第20讲-biosensor

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1、生物传感器第一部分传感器概述1.1传感器的定义ShanghaiJiaoTongUniversity能感受规定的被测量并按一定规律将其转换成有用信号输出的器件或装置，称为传感器（Sensors）。①传感器是测量装置，能完成检测任务；②输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；③输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量；④输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。被测量电量敏感元件转换元件电子线路辅助电源ShanghaiJiaoTongUniver

2、sity1.2传感器的分类2.1按被测量分类压力传感器位移传感器加速度传感器……物理传感器速度温度传感器流量传感器传O传感器2感化学传感器……CO传感器2器Na传感器酶传感器免疫传感器生物传感器……微生物传感器DNA传感器ShanghaiJiaoTongUniversity1.3化学传感器化学传感器（ChemicalSensor）通常指基于化学原理的、以化学物质成分为检测对象的一类传感器。该类传感器主要是利用敏感材料与被测物质中的离子、分子或生物物质相互接触而产生的电极电位变化、表面化学反应或引起的材料表面电

3、势变化，并将这些反应或变化直接或间接地转换为电信号。化学传感器在医学中的应用和技术改进使医学生化检验更加快速、准确、方便，它的发展趋势向实时、经济、无创、自动化和微型化发展ShanghaiJiaoTongUniversitypH玻璃电极其敏感膜是由固熔体玻璃薄膜构成的，其化学组成对pH电极性能的影响很大。属刚性基质电极，是由离子交换型的刚性基底薄膜玻璃熔融烧制而成，膜电势通过膜相与溶液中的金属离子或氧粒子在相界面交换产生。例如纯二氧化硅石英玻璃中加入碱金属氧化物后，对H+有较强的选择性。最常见的是球形玻璃膜电

4、极，其内参比电极常用Ag/AgCl电极。ShanghaiJiaoTongUniversity氧电极的基本结构参考电极为阳极，工作电极为阴极，两电极进入试液中，并在二者间加上0.6~0.8V左右的电压，经过一系列的氧化还原反应，电路中有电流产生，并且此电流值大小与氧分压PO成线性关2系，可以根据电流大小计算出PO的值。2ShanghaiJiaoTongUniversityCO2电极示意图CO电极的工作原理2是根据pCO的对数值2在1.3332~11.9988kPa范围内与pH值成线形关系，所以可用pH电极间接得

5、到pCO2。其结构与Clark电极相似，但工作电极为pH电极，电解液含HCO。3第二部分生物医学传感器2.1生物医学传感器ShanghaiJiaoTongUniversity电学量参数机体的各种生物电（心电、脑电、肌电、神经生物电电极元放电等）生利用材料的物理变化，物理传感器理被测量都是物理量参利用化学反应原理，非电学量参数把化学成分、浓度转化学传感器数换成电信号利用生物活性物质选择生物传感器性识别来测定生化物质2.2生理信号检测的特点ShanghaiJiaoTongUniversity被测量生理参数均为低频

6、或超低频信息，频率分布范围在直流～300Hz。生理参数的信号微弱，测量范围分布在uV～mV数量级。被测量的信噪比低，且噪声来源可能是多方面的。由于人体是一导电体，体外的电场、磁场感应都会在人体内形成测量噪声，干扰生理信息的检测。人体是一有机整体，各器官功能密切相关，传感器所拾取信息往往是由多种参数综合而形成的。2.3生物医学传感器的特殊要求ShanghaiJiaoTongUniversity对人体测量时，应尽量避免传感器干扰人的正常生理、生化状态，尽量避免给人的正常活动带来负担或痛苦。为了减轻对被测生物体的侵

7、扰，尽量采用非接触与无损伤或低损伤的传感器。对于植入体内传变器应考虑其微型化、能量及信息的传输方式，插入或植入材料的生物相容性及安全性等要求。生物医学传感器的设计与应用，应充分考虑生物体的特性，选择传感器与人体间相匹配的材料。生物信号的特点是信号微弱、频率低、噪声及干扰大、随机性强、个体差异大，而且生物体内多种生理、生化过程同时进行，需要优化传感器的设计，防止噪声、干扰的混入，使其具有高的灵敏度和动态范围，不失真。2.4生物电检测电极ShanghaiJiaoTongUniversity检测电极：通过与生物体的

8、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。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；刺激电极：临床医学根据生物体的电生理活动原理，对生物体导入各种不同的电信号，以调节和治疗疾病，使肌体获得康复。对处于纤维性颤动而杂乱兴奋的心肌细胞给予瞬间高能量电刺激，强使心肌兴奋相位变为一致的除颤作用；对各种因风湿炎症而引起的慢性疼痛，施