LOGO 帮助盲人重见光明 纲纲 要要 ?医疗传感器的发展历程 ?传感器如何应用于医疗领域 ?医疗传感器的发展现状与展望 ? 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。 ? 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； ? 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FET 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 ? 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传感器如何应用于医疗领域 二、传感器的主要性能指标 ? 医学中对传感器的要求： 安全性高(特别是用于人体的传感器和换能器)，灵敏度高，信噪比高（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DNA和RNA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。 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所需要的数据和图像。定量地诊断临床上的疑难病症。 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检测血液的粘度以及血脂含量。 ?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、心电等生理参数。 ?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 医学中需要测量的量 位移 结石的位置、皮肤厚度、皮下脂肪厚度、心脏位移等 振动 心音、声音、呼吸音、血管音等 力 血压、心肌力、眼球内压、胃内压等 流量 血流量、呼吸气体流量、出血量、尿流量等 温度 皮肤温度、直肠温度、呼吸温度、血液温度等 化学成分 02、CO2、CO、H2O、NH3、Na、K 生物成分 蛋白质、细菌、病毒等 放射线 X射线、同位素剂量等 生物电 心电、脑电、肌电、眼电、胃电等 1.按应用形式分类 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 DNA 2.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 ? 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。 ? 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。 （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、压电式压力传感器等等。 ? 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 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 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 新型医疗电子血压计设计 ? 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 ? 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。 ? 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：K+、Na+、Ca2+、Cl-、O2、CO2、NH3、H+、Li+ 等。 传感器阵列能检测癌症 ? 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，几分钟内就能区分出癌转移组织和正常组织。 ? 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。 ? 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； ? 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FET 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 ?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生物传感器基本构成示意图 ?生物传感器的基本原理与组成 （1）分子识别元件 形式 底物 特点 酶 底物 分子识别与催化功能结合 受体 配体 分子识别，可逆性极好 抗体 抗原 分子识别，具有应激生成特性 DNA 互补DNA或嵌合剂 分子识别与信息储存 表1-3 一些分子识别系统的形式、底物及特点 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）换能器 生物传感器的基本原理与组成 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 按换能方式对生物换能器的命名 ? 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 按器件分类 电化学电极 光学换能器 介体 半导体 传递系统 换能器 热敏电阻 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 物理 热 被测 化学 （产生 光 ） 电信号 物质 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 热传导 将光效应转变为电信号的生物传感器 被测物 h 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：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反应直接在电极表面上发生 酶传感器 ?酶传感器信号变换方式 ?葡萄糖传感器 ? 酶传感器：酶敏感膜 +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)电位法 电位法是通过不同离子生成在不同感受体，从测得膜电位去计算与酶反应有关的各种离子的浓度。一般采用铵离子电极（氨气电极）、氢离子电极、氧化碳电极等； (2)电流法 电流法是从与酶反应有关的物质的电极反应得到的电流值来计算被测物质的方法。电化学装置采用的是氧电极。燃料电池型电极和过氧化氢电极等； 酶电极：酶传感器由固定酶和基础电极组成，酶电极的设计主要考虑酶催化过程产生或消耗的电极活性物质，如一个酶催化反应是耗过程，就可以使用电极或电极；若酶催化反应过程产生酸，即可使用电极。 葡萄糖传感器 ?工作原理 ?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 ?测测22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： 测耗量 测生成量 测由葡萄糖酸而产生的变化。 葡萄糖氧化酶（） 葡萄糖+H2O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.氧电极构成：由 b阳极和t阴极浸入碱溶液，阴极表面用氧穿透葡萄糖（基质）膜覆盖特氟隆，厚约m 2.氧电极测 O2原理：利用氧在阴极上首先被还原的特性。溶液中的O2穿过特氟隆膜到达 Pt阴极上，当外加一个直流电压为氧的极化电压 (如0.7V)时，则氧分子在Pt阴极上得电子，被还原 :其电流值与含 O2浓度成比例。 2+2+e= 聚四氟乙烯膜（作用）聚四氟乙烯膜（作用） ?它避免了电极与被测液直接相接触，防止了电极毒化；如电极Pt为开放式，它浸入含蛋白质的介质中，蛋白质会沉淀在电极表面上从而减小电极有效面积，使电流下降，使传感器受到毒化。 测22生成量的葡萄糖传感器 1. Pt阳极 2. 聚四氟乙烯膜（作用） 3. 固相酶膜 4. 半透膜多孔层 5. 半透膜致密层 葡萄糖氧化酶（） 葡萄糖+H2O葡萄糖酸 ?葡萄糖氧化产生，而通过选择性透气膜，在Pt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度。 ?在t电极上加0.6V电压时，则产生的阳极电流为： H2O2 O2+2H+2e 微生物传感器 分类 好气性微生物传感器 厌气性微生物传感器 注： 气 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 ?微生物的呼吸可用氧电极或二氧化碳 电极来测定结构 被测 氧消耗变化 电信号 物质 （呼吸技能） 微生物固定化膜 封闭式氧电极或CO2电极 O2电极好气性微生物传感器 1. 电解液 2. O型环 3. Pb阴极 4. 聚四氟乙烯 5. 固化微生物膜 6. 尼龙网 7. Pt阳极 O2电极好气性电极好气性 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 ?可测定微生物代谢产物，可用离子选择电极来测定 微生物固定化模 电化学敏感电极 被测物质 新陈代谢变化 （代谢机能） 电信号 甲酸传感器 (H2电极厌气性微生物传感器) 1. 圆环 2. 液体连接面 3. 电解液(100mol/m3磷酸缓冲液) 4. Ag2O2电极(阴极) 5. Pt电极(阳极) 6. 聚四氟乙烯膜 甲酸传感器甲酸传感器原理原理 ?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Pt电极上； ?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H2,而H2又穿过Pt电极表面上的聚四氟乙烯膜与Pt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H2含量成正比，而H2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。 免疫传感器 ?免疫传感器的工作原理 ?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 ? 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，使得生物敏感膜的电位发生变化。 ? 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，由于蛋白质为双极性电解质，（正负电极极性随值而变）所以抗原固定化膜具有表面电荷。其膜电位随膜电荷要变化。故根据抗体膜电位的变化，可测知抗体的附量。 免疫传感器的结构免疫传感器的结构 3室注入含有抗体的盐水 抗体与固定化抗原膜上的抗原相结合 膜表面吸附抗体 膜带电状态变化 1、2室内的电极产生电位差位差 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：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：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：表面等离子的光学效应（折射率的变化） 例子(一) ? 压电石英晶体生物传感器压电石英晶体生物传感器 qqmAmff?202检测原理： 测量系统组成： 传感器探头： 分子识别过程 例子(二) ?DNA芯片 工作原理 DNA探针制备过程 DNA芯片外貌 例子(三) ?微悬臂生物传感器 例子(四) ?微流控芯片 瘫痪者也能用眼睛写微博 ? 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己的眼睛写出了一条“推特”。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。 传感器的发展方向传感器的发展方向 ?多功能传感器 ?图像传感器(一维 多维、机能 形态) 如：CCD、U-CT、X-CT、NMR-CT ?智能传感器(信号采集与处理一体 ) 带微处理器的传感器 ?微型传感器(微米和纳米数量级 ,MEMS) ?生物和化学传感器 (生物和化学含量的测定 ) ?仿生传感器(代替视觉、嗅觉、味觉和听觉 ) 医疗传感器的发展现状与展望 ? 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展。 ? 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技术基础,而医学传感器也势必要紧紧抓住这一机遇,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。 热成像扫描仪可检测酒精 ? 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