CN100344962C

CN100344962C - 一种传感器

Info

Publication number: CN100344962C
Application number: CNB2003101224393A
Authority: CN
Inventors: 刘静; 吕永钢
Original assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Current assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority date: 2003-12-23
Filing date: 2003-12-23
Publication date: 2007-10-24
Anticipated expiration: 2023-12-23
Also published as: CN1632549A

Abstract

本发明公开了一种传感器，包括一细胞膜，该细胞膜的内表面限定了一第一腔体；多个设于第一腔体内用于支撑所述细胞膜的支架；包围所述细胞膜设置的外壳，该外壳与细胞膜之间限定一第二腔体；用于检测物理量的探测元件，布置在所述第一腔体和/或第二腔体内；一空心管路，该空心管路将第一腔体与外壳的外部相连通。本发明的传感器只使用一个细胞膜，其结构适于设置多个或多种探测元件，利用细胞膜对多种外界信号的敏感性实现多种物理量的测量，从而实现传感器的多种功能。本发明的传感器能达到高效、快速的测量，而且可靠性高、寿命长、结构简单、成本低。

Description

一种传感器

技术领域

本发明涉及传感器，更具体地说，本发明涉及利用生物功能的仿生传感器中的传感器。

背景技术

在当今社会，几乎没有任何一种科学技术的发展和应用能够离得开传感器和信号探测技术的支持。作用原理不同，功能各异的探测器作为信息感知、捕获和探测的窗口，在信号探测与信息处理***中起着极为重要的作用。在应对越来越多且复杂的现实需求时，传感器在形式和内涵上也正发生着新的变化。迄今，像光纤传感器、电荷耦合传感器(charge couple devices CCD)、红外传感器、遥控传感器、微波传感器、超导体传感器、液晶传感器以及仿生传感器等许多新型传感器已应运而生，而它们的出现反过来又极大地推动着信息技术的更快速发展。特别是，对生物功能的模拟近年来已引起人们的广泛重视。其中仿生传感器就是其中的体现之一。

目前的仿生传感器，主要采用固定化的细胞、酶或者其他生物活性物质与换能器相配合而组成传感器。该类传感器是近年来生物医学和电子学、工程学相互渗透而发展起来的一种新型的信息技术。其特点是性能好、寿命长。在仿生传感器中，比较常用的是生体模拟的传感器。按照使用的介质可以分为：酶传感器、微生物传感器、细胞传感器、组织传感器等。通常情况下一个仿生传感器只能用来探测一种物理量，但在许多应用领域中，为了能够完美而准确地反映客观事物和环境，往往需要同时测量大量的物理量，多功能传感器无疑是当前传感器技术发展中一个全新的研究方向。

然而迄今为止多功能细胞传感器还没有得到广泛的重视和应用，事实上生物细胞的细胞膜具有复杂的细微结构和各种独特的功能。除作为生物细胞的机械性和化学性屏障外，还具有一系列重要的功能诸如生物细胞内外的物质交换、细胞运动、细胞识别以及细胞的生长调控、免疫决定和各种表面受体形成等。细胞膜一个很重要的特征就是充当接受外界信号的传感器，使细胞能对环境变化产生适当的反应(宋今丹主编，医学细胞生物学，北京：人民卫生出版社，1997)。外界的信号可以是热、力、电、磁、光、声、射线等，细胞膜对这些信号都异常敏感。

因此，需要有一种传感器，能够利用细胞膜对多种外界信号的敏感性，实现对多种物理量的检测。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的传感器只能进行单一物理量测量的缺点和不足，提供一种传感器，该传感器可方便地设置多个或多种电极，以便利用细胞膜对多种外界信号的敏感性实现多种物理量的检测。

为了实现上述发明目的，本发明的传感器包括：一细胞膜，该细胞膜的内表面限定了一第一腔体；多个设于第一腔体内用于支撑所述细胞膜的支架；包围所述细胞膜设置的外壳，该外壳与细胞膜之间限定一第二腔体；用于检测物理量的多个探测元件，布置在所述第一腔体内，或布置在所述第一腔体和第二腔体内；一空心管路，该空心管路将第一腔体与外壳的外部相连通。

所述探测元件包括：布置在第一腔体内的一个或多个膜内测量电极，所述膜内测量电极的电极引线通过所述空心管路引出至外壳的外部；布置在第二腔体内和膜内测量电极配合使用的一个或多个膜外测量电极，所述膜外测量电极的电极引线通过所述空心管路引出至外壳的外部。每个膜内测量电极分别包埋在一个支架内，其一端暴露于支架的端部并紧贴所述细胞膜。

所述探测元件包括用于检测溶液中氧浓度的铂阴极和银阳极，所述铂阴极和银阳极的电极引线通过所述空心管路引出至外壳的外部。所述铂阴极包埋在支架内，其一端暴露于支架的端部并紧贴所述细胞膜，所述银阳极缠绕在该支架外表面。

所述探测元件包括布置在第一腔体内的光纤束，该光纤束的受光面正对所述细胞膜；所述光纤束包括混合在一起的发射光纤束和接受光纤束；所述光纤束的一端通过所述空心管路引出至外壳的外部。所述光纤束包埋在一个支架内，该光纤束的受光面暴露于该支架的端部。

本发明的传感器还包括一个用于向所述第一腔体内注入和排出溶液的进/排液管，该进/排液管位于所述空心管路内部；还包括一个用于向所述第二腔体内注入和排出溶液的进出口，第二腔体通过该进出口与所述外壳的外部相连通。

所述细胞膜为人工细胞膜或天然细胞膜。所述细胞膜带有多个褶皱结构的延伸表面。

本发明的传感器只使用一个细胞膜，其结构适于设置多个或多种探测元件，利用细胞膜对多种外界信号的敏感性实现多种物理量的测量，从而实现传感器的多种功能。例如在本发明的一个实施例中，它可同时实现对温度、压力、电场强度、氧及各种离子浓度的测量。本发明的传感器能达到高效、快速的测量，而且可靠性高、寿命长、结构简单、成本低。

附图说明

图1是本发明提供的传感器带部分剖面的结构示意图；

图2是图1所示传感器的A-A剖面图；

图3是图1所示传感器的B-B剖面图；

图4是本发明的传感器的另一个实施例的带部分剖面的结构示意图。

图面说明：

空心管路1 细胞膜2 测电场电极3 测温电极4

银阳极5 铂阴极6 光纤束7 膜外测量电极8

支架10 备用电极11 测离子浓度电极12 电极引线14

接收光纤束15 发射光纤束16 延伸表面17 第一腔体18

进/排液管19 外壳20 第二腔体21 进出口22

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

图1是本发明提供的传感器的结构示意图。用作传感器敏感元件的细胞膜2呈球壳状，该细胞膜2包围了一个第一腔体18，细胞膜2可以选用由乙基乙烯和环氧乙烷制得的人工细胞膜，也可以选择其他类型的人工薄膜如聚四氟乙烯透气膜，还可以是真实的细胞膜，例如鸡蛋膜等。外壳20为比细胞膜直径稍大的球状壳体，是由塑料或橡胶等弹性材料制成的空腔壳体或多孔壳体。细胞膜2和外壳20之间限定了一个第二腔体21。图1所示的传感器的直径可以从几个微米到几个厘米，其中的细胞膜2的厚度可在1μm～1cm之间。细胞膜2和外壳20之间的位置关系在本具体实施方式中是通过细胞膜2和外壳20分别连接到空心管路1来确定的，这将在后文中详细说明，但是应该理解，细胞膜2和外壳20之间的位置可以通过其它任何适合的方式来确定。

虽然在图1中细胞膜2和外壳20都采用的球状空腔体，但是其他例如空腔长方体、空腔圆柱体或者其他规则和不规则形状的空腔体也是适用于本发明的。

在图1中，多个对称分布的支架10设于细胞膜2内部，用于支撑细胞膜2并将细胞膜2的形状固定为球形。但是在实际应用中，多个支架10的个数和分布均可根据需要灵活设置，也可根据需要将细胞膜2固定为圆柱、长方体或其他所需要的形状。支架10由绝缘材料例如塑料、橡胶和合成材料等制作。

本发明的传感器利用细胞膜2对外界信号的敏感性来实现对物理量的探测，用于探测物理量的探测元件根据需要布置在第一腔体18或第二腔体21内，或者同时在第一腔体18和第二腔体21布置所需要的探测元件。

在图1和图2中，本发明的传感器包括多种探测元件，这些探测元件包括布置在细胞膜2内的第一腔体18内的膜内测量电极：用于检测温度测温电极4、用于检测电场强度的测电场电极3、用于检测溶液中离子浓度的测离子浓度电极12。为了和前述的膜内测量电极3、4和12配合使用，在细胞膜2外还相应设有膜外测量电极8。膜外测量电极8可只有一个，也可设多个以便同时和多个膜内测量电极配合使用。如图1和图2所示，膜内测量电极3、4和12可以分别包埋在不同的支架10内，电极的一端从支架10的端部露出并紧贴着细胞膜2。

应当理解，这里虽然将膜内测量电极按照其用途分为测温电极4、测电场电极3和离子浓度电极12，但是这些电极的结构都是相同的，它们的用途是可以互换的，甚至这些电极也可用于同一种用途。也就是说，一个膜内测量电极可用来测量一个物理量，也可以利用一个电极同时测量几个物理量，例如测温电极4和测离子浓度电极12可以共用一个电极，还利用几个膜内测量电极同时测量同一个物理量，以提高可靠性，也可以取多点的平均值作为最后测量值。膜内测量电极3、4、12和膜外测量电极8可采用银电极、铂电极或者铜电极。

如图1和图2所示，膜内测量电极3、4、12优选分别被包埋在支架10内，这些电极在支架10与细胞膜2连接的地方露出来以便和细胞膜2接触。

在图1和图2中，为了实现对溶液中氧浓度的测量，本发明的传感器还特别提供了银阳极5和铂阴极6作为探测元件。铂阴极6采用与膜内测量电极3、4、12一样的方式包埋在支架内，而银阳极5则缠绕在铂阴极6所在支架的外表面。此时，外壳20应为多孔壳体，以利于氧气渗透而被检测到。

在图1和图2中，为了实现压力的测量，本发明的传感器进一步提供光纤束7作为探测元件。光纤束7也包埋在一个支架10内，光纤束7的受光面正对并紧贴细胞膜2。光纤束7由接收光纤束15和发射光纤束16组成，这一点在图3中看得更清楚。

如图1和图2所示，为了将传感器内的各种探测元件与传感器外部的信号接收和测量设备(图中未示出)相连接，在本发明的传感器提供了一个空心管路1，该管路1穿过外壳20和细胞膜2延伸到第一腔体18内。如图3所示，测温电极4、测电场电极3、测离子浓度电极12、银阳极5、铂阴极6和膜外测量电极8的电极引线14通过空心管路1延伸至传感器外部，以便和传感器外部的电学设备(未示出)连接。接收光纤束15和发射光纤束16也通过空心管路1延伸至传感器外部，分别与光探测器(未示出)和输入光源(未示出)连接。另外，细胞膜2和外壳20的相对位置也可通过空心管路1固定，可以调节空心管路1使细胞膜2和外壳20为同心球体，空心管路1与细胞膜2和外壳20分别在它们连接的地方粘接固定。

本发明的传感器在进行一些物理量的测量时，需要在第一腔体18和第二腔体21内注入不同的溶液，以构成细胞膜2两侧不同的环境。如图1所示，外壳20上设有一溶液的进出口22，以便向第二腔体21内注入溶液，一般来说该溶液为被测溶液。在图3中可看出，在空心管路1还设有一个与其同方向延伸的进/排液管19，以便向第一腔体18内注入溶液，一般来说该溶液为参比溶液，例如0.5Mol/L的KCl溶液，也可以是其他电解溶液，还可以选择正常细胞的细胞质。

如图4所示，为了增加细胞膜2的比表面积，可在其表面设置多个褶皱结构的延伸表面17，以提高传感器的灵敏度和响应速度。这些褶皱结构的功能类似传热器中肋片的作用。延伸表面17选用与细胞膜2相同的材料制成，可以选择规则的圆柱体或者长方体也可以选择不规则的形状，并与细胞膜2一体成形。

此外，本发明的传感器还提供备用电极11，以便进行根据细胞膜2的其他性质进行其他物理量的测量，扩展传感器的功能。

本发明的传感器可采用如下步骤加工：

(1)先截取6～100根银或者铂或者铜丝作为各种膜内测量电极。

(2)在银或者铂或者铜丝外面浇注塑料、橡胶或者合成材料制成多个支架10，其中一个支架10内的电极为铂作为铂阴极6，其中另一个支架内按照一定规律包埋光纤作为接收光纤束15和发射光纤束16。

(3)在埋有铂阴极6的支架外面缠绕银丝作为银阳极5。

(4)在引线孔1中间放入进/排液管19。

(5)按照设计的传感器形状粘接固定各个支架10，使他们的顶端包络面成为球形，并将各个电极的引线14以及接收光纤束15和发射光纤束16按照一定的空间分布穿入引线孔1。

(6)包络面上布置比较密集的电极，然后浸入水中冻结形成冰块。修剪冰块使之形成球体状，冰球的半径小于支架10的长度，以保证细胞膜2形成后各个支架10膜内测量电极能紧帖细胞膜2的内表面。将由乙基乙烯和环氧乙烷制得的聚合物涂覆在冰球上，并将其浸在糖溶液中，然后迅速改变包络面上电极电流方向，使带微量电荷的聚合物分子向离开包络面上电极的方向形成双分子层，最终与冰球断开形成细胞膜2。冰球融化后抽出预先布置在包络面上的电极即可。如果需要制作延伸表面17可以在细胞膜2的外侧布置相同的电极利用同样的原理制作延伸表面17，如不需要延伸表面17也可以，制作的材料也可以选择其他化合物。

(7)在球形传感器形成以后，在外壁面上粘接1～100个膜外电极8，电极材料可选择银或者铂或者铜丝，推荐抗腐蚀的金属材料。

(8)利用塑料、橡胶等非金属材料制成空腔球壳、空腔长方体或者其他规则和不规则形状的外壳20。

(9)如果需要制成微传感器阵列，可利用MEMS技术把多个传感器封装在同一芯片上，这样的微传感器阵列可用于测量各个物理量的空间分布。

本发明的传感器可利用细胞膜2在不同激励条件下表现出的不同特征，实现对多种物理量的测量。本发明所实现的测量物理量也不仅限于对温度、压力、电场强度、氧及各种离子浓度的测量，为简单起见，如下仅以测量上述物理量为例阐述本发明的传感器的测量原理。

1)温度测量

温度测量利用细胞膜2的电阻对温度的依赖关系，将被测非电量转换为电量，用测温电极4和膜外测量电极8检测细胞膜2的电阻，用以检测表征细胞膜2周围介质的温度。例如可采用的最简单的电阻随温度变化的关系式为：

R＝R₀+αT

其中，R₀为细胞膜2在某一特定温度下的的电阻，T为温度，α为温度系数。实际的细胞膜2电阻R随温度变化的关系可能比上式要复杂的多，而且针对不同的细胞膜，其电阻随温度变化的关系式也不一样，但可以根据具体的细胞膜预先标定。

2)压力测量

当细胞膜2受压力作用后，它的光散射特性发生变化。利用光纤束7承担传入、传出光线的作用，发射光纤束16将入射光传递到细胞膜2的内表面，接收光纤束15将细胞膜2内表面的光线传输至传感器外部的探测器。若输入光源功率一定，细胞膜2受压力作用后使得反射光的光通量改变，也就是说，压力的大小由反射光的强弱来代表，因此反射光的不同量值反映不同的受力程度。使用光探测器接受反射光并再进行一次换能，即可得到相对应的电压或电流输出。

3)电场强度测量

电场强度测量是用测电场电极3和膜外测量电极8测量细胞膜2两侧的电势来计算其周围电场的强度。电磁场入射到组织细胞时细胞膜扮演了很重要的角色，已经有很多的文献对这一问题进行了研究，并给出了细胞膜上的电势峰值V_m精确的理论解

V_{m} = \frac{1.5 {Er}_{0}}{\sqrt{1 + {(ωδ)}^{2}}}

式中，δ是时间常数，表述为

δ = r_{0} C_{m} (ρ_{4} + \frac{1}{2} ρ_{2})

这里，r₀是细胞的半径；ρ₂为周围物质的电阻率；ρ₄为细胞内物质的电阻率；C_m为细胞膜单位平方厘米上的电容，E为被测电场。在已知细胞膜2和周围介质的上述物性情况下，通过测电场电极3和膜外电极8测得细胞膜2上的电势峰值V_m，就可得到被测电场E：

E = \frac{V_{m} \sqrt{1 + {(ωδ)}^{2}}}{1.5 r_{0}}

如果被测电场是静电场，则细胞膜2两侧的电势精确的理论解简化为

V_m＝1.5Er₀

被测电场E相应的由下式求得：

E = \frac{V_{m}}{1.5 r_{0}}

4)溶液中氧浓度测量

随着生命科学的发展，越来越多的国内外学者对参与生理活动的氧参数甚感兴趣，希望实现对活体微区连续、跟踪监测。极谱隔膜式氧电极由于其物美价廉的特点被广泛应用于生命科学的各个领域。它是将铂电极与Ag/AgCl电极都放在参比液内并用透氧膜与被测溶液隔开来构成的。被测溶液中的氧通过透氧膜扩散进入膜内电解质薄层，然后再扩散到铂电极的表面上电解还原产生电流。在本发明的传感器中，在第一腔体18内充满例如0.5Mol/L的KCl电解液，在第二腔体21内充满被测溶液。在当在银阳极5和铂阴极6之间加一个极化电压E_j时，被测溶液中的氧透过对氧敏感的细胞膜2，在铂阴极6上电解还原产生电流，该电流的大小与氧气浓度成正比，反应过程为：

铂阴极6：O₂+2H₂O+4e→OH^-

银阳极5：4Ag+4Cl^-→4AgCl+4e

通过通过银阳极5和铂阴极6的电流，即可获得被测溶液中的氧浓度。

5)溶液中离子浓度测量

在在第一腔体18内充满参比溶液，在第二腔体21内充满被测溶液。当作为相界面的细胞膜2上的交换和扩散达到平衡时，细胞膜2的静息膜电位可以表示为

V_{0} = \frac{{RT}^{*}}{nF} \ln \frac{c_{1}}{c_{2}}

式中，R为普适气体常数(＝8.31J/mol·K)；T^*为细胞膜2的绝对温度(K)；n为离子化合价；F为法拉第常数(＝9.65×10⁴C·mol^-1)；c₁和c₂分别为细胞膜2两侧的参比溶液和被测溶液的离子浓度。本发明的传感器中的测离子浓度电极12和其中一个膜外电极8测量细胞膜两侧由于离子迁移而引起的电位变化，即可根据前述关系式获得被测溶液中的离子浓度。

Claims

1、一种传感器，其特征在于，该传感器包括：

一细胞膜，该细胞膜的内表面限定了一第一腔体；

多个设于第一腔体内用于支撑所述细胞膜的支架；

包围所述细胞膜设置的外壳，该外壳与细胞膜之间限定一第二腔体；

用于检测物理量的多个探测元件，布置在所述第一腔体内，或布置在所述第一腔体和第二腔体内；

一空心管路，该空心管路将第一腔体与外壳的外部相连通。

2、根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述探测元件包括：

布置在第一腔体内的一个或多个膜内测量电极，所述膜内测量电极的电极引线通过所述空心管路引出至外壳的外部；

布置在第二腔体内和膜内测量电极配合使用的一个或多个膜外测量电极，所述膜外测量电极的电极引线通过所述空心管路引出至外壳的外部。

3、根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，每个膜内测量电极分别包埋在一个支架内，其一端暴露于支架的端部并紧贴所述细胞膜。

4、根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述探测元件包括用于检测溶液中氧浓度的铂阴极和银阳极，所述铂阴极和银阳极的电极引线通过空心管路引出至外壳的外部。

5、根据权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述铂阴极包埋在支架内，其一端暴露于支架的端部并紧贴所述细胞膜，所述银阳极缠绕在该支架外表面。

6、根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述探测元件包括布置在第一腔体内的光纤束，该光纤束的受光面正对所述细胞膜；所述光纤束包括混合在一起的发射光纤束和接受光纤束；所述光纤束的一端通过所述空心管路引出至外壳的外部。

7、根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述光纤束包埋在一个支架内，该光纤束的受光面暴露于该支架的端部。

8、根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，还包括一个用于向所述第一腔体内注入和排出溶液的进/排液管，该进/排液管位于所述空心管路内部；还包括一个用于向所述第二腔体内注入和排出溶液的进出口，第二腔体通过该进出口与所述外壳的外部相连通。

9、根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述细胞膜为人工细胞膜或天然细胞膜。

10、根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述细胞膜带有多个褶皱结构的延伸表面。