《生物传感检测技术》PPT课件.ppt

1、生 物 传 感 检 测 技 术-生物传感器,教师 熊兴良 E_mail 生物医学工程研究室,主要内容,传感器基础知识 生物传感检测的生物学理论 生物传感器关键技术 电化学生物传感器 压电晶体生物传感器 基因芯片与蛋白质芯片,绪 论,主要内容 传感器的定义 传感器的发展方向 生物医学传感器的用途 开发新型传感器的途径 开发生物医学传感器的要求,检测就是去认识 -西门子(W.Ven.Siemens),医学中常用的生化检测技术,比色法(colorimetry) 以生成有色化合物的显色反应为基础，通过比较或测量有色物质溶液颜色深度来确定待测组分含量的方法。 比色分析对显色反应的基本要求是：反应应具有较

2、高的灵敏度和选择性，反应生成的有色化合物的组成恒定且较稳定，它和显色剂的颜色差别较大。选择适当的显色反应和控制好适宜的反应条件，是比色分析的关键。 常用的比色法有两种：目视比色法和光电比色法，两种方法都是以朗伯-比尔定律(Abc)为基础。,医学中常用的生化检测技术,分光光度法(spectrophotometry) 物质对不同波长的入射光有不同程度的吸收，形成吸收光谱。不同物质各有其特征分子吸收光谱。在一定条件下记录某些物质在光源的各波长的透光率，以波长为横坐标，以透光率为纵坐标描绘的曲线。其形状反映了物质的特性。L-B定律。拓宽了比色法。 分光光度法的应用光区包括紫外光区，可见光区，红外光区。

3、,医学中常用的生化检测技术,荧光法(fluorescence method) 物质在受到高能量的光照射时，在吸收某些波长的光后，会发射各种颜色和不同强度的光，照射停止，发光消失，这就是荧光。荧光物质浓度越大，发射的荧光强度也越大。,医学中常用的生化检测技术,火焰光度法(flame photometry) 属于发射光谱分析，根据阳离子在火焰中燃烧时发射特征谱线进行测定。 离子选择性电极(ion specific electrode; ISE) 属于电位测定法。(后面电化学传感器讲) 自动生化分析仪(automatic biochemistry analyzer) 带光电传感器的光度计 电泳法(e

4、lectrophoresis method) 不同物质由于所带电荷不同，在一定磁场中的泳速不同。,1 传感器的定义,定义：传感器是检测系统的第一个环节。它是以一定的精度把被测量转换成与之有确定关系的、便于应用的某种量值的测量装置 顾名思义，传感器的功能是一感二传，即感受被测信息，并传送出去。根据传感器的功能要求，它一般应由三部分组成，即：敏感元件、转换元件、信号调理电路,敏感元件 能够灵敏地感受被测量并作出响应的元件 如金属或半导体应变片，能感受压力的大小而引起形变，形变程度就是对压力大小的响应。金属或半导体应变片，就是一种压力敏感元件。 铂电阻能感受温度的升降而改变其阻值，阻值的变化就是对温

5、度升降的响应，所以铂电阻就是一种温度敏感元件。,转换元件 上面介绍的敏感元件，其中有许多可兼做转换元件。转换元件实际上就是将敏感元件感受的被测量转换成电路参数的元件。 如果敏感元件本身就能直接将被测量变成电路参数，那么，该敏感元件就是具有了敏感和转换两个功能。 如热敏电阻，它不仅能直接感受温度的变化，而且能将温度变化转换成电阻的变化，也就是将非电路参数（温度）直接变成了电路参数（电阻）。,信号调理电路 一般有两个作用。 一是信号转换和放大； 二是信号处理，即滤波、调制和解调、衰减运算、数字化处理等。,2 传感器的分类,传感器,物理传感器,化学传感器,生物传感器,位移传感器,加速度传感器,速度,

6、温度传感器,O2传感器,酶传感器,免疫传感器,微生物传感器,DNA传感器,1、按被测量分类,流量传感器,压力传感器,CO2传感器,Na传感器,2、按工作原理分类,传感器,应变式传感器,压电式传感器,电动式传感器,压阻式传感器,热电式传感器,电容式传感器,电感式传感器,电化学式传感器,3、结合被测量和工作原理分类,传感器,应变式压力传感器,压电式生物传感器,热电式温度传感器,电容式湿度传感器,压电式加速度传感器,.,.,4、按人的感觉功能分类,传感器,视觉传感器,听觉式传感器,味觉式传感器,触觉式传感器,嗅觉式传感器,生物传感器,生理 参数,利用生物活性物质选择性识别来测定生化物质,利用材料的物

7、理变化,物理传感器,非电学量参数,利用化学反应原理，把化学成分、浓度转换成电信号,化学传感器,5、医学上传感器的分类-按检测的生理参数进行分类,生物电检测电极,生物电的变化能够反应生物体的复杂生命现象，比如人体心血管的疾患，通常可以从心脏各部分的电活动反映出来。例如：临床医生可以从病人身上记录的心电图的细节进行分析诊断；人的神经系统及脑部的疾患在脑电图上必有所表现。 因此临床上研究人的各种脏器的功能状态、疾病的发生与发展，需要有效地把生物体内细胞、离子分布电位感应导出。通过与生物体的接触耦合，将生物体内的电位和生物电流有效地导出的敏感元件称为检测电极。,生物电检测电极示意图,机体外,机体内,电

8、极,电极的本质-半电池原理,当某种金属浸入含有这种金属离子的电解质溶液中时，金属中的原子将失去一些电子进入溶液，溶液中的离子也将在金属电极上沉积，当这两种过程相平衡时，在金属和电解质溶液的接触面上形成电荷分布，并建立起一个平衡的电位差。对给定的金属与电解质溶液来说，这种电位差是一个完全确定的量。这种金属与电解质的组合如同半个电解质电池，称半电池，其电位差称为半电池电位。,Zn,ZnSO4,生物电电极的本质是由金属电解质溶液构成的半电池。 生物体的活组织是一种含多种金属离子成份的电解质溶液，当电极与组织表面相接触时，电极与组织之间就构成了半电池。,电极的本质,电极的极化,电极与电解液处于静态平衡

9、时，电极与电解液间没有电流流过。当接上仪器的电路时，就有电流流过这个界面。原有的平衡被打破，电极的半电池电位与没电流时不同。 所谓极化就是当电流通过电极界面时电极电位偏离平衡电位的现象。在有和无电流通过两种情况下电极的半电池电位的差值称为极化电压。,生物电测量的等效电路,实验表明，生物电测量电极的伏安特性呈非线性。电极的参数与流过的电流强度和频率有关。,电极的电位,生物电电位差两个电极间的电位差 电极的电位电极的半电池电位与极化电位的总和。,生物电电极的分类,宏电极和微电极,宏电极用于检测和记录机体器官、组织整体放电水平的电极。按记录部位的不同，分为体表电极和体内电极。 微电极用于测量细胞内外

10、的电位改变的电极，其尖端直径一般直径小于细胞，且电极较坚硬，可刺入细胞膜并保持机械性能稳定。微电极直径大约在0.05到10m之间。按制作材料可分为金属微电极和充填电解液的玻璃微电极。,体表电极,体表电极是用于在身体表面记录生物电信号(如ECG、EEG、EMG)的电极。 皮肤的角质层虽然极薄(约40m)，但具有很高的电阻率。一般在电极表面涂上一层含有Cl-离子的导电膏，以保持良好接触，并且在此之前用砂纸摩擦去除部分皮肤角质层，可以显著减小表皮电阻 体表电极，应满足如下要求：电极电位稳定；阻抗小；安放容易且不易脱落；不易产生运动伪迹；可长期监测；无毒安全、对人体刺激要小。 当电极相对于电解液运动时

11、，使界面处电荷分布打乱，会产生运动伪迹。,临床上常用的体表电极,临床上常用的体表电极种类繁多、形状多样，常见的有金属板电极、Ag/Agcl电极等。不锈钢、铂或镀金(银)的圆盘电极常用于肌电和脑电的记录。 柔性电极可适应体表外形的变化，可减少运动伪迹，常用的是柔性银丝电极，它的制作方法很简单：在橡皮膏上敷一小块银丝网，焊上引线，涂上导电膏即可，它适用于手、足等部位的测量，尤其是早产新生儿的心电监测。 体表生物电检测中最常用的电极是Ag/AgCl电极。它的结构是在金属银的表面覆盖一层难溶解的银的盐类AgCl，再浸入含有氯离子的溶液中。 电极可以用下列符号表示：Ag|AgCl|C1-。 实际应用的A

12、g/AgCl电极极化电压很低，一般在0.2mV左右。极化电压的随机变化小于10mV，对生物电的检测几乎不产生影响。在临床上得到广泛的应用。,Ag-Agcl圆盘电极,Ag-Agcl圆盘电极的导电膏充填在空腔内，结构稳定，并且对于生物组织具有非常小和稳定的半电池电位，而且是一种不可极化电极，所以常被用作体表生物电测量电极。,体内电极,体内电极，用作在生物体内检测生物电势。因电极被插入体内，电极材料的安全性很重要，象Ag-Agcl电极和人体蛋白质会发生化学反应，不应选用。 下面介绍两种体内电极：经皮注射式针电极和丝电极。,（a）经皮注射式针电极 （b）丝电极,丝电极一般采用外面涂有绝缘层，直径为25

13、-125m的镍铬合金丝做成，用于肌电的长期测量。,针电极一般用不锈钢材料制成，常用于肌电的测量，效果较体表电极大5-7倍。,金属微电极,金属微电极是在不锈钢、钨、铂等金属上喷涂聚合物、玻璃等绝缘材料制成的，其尖端裸露。金属微电极的极化特性使其不宜精确测量细胞的静止电势，常用于活动电势的检测。 金属微电极包括单点测量微电极和多重微电极，后者由多根相互独立的电极组合而成，能同时测量多点电位。如测量神经纤维束中多根神经纤维电位的多个单点电极。 目前已经出现的有用半导体材料制作的多重微电极和经磁化处理的、合金线制作的、每个电极可独立移动的多重电极。,玻璃微电极,玻璃微电极一般用于细胞膜电势(如静息电位

14、)的测量。它是由毛细管热拉后，内部充入电导率溶液，再将电极丝放入制成，电极尖端直径一般小于1m。 玻璃微电极较金属电极来讲，存在阻抗高、噪声大等缺点。 玻璃微电极可以向检测部位注射微量药物。,常用医用物理传感器,物理传感器是指基于物理学原理、检测机体物理学指标的一类传感器。物理传感器是生物医学传感器中的一个大类，其作用是将各种物理信号转化为电信号。 下面介绍几种医学常用的物理传感器:,（1）温度的测量和温度传感器,温度是物理学中一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。温度传感器是最早开发、最古老，也是应用最广泛的一类传感器。 在医学上通常将体温分为体表温度、深部温度(即机体内部

15、温度)和器官温度(用流经器官的血液温度来代替)，测量时应根据不同需要来选用不同类型的温度传感器。,温度传感器的发展历史,首先把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝克发明的，这就是后来的热电偶传感器。 50年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计（RTD）。 后来，由于半导体材料的发明，本世纪相继开发了半导体热敏电阻传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。 根据波与物质的相互作用规律，人们又相继开发了声学温度传感器、红外温度传感器和微波温度传感器等。,温度传感器的种类,目前，温度传感器的种类很多，在医学上常用的有： 热电偶温度传感器 热敏电阻温度传感器 PN结温度传感器和集

16、成温度传感器 红外热辐射式温度传感器。,热电偶温度传感器,当两种不同材质的导体，在某点互相连接在一起，对这个连接点加热，在它们不加热的部位就会出现电位差。这个电位差的数值与不加热部位测量点的温度以及这两种导体的材质有关。这种现象被称为热电效应，也称Seeback(赛贝克)效应。,医学测量中热电偶温度传感器种类较多，常用的有杆状热电偶和片状热电偶。 杆状热电偶是将金属丝放入注射针头中，经皮插入到待测部位，可用于测量口腔和直肠温度。 片状热电偶是用薄膜代替金属丝，最薄可达3-6m，将其固定在适当材料的基片上，尺寸很小，直径达m数量级，响应速度很快，有的可用于测量细胞内的暂态温度。,（a）杆状热电偶

17、（b）片状热电偶,热敏电阻温度传感器,热电阻式温度传感器可分为两大类：纯金属电阻（RTD）和半导体材料热敏电阻，因后者临床用的较多，这里重点介绍热敏电阻式温度传感器。 在生物医学测量中通常将热敏电阻的探头做成珠状和薄片状，体积非常小(可达几十纳米)，其热惯性小、响应速度快。其中薄片热敏电阻多是用单晶半导体材料(如SiC)制造的，在它的外表涂覆一层高强度绝缘漆类材料作绝缘防护，多用于测量表面温度和皮肤温度。还有一种注射针型的测稳探头是用微型珠状热敏电阻封装于注射针头的顶端制成的，可用来做动物实验及测量肌肉温度和浅表血管内的温度。,PN结温度传感器和集成温度传感器,PN结温度传感器是利用半导体PN

18、结上正向电压降的温度效应设计而成的，其线性度好、灵敏度高、测量范围宽，还可与放大器做在一起，体积小且性能稳定，可应用在低温测量和植入动物体内长期检测使用。 临床上常用的PN结测温探头有杆式测温探头、小型测温探头、针状测温探头和表面测温探头，它们的不同在于半导体热敏器件安装的方法和装配材料的不同，当然其时间常数也不同，其中以小型测温探头最小，达0.2S。,红外热辐射式温度传感器,上述温度传感器都属于接触式温度传感器，红外辐射式温度传感器则属于不需与被测对象接触的传感器，因而不会影响人体的生理状态。 根据Planck辐射定律，当物体的温度高于热力学温度零度(-273.16)时，都要以电磁波的形式向周围辐射能量，其辐射频率和能量随物体的温度而定。 人体辐射红外线的波长约在3-16m之间，当体温改变时，所辐射的红外线能量就会改变，红外辐射测温装置就是根据检测人体表面的辐射能量而确定体温的 。,临床上具有实用价值的红外测温传感器有红外热探测器和红外光电探测器。 红外热探测器是全波长的红外探测器，其首先利用黑化元件吸收入射红外线辐射能量，使感温元件温度升高，再通过适当的温度敏感元件将温度信息转变为电信号，采用的温度敏感元件有热电偶、热敏电阻等。 红外光电探测器的敏感元件是