检纸传感器纸也能做成传感器？纸质电化学传感器成功检测金黄色葡萄球菌

发布时间：2024-10-07 00:10:37

纸也能做成传感器？纸质电化学传感器成功检测金黄色葡萄球菌

纸基分析装置及其电分析衍生物作为现代分析工具发挥着重要作用，已在医学、法医、食品科学、环境分析、医药工业等多个领域得到广泛的应用。

当作为床旁即时检测仪器（point-of-care testing，POCT）部署时，这些设备不仅可以提供适当的灵敏度来检测代谢物，还可以检测病原体，如SARS-CoV-2病毒、埃博拉病毒、大肠杆菌或金黄色葡萄球菌

*pH试纸

考虑到纸具有惰性、低成本、无毒、柔韧等优点，近期很多科研人员都在尝试开发基于纸的可穿戴设备，特别是用于检测针对汗液中的代谢物。

纸基金黄色葡萄球菌传感器

近期，来自美国克莱姆森大学的Lucas de Brito Ayres, Jordan Brooks 和Kristi Whitehead 在期刊Analytical Chemistry 上发表了一篇题为Rapid Detection of Staphylococcus aureus Using Paper-Derived Electrochemical Biosensors的研究论文。他们研究出了一种用于检测金黄色葡萄球菌的新型纸质电化学传感器，该传感器能准确地检测出金黄色葡萄球菌，同时暴露于其他细菌时没有观察到干扰。

电极的制作

首先在管式炉中对纸张进行热解，然后将热解后的样品从炉中取出并在其上溅射金。使用商用30W CO2激光雕刻机切割电极，并在器件的各个区域涂上Ag/AgCl墨水以定义参考电极或银漆，以促进其与恒电位器的电接触。

为了使电极结构稳定，将40 μL含有壳聚糖的溶液均匀涂抹在电极上，并在65°C的对流烤箱中干燥1小时。为了防止电极的水被吸干而导致面积增大，在连接处涂上一层硅树脂，只让检测电极暴露在外。

*电极的制作流程

纸基传感器的传感机理

目前基于抗体或酶活性的病原体检测生物传感器已经有了很大的进展，这些传感器是通过检测生物体内抗体或酶活性反应来诊断疾病的一种新型技术，具有快速、准确和灵敏度高等优点，已经被广泛应用于医疗、食品安全和环境检测等领域。

其中，抗体传感器是一种利用生物体内产生的抗体与病原体特定抗原之间的结合反应来检测病原体的技术。该技术的原理是将特定的病原体抗原固定在传感器表面，当样本中存在与该抗原相匹配的抗体时，抗体与抗原结合形成复合物，从而产生电信号或荧光信号等检测信号，以实现对病原体的检测。

*抗体传感器在检测新冠病毒的应用

而酶活性传感器则是利用酶的催化作用来检测病原体或其代谢产物的技术。该技术的原理是将病原体或其代谢产物与特定的酶结合，当病原体或其代谢产物存在时，酶催化其反应产生荧光、发光或电信号等检测信号，从而实现对病原体的检测。

*一种基于燃料电池原理的酶活性传感器

本文介绍的传感器与上面的原理不同，而是利用了基于监测电子受体的呼吸测定法来检测微生物。通过监测微生物的代谢产物（如氧、硝酸盐、铁氰化物、苯醌等）来识别微生物的代谢活性，从而得到微生物的浓度。

具体来说，就是通过细菌在甘露醇的存在下产生的亚铁氰化钾的电化学氧化来识别病原体的存在。由于这类传感器不使用基于蛋白质的生物识别元件，因此基于这种原理开发的传感器可以获得更长的保质期。

*传感器原理示意图

传感器性能测试

将该传感器与开发的便携式恒电位器结合使用作为POC传感平台来检测金黄色葡萄球菌。

为了证明新型纸基传感器的有效性，将50 μL含有约104个菌落的金黄色葡萄球菌悬浮在1.0 mL PBS(含2.5 mM的甘露醇和2.5 mM的铁氰化钾中。溶液分配在可穿戴设备的有源区域，并使用便携式电位器定期使用安培法进行检测。此外，在相同的实验条件下，运行两个对照组：没有添加细菌和播种了大肠杆菌的。这些实验每10−20分钟重复一次，持续1小时。

根据测试结果可以看出，只有当病原体(金黄色葡萄球菌)代谢活跃时，才能观察到信号变化。在对照装置中均未观察到铁氰化物向亚铁氰化物的显著转化。

*测试结果

未来展望

以上研究概括了纸基电化学传感器通过在电极背面添加薄金层和壳聚糖进行修饰从而解决了纸质电极的有限电阻率和脆性，这解除了很多碳材料共同的基本限制，因此可以作为可穿戴设备部署。在未来还可以将纸质电极应用于各种POC平台，来即时监测细菌，避免皮肤感染。

用于测量纸张卷径的超声波传感器

中国是世界造纸技术发源地，在上古时代,祖先主要依靠结绳纪事,以后渐渐发明了文字,开始用甲骨来作为书写材料.后来又发现和利用竹片和木片（即简牍）以及缣帛作为书写材料.但由于缣帛太昂贵竹木太笨重,于是便导致了纸的发明。纸的发明结束了古代简牍繁复的历史,大大地促进了文化的传播与发展。

超声波作为一种间接、非接触式、高精度的检测卷径方式，具有不易受光、电磁波、粉尘等外界因素干扰，对被检测物无损害，以及声波传播速度在相当大范围内与频率无关等独特优点，已广泛应用在纺织、印刷及包装等工业领域。

超声波测卷径的原理及方法

把超声波传感器安装在卷纸机器上并指向目标，要确保传感器离目标的距离在传感器的感应范围之内，并且对准纸卷的卷轴中心，然后在纸卷轴上装好不同大小卷径的料卷（图1所示），通过计算机或人机界面监视不同卷径下超声波传感器对应输出的数字量，然后与卷径大小一一对应列表，通过线性比例计算出当前实时卷径。

原理

影响检测精度的因素及措施

1.气体的化学成分、气压和温度

声波在空气中的传播速度受气体的化学成分、气压和温度的影响。通常气体的成分和气压相对较稳定，声速随温度的变化可以按下式进行近似计算：

公式

式中：C为声速；T为温度。

为此，大部分超声波传感器都具有温度补偿功能，以减少由温度引起的约2/3的误差。

2.目标角度和目标物体

超声波传感器是通过吸收垂直于超声波轴的平直目标物体返回的大部分能量来检测目标物体的。随着超声波传感器与待测物体角度的变大，传感器接受到的能量将减少，在某些点上，传感器将“看不到”目标物体；因而目标角度不能大于超声波发射角，要避免一些风源及震动源对超声波传感器的影响，安装时要对准料轴的中心。一般要求目标物体检测表面积不小于超声波传感器的最小检测面积。

3.噪声的影响

声波在介质中传播时会产生衰减，其信噪比也会随着被测对象吸收外界震动以及空气扰动而改变；工业环境中噪声的频率通常在40-50Hz，经常会使频率在这一噪声峰值附近的传感器产生误触发，因此为了得到精确的测量结果，必须对超声波信号进行去噪处理。

综上所述针对测量纸张厚度的技术从古老的机械测量到至今的现代技术测量都是一个质的飞跃，为了更好的提高纸张测量的精准度工采网提供了两款超声波产品：韩国Hagisonic 超声波测距传感器模块 - HG-C40U、韩国Hagisonic 超声波近距离传感器模块 - HG-P40系列。

超声波测距传感器模块

韩国Hagisonic 超声波测距传感器模块 HG-C40U描述：

•ATmega 8 MCU

• 测量到障碍物的距离，并用UART通讯发送数据。

• 分辨率在5mm以内。

• 两种传输模式可选，适用于各种用途。

− 自由运行模式：有电源时，传感器自身发送触发和突发信号(用于基本应用)

− 外部触发模式：外部系统(控制器或处理器电路)控制触发信号 – 用于高级应用

• 两种输入电源 – 低压(5V)适用于处理器电路；高压(12V)适用于控制器。

※ 工厂默认：12V

• 各种设置选项

− 自由运行/ UART触发/外部触发设置

− 设置是否使用环形缓冲区

−UART通讯波特率设定

− 自由运行触发间隔

• 输出信号

− 用UART(ASCII, mm)输出距离数据

− 将实际接收的超声波实时放大

− 实时将探测信号转为TTL电平矩形信号(方波)

• 高性能ASIC芯片，保证稳定传输、灵敏接收。

• 传感器到PC的通讯使用‘接口板’(RS232,功率调节器)

• 数据显示使用PC上的监控程序(可用超级终端)

韩国Hagisonic 超声波测距传感器模块 HG-C40U参数：

参数

韩国Hagisonic 超声波近距离传感器模块 - HG-P40系列

• 仅使用单个收发器传感器单元发送和接收信号。

• 便于测距和物体检测。

• 为方便使用，提供两种传输模式：

• 自由运行：连接到电源时，传感器自身发送触发信号和突发信号 - 用于基本应用

• 外部触发：外部系统 (控制器或处理器电路) 控制触发信号 – 用于高级应用 (距离测量)

• 两种输入电源 – 低压 (5V) 用于处理器电路，高压 (12V) 用于控制器。

• 四种不同的输出信号 (同时)。

• 将实际接收到的超声波实时放大 (用于声压测量)

• 探测信号的实时 TTL 电平矩形波(方波) (用于机器人)

• 与传感器到最近障碍物距离成比例的脉冲宽度信号(用于机器人和测距)

• 在预设范围内(0.5~4.5m)的接近输出信号 (10mA 电流) (工业用途)

• 预设范围可在 0.5 ~ 4.5 m 之间调节 (批量订单下工厂可预设距离)

• 高性能 ASIC 芯片，用于稳定的传输和高灵敏度的信号接收 (较大可放大约 4,000 倍)

超声波近距离传感器模块

韩国Hagisonic 超声波近距离传感器模块 HG-P40系列特性：

多功能收发器机型

两种传输模式(自由运行 /外部触发)

① 电源(低压：5V / 高压：6~16V)

②4种不同输出信号(同时)：

-实时接收并放大的超声波

-实时TTL方波信号

-距离脉冲宽度信号

-在预设距离（近距离）内探测物体

③ 高性能ASIC芯片

韩国Hagisonic 超声波近距离传感器模块 HG-P40系列参数：

参数

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用于测量纸张卷径的超声波传感器

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