01生物医学传感器.ppt

第一章生物医学传感器Chapter1SensorandTransducerinBiomedicine,本章主要内容：生物医学换能器的地位和作用物理传感器化学传感器生物传感器,第一章生物医学传感器Chapter1SensorandTransducerinBiomedicine,现代传感器和计算机科学与技术是从太空到海洋、从军事到民用的一切高科技之基础，是一个国家科技水平的一种表现形式，也是综合国力的一种表现形式，涵盖了材料（无机材料、有机材料、生物材料）科学的从基础理论到工程应用的一切领域，是现代科学技术的尖兵。如果顾名思义，传感器应是传递感觉的器件。感觉乃生物体对客观事物的一种反映。在信息检测与处理领域，被感知的客观事物是信号，含物理的、化学的、生物的等各种形式的信号。信号乃信息的载体，是客观事物的一种表现形式。力、机械波、电磁波、基本粒子是物理信号。各种分子（含单原子分子）是化学信号。各种有生物活性的生物大分子，如DNA、蛋白质等是生物信号。生物医学传感器涵盖了上面三类传感器。,第1节生物医学换能器的地位和作用,一、传感器（换能器）的定义能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的元件以及相应的电子线路所组成。如果要与现代计算机技术结合（构成所谓智能系统）,则传感器应是“能感知客观事物并将其转换为计算机能识别的信号的器件”。在这种意义下，测量框图如图1-1。,外界信息,人体五官,传感器,大脑,计算机,二、传感器在生物医学科学中的作用关于传感器在生物医学科学中的作用，可以这样认为：生物医学传感器是生物医学科学和技术的尖兵，生物医学研究的正确结论有赖于生物医学传感器的正确测量。传感器是一门十分综合的科学和技术。随着科学技术的发展，传感器的概念也应随着换能器的发展而发展。现代传感器的物理模型如图1-2所示。对于传统被测量而言，敏感膜就相当于传感器与被测对象的界面。在传统的传感器前面附加一层根据不同需要而特制的敏感膜，即可表示化学传感器和生物传感器。二者的区别就看是否具有生物活性。具有生物活性的膜材料就是生物传感器。传感器中可存在两个界面，一是被测介质和敏感膜间的界面，二是敏感膜和传感器间的界面。界面上发生着复杂的物理、化学或生物过程。,三、传感器的分类,传感器,物理传感器,化学传感器,生物传感器,位移,力,速度,温度,各种化学物质,酶,免疫,微生物,DNA,注:其他分类方法请参考相关书籍,四、传感器的主要性能指标,四、传感器的主要性能指标,医学中对传感器的要求：安全性高(特别是用于人体的传感器和换能器)，灵敏度高，信噪比高（选择性高）。保证物理安全性的措施是电的隔离、浮置技术，保证化学安全性高的要求是无毒性，无近期和远期的致癌效应；保证生物安全性高的要求是无DNA和RNA突变。保证选择性高的措施是利用共振效应、滤波技术、自适应技术、分子识别与离子识别技术。保证灵敏度高的措施是：物理、化学和生物放大技术。,五.传感器的发展方向,多功能传感器图像传感器(一维多维、机能形态)如：CCD、U-CT、X-CT、NMR-CT智能传感器(信号采集与处理一体)带微处理器的传感器微型传感器(微米和纳米数量级,MEMS)生物和化学传感器(生物和化学含量的测定)仿生传感器(代替视觉、嗅觉、味觉和听觉),六.生物医学传感器的用途,6.1定量医学的需求为基础医学研究和临床诊断的研究与分析提供所需要的数据和图像。定量地诊断临床上的疑难病症。,生理信息,传感器,信号处理,输出显示,电信号,电信号,典型医学传感测量系统框图,6.2在医学中的主要用途检测生物体信息如心脏手术前检测心内压力；心血管疾病的基础研究中需要检测血液的粘度以及血脂含量。临床监护如病人在进行手术前后需要连续检测体温、脉搏、血压、呼吸、心电等生理参数。控制利用检测到的生理参数，控制人体的生理过程。如电子假肢,6.3医学中需要测量的量,七.开发新型传感器的途径,采用新原理如：约瑟夫逊效应传感器开创了极微弱磁场的检测采用新材料如：1.高分子压电薄膜使机器人的触觉接近人的皮肤2.压电石英晶体微天平可以检测纳克甚至皮克数量级的生物浓度3.碳纳米管生物传感器可以检测一个病毒的质量采用新的加工技术微细加工技术、光刻、蚀刻等技术加工出微型化、集成化传感器不仅体积很小，而且传感器具有多功能、智能化的优点。如：Labonchip,第2节物理传感器,利用物理性质或物理效应制成的传感器叫物理传感器，或把物理量转变为能为计算机识别的电学量的器件叫传感器。如果被测物理量本身就是电学量，则传感器退化为传感器。物理传感器的框图如图1-3。一般按工作原理或被测量将物理传感器分类。（1）按工作原理的分类如：应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、热电式传感器、光电式传感器等。（2）按被测量分类如：位移传感器、压力传感器、振动传感器、流量传感器、温度传感器等。（3）由于一种被测量往往可用几种不同的工作原理来制成传感器来检测，所以物理传感器的名称常常在被测量前面加上不同的工作原理做定语来命名，如应变片式压力传感器、压阻式压力传感器、压电式压力传感器等等。生物医学领域应用的物理传感器的分类和用途的例子如表1-2。,表1-2生物医学用物理传感器的分类和用途,第3节化学传感器,化学传感器是把化学成分、浓度等转换成与之有确切关系的电学量的器件。它多是利用某些功能性膜对特定化学成分的选择作用把被测成分筛选出来，进而用电化学装置把它变为电学量。一般多是依赖膜电极的响应机理、膜的组成或膜的结构进行分类。如离子选择电极换能器、气敏电极换能器、湿敏电极换能器、涂丝电极换能器聚合物基质电极换能器、离子敏感场效应管换能器、离子选择微电极换能器、离子选择薄片换能器。生物医学用各种化学换能器测量的化学物质有：K+、Na+、Ca2+、Cl-、O2、CO2、NH3、H+、Li+等。对于这些换能器的较详细的叙述，请参看章末文献。,第4节生物传感器,检测生物物质的传感器称为生物传感器(Biosensor)是近年来才发展最迅速一类传感器。生物传感器的原理和组成（1）分子识别元件（2）换能器,表1-3一些分子识别系统的形式、底物及特点,换能器种类：电化学电极、半导体、热敏电阻、表面等离子体、压电晶体等,按分子识别元件对生物传感器的命名,按换能方式对生物换能器的命名,生物传感器的分类,生物传感器的关键技术固定化技术目的：在于使生物功能物质保持原有生物活性、非特异性吸附小、不易脱落、固定量大以及不影响换能器的灵敏度和响应时间等特点。方法：（1）夹心法（2）吸附法（3）包埋法（4）共价键法（5）交联法（6）自组装法（7）自组装纳米金法,传统方法,先进方法,金电极表面的自组装,自组装纳米金,生物传感器的基本原理与组成,生物(敏感)功能膜,信号(换能)转换器,化学物质,热,光,质量,介电性质,电极、半导体等,热电偶、热敏电阻,光纤、光度计,压电晶体等,表面等离子共振,返回,计算机,分子识别过程,生化反应信号转换为电信号,信号预处理装置,分子识别元件,当今研究最热门的几种生物传感器,电化学生物传感器（EC）原理：电极上发生化学反应得失电子压电石英晶体生物传感器（QCM）原理：石英晶体的逆压电效应表面等离子共振生物传感器（SPR）原理：表面等离子的光学效应（折射率的变化）,例子(一),压电石英晶体生物传感器,检测原理：,测量系统组成：,传感器探头：,分子识别过程,例子(二),DNA芯片,工作原理,DNA探针制备过程,DNA芯片外貌,例子(三),微悬臂生物传感器,例子(四),微流控芯片,参考文献1彭承琳。生物医学传感器原理及应用。重庆大