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1、LOGO帮助盲人重见光明纲纲 要v医疗传疗传 感器的发发展历历程v传传感器如何应应用于医疗领疗领 域v医疗传疗传 感器的发发展现现状与展望v 最先问世的生物传感器是酶电极， Clark和Lyons最先提出组成酶电极的 设想。 v 70年代中期，人们注意到酶电极的寿 命一般都比较短，提纯的酶价格也较 贵，而各种酶多数都来自微生物或动 植物组织，因此自然地就启发人们研 究酶电极的衍生型：微生物电极、细 胞器电极、动植物组织电极以及免疫 电极等新型生物传感器，使生物传感 器的类别大大增多； v 进入本世纪80年代之后，随着离子 敏场效应晶体管的不断完善，于1980 年Caras和Janafa率先研制
2、成功可测 定青霉素的酶FET。年代特点研究内容60生物传 感器初期酶电极70 发展时 期微生物传感器 ，免疫传感器 ，细胞类脂质 传感器，组织 传感器，生物 亲和传感器80进入生物 电子学传 感器时期酶FET 酶光二极管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 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
3、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。传感器如何应用于医疗领域二、传传感器的主要性能指标标v 医学中对传对传 感器的要求：安全性高(特别别是用于人体的传传感器和换换能器)，灵敏度高，信噪比高 （选择选择 性高）。保证证物理安全性的措施是电电的隔离、浮置技术术，保证证化学安全性高的要求是无毒性，无近期和远远期的致癌效应应
4、；保证证生物安全性高的要求是无DNA和RNA突变变。保证选择证选择 性高的措施是利用共振效应应、滤滤波技术术、自适应应技术术、分 子识别识别 与离子识别识别 技术术。保证证灵敏度高的措施是：物理、化学和生物放大技术术。定量医学的需求:为为基础础医学研究和临临床诊诊断的研究与分析提 供所需要的数据和图图像。定量地诊诊断临临床上的 疑难难病症。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在医学中的主要用途 检测检测 生物体信息如心脏脏手术术前检测检测 心内压压力；心血管疾病的基础础研究中需要 检测检测 血液的粘度以及血脂含量。 临临床监护监护如病人在进进行手术术前后需要连续检
5、测连续检测 体温、脉搏、血压压、呼 吸、心电电等生理参数。 控制利用检测检测 到的生理参数，控制人体的生理过过程。如电电子假肢医学中需要测测量的量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心音、声音、呼吸音、血管音等心音、声音、呼吸音、血管音等力力血压、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、呼吸温度、血液温度等化学成分化学成分0 02 2、COCO2 2、CO
6、CO、H H2 2OO、NHNH3 3、NaNa、K K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X X射线、同位素剂量等射线、同位素剂量等生物电生物电心电、脑电、肌电、眼电、胃电等心电、脑电、肌电、眼电、胃电等1.按应应用形式分类类传 感 器植入式传感器暂时植入体腔(或切口)式传感器体外传感器用于外部设备的传感器传感器的分类植入式传感器体外传感器力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
7、气含量。多种传感器应用于患者的病床传 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DNA2.按工作原理分类生物电电极传感器心电脑电肌电神经元放电1. 物理传感器 v 利用物理性质质或物理效应应制成的传传感器叫物理传传感器，或把物理量转转 变为变为 能为计为计 算机识别识别 的电电学量的器件叫传传感器。如果被测测物理量本 身就是电电学量，则传则传 感器退化为传为传 感器。物理传传感器的框图图如图图1-3 。v 一般按工作原理或被测测量将物理传传感器分类类。（1）按工作原理的分类类如：应变应变 式传传感器、电电容式传传感器、电电感式 传传感器、压电压电 式传传感器、磁
8、电电式传传感器、热电热电 式传传感器、光电电式传传 感器等。（2）按被测测量分类类如：位移传传感器、压压力传传感器、振动传动传 感器、流 量传传感器、温度传传感器等。（3）由于一种被测测量往往可用几种不同的工作原理来制成传传感器来 检测检测 ，所以物理传传感器的名称常常在被测测量前面加上不同的工作原理 做定语语来命名，如应变应变 片式压压力传传感器、压压阻式压压力传传感器、压电压电 式压压力传传感器等等。v 生物医学领领域应应用的物理传传感器的分类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 名称用途 位移传感器血管内外径，心房、心室尺寸，骨骼肌、平滑肌的收缩等速度传感
9、器血流速度、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，震颤等力传感器肌收缩力、咬合力、骨骼负荷力、粘滞力等流量传感器血流量、尿流量、心输出量、呼吸流量等压强传感器血压、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、离子通道电等辐射传感器X射线、各种核射线、RF电磁波等光学传感器各种生物发光、吸光、散射光新型医疗电疗电 子血压计设计压计设计v 日本大学的一个研究小组组日前宣布，他们们开发发出了一种只需向 皮肤照射近红
10、红外线线，分析其波形就能计计算出血压压的新型医疗疗 电电子血压计压计 。新型医疗电疗电 子血压计压计 无需使用一般血压计压计 的袖带带，也能用于 测测量运动时动时 的血压压。这这种血压计还压计还 能测测定血糖，并且不需要 采血。2. 化学传感器v 化学传传感器是把化学成分、浓浓度等转换转换 成与之有确切关 系的电电学量的器件。它多是利用某些功能性膜对对特定化学 成分的选择选择 作用把被测测成分筛选筛选 出来，进进而用电电化学装 置把它变为电变为电 学量。v 一般多是依赖赖膜电电极的响应应机理、膜的组组成或膜的结结构 进进行分类类。如离子选择电选择电 极换换能器、气敏电电极换换能器、 湿敏电电极
11、换换能器、涂丝电丝电 极换换能器聚合物基质电质电 极换换能 器、离子敏感场场效应应管换换能器、离子选择选择 微电电极换换能器 、离子选择选择 薄片换换能器。v 生物医学用各种化学换换能器测测量的化学物质质有：K+、Na+ 、Ca2+、Cl-、O2、CO2、NH3、H+、Li+ 等。传感器阵列能检测 癌症v 最近，一个由马萨诸马萨诸 塞大学阿默斯特分校化学家领导领导 的研究小组组开 发发出一种快速、灵敏的探测测方法，能从微观观水平识别识别 出活组织组织 内各 种细细胞类类型，几分钟钟内就能区分出癌转转移组织组织 和正常组织组织 。v 最先问世的生物传感器是酶电极， Clark和Lyons最先提出
12、组成酶电极的 设想。 v 70年代中期，人们注意到酶电极的寿 命一般都比较短，提纯的酶价格也较 贵，而各种酶多数都来自微生物或动 植物组织，因此自然地就启发人们研 究酶电极的衍生型：微生物电极、细 胞器电极、动植物组织电极以及免疫 电极等新型生物传感器，使生物传感 器的类别大大增多； v 进入本世纪80年代之后，随着离子 敏场效应晶体管的不断完善，于1980 年Caras和Janafa率先研制成功可测 定青霉素的酶FET。年代特点研究内容60生物传 感器初期酶电极70 发展时 期微生物传感器 ，免疫传感器 ，细胞类脂质 传感器，组织 传感器，生物 亲和传感器80进入生物 电子学传 感器时期酶F
13、ET 酶光二极管3.生物传感器生物传感器定义及说明v生物传感器利用生物活性物质选择性的识别和 测定实现测量，主要由两大部分组成：一为功 能识别物质（分子识别元件），由其对被测物 质进行特定识别；其二是电、光信号转换装置 （换能器），由其把被测物所产生的化学反应 转换成便于传输的电信号或光信号。 生物传感器基本构成示意图v生物传传感器的基本原理与组组成（1）分子识别识别 元件形式底物特点酶底物分子识别识别 与催化功能结结合受体配体分子识别识别 ，可逆性极好抗体抗原分子识别识别 ，具有应应激生成 特性DNA互补补DNA或嵌 合剂剂分子识别识别 与信息储储存表1-3 一些分子识别系统的形式、底物及特
14、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（2 2）换能器）换能器生物传传感器的基本原理与组组 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 生物传感器的分类按分子识别元件分类按器件分类电电化学电电极 光学换换能器 介体 半导导体传递传递 系统统 换换能器热热敏电电阻 压
15、电压电 晶体介体生物传感器换能器半导体生物 传感器生物电极光生物传感器热生物传感器压电晶体生物传感器生物传传感器的工作原理1.将化学变化转变成电信号（间接型） 2.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） 4.直按产生电信号方式（直接型）化学物质质 物理 热热 被测测 化学 （产产生 光 ） 电电信号 物质质 变变化 声生 物 敏 感 膜电化学器件 热敏元件 光敏元件 声敏元件 将化学变化转变成电信号的生物传感器将热变化转换为电信号的生物传感器热辐射 热传导将光效应转变为电应转变为电 信号的生物传传感器被测测物 h 电电信号固 定 化 酶光 检 测 器直按产生电信号方式的生物传感器例：Cass 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。G、GL代表葡萄糖和葡萄糖内脂，GODox和GODred为氧化型和还原 型的葡萄糖氧化酶，而Fecp2R和Fecp2R+则为还原型和氧化型二茂 络铁。 葡萄糖被GOD氧化的同时，GOD被还原成GODred，氧化型的电子传 递体2Fecp2R+可将GODred再氧化成GODox反应直接在电极表面上发生酶传感器
