怀。
6 未来家庭/社区生物传感系统的应用畅想
即使是方便，许多人仍然保留羞于见医生的心理。因此，发展家庭检测检测的电子传感系统也能给那些不愿花10 min去医院或者懒的出门的人。血常规检测是及早发现和诊断某些疾病的重要手段，小型自动化血常规仪器将实现家庭检测的愿望，通过微量自动血液采集和分析系统可以对各种血液细胞计数、比例及体积进行分析。一些常见的疾病诊断与预防将来也可以在家庭中实现，例如HIV、HCV、HBV、流感及肠道病毒等。
社区自动化生化检测站可以为我们检测生化指标，我们只需把手伸进自动化血液采集系统，系统将自动完成血液采集和血液运输，自动分析与检测。社区自动化生化检测站是一个健康小屋的概念，其实就是自助式健康体检信息系统(Self-service Physical Examination Management Information System)，简称为自助体检管理系统(SPEIS)，是指通过计算机软硬件(IOT)、通讯网络技术(及传感、RFID技术等)把一批健康检查仪器整合在“小屋”内，予以受检者可以自主选择体检项目，实现一系列个体生理参数的检测、计算，系统自动对受检群体健康状况进行在线式监测、分类管理的一种实时体格检查模式。
“健康小屋”可实现心血管疾病、动脉硬化、高血压、糖尿病、骨质疏松、肺功能疾病及精神压力慢性疾病等的筛查，是确定高危人群、对指标异常的居民及时进行健康干预的依据。健康小屋是通过在乡镇/社区卫生服务站/中心建立系统、全面的健康自测体检体系，为居民/患者及社区医生提供系统、专业的培训，以此来提高辖区卫生服务质量，完善社区/乡镇疾病管理体系，为社区预防疾病防治事业提供有力的支持和保障，做到“早预防、早诊断、早治疗”，将疾病消灭在萌芽状态，并将对百姓的健康管理带向多样化、全面化、系统化、个性化及信息化方向发展。通过健康小屋来实施自助式健康体检，将神秘的高端诊断仪器操作变成了由受检者选择性参与的过程，为进一步的医学体检提供前期预检，也可为临床诊断提供相关参考依据，为慢性病的研究、干预和结果自评价提供更新的工作平台，改变居民的超前就医观念或理念，彰显了健康服务以人为本的医疗卫生服务理念。而且，高效的(自助式)体检速度和自助模式极大地降低了仪器的使用成本和诊断成本。
在未来，老年人慢性疾病的监护将不再放置在医院之中，全自动化的护理床和护理机器人将完成日常的护理工作。“自动化护理床“将帮助老人进行日常的起卧、翻身，进行呼吸、脉搏、心跳等生命特征的监测，遇到危险时也可以进行强信号报警，并可以将报警信号传输至家人以及社区卫生院或抢救小组。护理机器人将完成按时给药、注射及取药等任务，社区中心将根据云端数据配药发放。如果有了这些生物传感器的日常监测，就不会错过这样的好时机，疾病治愈的概率将大大提升，在健康诊断的帮助下人的寿命也会不断延长。
7 生物传感器与慢性病早期预防及检测
高血压、高血脂、冠心病及脑中风等都是中老年人易患的疾病，特别是现代社会饮食的不合理更易引发这类疾病，该病对身体的损害是隐匿的、逐渐发展的、进行性的及全身性的，它的直接损害是加速全身动脉粥样硬化，因为全身的重要器官都要依靠动脉供血、供氧，一旦动脉被粥样斑块堵塞，就会导致严重的后果。由于炎症标志物C反应蛋白、唾液酸、纤维蛋白原等，以及炎性因子前体，如白介素6、肿瘤坏死因子α等作为冠心病、II型糖尿病、胰岛素抵抗(IR)标志物的准确应用，因此以光密度为基础的检测能准确的定性上述疾病的发生和进展。除了上述的社区生化检测体系可以对血脂进行检测外，随着光影学的不断发展，通过微血管的检测与观察，可以直接判断血液的物理性质与血管壁的畅通情况，从而做到无创伤检测，安全方便。
对于糖尿病的疗效监测：糖尿病是由遗传因素、免疫功能紊乱、微生物感染及其毒素、自由基毒素、精神因素等等各种致病因子作用于机体导致胰岛功能减退、胰岛素抵抗等而引发的糖、蛋白质、脂肪、水及电解质等一系列代谢紊乱综合征，临床上以高血糖为主要特点[14]。I型糖尿病患者：由于自身胰岛β细胞功能受损，胰岛素分泌绝对不足，在发病时就需要胰岛素治疗，约占糖尿病总人数的5%。II型糖尿病患者的治疗：该类患者是以胰岛素抵抗为主，伴胰岛素分泌不足。对II型糖尿病的检测对其治疗尤其重要，因为检测HbA1c若大于7.0%时，就可以考虑启动胰岛素治疗。可以直接体外如尿液收集后检测HbA1c的含量，即可反应血糖的高低，间接判断血糖浓度与与药物、进食或运动的关系、症状的体验等。而新型的微电子尿液HbA1c传感器帮瞬间完成这一切。此外，由于基因组单体型图计划(HapMap)和癌症基因组剖析计划(CGAP)的顺利实施和完成[15]，个体化基因信息可以随时和云端数据进行比对(Blast)分析，发现的疾病相关多态性(SNP)可以准确的提示是否有发病风险，结合生物芯片和传感器检测结果，迅速准确的给出诊断结论和个性化的治疗措施，而这一切都在生物传感器的辅助下很快的过程中就完成。
8 结语
生物传感器是一个非常活跃工程技术领域，它与纳米科技、微电子技术、生物芯片、生物控制论、生物信息学、仿生学、生物计算机等学科一起，处在生命科学和信息科学的交叉区域。生物传感器它利用各种类型的换能器，将待测的生物信号转换为声、光、电等可检测的物理信号，从而实现对样本中靶生物分子的快速检测，由于集高效、灵敏、特异、结构小巧、经济实用等优点于一身，目前已成为生物医学生命科学快速检测领域的研究热点之一。通过畅想，可以想象在可预测的未来，生物传感器将在疾病诊断、食品安全和卫生保健和环境污染物诸多方面发挥重要作用。生物传感器的发展趋势便携和微型化提供了可能性，因此在未来的一段时间内如何提高现有传感器信号的选择性、提高其信号重复性、灵敏度和快速响应能力，都是生物传感器领域里必须解决的技术难题。生物传感器的发展需要不同学科背景的研究者通过相互交流来达到不断创新，最终发展出技术上能规模化生产、成本优势大、集检测和分析等多种功能于一体的实用高效生物传感器。
随着人类基因组计划的完成和蛋白组研究的深入开展，使基因和蛋白检测在临床疾病的诊断中得以发挥重要作用，通过基因突变筛查，可以评估患病风险，进行针对性的预防和早期诊断，以达到避免或延缓疾病发生，提高生活质量的目的。总之，预防医学、预测医学是当代干预医学模式的重要组成部分，实现个性化治疗的是未来个体化医学的最佳的医疗模式。实现该模式的发展，不仅需要医学和生物学的发展，更依赖于检测手段的完善。新型生物传感器的应用和发展将会加快预防医学、预测医学的发展，新型材料的高灵敏和准确的传感器将会对现代化医疗模式的发展对该过程起着举足轻重的作用，也使生物传感器有更广阔的应用前景。
致谢:感谢第四军医大学生物医学工程系杨斌讲师，基础部细胞生物教研室杨向民副教授，生物信息学室尚玉奎博士的建议和帮助，在此一并致谢!
摘要：生物医学电子学领域的快速发展,尤其新型传感器的微电路创新及应用正在催生越来越优良的电子传感器问世,特别结合纳米科技、微电子技术、实时通信、检测技术网络化及云端运算等技术的生物传感器的应用,将会给人体疾病的早期诊断和预防带来崭新途径和策略。通过对医疗传感器的微型化和新型轻质高强底免疫原性材料适应性改进,增加传感器的感应电源与数据传输,以及低功耗传感器射频器件,最终可解决医疗实践中电子传感器植入皮下或人体的需求,达到检测人群身体生理指标,起到预防保健作用,从而保障人民生活健康,提高人们的生活质量。对生物传感器在现代医疗模式中的应用进行了归类和畅想,试图为生物传感器技术研究者的提供创新灵感,增进生物医学电子领域的发展。
【关键词】无线传感网络；智能电网；通信
引言
无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）将传统的传感器信息获取技术从独立的单一化模式向集成化、微型化、网络化、智能化的方向发展，成为近年来IT 领域重要的研究热点。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地感知和采集网络分布区域内监测对象的信息，并传送给观测者。作为沟通客观物理世界和主观感知世界的载体与桥梁，无线传感器网络提供了一种与以往不同的信息获取和处理技术，是信息感知和采集的一场革命。无线传感器网络凭借其自身的技术特点， 可以被广泛地应用于国防军事、环境监测、城市管理、医疗卫生、工业控制、反恐抗灾等诸多领域。在电力系统自动化领域，已有研究把无线传感器网络应用于远程抄表、负荷预测、变电站自动化、配电网继电保护、配电线路故障定位、输电线路实时监测与预警等方面。这些应用有效地监测了电力系统运行状态，提高了电力系统的运行效率，使得无线传感器网络成为电能生产、传输、分配、消费环节的有益补充。
当前，关于智能电网的文献层出不穷，多集中在智能电网概念、发展历程、体系结构等方面，关于具体实现技术的研究报道很少。要实现智能电网的开放、互动的目标，必须具备一个可靠、高效的通信网络。智能电网的功能覆盖电能传输的各个环节，数据在发电、输电、配电和用户等不同主体及各类应用系统之间的传递必须依靠通信载体。常见的通信载体包括铜芯线、光纤、电力线通信、无线通信等，它们在不同的应用环境下具有各自的优势。
本文将针对智能电网不同应用领域的具体情况，探讨WSN在智能电网中的具体应用，旨在为建设智能电网的通信网络提供一种新的思路。
一、WSN的网络简述
WSN通常是指由一组带有嵌入式处理器、传感器以及无线收发装置的节点以自组织的方式构成的无线网络，通过节点间的协同工作来采集和处理网络覆盖区域中的目标信息。
在这种架构中，传感器节点部署在一个目标区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点测得的信息通过多跳的方式传送到汇聚节点，通过汇聚点连入Internet 或卫星，最后接入任务管理节点。传感器节点是一个具有测量能力、处理能力、存储能力、通信能力的嵌入式系统，兼顾传统网络节点终端和路由的双重功能，不仅进行信息的收集与处理，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合。汇聚节点是拥有较强通信能力、计算能力和丰富资源的系统，它连接传感器网络与Internet 等外部网络，实现两种通信协议之间的转换，负责将管理节点的监控任务下发，并将收集到的数据转发至外部网络，它可以是一个增强功能的传感器节点，也可以是一个没有监测功能的专用网关设备。任务管理节点具有人机界面，可以进行干预、遥控和管理。
二、WSN在输电线路监测中的应用
输电线路监测系统主要采集输电线路的运行环境数据和线路铁塔的运行环境数据等，包括线路温度、湿度、污秽、覆冰、风偏、山火、雷击，铁塔环境温度、应力状况等，并在多信息集成和融合条件下实现线路故障监测及管理，为数字化线路奠定基础。国家电力建设研究所目前已将Crossbow公司开发的无线传感器网络节点部署在高压输电线上，传感器网络网关固定在高压输电塔上，用于监测大跨据输电线路的应力、温度和震动等参数。此外，带有视频采集功能的无线传感器网络节点可以采集现场图像，用于进行灾害预警，实现全网可视化。
三、WSN在设备状态检修中的应用
造成电力行业资产运行维护和管理水平偏低的主要原因之一是设备检修模式滞后。目前，设备检修普遍采用的是一种定期检修策略，多年的生产实践证明，这一策略存在着严重缺陷，如检修不足和检修过剩。因此，设备检修要积极向状态检修过渡，提高资产运行维护和管理水平。IBM 全球企业咨询服务部制定的智能电网白皮书认为，电力行业提高资产运维和管理水平的关键技术是设计一个远程资产监视和控制(remote asset monitoring andcontrol)系统。远程资产监视和控制系统通过传感装置检测到电力设备状态数据，根据检测数据对设备状态进行评估，判断可能出现的故障(比如，通过对变压器油温、油色谱的监测，判断是否出现绝缘裂化)，并提示运行维护人员设备可能存在的不安全因素，依据设备状态，帮助运行维护人员优化设备检修和设备更换时机，减少维修成本和停电时间。
四、WSN 在电力系统故障定位中的应用
自愈是智能电网的主要特征之一，当故障发生时，在没有或少量人工干预下，能够快速隔离故障、自我恢复，避免大面积停电的发生。及时发现故障点并清除故障是构建自愈型智能电网的重要前提。芬兰Helsinki大学电力系统与高压工程实验室的Mikael M. Nordman 博士提出利用在开关站或二级变电站的分支线路上布置能够检测相电流的传感器节点，将传感器节点采集到的相电流信息通过多跳路由的方式发送给网络控制中心，网络控制中心通过比较各节点之间的相电流信息确定故障的位置。该方法能在单相接地后故障信号较弱的情况下有效地定位故障。该定位方法的精度取决于节点的布置密度，节点布置得越多，节点间距离越短，精度越高。
结论
本文对无线传感器网络在智能电网中的应用进行了研究，并分析了需要解决的主要技术问题。从无线传感器网络在电力系统中的研究现状看，已经取得了一定的研究成果，但还没有在大规模实际应用中检验。本文就WSN在智能电网中的一些实际应用业务进行了初步探讨。相信随着智能电网建设的推进，WSN 将具有更加广阔的应用舞台。针对实际应用情况，WSN中诸如拓扑控制、能量管理、路由算法、网络安全等关键技术问题，将随着智能电网建设的深入而逐步得到解决。
参考文献：
[1]孙利民,李建中,陈渝,等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005:1-5．
[2]王殊,阎毓杰,胡富平,等.无线传感器网络的理论及应用[M].北京:北京航空航大大学出版社,2007.
[3]苗世洪,谌小莉,刘沛,等.基于无线传感器网络的配电线路故障定位方案[J].电力系统自动化,2008,32(20):61-66.
一、课程考试内容
1、传感器技术的现状及发展
介绍传感器定义、传感器基本构成型式、传感器特点及发展趋势等
2、传感器的一般特性
介绍传感器的静态及动态特性基本理论
3．电学量传感器
主要介绍几种常见的电学量传感器基本原理及应用情况，包括电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、霍耳传感器等。
4、物理量传感器
主要介绍几种常见的物理量传感器基本原理及应用情况，包括应变式传感器、光传感器、红外传感器、温度传感器等。
5、化学量传感器
介绍湿度传感器及气体传感器基本理论
二、考试题型
1.基础知识填空与简答题
2.传感器特性及其应用分析题
3.传感器使用设计题
撰写人：简家文
审核人：
应用PCR-DGGE技术研究处理含氨废气的生物滤塔中微生物多样性
变性梯度凝胶电泳技术(DGGE)在微生物生态学领域有着广泛的应用.本文应用DGGE技术对处理含氨废气的生物滤塔中微生物多样性随时间的变化进行了研究.在生物滤塔运行的不同时间采集滤塔中的填料样品,进行了生物滤塔对氨处理效果的分析和DGGE分析.结果显示,污泥和混合填料生物滤塔氨的出气浓度在经过一段时间后,逐渐升高,而堆肥生物滤塔的`运行情况较好,对氨的去除效率始终在98%以上.PCR-DGGE图谱显示,不同时间的相同填料中微生物DGGE图谱有着明显的差异性.Shannon指数分析表明,填料中微生物的多样性都随着反应器运行时间的延长而有所减少.运行一个月后,混合填料的微生物多样性指数最低为0.389;其次为污泥填料,其多样性指数为0.473;堆肥填料的微生物多样性程度最高为0.569.生物滤塔对氨的去除效果与填料中微生物多样性Shannon指数之间有一定的相关关系.主成分分析(PCA)显示对于堆肥和污泥来说,填料样品之间微生物群落结构相似性较高,而混合填料样品间的微生物群落结构相似性较低.
作 者：殷峻 陈英旭 刘和 王远鹏 作者单位：浙江大学环境与资源学院环境工程系,杭州,310029 刊 名：环境科学 ISTIC PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF ENVIRONMENTAL SCIENCE 年，卷(期)： 25(6) 分类号：X511 关键词：生物滤塔 氨 微生物多样性 变性梯度凝胶电脉技术[关键词]汽车；传感器；柔性自动化
目前，汽车上所使用的控制系统从功能上可分为传感器单元、控制单元和执行单元3部分。其中，传感器单元是汽车智能化的标志，具有独特而重要的地位，其质量的优劣直接影响到能否实现对汽车其他部位的有效监测和控制，从而影响汽车的整体性能。因此，传感器生产厂商或整车生产厂商在传感器出厂或安装到整车前，需要一种手段来对传感器进行评价和验证。
1、汽车传感器测试的特点
汽车上常用的传感器类型包括轮速传感器、曲轴/凸轮轴位置传感器、温度传感器、压力传感器、爆震传感器等。针对层出不穷的车型，每个功能相同的传感器在外形上又有着各种各样的差异，再加上测量指标、生产环境等要求越来越苛刻，使得传统单一的测试工作台无法兼顾如此多样的传感器生产。在实际生产中，不同传感器的测试内容又有着一定的近似性。因为从测试原理上讲，汽车传感器主要分为主动式/被动式、温度、压力等类型。汽车传感器生产线都要求采用经济、高效、自动、灵活的测试设备，而且要具备高自动化、高效率、高产能、高可靠性的特点。传感器生产厂家希望一次性投入以后，测试设备本身还能不断地进行扩充，有效地支持最新产品和更高的性能指标要求，从而保证设备资本投入的有效性。为了保证生产质量，设备需要具备一定的生产过程统计能力，并有助于减少由于人为因素造成的生产质量降低的问题。集成化、智能化是汽车传感器的发展趋势。
2、柔性测试技术分析
随着科学技术的进步，不单是汽车传感器，其他各种电子装置也日益智能化、复杂化，以满足消费者舒适性、易用性的要求。在此情况下，泛华测控在总结过去经验的基础上，针对电子产品的生产测试，提出一系列解决方案，称为柔性测试技术。柔性测试技术是以相关技术为依托，满足测试测量需求的技术。现代测试技术以虚拟仪器技术、测试测量技术、机电一体化技术、软件技术以及通信与网络技术为核心，具有如下特性：适应性：满足多种测试环境要求，提供多种测试性能，融合多种信号测试能力；灵活性：根据客户需求变换测试系统的功能及性能，应用多种技术满足测试要求；可扩展性：跟随相关技术的发展，保证应用系统的先进性，实现测试能力的不断进步。汽车传感器测试系统正是基于柔性测试技术构建的，在多年的实际产品开发过程中，柔性测试技术的优势得到了集中的体现。
3、柔性技术助力传感器测试系统设计
3.1轮速与位置传感器测试系统
汽车轮速与位置传感器的动/静态参数测量是该测试系统的核心内容，系统需要有较高的测试精度和重复精度，对某些测试参数需要根据实际情况自定义测试算法。虚拟仪器是以计算机技术为核心的测试测量系统，能够满足上述系统的软/硬件要求，所以选用虚拟仪器作为开发的技术手段。此外，系统需要提供I/O接口对外部动作进行控制，需要运动控制卡对转速进行精确控制，是一套机电软结合的柔性系统。在系统原理中，传感器测试系统的核心是PXI系统，主要由控制器、万用表模块、示波器模块、数字I/O模块、运动控制模块、矩阵开关模块等组成。同一台设备不可能满足全部传感器的测试要求，由此引入模块化的设计思想，即将系统中相同的部分，如测试仪器、测试软件、气动控制系统、主电路系统作为公用资源（主机）；对于系统中要求随着传感器变化的部分，如目标轮及马达、夹具及专用电路，均作为模块的形式。
3.2爆震传感器测试系统
爆震传感器测试系统，主要由操作台和控制柜组成。在测试系统原理中，振动测试采用相对法，实现对汽车爆震传感器3000～40000Hz频带范围内任意频率点的灵敏度测试，并可以对电容、绝缘电阻等进行检测。测试系统采用PXI构架，通过PXI模块化仪器或GPIB仪器实现控制及信号采集。爆震传感器同轮速与位置传感器一样，没有统一的标准要求，但是测试原理相同，只是传感器的外观形状和测试参数会随着传感器不同而变化。爆震传感器的测试安装一般通过M8螺栓安装到振台上，所以可以不考虑传感器头部的差异性，针对接口的不同采用不同的适配器接口，实现快速换型。接口适配器上装有辨识电路，当通过测试程序配置测试参数时，程序会自动调用与接口适配器对应的测试参数，防止误操作。
3.3T-MAP传感器测试系统
T-MAP传感器即进气歧管压力-温度传感器，可以辅助调整喷油量进而控制空燃比，是汽车上比较重要的传感器。终检设备需要对该传感器进行电容检测、NTC（热敏电阻）检测、Ramp（坡道）测试、Leakage（泄漏）测试等。T-MAP测试需要在气压变化过程中进行，测试时间较长，很难满足大批量生产的要求。所以系统设计了3工位并行测试方式，分时占用测试硬件和气压系统资源，提高工作效率，降低硬件成本。测试过程中的动作都由气缸驱动，自动完成，操作人员只需要将被测件放入夹具中即可，测试完成，工件由传送带传递到下一个工位。考虑到系统的扩展性，把会随着被测对象变化的部分采用模块化和接口标准化的设计，在产品无法兼容的情况下，增加相应的测试模块即可。此外，该系统作为终检设备，需要和其他生产设备分享数据。一方面，在测试前需要从前面测试设备中得到该系统测试所需要的必要参数；另一方面，需要把测试数据放置到服务器上，供其他系统使用。结构和電气上加入了自动传送带和I/O信号，实现与前面工位及后续的打码设备间工件的自动传递。所以，此设备已经和生产线上的其他设备有机地融合在一起，形成了一套生产、测试线。
4、结束语
在柔性自动控制的精益生产中，为了实现柔性自动控制，最前端的检测元件直接关系着自动控制的灵敏度和精度，着重从电阻应变片压力传感器的原理分析、制作、安装、应用进行阐述和说明，应用实例结果表明，该方法成本低、调试简便。
参考文献
[1]汤伟.基于西门子PLC的纸机QCS控制系统的设计[J].电气自动化，2013
[2]梅强.压力传感器试验台零点漂移分析及测量[J].企业文化，2014
【微生物传感器的应用研究】推荐阅读：
微生物技术在城市生活垃圾处理中的应用12-25
食品中微生物的控制01-19
提高微生物标本的质量措施01-21
微生物的生长与环境条件答案01-11
微生物实验01-14
微生物检验总结07-01
微生物复习重点09-25
微生物病例分析12-18
口腔微生物总结01-02
微课在初中生物教学中的应用研究01-18
