１５Ｏ 应用方法论 ２科０１ １１年第期 ｚ６霸 － 纳米纤维在传感器领域中的应用 王晗 （广东工业大学实验教学部，广东广州５１０００６） 摘 要主要介绍纳米纤维在传感器领域研究的最新进展，讨论纳米纤维在传感器领域的应用前景，指出影响纳米纤维Ｔ业化使用的一些 具体问题，诸如强度、封装、寿命等，为纳米纤维传感器的工业化应用提供了新的思路。 关键词纳米纤维；传感器；工业化 中国分类号ＴＰ 文献标识码Ａ 文章编号１６７３～９６７１一（２０１ １）０８２—０１５０—０ｌ Ｏｎ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎａｎｏｆｉｂｒｏｕｓ Ｓｅｎｓｏｒｓ ＷａｎｇＨａｎ （Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ＯｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ，５１０００６） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅｌａｔｅｓｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ＯＨ ｎａｎｏｆｉｂｅｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎ ｓｅｎｓｏｒｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆｎａｎｏｆｉｂｒｏｕｓ ｓｅｎｓｏｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ， ｗｈｉｃｈ ｐｏｉｎｔ ｏｕｔ ｓｏｍｅ ｉｓｓｕｅｓ ｏｆ ｕａｎｏｆｉｒｏｕｓ ｓｅｎｓｏｒ，ｓｕｃｈ ａｓ ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｐａｃｋａｇｉｎｇ，ｌｉｆｅ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ．Ｉｔ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｎｅｗ ｔｈｉｎｋｉｎｇ ｆｏｒ ｉｎｄｕｓｔｉｒａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｎａｎｏｆｆｂｒｏｕｓ ｓｅｎｓｏｒｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｎａｎａｆｉｂｅｒ，Ｓｅｎｓｏｒ，Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ 纳米纤维可以通过生长法、静电纺丝法、化学刻蚀法等一系列方法 加以制备。随着静电纺丝法的逐渐成熟，纳米纤维的制造成本也逐步 降低，其在工业上有着极其广泛的应用前景。目前纳米纤维作为环保材 料、太阳能材料以及医学材料领域中已经得到了初步应用。纳米纤维因 为其独特的结构，使其具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏 观量子隧道效应等四种特殊效应，其作为传感器材料，也已经处于探索 中，其展现出的能力也得到相关领域研究者的高度重视，有可能推动传 感器产业上升到一个新的高度。 １纳米纤维在传感器领域中的应用 １．１在生物传感器方面的应用 纳米纤维应用于生物传感器，为生物传感器的发展带来了新的机 虽然纳米纤维在传感器领域的应用存在很大的潜力，但其离真正产 品化应用还存在一定的距离，这主要在于纳米纤维的制造过程以及其自 身特点所决定的。首先，纳米纤维传感器要实现产品化，必须提高单根 纳米纤维的均一性以及可重复性。这主要是因为纳米纤维的直径不一， 将使传感各个参数间的函数关系变得复杂，同时导致理论计算和实际测 量的巨大误差，难以维持测量精度。其次，纳米纤维传感器在普通环境 下的寿命存在问题，由于环境的氧化作用，纳米纤维的形貌参数以及导 电性都会发生变化，所以选择稳定可靠的材料也是一大难题。最后，由 于纳米纤维的结构性质，长距离纳米纤维的结构强度也难以保证，这直 接影响了后继的封装过程。所以，在纳米纤维传感器产业化之前，有必 要对上述问题进行深入讨论。 ３结语 纳米纤维由于其四种特性，在传感器领域展现其优势。其在生物传 感器、气体传感器以及湿度传感器领域均可以大大提高测量的精度， 然而纳米纤维仍存在均一性不足、材料可靠性低以及结构强度较弱等问 题，但只要在制造工艺、材料选择以及相关电路结构设计上人手，加以 改进，纳米纤维将在传感器领域拥有更大的作为。 参考文献 【１】董晓英，董鑫．静电纺丝纳米纤维的制备‘ 艺及其应用【Ｊ】．合成纤维丁 业．２００９．３２（４）：４８． 遇。其可以提高生物传感器的灵敏度、响应范围等特性指标。 ２００３年，Ａｉｈａｒａ制作了微波碳纳米管电磁共振生物传感器，利用纳 米管的特殊性能，可以对气体和生物分子的灵敏检测。２００８年Ｄｍｕｖａｌａｋｉｓ 将缩氨酸包被在纳米管上，创造了可探测人类血清中特殊疾病的免疫 传感器。同年，Ｍａｒｔｌｌａ利用准直纳米碳纤制备电流型无试剂酶生物传感 器，成功提高了此类传感器的使用寿命。 １＿２在气体传感器方面的应用 由于纳米纤维的比表面远大于普通材料，其表面的吸附能力也得 以大大增强，其在环境气体检测中也具有很大的应用潜力。纳米纤维 气体传感器主要可以分为聚合物和金属氧化物。２００４年，Ｂｉｎ Ｄｉｎ－衍０用 ＰＡＡ和ＰＶＡ混合溶液电纺，利用沉积于石英微天平分析仪表面的纳米 纤维制得了微量ＮＨ 气体传感器，灵敏度可以达到５×１０－，％。２００８年， Ｙａｎｇ Ｚｈａｎｇ￣用了ＰＶＡ，ｓｎｃｌ 水溶液作为原料进行电纺，制得的纳米纤维 气体传感器，最小可以检测到的乙醇气体体积分数为１×１０－ ％，而且可 以多次使用，大大降低了使用成本。利用纳米纤维作为传感器，可以有 效提高传感精度，由此可以提升相关测量仪器的整体精度，使用潜力巨 大。 【２］Ｄｅｉｔｚｅｌ Ｊ Ｍ，Ｋｌｅｉｎｍｅｙｅｒ Ｊ Ｄ，Ｈｉｒｖｏｎｅｎ Ｊ Ｋ．Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｕｎ ｏｌｐｙ－（ｅｔｈｙｒｌｅｎｅ ｏｘｉｄｅ）ｆｉｂｅｒｓ￣］．Ｐｏｌｙｍｅｒ，２００１，４２（１９ ８ｌ６３—８ｌ７０． 【３】霍丹群，罗伟，侯长军，罗小刚，法焕宝，杨军．静电纺丝纳米纤维在传感器领域 的研究进展ｆＪ１．传感器与微系统，２００９，２８（２）：４—７． 【４１Ａｉｈａｍ Ｋ，ｘｉａｎｇ Ｊ，Ａｐｐｒａｏ Ｒ．ＧＨｚ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｂｉｏ—ｓｅｎｓｏｒｓ【Ｍ】． ＩＥＥＥ—ＮＡＮＯ ２００３，Ｓａｎ ＦｒａＩｌｓｉｓｃｏ，ＵＳ：ＩＥＥＥ Ｐｒｅｓｓ，２００３：６１２—６１４． ［５］Ｋａｔｅｒｉｎａ Ａ，Ｄｒｏｕｖａｌａｋｉｓ，Ｓａｒｕｎｙａ Ｂａｎｇｓａｒｕｎｔｉｐ，Ｗｏｌｆｇａｎｇ Ｈｕｅｂｅｒ．Ｐｅｐｔｉｄｅ－ ｃｏａｔｅｄ ｎａｎｏｔｕｂｅ—ｂａｓｅｄ ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ ｏｒ ｆｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｓｅａｓｅ－ｓｐｅｃｉｉｆｃ ａｕｔｏａｎｔｉｂｏｄｉｅｓ １．３在湿度传感器方面的应用 纳米纤维对空气湿度有良好的传感能力，掺杂ＴＬｉＣ１ 的ＰＥ０、ＰＡＮ 等功能性纳米纤维的体积和电阻率都会随着空气湿度的变化而变化，通 过研究各种变量的函数关系，就可以以此为依据，设计和制造纳米纤维 湿度传感器。２００８年，李朋利用静电纺丝法制备纳米结构复合电阻型湿 度传感器，元件的响应速度较快，脱湿时间仅为１９ｓ，吸湿时间为７ｓ，此 外，元件具有极佳的响应可回复性，湿滞仅为２％ＲＨ。 ｉｎ ｈｕｍａｎ ｓｅｒｕｍＩＪ］．Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓ ａｒｉｄ Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ２００８．２３：１４１３—１４２１． ［６］Ｍａｒｔｈａ Ｌ．Ａ ｒｅａｇｅｎｔｌｅｓｓ ｅｎｚｙｍａｔｉｃ ａｍｐｅｒｏｍｅｔｒｉｅ ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ ｕｓｉｎｇ ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ Ｍｉｇｎｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｆｉｂｅｒｓ（ＶＡＣＮＦ）［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ，２００８，６：５３－５９． 【７］ＢＩＮ Ｄｉｎｇ，ＪＩＮＨ０ Ｋｉｍ，ＹＡＳＵＯ Ｍｉｙａｚａｉ．Ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｕｎ ｎａｎｏｆｉｂｒｏｕｓ ｍｅｍｂｒａｎｅｓ ｃｏａｔｅｄ ｑｕａｒｔｚ ｃｒｙｓｔａｌ ｍｉｅｒｏｂａｌａｎｃｅ ａｓ ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ ＮＨ３ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ［Ｊ］．．Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ，２００４，１０１：３７３—３８０． ２纳米纤维在传感器领域应用还存在的问题 （下转第ｌｌ０页） １１０ 送能力和服务功能的ＩＰ网络。 ４．３．１网元管理 应用方法论 ２科０１ １１年第期目 ６霸 Ｌ ＣｉｓｃｏＷｏｒｋｓ可以对思科全系列网络设备进行： 设备资产管理和变更审计、设备，网络端口，路由，安全的参数配置管 理，设备操作是对网元设备进行管理，管理员首先需要了解网元设备当 前的工作状态。由于ＣｉｓｃｏＶｉｅｗ能为网络管理员提供一个非常直观的图形 化用户管理界面，所以管理员可以很方便地了解到网络中任何一台Ｃｉｓｃｏ 设备的当前状态。 在网元管理层，管理员还可以利用ＣｉｓｃｏＷｏｒｋｓ２０００中的网元管理工 具ＲｅｓｏｕｒｃｅＭａｎａｇｅｒＥｓｓｅｎｔｉａｌ、ＡｃｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌＬｉｓｔＭａｎａｇｅｒ和ＣａｍｐｕｓＭａｎａｇｅｒ／ｎ￣ 网络设备的可达性是衡量网络性能的一项重要指标，它是业务得以 正常运转的重要保证，因此对此项技术指标的监控和统计是实现网络服 务管理的一项基础，其中网络设备的联通性及网络响应时间是网络可用 性的两个重要的组成部分。结合空管局全国网实际的 级网络环境中各 级网络跨度大、网点分布广、重要设备多的特点，加之网络维护人员有 限，因此对网络中重要及末端设备的可达性监控显得尤为重要。 ６．２网络性能监控 网络性能监控对空管局全国网网络运行状况进行监控，通过性能管 理，可以判断网络的运行质量、运行效率、流量流向以及连通率水平 等，使其更加高效、稳定的运行。 别管理ＣｉｓｃｏＪ￣司的高端路由器ＧＳＲ以及局域网交换机和低端路由器。 ４．３．２网络管理和业务管理 故障的监控策略： 对网络设备的故障收集主要由三种方式：接收设备发送的Ｓｙｓｌｏｇ、 Ｔｒａｐ事件；主动对设备的信息进行轮询。Ｃｉｓｃｏ设备的日志信息Ｓｙｓｌｏｇｑ￣ 包含了大量的设备运行信息，其中主要记载了Ｃｉｓｃｏｉ￣备运行中的故障信 息，如端口和线路的变化、路由协议的变化、配置信息的变化等等，而 且在ｓｙｓｋ嚷中对事件进行了详细的分类。 Ｓｙｓｌｏｇ和Ｔｒａｐ都采用ＵＤＰ传输方式，因此在网络繁忙时，又可能会出 现丢包。为保证网管信息的完整性，采用主动轮询配合Ｓｙｓｌｏｇ和Ｔｒａｐ的方 式。在故障监控中主要通过ＣＩＣ ＩＳＭ ＰＩＮＧ监控器，对重要的节点进行连 通性监控。根据监控节点的不同，定义相应的监控周期，对网络进行主 动检查。 网管服务器的系统事件收集： ＣＩＣ ＳＳＭ提供轻型的高效的，在主机上运行的Ａｇｅｎｔ，该Ａｇｅｎｔ支持 ＳＮＭＰＶ１，ＳＮＭＰＶ２和ＳＮＭＰＴｒａｐ，提供对主机系统的监控。 通过ＣＩＣ／ＳＳＭ，对网管服务器的状态及性能进行实时监控，如监控 网管主机ＣＰＵ、内存、文件系统、进程、Ｉ／Ｏ等的监控。通过设置闻值实 现服务器故障预警，当服务器运行状况超出阈值时报警及自动处理，从 而避免故障的发生。 ＭＰＬＳｖＰＮ ＲＲ管理： Ｃｉｓｃｏ ＩＰ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ（ＩＳＣ）做为空管局全国网整套管理系统中的 第三个管理软件，是思科公司开发的一套成熟稳定、功能强大的ＩＰＶＰＮ 业务管理和ＱｏＳ管理系统，针对空管局全国网的管理需求，思科选择配 置了下属三个ＩＳＣ管理功能模块： 如网络设备端口故障事件为： ＬＩＮＥＰＲＯＴＯ－５一ＵＰＤＯＷＮ：Ｌｉｎｅ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｏｎ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｓｅｒｉａｌ９／Ｏ／３：０ ｃｈａｎｇｅｄ ｓｔａｔｅ ｔｏ ｄｏｗｎ。 ①ＭＰＬＳ ＶＰＮ管理模块，负责实现在空管局全国网上快速开通三层 ＭＰＩ－Ｓ ＶＰＮ业务和管理客户ＶＰＮ业务的全服务周期（服务的规划、部署、 审计、ｓＬＡ监视、修改和删除）。 ②ＩＭＰＬＳ Ｔｒａｆｆｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ￣理模块，负责对空管局全国网核心网络 进行ＭＰＬＳ流量工程的配置和网络中所有ＭＰＬＳＴＥＴｕｎｎｅｌ的图形化显示。 规则文件可以通过正则匹配从中获取端口为Ｓｏｒｉａｌ９／０／３：０，事件原始 类型为ＬＩＮＥＰＲＯＴＯ一５一ＵＰＤＯＷＮ，而且由于事件为状态变为ｄｏｗｎ，因此 确定此为故障报警。如果该端口连接的为关键网段，那么可以根据此将 其警告级别设置为严重。 ５确定事件的唯一标识。为事件压缩提供准备 １）ＣＩＣ所有的事件都有唯一标识Ｉｄｅｎｔｉｉｆｅｒ，以确定其是否为重复事 件。ＣＩＣ对重复事件的处理识根据探针报告事件的唯一标识，确定在数 据库中是否有记录，如果有则不进行重新插入，只是更新事件和次数 等设置为需要更新的字段。因此ＣＩＣ对重复事件的处理事件的处理非常 快。 ③Ｑｏｓ管理模块，负责对空管局全国网承载的ＩＰ ＶＰＮ业务的接人链 路进行Ｑ０ｓ参数配置。 ｃｉｓｃｏ ＩＰ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ是一个可升级的技术，允许服务提供商根据 客户的服务级别协议（ＳＬＡ）设计、提供和管理ＩＰ ＶＰＮ服务。使用Ｃｉｓｃｏ ＩＰ ｏｌＳｕｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ， ｃｉ ／Ｐ ｏｌＳｕｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ的主要功能： Ｐｒｏｖｉｓｉｏｎｉｎｇ：Ｃｉｓｃｏ ＩＰ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｃｒ￣供带有一步一步帮助向导的 模板，使操作员可以方便地增加、删除、修改用户的ＶＰＮ，也可建立 ｅｘｔｒａｎｅｔ。模板可转换为Ｃｉｓｃｏ １０ｓ命令，按定制时间下载到网络设备上。 Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ：当添加新的服务或更改某些服务时，用户可以定制服务 激活的时问，使服务供应商在激活服务前安排硬件部署或其它步骤。 Ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ：通过对网络元素传送正确的软件命令来激活变化的服 务。为确保成功的传送命令，网络元素预先已经过测试。 Ｐｏｓｔ—ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ Ｔｅｓｔｉｎｇ：一旦服务被激活，可以测试以确保可靠的服 务传输。例如，可以通过ｐｉｎｇｆ贝０试。 ２）ｃＩｃ产品对Ｓｙｓｌｏｇ事件的强大处理能力来源于两个方面： ＭｉｃｍｍｕｓｅＺｚ￣司与Ｃｉｓｃｏ２￣有非常紧密的合作关系，在网管产品的开发中 有合作开发部门，Ｃｉｓｃｏ的开发人员和Ｍｉｃｒｏｍｕｓｅ的开发人员共同针对Ｃｉｓｃｏ 的网络设备进行了大量的合作开发。因此ＣＩＣ Ｓｙｓｌｏｇ￣针中提供全面的针 对Ｃｉｓｃｏ ＩＯＳ ｓｙｓｌ０ｇ的处理规则定义，这些全部由软件现成提供，不需要用 户重新定义，而且该规则会根据ｌＯＳ的升级而进行更新。 ３）ＣＩＣ探针的规则处理文件，能够对事件进行详细、深入的处理。 ＣＩＣ Ｓｙｓｌｏｇ￣针对Ｓｙｓｌｏｇ的处理不仅仅是简单的文字处理，即将事件信息 以故障描述的方式进行显示。ＣＩＣ探针的规则处理文件简单易懂，用户 可以根据实际需要进行调整。 ７结束语 通过上述讨论，考虑到未来新业务的发展基本都是基于ＩＰ的，ＭＰＬＳ 网络将会是民航系统信息网络首选的关键技术。我们从现在起开始规划 ＡＴＭ向ＩＰ过度的方案，以适应未来网络的发展和技术的需要。 参考文献 ［１】南凯．面向关系型数据共享的数据网格中间件研究．中国科学院研究生 院．２００６． ６ ＩＣＭＰ ＭｏｎｉｔｏｒＴ作机制 ＩＣＭＰ Ｍｏｎｉｏｔｒ￣期向被监控目的端发出事先定制好的上述ＩＣＭＰ的回 应请求（Ｅｃｈｏ Ｒｅｑｕｅｓｔ）报文来测量具体网络节点或主机的可用性。发出 的ＩＣＭＰ报文穿过各级路由器，中间转发报文的路由器可发出类似的响应 报文以表明目的端是否可达以及不可达的可能原因。 ６．１网络可用性监控 ［２】李花安．基于全局数据库的科学数据共享平台的研究与实现懈放军信息Ｊ 程大学，２００６． （上接第１５０页） 【８］ＺＨＡＮＧ Ｙａｎｇ，ＨＥ Ｘｉｕｌｉ，ＬＩ Ｊｉａｐｉｎｇ．Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｔｈａｎｏｌ—ｓｅｎｓｉｎｇ ｐｒｏｐｅａｉｅｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏ ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｌｅｃｔｏｒｓｐｕｎ ＳｎＯ２ ｎａｎｏｆｉｂｅｒｓ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ，２００８，３２（１）：６７—７３． Ｈｏｎｇ Ｋ０ｎｇ：ＩＥＥＥ—ＮＡＮ０，２００７：３１６—３１９． 【１ ０］仰大勇，蒋兴宇．静电纺丝制备有序纳米纤维的研究进展【Ｊ１． 台成纤 维，２００８（６】：１－５． ［９］ＫＡＴＡ Ｊａｒｕｗｏｎｇｒｕｎｇｓｅｅ，ＡＤＩＳＯＲＮ Ｔｕａｎｔｒａｎｏｎｔ，ＹＯＮＧＹＵＴＨ Ｗ ａｎｎａ．Ｑｕａａｚ ｃｒｙｓｔａｌ ｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｓｅｎｓｏｒ ｕｓｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｕｎ ＰＡＮＩ ｍｉｃｒｏ／ｎａｎｏ ｄｏｔｓ［Ｃ］． 作者简介 王眙，广东工业大学讲师。