一种基于SnO2纳米线突触器件的味觉神经形态系统及其制备方法和应用

一种基于sno2纳米线突触器件的味觉神经形态系统及其制备方法和应用
技术领域：
1.本发明属于神经形态系统领域，特别是基于sno2纳米线的味觉神经形态系统。


背景技术：

2.近年来随着电子学、生医工程和脑机接口发展的不断深入，大量的神经形态系统被提出用于人类健康检测和残障人士的恢复；搭建具有感知、信息处理、监测功能的神经形态电子系统具有重大的应用前景。感受系统作为人体信息处理核心是大脑与外界环境的中间环节，作用至关重要。人体感受系统主要包含视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉五大类型。目前对于触觉、视觉、嗅觉系统的研究已取得了巨大进展，而味觉系统作为五大基本感觉系统之一，却鲜有报道。传统的味觉检测装置大致可分为基于脂质的聚合物膜，人类味觉受体等电位型、伏安型人工舌头。这些设备不仅价格昂贵、体积较大不方便携带，更重要的是不能实现味觉的检测、信息处理功能的集成，很难满足神经形态电子系统的需求。因此，通过模仿人类舌头上的咸度感知机制，制备出具有高灵敏度的、集成检测和信息处理功能的味觉神经形态系统具有及其重要的意义，将会为神经形态电子学的发展提供重要的支撑。


技术实现要素：

3.本发明目的是针对当前技术中存在的不足，提供一种基于sno2纳米线突触器件的味觉神经形态系统及其制备方法和应用。该系统采用壳聚糖离子凝胶传感器作为栅介质层，sno2半导体纳米线作为半导体层，sio2衬底作为基板，au作为源漏电极；得到的壳聚糖离子凝胶传感器，在不同浓度生理盐水作用下，通过控制na+内流数目的变化，可以感知和识别不同浓度的生理盐水，在sno2纳米线人工突触的协同作用下，突触电子器件对不同浓度下的壳聚糖离子凝胶传感器传来的信号进行信息处理，从而实现了对味觉的感知、检测和信息处理。
4.本发明所采用的技术方案是：
5.一种基于sno2纳米线突触器件的味觉神经形态系统，该系统的组成包括sio2衬底、中间层、栅介质层和间隔电极；其中，sio2衬底表面的中部为中间层，两端为间隔电极；中间层的上部覆盖有栅介质层；
6.所述的中间层为sno2半导体纳米线阵列；所述的纳米线的直径为100nm～5μm；长度为0.1cm～10cm；间距为100μm～500μm；
7.所述的栅介质层为壳聚糖离子凝胶；薄膜的厚度范围为10～20μm；
8.所述的间隔电极为源电极和漏电极；二者材料相同或不同，具体为金或银；厚度为20
–
200nm；间距为500μm-2000μm；
9.所述的衬底为二氧化硅片。
10.所述的基于sno2纳米线突触器件的味觉神经形态系统的制备方法，该方法包括如下方法：
11.1)将壳聚糖粉末溶解在冰醋酸溶液中，在55～75℃下以300～650rpm的速度搅拌30-60分钟，得到混合溶液；
12.其中，每4ml的冰醋酸溶液溶解30～80mg的壳聚糖粉末；冰醋酸溶液的质量百分浓度为1％～4％；
13.2)向步骤1)中的混合溶液中加入甘油，搅拌5～60分钟，再超声分散5-30分钟，然后室温下静置0.2～5小时；每4ml混合溶液加入0.15～0.6ml的甘油；
14.3)静置完成后，将步骤2)中得到的溶液滴在基片上，在70-100℃下干燥20-30分钟，得到胶体薄膜；
15.4)将聚乙烯吡咯烷酮、氯化亚锡二水合物溶于n,n-二甲基甲酰胺中，常温下搅拌溶解0.5～24小时，得到前驱体溶液；
16.其中，聚乙烯吡咯烷酮：氯化亚锡二水合物的质量比为1:1-3:1；前驱体溶液中，聚乙烯吡咯烷酮的质量分数为10-20％；
17.5)将前驱体溶液吸取至注射器中，利用电流体喷印设备将前驱体溶液打印衬底上成为纳米线阵列；
18.所述过程的静电纺丝参数为：静电纺丝电压为1～2kv，注射器针头到基板的距离为2～7mm，注射器针头出液量为10～100nl/min，基板运动速度为0.1m/s～1m/s；
19.6)将上述得到的纳米线阵列在马弗炉中升温，在400-550℃下煅烧30-120min，降温后得到sno2半导体纳米线阵列；
20.所述的纳米线加热升温速度为2～10℃/min，降温速度为2～10℃/min；
21.7)将步骤3)中制备的壳聚糖离子凝胶传感器贴合在步骤6)中制备的sno2纳米线上完成系统的制备；
22.所述的步骤(3)中的基片为玻璃、硅片或二氧化硅片。
23.所述基于sno2纳米线突触器件的味觉神经形态系统的应用，用于实现对溶液咸度的检测；
24.具体包括如下步骤：将味觉神经形态系统与半导体参数分析仪相接，然后测量味觉神经形态系统在待测溶液中的突触后电流值，将得到的电流值与识别预处理得到的不同浓度溶液刺激下的电流输出值比较，从而得到待测溶液的咸度；
25.所述的识别预处理，包括以下步骤：
26.将器件与半导体参数分析仪相接，室温条件下对味觉神经形态系统在不同浓度溶液刺激下的电流输出进行测量：当在味觉神经形态系统的生物质离子凝胶传感器上滴加0wt％-6wt％(相较于滴加清水即咸度为0)的生理盐水时出现不同程度的电流响应：在清水状态下，电流响应为4.9μa；逐渐增大溶液浓度至0.1wt％的过程中，输出电流整体呈现从4.9μa逐渐上升到9.6μa的增大趋势；当溶液浓度从0.1wt％向3wt％增长时，输出电流整体呈现从9.6μa降低至5.1μa的快速下降趋势，当溶液浓度从3wt％向6wt％增长时，输出电流整体呈现从5.1μa降低至4.1μa的缓慢下降趋势；根据对应的浓度和输出电流值，实现对不同浓度味道的识别预处理。
27.本发明的实质特点为：
28.本发明采用壳聚糖基离子凝胶传感器作为突触器件的栅介质层，通过模仿人类舌头的咸度感知机制，制备了一个具有高灵敏度感知能力、集成检测和信息处理功能味觉感
知系统。尽管随着神经形态电子学的发展，对触觉、视觉、嗅觉系统的研究已取得了巨大进展，但作为五大感觉系统的味觉却鲜有报道。目前对于味觉的监测装置大致可分为基于脂质的聚合物膜、人类味觉受体等电位型、伏安型人工舌头。但这些设备通常价格昂贵，不利于携带。并且更多偏向单一检测用途，没有将检测和信息处理功能集成。
29.本发明创造性的采用壳聚糖基离子凝胶传感器作为突触器件的栅介质层，在不同浓度的生理盐水下，壳聚糖基离子凝胶传感器通过控制na+内流数目的变化，传递不同的电信号，通过突触器件检测和信息处理后，成功地实现了对味觉的感知和处理。
30.本发明的有益效果为：
31.1)本发明以壳聚糖基离子凝胶传感器、sno2纳米线型人工突触器件为主体构建了人工味觉系统，体积较小约为1cm3远小于目前的味觉检测装置，我们的味觉神经形态系统极大的提高了设备的可携带性；
32.2)本发明中的人工味觉感知系统，不仅能够在单个器件中实现对生理盐水的检测(如图2和图3所示，人工味觉感知系统在质量分数分别为0.02、0.1、1、3、6的生理盐水下分别输出了不同的epsc峰值和刺激3s后基态电流值，且区分明显)，而且实现了信息处理功能的集成(如图6a为对清水检测可见没有电流输入且信号灯没亮，图6b为对3wt％的生理盐水检测可见电流输入高于25且左侧灯亮，图6c为对6wt％的生理盐水检测可见电流输入高于10但小于25且右侧侧灯亮)，这是其他味觉检测系统所不具备的；
33.3)本发明中离子凝胶传感器采用生物质材料壳聚糖，来源广泛，可以极大降低整个系统成本，且具有良好的生物兼容性，未来可应用于可植入生物体内，这是目前人工系统所不具备的特点。
附图说明：
34.图1为基于sno2纳米线突触器件的味觉神经形态系统结构示意图；其中，1为sno2半导体纳米线，2为sio2衬底，3为生物质离子凝胶传感器，4为间隔电极；
35.图2为实施例1中味觉感知系统在不同生理盐水浓度下的epsc示意图；
36.图3为实施例1中味觉感知系统在不同生理盐水浓度下的epsc随刺激个数的变化示意图；
37.图4为实施例1中sno2纳米线的sem表征示意图；
38.图5为实施例1中壳聚糖离子凝胶传感器阻抗分析示意图；
39.图6为实施例1中味觉神经形态系统对生理盐水的检测和信息处理示意图，其中，图6a为对清水检测和信息处理示意图、图6b为对3wt％的生理盐水检测和信息处理示意图、图6c为对6wt％的生理盐水检测和信息处理示意图。
具体实施方式：
40.下面结合实例对本发明进行阐述，但并不因此将本发明限制在实例范围之内。
41.实施例1
42.1)称取60mg壳聚糖粉末溶解在4ml冰醋酸溶液中(2wt％)，在70℃下以600rpm的速度搅拌40分钟；
43.2)向步骤1)中的溶液中加入0.4ml甘油并再次搅拌10分钟，将溶液超声15分钟，之
后在室温下静置2小时；
44.3)静置完成后，将步骤2)中的溶液滴在干净的载玻片上，在80℃的干燥箱中干燥20分钟，将离子溶液转化为胶体，离子胶的厚度为15μm；
45.4)将质量比为3:4的氯化亚锡二水合物和聚乙烯吡咯烷酮溶解于n,n-二甲基甲酰胺中，常温下搅拌6小时，制备前驱体溶液；其中，聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度分数为12.5％；
46.5)将上述前驱体溶液吸取至注射器中，利用电流体喷印设备(e-jet)，在衬底二氧化硅片上，将前驱体溶液打印为纳米线阵列，控制静电纺丝电压为1.2kv、注射器针头和基板之间的距离为5mm，针头出液量设置为30nl/min，基板运动速度设置为1000mm/s；
47.6)将上述制备得到的打印有纳米线阵列的二氧化硅硅片置于马弗炉中500℃下加热1.5小时，升温速度为3℃/min，降温速度为3℃/min，所述的纳米线的直径为1μm；长度为2cm；间距为300μm；
48.7)将步骤3)中得到了离子胶传感器贴于突触器件顶部制备出味觉感受系统(如图1所示)。
49.图1为味觉神经形态系统结构示意图，其主要包含壳聚糖离子胶传感器和sno2纳米线突触器件，器件为三明治结构，最下方为sio2衬底，中间层为sno2半导体纳米线，最上方为壳聚糖离子胶传感器；图4为实施例1中sno2半导体纳米线阵列的sem图片，可见我们成功的制备了长直而连续的sno2半导体纳米线阵列；图5为实施例1中壳聚糖离子凝胶传感器阻抗分析示意图。与电化学工作站760e相接进行测试，在室温条件下，采用三电极测试方法(ag/agcl参比电极、铂片对电极、玻碳工作电极)，测试其在10
5-10-2
hz频率下的阻抗特性。可见壳聚糖离子凝胶传感器在不同浓度的生理盐水下具有不同的阻抗，当生理盐水在0-3wt％范围内，电阻随着生理盐水浓度的升高而降低，当生理盐水在3-6wt％范围内，电阻随着生理盐水浓度的升高而升高，这说明我们制备的壳聚糖离子凝胶传感器具备了对不同浓度生理盐水的检测功能；图2为实施例1中制备的味觉神经形态系统在不同浓度生理盐水下的突触后电流(epsc)示意图，可以发现在0-0.1wt％的浓度范围内epsc随着浓度的升高而升高但撤去刺激3s后基态电流维持在一个较低的水准，在0.1-6wt％范围内epsc随着浓度的升高而降低但撤去刺激3s后基态电流维持在一个较高的水准(在浓度在大于0wt％小于3wt％时，epsc始终大于初始值即为0wt％时的epsc)，这与图5的阻抗表征趋势一致，成功地说明了我们的味觉神经形态系统能够实现对不同浓度生理盐水的感知；图3为实施例1中制备的味觉神经形态系统在不同浓度生理盐水下的epsc随刺激数量变化示意图，可以发现随着刺激数量的增加，epsc不断增加，具有累计效应，这说明我们的味觉神经形态系统成功地实现了检测和信息处理功能，其中测试仪器为美国吉时利keithley公司4200a-scs半导体测试分析仪。在图6中，a为实施例2中器件不施加溶液时的epsc变化示意图，b为实施例2中器件施加0.1％wt溶液时epsc变化示意图，c为实施例2中器件施加6％wt溶液时epsc变化示意图。分别以10μa和25μa的电流大小作为逻辑0/1的分界线，可以发现不滴加溶液时输出电流峰值和保留值均未超过10μa对应00不亮灯，滴加0.1wt％溶液时输出电流峰值超过25μa同时保留值超过10μa对应11亮左侧灯，滴加6wt％溶液时输出电流峰值超过25μa而保留值未超过10μa对应01亮右侧等。这说明器件成功的实现了对浓度的区分。
50.通过峰值电位、撤去刺激3s后电流的保留值与衰减速度的差异，选取合适阈值线，
进行双重判断产生不同逻辑关系，并根据产生的高低电位使报警装置发出不同指示状态，从而可以判定其其浓度大小。进而及时作出对应措施，避免浓度过高对人体造成的损害。
51.实施例2
52.1)称取50mg壳聚糖粉末溶解在4ml冰醋酸溶液中(2wt％)，在70℃下以600rpm的速度搅拌40分钟；
53.2)向步骤1)中的溶液中加入0.3ml甘油并再次搅拌10分钟，将溶液超声15分钟，之后在室温下静置2小时；
54.3)静置完成后，将步骤2)中的溶液滴在干净的载玻片上，在80℃的干燥箱中干燥20分钟，将离子溶液转化为胶体，厚度为10μm；
55.4)将质量比为3:4的氯化亚锡二水合物和聚乙烯吡咯烷酮溶解于n,n-二甲基甲酰胺中，常温下搅拌6小时，制备前驱体溶液；其中，聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度分数为10％；
56.5)将上述前驱体溶液吸取至注射器中，利用电流体喷印设备(e-jet)将前驱体溶液打印为纳米线阵列，控制静电纺丝电压为1.3kv、注射器针头和基板之间的距离为5mm，针头出液量设置为30nl/min，基板运动速度设置为1000mm/s；
57.6)将上述制备得到了纳米线阵列置于马弗炉中500℃下加热1.5小时，升温速度为3℃/min，降温速度为3℃/min，所述的纳米线的直径为0.5μm；长度为2cm；间距为250μm；
58.7)将步骤3)中得到了离子胶传感器贴于突触器件顶部制备出味觉感受系统(如附图1所示)。
59.实施例3
60.1)称取60mg壳聚糖粉末溶解在4ml冰醋酸溶液中(2wt％)，在70℃下以600rpm的速度搅拌40分钟；
61.2)向步骤1)中的溶液中加入0.4ml甘油并再次搅拌10分钟，将溶液超声15分钟，之后在室温下静置2小时；
62.3)静置完成后，将步骤2)中的溶液滴在干净的载玻片上，在80℃的干燥箱中干燥20分钟，将离子溶液转化为胶体，厚度为20μm；
63.4)将质量比为1:2的氯化亚锡二水合物和聚乙烯吡咯烷酮溶解于n,n-二甲基甲酰胺，常温下搅拌12小时，制备前驱体溶液，其中聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度分数为15％；
64.5)将上述前驱体溶液吸取至注射器中，利用电流体喷印设备(e-jet)将前驱体溶液打印为纳米线阵列，控制静电纺丝电压为1kv、注射器针头和基板之间的距离为3mm，针头出液量设置为30nl/min，基板运动速度设置为500mm/s，所述的纳米线的直径为2μm；长度为2cm；间距为500μm；
65.6)将上述制备得到了纳米线阵列置于马弗炉中500℃下加热1.5小时，升温速度为3℃/min，降温速度为3℃/min；
66.7)将步骤3)中得到了离子胶传感器贴于突触器件顶部制备出味觉感受系统(如附图1所示)。
67.本发明未尽事宜为公知技术。