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1、第一章第一章 生物医学传感器生物医学传感器Chapter 1 Sensor and Transducer in Biomedicine本章主要内容：生物医学换能器的地位和作用生物医学换能器的地位和作用生物医学换能器的地位和作用生物医学换能器的地位和作用物理传感器物理传感器物理传感器物理传感器化学传感器化学传感器化学传感器化学传感器生物传感器生物传感器生物传感器生物传感器生物医学传感器生物医学传感器. .优秀优秀第一章第一章 生物医学传感器生物医学传感器Chapter 1 Sensor and Transducer in Biomedicine 现代传感器现代传感器现代传感器现代传感器和和和和计
2、算机科学与技术计算机科学与技术计算机科学与技术计算机科学与技术是从太空到海洋、从军事到是从太空到海洋、从军事到是从太空到海洋、从军事到是从太空到海洋、从军事到民用的民用的民用的民用的一切高科技之基础一切高科技之基础一切高科技之基础一切高科技之基础，是，是，是，是一个国家科技水平的一种表现形一个国家科技水平的一种表现形一个国家科技水平的一种表现形一个国家科技水平的一种表现形式式式式，也是，也是，也是，也是综合国力的一种表现形式综合国力的一种表现形式综合国力的一种表现形式综合国力的一种表现形式，涵盖了材料（无机材料、，涵盖了材料（无机材料、，涵盖了材料（无机材料、，涵盖了材料（无机材料、有机材料、
3、生物材料）科学的从基础理论到工程应用的一切领有机材料、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，是域，是域，是域，是现代科学技术的尖兵现代科学技术的尖兵现代科学技术的尖兵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。感觉乃生物体如果顾名思义，传感器应是传递感觉的器件。感觉乃生物体如果顾名思义，传感器应是传递感觉的器件。感觉乃生物体如果顾名思义，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，被感知的客对客观事物的一种反映。在信息检测
4、与处理领域，被感知的客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。观事物是信号，含物理的、化学的、生物的等各种形式的信号。观事物是信号，含物理的、化学的、生物的等各种形式的信号。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。信号乃信息的载体，是客观事物的一种表现形式。信号乃信息的载体，是客观事物的一种表现形式。信号乃信息的载体，是客观事物的一种表现形式。力、机械波、力、机械波、力、机械波、力、机械波、电磁波、基本粒子是电磁
5、波、基本粒子是电磁波、基本粒子是电磁波、基本粒子是物理信号物理信号物理信号物理信号。各种分子（含单原子分子）是。各种分子（含单原子分子）是。各种分子（含单原子分子）是。各种分子（含单原子分子）是化学信号化学信号化学信号化学信号。各种有。各种有。各种有。各种有生物活性生物活性生物活性生物活性的生物大分子，如的生物大分子，如的生物大分子，如的生物大分子，如DNADNA、蛋白质等、蛋白质等、蛋白质等、蛋白质等是是是是生物信号生物信号生物信号生物信号。生物医学传感器涵盖了上面三类传感器。生物医学传感器涵盖了上面三类传感器。生物医学传感器涵盖了上面三类传感器。生物医学传感器涵盖了上面三类传感器。 生物医
6、学传感器生物医学传感器. .优秀优秀第第1 1节节 生物医学换能器的地位和作用生物医学换能器的地位和作用 一、传感器（换能器）的定义一、传感器（换能器）的定义 能能能能感受（或响应）感受（或响应）感受（或响应）感受（或响应）规定的被测量并规定的被测量并规定的被测量并规定的被测量并按照一定规律按照一定规律按照一定规律按照一定规律转换成可用信转换成可用信转换成可用信转换成可用信号输出的号输出的号输出的号输出的器件器件器件器件或或或或装置装置装置装置。通常由直接响应于被测量的。通常由直接响应于被测量的。通常由直接响应于被测量的。通常由直接响应于被测量的敏感元件敏感元件敏感元件敏感元件和和和和产生可用
7、信号输出的元件以及产生可用信号输出的元件以及产生可用信号输出的元件以及产生可用信号输出的元件以及相应的电子线路相应的电子线路相应的电子线路相应的电子线路所组成。所组成。所组成。所组成。 如果要与现代计算机技术结合（构成所谓智能系统）如果要与现代计算机技术结合（构成所谓智能系统）如果要与现代计算机技术结合（构成所谓智能系统）如果要与现代计算机技术结合（构成所谓智能系统）, , 则传感则传感则传感则传感器应是器应是器应是器应是“能感知客观事物并将其转换为计算机能识别的信号的能感知客观事物并将其转换为计算机能识别的信号的能感知客观事物并将其转换为计算机能识别的信号的能感知客观事物并将其转换为计算机能
8、识别的信号的器件器件器件器件”。在这种意义下，测量框图如图在这种意义下，测量框图如图在这种意义下，测量框图如图在这种意义下，测量框图如图1-11-1。 外外界界信信息息人体五官人体五官传感器传感器大脑大脑计算机计算机生物医学传感器生物医学传感器. .优秀优秀l二、传感器在生物医学科学中的作二、传感器在生物医学科学中的作二、传感器在生物医学科学中的作二、传感器在生物医学科学中的作用用用用n n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
9、：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样认为：生物医学传感器是生物医学科学和技术的尖兵，术的尖兵，术的尖兵，术的尖兵，生物医学研究的正确结论有赖于生生物医学研究的正确结论有赖于生生物医学研究的正确结论有赖于生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器的正确测量物医学传感器的正确测量物医学传感器的正确测量。n n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
10、随着换能器学技术的发展，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。现代传感器的的发展而发展。现代传感器的的发展而发展。现代传感器的的发展而发展。现代传感器的物理模型物理模型物理模型物理模型如图如图如图如图1-21-2所示。所示。所示。所示。n n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与被测对象的与被测对象的与被测对象的界面界面界面界面。在传统的传感器前面附加。在传统的传感器前面附加。在传统的传感器前面附加。在传统的传感器前面
11、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否具有生物活性。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，一是生物传感器。传感器中可存在两个界面，
12、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。感器间的界面。感器间的界面。感器间的界面。界面上发生着复杂的物理、化界面上发生着复杂的物理、化界面上发生着复杂的物理、化界面上发生着复杂的物理、化学或生物过程学或生物过程学或生物过程学或生物过程。生物医学传感器生物医学传感器. .优秀优秀三三、传感器的分类传感器的分类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力速度温度各种化学物质酶免疫微生物DN
13、A注注: 其他分类方法请参考相关书籍其他分类方法请参考相关书籍生物医学传感器生物医学传感器. .优秀优秀四、传感器的主要性能指标四、传感器的主要性能指标生物医学传感器生物医学传感器. .优秀优秀四、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：医学中对传感器的要求： 安全性高安全性高安全性高安全性高( (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) )，灵敏度高灵敏度高灵敏度高灵敏度高，信噪比高信噪比高信噪比高信噪比高（选择性高）。（选择性高）。（选择性高）。（选择性高）。 保证保证保证保证物理安
14、全性的措施是电的隔离、浮置技术物理安全性的措施是电的隔离、浮置技术物理安全性的措施是电的隔离、浮置技术物理安全性的措施是电的隔离、浮置技术， 保证保证保证保证化学安全性高化学安全性高化学安全性高化学安全性高的要求是无毒性，无近期和远的要求是无毒性，无近期和远的要求是无毒性，无近期和远的要求是无毒性，无近期和远期的致癌效应；期的致癌效应；期的致癌效应；期的致癌效应； 保证保证保证保证生物安全性高生物安全性高生物安全性高生物安全性高的要求是无的要求是无的要求是无的要求是无DNADNA和和和和RNARNA突变。突变。突变。突变。 保证保证保证保证选择性高选择性高选择性高选择性高的措施是利用共振效应、
15、滤波技术、的措施是利用共振效应、滤波技术、的措施是利用共振效应、滤波技术、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。自适应技术、分子识别与离子识别技术。自适应技术、分子识别与离子识别技术。自适应技术、分子识别与离子识别技术。 保证保证保证保证灵敏度高灵敏度高灵敏度高灵敏度高的措施是：物理、化学和生物放大的措施是：物理、化学和生物放大的措施是：物理、化学和生物放大的措施是：物理、化学和生物放大技术。技术。技术。技术。生物医学传感器生物医学传感器. .优秀优秀五五.传感器的发展方向传感器的发展方向多功能传感器多功能传感器图像传感器图像传感器(一维 多维、机能 形态) 如：
16、如：CCDCCD、U-CTU-CT、X-CTX-CT、NMR-CTNMR-CT智能传感器智能传感器(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微型传感器微型传感器(微米和纳米数量级,MEMS)生物和化学传感器生物和化学传感器(生物和化学含量的测定)仿生传感器仿生传感器(代替视觉、嗅觉、味觉和听觉)生物医学传感器生物医学传感器. .优秀优秀六六.生物医学传感器的用途生物医学传感器的用途6.1 定量医学的需求定量医学的需求 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。所需要的数据和图像。定量地诊断定量地诊断定量地诊断定量地诊断
17、临床上的疑难临床上的疑难病症。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生物医学传感器生物医学传感器. .优秀优秀6.2 在医学中的主要用途在医学中的主要用途n n检测生物体信息检测生物体信息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。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。n n临床监护临床监护临床监
18、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、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、心电等生理参数。心电等生理参数。心电等生理参数。心电等生理参数。n n控制控制控制控制 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 生物医学传感器生物医学传感器. .优秀优秀6.3 医学中需要测量的
19、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、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
20、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、胃电等生物医学传感器生物医学传感器. .优秀优秀七七. 开发新型传感器的途径开发新型传感器的途径采用新原理采用新原理采用新原理采用新原理 如：约瑟夫逊效应传感器开创了极微弱磁场的检测如：约瑟夫逊效应传感器开创了极微弱磁场的检测如：约瑟夫逊效应传感器开创了极微弱磁场的检测如：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采用新材料采用新材料采用新材料 如：如：如：如： 1. 1. 高分子压电薄膜使
21、机器人的触觉接近人的皮肤高分子压电薄膜使机器人的触觉接近人的皮肤高分子压电薄膜使机器人的触觉接近人的皮肤高分子压电薄膜使机器人的触觉接近人的皮肤 2. 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. 3. 碳纳米管生物传感器可以检测一个病毒的质量碳纳米管生物传感器可以检测一个病毒的质量碳纳米管生物传感器可以检测一个病毒的质量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采用新的加工技术采用新的加工技术采用
22、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。不仅体积很小，而且传感器具有多功能、智能化的优点。不仅体积很小，而且传感器具有多功能、智能化的优点。不仅体积很小，而且传感器具有多功能、智能化的优点。 如：如：如：如：Labon chipLabon chip生物医学传感器生物医学传感器. .优秀优秀第第2节节 物理传感器物理传感器 l l利用物理性质或物理效应
23、利用物理性质或物理效应利用物理性质或物理效应利用物理性质或物理效应制成的传感器叫制成的传感器叫制成的传感器叫制成的传感器叫物理传感器物理传感器物理传感器物理传感器，或把物理量转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1-31-3。l l一般按一般按工作原理工作原理工作原理工作原理或或被测量被测量被测量被测量将物理传感器分类。将物理传感器分类。 （1 1）按）按工作原理工作原理工作原理工作原理的分类
24、如：的分类如：应变式传感器、电容式传感器、电感式传应变式传感器、电容式传感器、电感式传应变式传感器、电容式传感器、电感式传应变式传感器、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、热电式传感器、光电式传感器等。等。等。等。 （2 2）按）按被测量被测量被测量被测量分类如：位移传感器、压力传感器、振动传感器、流量分类如：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。 （
25、3 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工作原理工作原理工作原理做做定语来命名，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。l l生物医学领域应用的物理传感器的生物医学领域应用的物理传感器的分类和用途分类和用途分类和用途分类和用途的例子如表的例子如表1-21-2。生物医学传感器生物医学传感器. .优秀优秀表1-2 生
26、物医学用物理传感器的分类和用途名称名称名称名称用途用途用途用途位移传感器位移传感器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）传感器振动（加速度）传感器振动（加速度）传感器各
27、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、骨骼负荷力、粘滞力等肌收缩力、咬合力、骨骼负荷力、粘滞力等肌收缩力、咬合力、骨骼负荷力、粘滞力等流量传感器流量传感器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
28、器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
29、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辐射传感器辐射传感器X X射线、各种核射线、射线、各种核射线、射线、各种核射线、射线、各种核射线、RFRF电磁波等电磁波等电磁波等电磁波等光学传感器光学传感器光学传感器光学传感器各种生物发光、吸光、散射光各种生物发光、吸光、散射光各种生物发光、吸光、散射光各种生物发光、吸光、散射光生物医学传感器生物医学传感器. .优秀优秀第第3节节 化学传感器化学传感器化学传感器是化学传感器是化学传感器是化学传感器是把化学成分
30、、浓度等转换成与之有确切关系把化学成分、浓度等转换成与之有确切关系把化学成分、浓度等转换成与之有确切关系把化学成分、浓度等转换成与之有确切关系的电学量的器件的电学量的器件的电学量的器件的电学量的器件。它多是利用某些功能性膜对特定化学成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，进而用分的选择作用把被测成分筛选出来，进而用电化学装置电化学装置电化学装置电化学装置把把它变为电学量。它变为电学量。一般多是依赖一般多是依赖膜电极的响应机理膜电极的响应机理膜电极的响应机理膜电极的响应机理、膜的组成或膜的结构膜的组成或膜的结构膜的组成或膜的结构膜的组成或膜的结构进进行行分类分类分类分
31、类。如离子选择电极换能器、气敏电极换能器、湿敏。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。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 K+ +、NaNa+ +、CaCa2+2+、ClCl- -、OO2 2、COCO2 2、NHNH3 3、H H+ +、LiLi+ + 等。等。对于这些换能器的较详细的叙述，请参看章末文献。对于这
32、些换能器的较详细的叙述，请参看章末文献。 生物医学传感器生物医学传感器. .优秀优秀第第4节节 生物传感器生物传感器l检测生物物质检测生物物质检测生物物质检测生物物质的传感的传感的传感的传感器称为生物传感器器称为生物传感器器称为生物传感器器称为生物传感器(Biosensor)(Biosensor)是近年来是近年来是近年来是近年来才发展最迅速一类传才发展最迅速一类传才发展最迅速一类传才发展最迅速一类传感器。感器。感器。感器。l生物传感器的原理和生物传感器的原理和生物传感器的原理和生物传感器的原理和组成组成组成组成 （1 1）分子识别元件）分子识别元件）分子识别元件）分子识别元件 （2 2）换能器
33、）换能器）换能器）换能器形式形式形式形式底物底物底物底物特点特点特点特点酶酶酶酶底物底物底物底物分子分子分子分子识别识别与催化功能与催化功能与催化功能与催化功能结结合合合合受体受体受体受体配体配体配体配体分子分子分子分子识别识别，可逆性极好，可逆性极好，可逆性极好，可逆性极好抗体抗体抗体抗体抗原抗原抗原抗原分子分子分子分子识别识别，具有，具有，具有，具有应应激生成激生成激生成激生成特性特性特性特性DNADNA互互互互补补DNADNA或嵌或嵌或嵌或嵌合合合合剂剂分子分子分子分子识别识别与信息与信息与信息与信息储储存存存存表表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
34、特点换能器种类：电化学电极、换能器种类：电化学电极、半导体、热敏电阻、表面等半导体、热敏电阻、表面等离子体、压电晶体等离子体、压电晶体等生物医学传感器生物医学传感器. .优秀优秀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生物传感器的分类生物传感器的分类生物医学传感器生物医学传感器. .优秀优秀生物传感器的关键技术生物传感器的关键技术生物传感器的关键技术生物传感器的
35、关键技术固定化技术固定化技术固定化技术固定化技术 目的：目的：目的：目的：在于使生物功能物质保持原有在于使生物功能物质保持原有在于使生物功能物质保持原有在于使生物功能物质保持原有生物活性生物活性生物活性生物活性、非非非非特异性吸附小特异性吸附小特异性吸附小特异性吸附小、不易脱落不易脱落不易脱落不易脱落、固定量大固定量大固定量大固定量大以及以及以及以及不影响换不影响换不影响换不影响换能器的灵敏度和响应时间能器的灵敏度和响应时间能器的灵敏度和响应时间能器的灵敏度和响应时间等特点。等特点。等特点。等特点。 方法：方法：方法：方法： （1 1）夹心法）夹心法）夹心法）夹心法 （2 2）吸附法）吸附法）
36、吸附法）吸附法 （3 3）包埋法）包埋法）包埋法）包埋法 （4 4）共价键法）共价键法）共价键法）共价键法 （5 5）交联法）交联法）交联法）交联法 （6 6）自组装法）自组装法）自组装法）自组装法 （7 7）自组装纳米金法）自组装纳米金法）自组装纳米金法）自组装纳米金法传统方法先进方法金电极表面的自组装金电极表面的自组装自组装纳米金自组装纳米金生物医学传感器生物医学传感器. .优秀优秀 生物传感器的基本生物传感器的基本生物传感器的基本生物传感器的基本原理原理原理原理与与与与组成组成组成组成生生物物(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热光质量介电性质电极、半导体等
37、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生物医学传感器生物医学传感器. .优秀优秀生物医学传感器生物医学传感器. .优秀优秀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电化学生物传感器（EC） 原理：原理：电极上发生化学反应得失电子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：原理：石英晶体的逆压电效应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：原理：表面等离子的光学效应（折射率的变化）
38、表面等离子的光学效应（折射率的变化）生物医学传感器生物医学传感器. .优秀优秀例子例子(一一)l l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生物医学传感器生物医学传感器. .优秀优秀例子例子(二二)DNADNA芯片芯片工作原理工作原理DNA探针制备过程探针制备过程DNA芯片外貌芯片外貌生物医学传感器生物医学传感器. .优秀优秀例子例子(三三)微悬臂生物传感器生物医学传感器生物医学传感器. .优秀优秀例子例子(四四)微流控芯片生物医学传感器生物医学传感器. .优秀优秀参考文献参考文献参考文献参考文
39、献1 1 彭承琳。生物医学传感器原理及应用。重庆彭承琳。生物医学传感器原理及应用。重庆大学出版社。重庆。大学出版社。重庆。19921992。2 2 任任 恕。膜受体与传感器。科学出版社。北京。恕。膜受体与传感器。科学出版社。北京。19961996。3 3 于兆林。生物传感器。远东出版社。上海。于兆林。生物传感器。远东出版社。上海。19921992。 4 4 刘刘 谦，朱鑫泉。生物安全。科学出版社。北谦，朱鑫泉。生物安全。科学出版社。北京。京。20012001。5 5 姜远海，霍纪文，尹立志。医用传感器。科姜远海，霍纪文，尹立志。医用传感器。科学出版社。北京。学出版社。北京。19971997。生物医学传感器生物医学传感器. .优秀优秀本章思考题传感器概念及分类举例说明传感器在医学中的应用生物传感器的核心技术是什么？生物医学传感器生物医学传感器. .优秀优秀
