生物醫(yī)學(xué)傳感器PPT幻燈片

第一章

生物醫(yī)學(xué)傳感器

Chapter1SensorandTransducerinBiomedicine

現(xiàn)代傳感器和計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)是從太空到海洋、從軍事到民用的一切高科技之基礎(chǔ)，是一個(gè)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(jī)材料、有機(jī)材料、生物材料）科學(xué)的從基礎(chǔ)理論到工程應(yīng)用的一切領(lǐng)域，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的尖兵。如果顧名思義，傳感器應(yīng)是傳遞感覺的器件。感覺乃生物體對(duì)客觀事物的一種反映。在信息檢測(cè)與處理領(lǐng)域，被感知的客觀事物是信號(hào)，含物理的、化學(xué)的、生物的等各種形式的信號(hào)。信號(hào)乃信息的載體，是客觀事物的一種表現(xiàn)形式。力、機(jī)械波、電磁波、基本粒子是物理信號(hào)。各種分子（含單原子分子）是化學(xué)信號(hào)。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(hào)。生物醫(yī)學(xué)傳感器涵蓋了上面三類傳感器。

第1節(jié)

生物醫(yī)學(xué)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(yīng)）規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)輸出的器件或裝置。通常由直接響應(yīng)于被測(cè)量的敏感元件和產(chǎn)生可用信號(hào)輸出的元件以及相應(yīng)的電子線路所組成。

如果要與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合（構(gòu)成所謂智能系統(tǒng)）,則傳感器應(yīng)是“能感知客觀事物并將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的信號(hào)的器件”。在這種意義下，測(cè)量框圖如圖1-1。

外界信息人體五官傳感器大腦計(jì)算機(jī)二、傳感器在生物醫(yī)學(xué)科學(xué)中的作用關(guān)于傳感器在生物醫(yī)學(xué)科學(xué)中的作用，可以這樣認(rèn)為：生物醫(yī)學(xué)傳感器是生物醫(yī)學(xué)科學(xué)和技術(shù)的尖兵，生物醫(yī)學(xué)研究的正確結(jié)論有賴于生物醫(yī)學(xué)傳感器的正確測(cè)量。傳感器是一門十分綜合的科學(xué)和技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳感器的概念也應(yīng)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(duì)于傳統(tǒng)被測(cè)量而言，敏感膜就相當(dāng)于傳感器與被測(cè)對(duì)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(xué)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(gè)界面，一是被測(cè)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(fù)雜的物理、化學(xué)或生物過程。四、傳感器的主要性能指標(biāo)醫(yī)學(xué)中對(duì)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(shù)，保證化學(xué)安全性高的要求是無毒性，無近期和遠(yuǎn)期的致癌效應(yīng)；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(yīng)、濾波技術(shù)、自適應(yīng)技術(shù)、分子識(shí)別與離子識(shí)別技術(shù)。保證靈敏度高的措施是：物理、化學(xué)和生物放大技術(shù)。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(jī)能形態(tài))

如：CCD、U-CT、X-CT、NMR-CT智能傳感器(信號(hào)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(jí),MEMS)生物和化學(xué)傳感器(生物和化學(xué)含量的測(cè)定)仿生傳感器(代替視覺、嗅覺、味覺和聽覺)六.生物醫(yī)學(xué)傳感器的用途6.1定量醫(yī)學(xué)的需求

為基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)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(hào)處理輸出顯示電信號(hào)電信號(hào)典型醫(yī)學(xué)傳感測(cè)量系統(tǒng)框圖6.2在醫(yī)學(xué)中的主要用途檢測(cè)生物體信息

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

如病人在進(jìn)行手術(shù)前后需要連續(xù)檢測(cè)體溫、脈搏、血壓、呼吸、心電等生理參數(shù)。控制

利用檢測(cè)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(xué)中需要測(cè)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(dòng)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(xué)成分02、CO2、CO、H2O、NH3、Na＋、K＋……生物成分蛋白質(zhì)、細(xì)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(yīng)傳感器開創(chuàng)了極微弱磁場(chǎng)的檢測(cè)采用新材料

如：1.高分子壓電薄膜使機(jī)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(cè)納克甚至皮克數(shù)量級(jí)的生物濃度3.碳納米管生物傳感器可以檢測(cè)一個(gè)病毒的質(zhì)量采用新的加工技術(shù)

微細(xì)加工技術(shù)、光刻、蝕刻等技術(shù)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(diǎn)。如：Lab—onchip第2節(jié)物理傳感器

利用物理性質(zhì)或物理效應(yīng)制成的傳感器叫物理傳感器，或把物理量轉(zhuǎn)變?yōu)槟転橛?jì)算機(jī)識(shí)別的電學(xué)量的器件叫傳感器。如果被測(cè)物理量本身就是電學(xué)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(cè)量將物理傳感器分類。（1）按工作原理的分類如：應(yīng)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(cè)量分類如：位移傳感器、壓力傳感器、振動(dòng)傳感器、流量傳感器、溫度傳感器等。（3）由于一種被測(cè)量往往可用幾種不同的工作原理來制成傳感器來檢測(cè)，所以物理傳感器的名稱常常在被測(cè)量前面加上不同的工作原理做定語來命名，如應(yīng)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(xué)領(lǐng)域應(yīng)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(xué)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(dòng)（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(dòng)，震顫等力傳感器肌收縮力、咬合力、骨骼負(fù)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(qiáng)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(xué)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(xué)傳感器各種生物發(fā)光、吸光、散射光第3節(jié)化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器是把化學(xué)成分、濃度等轉(zhuǎn)換成與之有確切關(guān)系的電學(xué)量的器件。它多是利用某些功能性膜對(duì)特定化學(xué)成分的選擇作用把被測(cè)成分篩選出來，進(jìn)而用電化學(xué)裝置把它變?yōu)殡妼W(xué)量。一般多是依賴膜電極的響應(yīng)機(jī)理、膜的組成或膜的結(jié)構(gòu)進(jìn)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(chǎng)效應(yīng)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(xué)用各種化學(xué)換能器測(cè)量的化學(xué)物質(zhì)有：K+、Na+、Ca2+、Cl-、O2、CO2、NH3、H+、Li+

等。對(duì)于這些換能器的較詳細(xì)的敘述，請(qǐng)參看章末文獻(xiàn)。第4節(jié)生物傳感器檢測(cè)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(shí)別元件（2）換能器形式底物特點(diǎn)酶底物分子識(shí)別與催化功能結(jié)合受體配體分子識(shí)別，可逆性極好抗體抗原分子識(shí)別，具有應(yīng)激生成特性DNA互補(bǔ)DNA或嵌合劑分子識(shí)別與信息儲(chǔ)存表1-3一些分子識(shí)別系統(tǒng)的形式、底物及特點(diǎn)換能器種類：電化學(xué)電極、半導(dǎo)體、熱敏電阻、表面等離子體、壓電晶體等按分子識(shí)別元件對(duì)生物傳感器的命名按換能方式對(duì)生物換能器的命名生物傳感器的分類生物傳感器的關(guān)鍵技術(shù)—固定化技術(shù)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(yīng)時(shí)間等特點(diǎn)。

方法：（1）夾心法（2）吸附法（3）包埋法（4）共價(jià)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(jìn)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(hào)(換能)轉(zhuǎn)換器化學(xué)物質(zhì)熱光質(zhì)量介電性質(zhì)電極、半導(dǎo)體等熱電偶、熱敏電阻光纖、光度計(jì)壓電晶體等表面等離子共振返回計(jì)算機(jī)分子識(shí)別過程生化反應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)信號(hào)預(yù)處理裝置分子識(shí)別元件當(dāng)今研究最熱門的幾種生物傳感器電化學(xué)生物傳感器（EC）

原理：電極上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)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(yīng)表面等離子共振生物傳感器（SPR）原理：表面等離子的光學(xué)效應(yīng)（折射率的變化）例子(一)壓電石英晶體生物傳感器檢測(cè)原理：測(cè)量系統(tǒng)組成：傳感器探頭：分子識(shí)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