生物醫(yī)學傳感器PPT幻燈片

第一章

生物醫(yī)學傳感器

Chapter1SensorandTransducerinBiomedicine

現(xiàn)代傳感器和計算機科學與技術是從太空到海洋、從軍事到民用的一切高科技之基礎，是一個國家科技水平的一種表現(xiàn)形式，也是綜合國力的一種表現(xiàn)形式，涵蓋了材料（無機材料、有機材料、生物材料）科學的從基礎理論到工程應用的一切領域，是現(xiàn)代科學技術的尖兵。如果顧名思義，傳感器應是傳遞感覺的器件。感覺乃生物體對客觀事物的一種反映。在信息檢測與處理領域，被感知的客觀事物是信號，含物理的、化學的、生物的等各種形式的信號。信號乃信息的載體，是客觀事物的一種表現(xiàn)形式。力、機械波、電磁波、基本粒子是物理信號。各種分子（含單原子分子）是化學信號。各種有生物活性的生物大分子，如DNA、蛋白質(zhì)等是生物信號。生物醫(yī)學傳感器涵蓋了上面三類傳感器。

第1節(jié)

生物醫(yī)學換能器的地位和作用

一、傳感器（換能器）的定義

能感受（或響應）規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號輸出的器件或裝置。通常由直接響應于被測量的敏感元件和產(chǎn)生可用信號輸出的元件以及相應的電子線路所組成。

如果要與現(xiàn)代計算機技術結(jié)合（構(gòu)成所謂智能系統(tǒng)）,則傳感器應是“能感知客觀事物并將其轉(zhuǎn)換為計算機能識別的信號的器件”。在這種意義下，測量框圖如圖1-1。

外界信息人體五官傳感器大腦計算機二、傳感器在生物醫(yī)學科學中的作用關于傳感器在生物醫(yī)學科學中的作用，可以這樣認為：生物醫(yī)學傳感器是生物醫(yī)學科學和技術的尖兵，生物醫(yī)學研究的正確結(jié)論有賴于生物醫(yī)學傳感器的正確測量。傳感器是一門十分綜合的科學和技術。隨著科學技術的發(fā)展，傳感器的概念也應隨著換能器的發(fā)展而發(fā)展?，F(xiàn)代傳感器的物理模型如圖1-2所示。對于傳統(tǒng)被測量而言，敏感膜就相當于傳感器與被測對象的界面。在傳統(tǒng)的傳感器前面附加一層根據(jù)不同需要而特制的敏感膜，即可表示化學傳感器和生物傳感器。二者的區(qū)別就看是否具有生物活性。具有生物活性的膜材料就是生物傳感器。傳感器中可存在兩個界面，一是被測介質(zhì)和敏感膜間的界面，二是敏感膜和傳感器間的界面。界面上發(fā)生著復雜的物理、化學或生物過程。四、傳感器的主要性能指標醫(yī)學中對傳感器的要求：安全性高(特別是用于人體的傳感器和換能器)，靈敏度高，信噪比高（選擇性高）。

保證物理安全性的措施是電的隔離、浮置技術，保證化學安全性高的要求是無毒性，無近期和遠期的致癌效應；保證生物安全性高的要求是無DNA和RNA突變。保證選擇性高的措施是利用共振效應、濾波技術、自適應技術、分子識別與離子識別技術。保證靈敏度高的措施是：物理、化學和生物放大技術。五.傳感器的發(fā)展方向多功能傳感器圖像傳感器(一維多維、機能形態(tài))

如：CCD、U-CT、X-CT、NMR-CT智能傳感器(信號采集與處理一體)

帶微處理器的傳感器微型傳感器(微米和納米數(shù)量級,MEMS)生物和化學傳感器(生物和化學含量的測定)仿生傳感器(代替視覺、嗅覺、味覺和聽覺)六.生物醫(yī)學傳感器的用途6.1定量醫(yī)學的需求

為基礎醫(yī)學研究和臨床診斷的研究與分析提供所需要的數(shù)據(jù)和圖像。定量地診斷臨床上的疑難病癥。生理信息傳感器信號處理輸出顯示電信號電信號典型醫(yī)學傳感測量系統(tǒng)框圖6.2在醫(yī)學中的主要用途檢測生物體信息

如心臟手術前檢測心內(nèi)壓力；心血管疾病的基礎研究中需要檢測血液的粘度以及血脂含量。臨床監(jiān)護

如病人在進行手術前后需要連續(xù)檢測體溫、脈搏、血壓、呼吸、心電等生理參數(shù)?？刂?/p>

利用檢測到的生理參數(shù)，控制人體的生理過程。如電子假肢

6.3醫(yī)學中需要測量的量位移結(jié)石的位置、皮膚厚度、皮下脂肪厚度、心臟位移等振動心音、聲音、呼吸音、血管音等力血壓、心肌力、眼球內(nèi)壓、胃內(nèi)壓等流量血流量、呼吸氣體流量、出血量、尿流量等溫度皮膚溫度、直腸溫度、呼吸溫度、血液溫度等化學成分02、CO2、CO、H2O、NH3、Na＋、K＋……生物成分蛋白質(zhì)、細菌、病毒等放射線X射線、同位素劑量等生物電心電、腦電、肌電、眼電、胃電等七.開發(fā)新型傳感器的途徑采用新原理

如：約瑟夫遜效應傳感器開創(chuàng)了極微弱磁場的檢測采用新材料

如：1.高分子壓電薄膜使機器人的觸覺接近人的皮膚2.壓電石英晶體微天平可以檢測納克甚至皮克數(shù)量級的生物濃度3.碳納米管生物傳感器可以檢測一個病毒的質(zhì)量采用新的加工技術

微細加工技術、光刻、蝕刻等技術加工出微型化、集成化傳感器不僅體積很小，而且傳感器具有多功能、智能化的優(yōu)點。如：Lab—onchip第2節(jié)物理傳感器

利用物理性質(zhì)或物理效應制成的傳感器叫物理傳感器，或把物理量轉(zhuǎn)變?yōu)槟転橛嬎銠C識別的電學量的器件叫傳感器。如果被測物理量本身就是電學量，則傳感器退化為傳感器。物理傳感器的框圖如圖1-3。一般按工作原理或被測量將物理傳感器分類。（1）按工作原理的分類如：應變式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、壓電式傳感器、磁電式傳感器、熱電式傳感器、光電式傳感器等。（2）按被測量分類如：位移傳感器、壓力傳感器、振動傳感器、流量傳感器、溫度傳感器等。（3）由于一種被測量往往可用幾種不同的工作原理來制成傳感器來檢測，所以物理傳感器的名稱常常在被測量前面加上不同的工作原理做定語來命名，如應變片式壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器等等。生物醫(yī)學領域應用的物理傳感器的分類和用途的例子如表1-2。表1-2生物醫(yī)學用物理傳感器的分類和用途名稱用途位移傳感器血管內(nèi)外徑，心房、心室尺寸，骨骼肌、平滑肌的收縮等速度傳感器血流速度、排尿速度、分泌速度、呼吸氣流速度等振動（加速度）傳感器各種生理病理聲音，如心音、呼吸音、血管音，搏動，震顫等力傳感器肌收縮力、咬合力、骨骼負荷力、粘滯力等流量傳感器血流量、尿流量、心輸出量、呼吸流量等壓強傳感器血壓、眼壓、心內(nèi)壓、顱內(nèi)壓、胃內(nèi)壓、膀胱內(nèi)壓、子宮內(nèi)壓等溫度傳感器口腔、直腸、皮膚、體（核）、心內(nèi)、腫物、血液、中耳膜內(nèi)溫度電學傳感器肌電、心電、各種平滑肌電、眼電、神經(jīng)電、離子通道電等輻射傳感器X射線、各種核射線、RF電磁波等光學傳感器各種生物發(fā)光、吸光、散射光第3節(jié)化學傳感器化學傳感器是把化學成分、濃度等轉(zhuǎn)換成與之有確切關系的電學量的器件。它多是利用某些功能性膜對特定化學成分的選擇作用把被測成分篩選出來，進而用電化學裝置把它變?yōu)殡妼W量。一般多是依賴膜電極的響應機理、膜的組成或膜的結(jié)構(gòu)進行分類。如離子選擇電極換能器、氣敏電極換能器、濕敏電極換能器、涂絲電極換能器聚合物基質(zhì)電極換能器、離子敏感場效應管換能器、離子選擇微電極換能器、離子選擇薄片換能器。生物醫(yī)學用各種化學換能器測量的化學物質(zhì)有：K+、Na+、Ca2+、Cl-、O2、CO2、NH3、H+、Li+

等。對于這些換能器的較詳細的敘述，請參看章末文獻。第4節(jié)生物傳感器檢測生物物質(zhì)的傳感器稱為生物傳感器(Biosensor)是近年來才發(fā)展最迅速一類傳感器。生物傳感器的原理和組成（1）分子識別元件（2）換能器形式底物特點酶底物分子識別與催化功能結(jié)合受體配體分子識別，可逆性極好抗體抗原分子識別，具有應激生成特性DNA互補DNA或嵌合劑分子識別與信息儲存表1-3一些分子識別系統(tǒng)的形式、底物及特點換能器種類：電化學電極、半導體、熱敏電阻、表面等離子體、壓電晶體等按分子識別元件對生物傳感器的命名按換能方式對生物換能器的命名生物傳感器的分類生物傳感器的關鍵技術—固定化技術目的：在于使生物功能物質(zhì)保持原有生物活性、非特異性吸附小、不易脫落、固定量大以及不影響換能器的靈敏度和響應時間等特點。

方法：（1）夾心法（2）吸附法（3）包埋法（4）共價鍵法（5）交聯(lián)法（6）自組裝法（7）自組裝納米金法傳統(tǒng)方法先進方法金電極表面的自組裝自組裝納米金

生物傳感器的基本原理與組成生物(敏感)功能膜信號(換能)轉(zhuǎn)換器化學物質(zhì)熱光質(zhì)量介電性質(zhì)電極、半導體等熱電偶、熱敏電阻光纖、光度計壓電晶體等表面等離子共振返回計算機分子識別過程生化反應信號轉(zhuǎn)換為電信號信號預處理裝置分子識別元件當今研究最熱門的幾種生物傳感器電化學生物傳感器（EC）

原理：電極上發(fā)生化學反應得失電子壓電石英晶體生物傳感器（QCM）原理：石英晶體的逆壓電效應表面等離子共振生物傳感器（SPR）原理：表面等離子的光學效應（折射率的變化）例子(一)壓電石英晶體生物傳感器檢測原理：測量系統(tǒng)組成：傳感器探頭：分子識別過程例子(二)DNA芯片工作原理DNA探針制備過程DNA芯片外貌例子(三)微懸臂生物傳感器例子(四)微流控芯片參