传感器在医疗领域的应用.ppt

1、LOGO帮助盲人重见光明纲纲 要要v医疗传感器的发展历程医疗传感器的发展历程v传感器如何应用于医疗领域传感器如何应用于医疗领域v医疗传感器的发展现状与展望医疗传感器的发展现状与展望v最最先先问问世世的的生生物物传传感感器器是是酶酶电电极极，ClarkClark和和LyonsLyons最最先先提提出出组组成成酶酶电电极极的的设想。设想。v7070年年代代中中期期，人人们们注注意意到到酶酶电电极极的的寿寿命命一一般般都都比比较较短短，提提纯纯的的酶酶价价格格也也较较贵贵，而而各各种种酶酶多多数数都都来来自自微微生生物物或或动动植植物物组组织织，因因此此自自然然地地就就启启发发人人们们研研究究酶酶电

2、电极极的的衍衍生生型型：微微生生物物电电极极、细细胞胞器器电电极极、动动植植物物组组织织电电极极以以及及免免疫疫电电极极等等新新型型生生物物传传感感器器，使使生生物物传传感感器的类别大大增多；器的类别大大增多；v 进进入入本本世世纪纪8080年年代代之之后后，随随着着离离子子敏敏场场效效应应晶晶体体管管的的不不断断完完善善，于于19801980年年CarasCaras和和JanafaJanafa率率先先研研制制成成功功可可测测定青霉素的酶定青霉素的酶FETFET。年代年代 特点特点 研究内容研究内容 60 60 生物传生物传感器初期感器初期 酶电极酶电极7070 发展时发展时期期 微生物传感器

3、微生物传感器，免疫传感器，免疫传感器，细胞类脂质传细胞类脂质传感器，组织传感器，组织传感器，生物亲感器，生物亲和传感器和传感器8080进入生物进入生物电子学传电子学传感器时期感器时期酶酶FETFET酶光二极管酶光二极管生物传感器的发展历程生物传感器的发展历程v一、传感器在生物医学科学中的作用一、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。物医学传感

4、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的发展而发展。现代传感器的物理模型如图1-1-2 2所示。所示。对于传统被测量而言，敏感膜就相当于传感器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。二者的区别就看是化学传感器和生物传感器。二者的区别就看是否具

5、有生物活性。具有生物活性的膜材料就是否具有生物活性。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、化感器间的界面。界面上发生着复杂的物理、化学或生物过程。学或生物过程。传感器如何应用于医疗领域传感器如何应用于医疗领域二、传感器的主要性能指标二、传感器的主要性能指标v医学中对传感器的要求：医学中对传感器的要求：安全性高安全性高(特别是用于人体的传感器和换能器特别是用于人体的传感器和换能器)，灵敏度高，信噪比高，灵敏度高，信

6、噪比高（选择性高）。（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保证生物安全性高的要求是无DNA和和RNA突变。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。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。保证灵敏度高的措施是：物理、化学和生物放大技术。定量医学的需求定量医学的需求:为基

7、础医学研究和临床诊断的研究与分析提供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所需要的数据和图像。定量地诊断临床上的疑难病症。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 在医学中的主要用途在医学中的主要用途检测生物体信息检测生物体信息 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。检测血液的粘度以及血脂含量。临床监护临床监护 如病人在进行手术前后需要连续检测体温、脉搏、血压、呼吸、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

8、等生理参数。心电等生理参数。控制控制 利用检测到的生理参数，控制人体的生理过程。如电子假肢利用检测到的生理参数，控制人体的生理过程。如电子假肢 医学中需要测量的量医学中需要测量的量位移位移位移位移结石的位置、皮肤厚度、皮下脂肪厚度、心脏位移等结石的位置、皮肤厚度、皮下脂肪厚度、心脏位移等振动振动振动振动心音、声音、呼吸音、血管音等心音、声音、呼吸音、血管音等力力力力血压、心肌力、眼球内压、胃内压等血压、心肌力、眼球内压、胃内压等流量流量流量流量血流量、呼吸气体流量、出血量、尿流量等血流量、呼吸气体流量、出血量、尿流量等温度温度温度温度皮肤温度、直肠温度、呼吸温度、血液温度等皮肤温度、直肠温度、

9、呼吸温度、血液温度等化学成分化学成分化学成分化学成分0 02 2、COCO2 2、COCO、H H2 2OO、NHNH3 3、NaNa、K K生物成分生物成分生物成分生物成分蛋白质、细菌、病毒等蛋白质、细菌、病毒等放射线放射线放射线放射线X X射线、同位素剂量等射线、同位素剂量等生物电生物电生物电生物电心电、脑电、肌电、眼电、胃电等心电、脑电、肌电、眼电、胃电等1.按应用形式分类按应用形式分类传传感感器器 植入式传感器植入式传感器暂时植入体腔暂时植入体腔(或切口或切口)式传感器式传感器 体外传感器体外传感器用于外部设备的传感器用于外部设备的传感器传感器的分类传感器的分类植入式传感器体外传感器力

10、传感器用来测量重量；压电薄膜传感器用于测量心率和呼吸模式；热电堆传感器用于测量体温；血氧传感器用于测量血氧含量；CO2，传感器用于测量新陈代谢；流量传感器用于辅助呼吸；力传感器用于测量氧气瓶中剩余的氧气含量。多种传感器应用于患者的病床多种传感器应用于患者的病床传传感感器器物理传感器物理传感器化学传感器化学传感器生物传感器生物传感器位移位移力力速度速度温度温度各种化学物质各种化学物质酶酶免疫免疫微生物微生物DNA2.按工作原理分类按工作原理分类生物电电极传感器生物电电极传感器心电心电脑电脑电肌电肌电神经元放电神经元放电1.物理传感器 v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

11、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。v一般按工作原理或被测量将物理传感器分类。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）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、光电式传感器感器、压电式传感器、磁电式传感器、热电式传

12、感器、光电式传感器等。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）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。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）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。力传感器等等。v生物医学领域应用的物

13、理传感器的分类和用途的例子如表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名称名称用途用途位移传感器位移传感器血管内外径，心房、心室尺寸，骨骼肌、平滑肌的收缩等血管内外径，心房、心室尺寸，骨骼肌、平滑肌的收缩等速度传感器速度传感器血流速度、排尿速度、分泌速度、呼吸气流速度等血流速度、排尿速度、分泌速度、呼吸气流速度等振动（加速度）传感器振动（加速度）传感器各种生理病理声音，如心音、呼吸音、血管音，搏动，震颤等各种生理病理声音，如心音、呼吸音、血管音，搏动，震颤等力传感器力传感器肌收缩力、咬合力、骨骼负荷力、粘滞力等肌收缩力、咬合力、骨骼负

14、荷力、粘滞力等流量传感器流量传感器血流量、尿流量、心输出量、呼吸流量等血流量、尿流量、心输出量、呼吸流量等压强传感器压强传感器血压、眼压、心内压、颅内压、胃内压、膀胱内压、子宫内压等血压、眼压、心内压、颅内压、胃内压、膀胱内压、子宫内压等温度传感器温度传感器口腔、直肠、皮肤、体（核）、心内、肿物、血液、中耳膜内温度口腔、直肠、皮肤、体（核）、心内、肿物、血液、中耳膜内温度电学传感器电学传感器肌电、心电、各种平滑肌电、眼电、神经电、离子通道电等肌电、心电、各种平滑肌电、眼电、神经电、离子通道电等辐射传感器辐射传感器X射线、各种核射线、射线、各种核射线、RF电磁波等电磁波等光学传感器光学传感器各种

15、生物发光、吸光、散射光各种生物发光、吸光、散射光新型医疗电子血压计设计新型医疗电子血压计设计v日本大学的一个研究小组日前宣布，他们开发出了一种只需向日本大学的一个研究小组日前宣布，他们开发出了一种只需向皮肤照射近红外线，分析其波形就能计算出血压的新型医疗电皮肤照射近红外线，分析其波形就能计算出血压的新型医疗电子血压计。子血压计。新型医疗电子血压计无需使用一般血压计的袖带，也能用于测新型医疗电子血压计无需使用一般血压计的袖带，也能用于测量运动时的血压。这种血压计还能测定血糖，并且不需要采血。量运动时的血压。这种血压计还能测定血糖，并且不需要采血。2.化学传感器v化学传感器是把化学成分、浓度等转换

16、成与之有确切关系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。它变为电学量。v一般多是依赖膜电极的响应机理、膜的组成或膜的结构进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

17、感场效应管换能器、离子选择微电极换能器、离子选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。择薄片换能器。v生物医学用各种化学换能器测量的化学物质有：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。等。传感器阵列能检测癌症v最近，一个由马萨诸塞大学阿默斯特分校化学家领导的研究小组开发最近，一个由马萨诸塞大学阿默斯特分校化学家领导的研究小组开发出一种快速、灵敏的探测方法，能从微观水平识别出活组织内各种细出一种快速、灵敏的探测方法，能从微观水平识别出活组织内各种细胞类型，几分钟内就能区分出癌转移组织和正常组织。胞类型

18、几分钟内就能区分出癌转移组织和正常组织。v最最先先问问世世的的生生物物传传感感器器是是酶酶电电极极，ClarkClark和和LyonsLyons最最先先提提出出组组成成酶酶电电极极的的设想。设想。v7070年年代代中中期期，人人们们注注意意到到酶酶电电极极的的寿寿命命一一般般都都比比较较短短，提提纯纯的的酶酶价价格格也也较较贵贵，而而各各种种酶酶多多数数都都来来自自微微生生物物或或动动植植物物组组织织，因因此此自自然然地地就就启启发发人人们们研研究究酶酶电电极极的的衍衍生生型型：微微生生物物电电极极、细细胞胞器器电电极极、动动植植物物组组织织电电极极以以及及免免疫疫电电极极等等新新型型生生物

19、物传传感感器器，使使生生物物传传感感器的类别大大增多；器的类别大大增多；v 进进入入本本世世纪纪8080年年代代之之后后，随随着着离离子子敏敏场场效效应应晶晶体体管管的的不不断断完完善善，于于19801980年年CarasCaras和和JanafaJanafa率率先先研研制制成成功功可可测测定青霉素的酶定青霉素的酶FETFET。年代年代 特点特点 研究内容研究内容 60 60 生物传生物传感器初期感器初期 酶电极酶电极7070 发展时发展时期期 微生物传感器，微生物传感器，免疫传感器，免疫传感器，细胞类脂质传细胞类脂质传感器，组织传感器，组织传感器，生物亲感器，生物亲和传感器和传感器8080进

20、入生物进入生物电子学传电子学传感器时期感器时期酶酶FETFET酶光二极管酶光二极管3.生物传感器生物传感器定义及说明生物传感器定义及说明v生生物物传传感感器器利利用用生生物物活活性性物物质质选选择择性性的的识识别别和和测测定定实实现现测测量量，主主要要由由两两大大部部分分组组成成：一一为为功功能能识识别别物物质质（分分子子识识别别元元件件），由由其其对对被被测测物物质质进进行行特特定定识识别别；其其二二是是电电、光光信信号号转转换换装装置置（换换能能器器），由由其其把把被被测测物物所所产产生生的的化化学学反反应应转换成便于传输的电信号或光信号。转换成便于传输的电信号或光信号。生物传感器基本构成

21、示意图生物传感器基本构成示意图v生物传感器的基本原理与组成生物传感器的基本原理与组成 （1）分子识别元件）分子识别元件 形式形式底物底物特点特点酶酶底物底物分子分子识别与催化功能与催化功能结合合受体受体配体配体分子分子识别，可逆性极好，可逆性极好抗体抗体抗原抗原分子分子识别，具有，具有应激生成激生成特性特性DNA互互补DNA或嵌或嵌合合剂分子分子识别与信息与信息储存存表表1-3 一些分子识别系统的形式、底物及特点一些分子识别系统的形式、底物及特点换能器种类：电换能器种类：电化学电极、半导化学电极、半导体、热敏电阻、体、热敏电阻、表面等离子体、表面等离子体、压电晶体等压电晶体等（2 2）换能器）

22、换能器）换能器）换能器 生物传感器的基本原理与组成生物传感器的基本原理与组成生生物物(敏敏感感)功功能能膜膜 信号信号(换能换能)转换器转换器化学物质化学物质热热光光质量质量介电性质介电性质电极、半导体等电极、半导体等热电偶、热敏电阻热电偶、热敏电阻光纤、光度计光纤、光度计压电晶体等压电晶体等表面等离子共振表面等离子共振返回返回计计算算机机分子识分子识别过程别过程生化反应信号生化反应信号转换为电信号转换为电信号信信号号预预处处理理装装置置分子识别元件分子识别元件按分子识别元件对生物传感器的命名按分子识别元件对生物传感器的命名按分子识别元件对生物传感器的命名按分子识别元件对生物传感器的命名按换能

23、方式对生物换能器的命名按换能方式对生物换能器的命名按换能方式对生物换能器的命名按换能方式对生物换能器的命名l 生物传感器的分类生物传感器的分类按分子识别元件分类按分子识别元件分类按器件分类 电化学电极电化学电极 光学换能器光学换能器 介体介体 半导体半导体 传递系统传递系统 换能器换能器 热敏电阻热敏电阻 压电晶体压电晶体介体生物传感器介体生物传感器换能器半导体生物半导体生物传感器传感器生物电极生物电极光生物传感器光生物传感器热生物传感器热生物传感器压电晶体生物传感器压电晶体生物传感器生物传感器的工作原理生物传感器的工作原理1.将化学变化转变成电信号（间接型）将化学变化转变成电信号（间接型）2

24、将热变化转换为电信号（间接型）将热变化转换为电信号（间接型）3.将光效应转变为电信号（间接型）将光效应转变为电信号（间接型）4.直按产生电信号方式（直接型）直按产生电信号方式（直接型）化学物质化学物质 物理物理 热热被测被测 化学化学（产生（产生 光光 ）电信号电信号物质物质 变化变化 声声生生物物敏敏感感膜膜电化学器件电化学器件热敏元件热敏元件光敏元件光敏元件声敏元件声敏元件 将化学变化转变成电信号的生物传感器将化学变化转变成电信号的生物传感器将热变化转换为电信号的生物传感器将热变化转换为电信号的生物传感器热辐射热辐射热传导热传导将光效应转变为电信号的生物传感器将光效应转变为电信号的生物传

25、感器 被测物被测物 h 电信号电信号固定化酶光检测器直按产生电信号方式的生物传感器直按产生电信号方式的生物传感器 例：例：Cass Cass 等提出一种测定葡萄糖的传感器，是用二等提出一种测定葡萄糖的传感器，是用二茂络铁为电子传递体。茂络铁为电子传递体。G G、GLGL代表葡萄糖和葡萄糖内脂，代表葡萄糖和葡萄糖内脂，GODGODoxox和和GODGODredred为氧化型和还原为氧化型和还原型的葡萄糖氧化酶，而型的葡萄糖氧化酶，而FeFecp2cp2R R和和FeFecp2cp2R R+则为还原型和氧化型二茂则为还原型和氧化型二茂络铁。络铁。葡萄糖被葡萄糖被GODGOD氧化的同时，氧化的同时，

26、GODGOD被还原成被还原成GODGODredred，氧化型的电子传，氧化型的电子传递体递体2Fe2Fecp2cp2R R+可将可将GODredGODred再氧化成再氧化成GODGODoxox反应直接在电极表面上发生反应直接在电极表面上发生 酶传感器v酶传感器信号变换方式酶传感器信号变换方式v葡萄糖传感器葡萄糖传感器 酶传感器：酶敏感膜酶传感器：酶敏感膜+电化学器件电化学器件 酶的催化作用是在一定条件下使底物分解，故酶的催化作用是在一定条件下使底物分解，故酶的催化作用实质上是加速底物分解速度。酶的催化作用实质上是加速底物分解速度。信号变换方式信号变换方式(1)(1)电位法电位法 电电位位法法是

27、是通通过过不不同同离离子子生生成成在在不不同同感感受受体体，从从测测得得膜膜电电位位去去计计算算与与酶酶反反应应有有关关的的各各种种离离子子的的浓浓度度。一一般般采采用用铵铵离离子电极（氨气电极）、氢离子电极、氧化碳电极等；子电极（氨气电极）、氢离子电极、氧化碳电极等；(2)(2)电流法电流法 电电流流法法是是从从与与酶酶反反应应有有关关的的物物质质的的电电极极反反应应得得到到的的电电流流值值来来计计算算被被测测物物质质的的方方法法。电电化化学学装装置置采采用用的的是是氧氧电电极极。燃燃料电池型电极和过氧化氢电极等；料电池型电极和过氧化氢电极等；酶酶电电极极：酶酶传传感感器器由由固固定定酶酶和

28、和基基础础电电极极组组成成，酶酶电电极极的的设设计计主主要要考考虑虑酶酶催催化化过过程程产产生生或或消消耗耗的的电电极极活活性性物物质质，如如一一个个酶酶催催化化反反应应是是耗耗过过程程，就就可可以以使使用用电电极极或或电极；若酶催化反应过程产生酸，即可使用电极。电极；若酶催化反应过程产生酸，即可使用电极。葡萄糖传感器v工作原理工作原理v测量氧消耗量的葡萄糖传感器测量氧消耗量的葡萄糖传感器v测测2 22 2生成量的葡萄糖传感器生成量的葡萄糖传感器快速葡萄糖分析仪快速葡萄糖分析仪工作原理故葡萄糖浓度测试方法有三种：故葡萄糖浓度测试方法有三种：测耗量测耗量 测测生成量生成量 测由葡萄糖酸而产生的变

29、化。测由葡萄糖酸而产生的变化。葡萄糖氧化酶（）葡萄糖氧化酶（）葡萄糖葡萄糖+H2O葡萄糖酸葡萄糖酸测量氧消耗量的葡萄糖传感器测量氧消耗量的葡萄糖传感器1.氧氧电电极极构构成成：由由b阳阳极极和和t阴阴极极浸浸入入碱碱溶溶液液，阴阴极极表表面面用用氧氧穿穿透透葡葡萄萄糖糖（基基质质）膜膜覆覆盖盖特特氟氟隆隆，厚约厚约m2.氧氧电电极极测测O2原原理理：利利用用氧氧在在阴阴极极上上首首先先被被还还原原的的特特性性。溶溶液液中中的的O2穿穿过过特特氟氟隆隆膜膜到到达达Pt阴阴极极上上，当当外外加加一一个个直直流流电电压压为为氧氧的的极极化化电电压压(如如0.7V)时时，则则氧氧分分子子在在Pt阴极上

30、得电子，被还原阴极上得电子，被还原:其电流值与含其电流值与含O2浓度成比例。浓度成比例。2+2+e=聚四氟乙烯膜（作用）聚四氟乙烯膜（作用）v它它避避免免了了电电极极与与被被测测液液直直接接相相接接触触，防防止止了了电电极极毒毒化化；如如电电极极PtPt为为开开放放式式，它它浸浸入入含含蛋蛋白白质质的的介介质质中中，蛋蛋白白质质会会沉沉淀淀在在电电极极表表面面上上从从而而减减小小电电极极有有效效面面积积，使电流下降，使传感器受到毒化。使电流下降，使传感器受到毒化。测测22生成量的葡萄糖传感器生成量的葡萄糖传感器1.1.PtPt阳极阳极2.2.聚四氟乙烯膜（作聚四氟乙烯膜（作用）用）3.3.固相

31、酶膜固相酶膜4.4.半透膜多孔层半透膜多孔层5.5.半透膜致密层半透膜致密层葡萄糖氧化酶（）葡萄糖氧化酶（）葡萄糖葡萄糖+H2O葡萄糖酸葡萄糖酸v葡萄糖氧化产生葡萄糖氧化产生，而，而通过选择性通过选择性透气膜，在透气膜，在PtPt电极上氧化，产生阳极电流。葡萄电极上氧化，产生阳极电流。葡萄糖含量与电流成正比，由此可测出葡萄糖溶液浓糖含量与电流成正比，由此可测出葡萄糖溶液浓度。度。v在在t t电极上加电极上加0.6V0.6V电压时，则产生的阳极电流电压时，则产生的阳极电流为：为：H2O2 O2+2H+2e微生物传感器分类分类 好气性微生物传感器好气性微生物传感器 厌气性微生物传感器厌气性微生物传

32、感器 注：注：气气微生物固定方式及工作原理微生物固定方式及工作原理传感器放入含有有机化合物的被测溶液中，有机物传感器放入含有有机化合物的被测溶液中，有机物向微生物膜扩散而被微生物摄取（称为资化）。向微生物膜扩散而被微生物摄取（称为资化）。好气性微生物传感器好气性微生物传感器v微生物的呼吸可用氧电极或二氧化碳微生物的呼吸可用氧电极或二氧化碳电极来测定结构电极来测定结构被测被测 氧消耗变化氧消耗变化 电信号电信号物质物质 （呼吸技能）（呼吸技能）微生物固微生物固定化膜定化膜封闭式氧封闭式氧电极或电极或COCO2 2电极电极O2电极好气性微生物传感器电极好气性微生物传感器1.1.电解液电解液2.2.

33、O O型环型环3.3.PbPb阴极阴极4.4.聚四氟乙烯聚四氟乙烯5.5.固化微生物膜固化微生物膜6.6.尼龙网尼龙网7.7.PtPt阳极阳极O2电极好气性电极好气性微生物传感器响应曲线微生物传感器响应曲线厌气性微生物传感器厌气性微生物传感器v可测定微生物代谢产物，可用离子选择电极来测定可测定微生物代谢产物，可用离子选择电极来测定微生物微生物固定化固定化模模电化电化学敏学敏感电感电极极被测物质被测物质新陈代谢变化新陈代谢变化（代谢机能）（代谢机能）电信号电信号甲酸传感器甲酸传感器(H2电极厌气性微生物传感器电极厌气性微生物传感器)1.1.圆环圆环2.2.液体连接面液体连接面3.3.电解液电解液

34、100mol/m(100mol/m3 3磷酸磷酸缓冲液缓冲液)4.4.AgAg2 2O O2 2电极电极(阴极阴极)5.5.PtPt电极电极(阳极阳极)6.6.聚四氟乙烯膜聚四氟乙烯膜甲酸传感器甲酸传感器原理原理v将产生氢的酪酸梭状芽菌固定在低温胶冻膜上，并把将产生氢的酪酸梭状芽菌固定在低温胶冻膜上，并把它固定在燃料电池它固定在燃料电池PtPt电极上；电极上；v当传感器浸入含有甲酸的溶液时，甲酸通过聚四氟乙当传感器浸入含有甲酸的溶液时，甲酸通过聚四氟乙烯膜向酪酸梭状芽菌扩散，被资化后产生烯膜向酪酸梭状芽菌扩散，被资化后产生H H2 2,而而H H2 2又穿又穿过过PtPt电极表面上的聚四氟乙

35、烯膜与电极表面上的聚四氟乙烯膜与PtPt电极产生氧化还电极产生氧化还原反应而产生电流，此电流与微生物所产生的原反应而产生电流，此电流与微生物所产生的H H2 2含量含量成正比，而成正比，而H H2 2量又与待测甲酸浓度有关，因此传感器量又与待测甲酸浓度有关，因此传感器能测定发酵溶液中的甲酸浓度。能测定发酵溶液中的甲酸浓度。免疫传感器v免疫传感器的工作原理免疫传感器的工作原理v免疫传感器的结构免疫传感器的结构免疫传感器的工作原理免疫传感器的工作原理v基本原理是免疫反应。利用固定化抗体（或抗原）膜与相应基本原理是免疫反应。利用固定化抗体（或抗原）膜与相应的抗原（或抗体）的特异反应，使得生物敏感膜的

36、电位发生的抗原（或抗体）的特异反应，使得生物敏感膜的电位发生变化。变化。v抗原或抗体一经固定于膜上，就形成具有识别免疫反应强烈抗原或抗体一经固定于膜上，就形成具有识别免疫反应强烈的分子功能性膜。如，抗原在乙酰纤维素膜上进行固定化，的分子功能性膜。如，抗原在乙酰纤维素膜上进行固定化，由于蛋白质为双极性电解质，（正负电极极性随值而变）由于蛋白质为双极性电解质，（正负电极极性随值而变）所以所以抗原固定化膜抗原固定化膜具有表面电荷。其具有表面电荷。其膜电位膜电位随膜电荷要变化。随膜电荷要变化。故根据抗体膜电位的变化，可测知抗体的附量。故根据抗体膜电位的变化，可测知抗体的附量。免疫传感器的结构免疫传感器

37、的结构3 3室注入含有抗室注入含有抗体的盐水体的盐水抗体与固定化抗体与固定化抗原膜上的抗抗原膜上的抗原相结合原相结合膜表面吸附膜表面吸附抗体抗体膜带电状态膜带电状态变化变化1 1、2 2室内的室内的电极产生电电极产生电位差位差当今研究最热门的几种生物传感器当今研究最热门的几种生物传感器v电化学生物传感器（电化学生物传感器（EC）原理：电极上发生化学反应得失电子原理：电极上发生化学反应得失电子v压电石英晶体生物传感器（压电石英晶体生物传感器（QCM）原理：石英晶体的逆压电效应原理：石英晶体的逆压电效应v表面等离子共振生物传感器（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

38、的变化）原理：表面等离子的光学效应（折射率的变化）例子(一)v压电石英晶体生物传感器压电石英晶体生物传感器检测原理：检测原理：测量系统组成：测量系统组成：传感器探头：传感器探头：分子识别过程分子识别过程例子(二)vDNA芯片工作原理DNA探针制备过程DNA芯片外貌例子(三)v微悬臂生物传感器微悬臂生物传感器例子(四)v微流控芯片微流控芯片瘫痪者也能用眼睛写微博v随着技术的突飞猛进，越来越多的残疾人借助科技改善了自己的生活。据最新一期随着技术的突飞猛进，越来越多的残疾人借助科技改善了自己的生活。据最新一期的的当代生物学当代生物学报道，法国科学家研制出一种头戴式设备，让一个瘫痪者通过自报道，法国科

39、学家研制出一种头戴式设备，让一个瘫痪者通过自己的眼睛写出了一条己的眼睛写出了一条“推特推特”。这款设备主要是通过一个摄像头跟踪佩戴者的眼球。这款设备主要是通过一个摄像头跟踪佩戴者的眼球运动，配合神经肌肉跟踪技术，无论是写字还是画画，都能通过眼睛来完成。运动，配合神经肌肉跟踪技术，无论是写字还是画画，都能通过眼睛来完成。传感器的发展方向传感器的发展方向v多功能传感器多功能传感器v图像传感器图像传感器(一维一维 多维、机能多维、机能 形态形态)如：如：CCD、U-CT、X-CT、NMR-CTv智能传感器智能传感器(信号采集与处理一体信号采集与处理一体)带微处理器的传感器带微处理器的传感器v微型传感

40、器微型传感器(微米和纳米数量级微米和纳米数量级,MEMS)v生物和化学传感器生物和化学传感器(生物和化学含量的测定生物和化学含量的测定)v仿生传感器仿生传感器(代替视觉、嗅觉、味觉和听觉代替视觉、嗅觉、味觉和听觉)医疗传感器的发展现状与展望v 现代医用传感器技术已经摆脱了传统医用传感器体积大、现代医用传感器技术已经摆脱了传统医用传感器体积大、性能差等技术缺点，形成了智能化、微型化、多参数、可遥控性能差等技术缺点，形成了智能化、微型化、多参数、可遥控和无创检测等全新的发展方向，并取得了一系列的技术突破。和无创检测等全新的发展方向，并取得了一系列的技术突破。其他一些新型的传感器如传感器，光纤传感器

41、等也方兴其他一些新型的传感器如传感器，光纤传感器等也方兴未艾。医用传感器技术的革新必将推动现代临床医学的更快发未艾。医用传感器技术的革新必将推动现代临床医学的更快发展。展。v 随着信息时代的到来随着信息时代的到来,传感器技术已经成为信息社会的重要传感器技术已经成为信息社会的重要技术基础技术基础,而医学传感器也势必要紧紧抓住这一机遇而医学传感器也势必要紧紧抓住这一机遇,努力朝着努力朝着智能化、微型化、多参数、可遥控和无创检测等方面发展，为智能化、微型化、多参数、可遥控和无创检测等方面发展，为促进现代医学发展提供重要推动力。相信在医用传感器不断提促进现代医学发展提供重要推动力。相信在医用传感器不断

42、提高其科技含量的同时，医用传感器在医学领域中的应用也将越高其科技含量的同时，医用传感器在医学领域中的应用也将越来越广泛。来越广泛。热成像扫描仪可检测酒精v过度饮酒不但会损害自身健康，也会危害公共安全，当醉酒者出现在飞机过度饮酒不但会损害自身健康，也会危害公共安全，当醉酒者出现在飞机上或是其他公共场所时就更是如此，因此，安保人员一直在寻找一种能够上或是其他公共场所时就更是如此，因此，安保人员一直在寻找一种能够快速准确地从人群中发现醉酒者的方法。据物理学家组织网近日报道，日快速准确地从人群中发现醉酒者的方法。据物理学家组织网近日报道，日前，希腊的科学家开发出一种新技术，能够借助红外线热成像扫描仪实现前，希腊的科学家开发出一种新技术，能够借助红外线热成像扫描仪实现这一目的，帮助执法者和工作人员轻松地从人群中发现那些过度饮酒的人。这一目的，帮助执法者和工作人员轻松地从人群中发现那些过度饮酒的人。LOGO