生物医学传感器PPT课件
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生物医学传感-纳米生物传感器
纳米生物传感器的应用领域
纳米技术开始应用于生物传感器领域，出现了一些基于纳米材料的生物传感器。
1990年代
2000年代
2010年代至今
随着纳米技术的不断发展，纳米生物传感器在灵敏度和特异性方面取得了显著提升。
纳米生物传感器在医学诊断、环境监测等领域得到了广泛应用，成为生物医学传感领域的重要分支。
03
代谢性疾病诊断
在疾病诊断中的应用
药物代谢研究
纳米生物传感器可以用于研究药物在体内的代谢过程，有助于了解药物的作用机制和副作用。
个体化用药
纳米生物传感器可以监测患者的药物浓度和反应，为个体化用药提供依据，提高治疗效果并降低副作用。
药物筛选
纳米生物传感器可用于高通量药物筛选，快速筛选出具有潜在疗效的药物候选物。
02
01
纳米生物传感器的发展历程
02
纳米生物传感器的原理与技术
纳米生物传感器利用纳米材料和生物分子的特性，通过与目标物质发生相互作用，产生可被检测的信号变化，实现对生物分子和环境参数的快速、灵敏和准确的检测。
纳米生物传感器的工作原理通常包括分子识别、信号转换和信号输出三个步骤。分子识别是利用生物分子（如抗体、酶、核酸等）与目标物质之间的特异性相互作用，实现目标物质的捕获和富集。信号转换是将生物分子与目标物质相互作用产生的变化转换为可检测的电信号或光信号。信号输出则是将转换后的信号进行进一步处理和显示，得到最终的检测结果。
微型化
纳米材料种类繁多，可以针对不同的生物分子和疾病标志物进行设计和优化，实现多样化的生物检测。
多样性
优势
稳定性问题
生物兼容性
批量生产
临床应用
挑战
01
02
【生物医学课件】5生物传感器
✓基于生物吸附的生物敏感膜
基于生物体内存在相互亲和性的物质，把它们的一方固定 在膜上作为分子识别元件，当被测溶液中存在它们的配体时， 发生特异性反应，形成稳定的复合体，测定反应前后膜电位 的变化，即可得知配体浓度。
✓基于天然生物膜和人工生物膜的生物敏感膜
例如膜与外来物反应，生成的复合物影响到膜结构，改变 了膜的物理化学性质，使膜的通透性发生变化，进而感知外 界信息。
微生物作为敏感膜材料与底物作用时一般有两种情况： （1）呼吸机能型：对好氧性微生物，在与底物作用的同时， 其细胞的呼吸活性提高，耗氧量增大，用氧电极或CO电极 测定其呼吸活性，便可求出底物浓度。
呼吸机能型
（2）代谢机能型：对厌氧性微生物，其微生物同化被测有机物 后将生成各种代谢产物，如CO2、H2、H+等，可利用相应的离 子选择性电极测得代谢产物浓度，进而求出底物浓度。
总反应式为：葡萄糖 O2 G OD葡萄糖酸内酯 H2O2
此时氧电极附近的氧气量由于酶促反应而减少，使得还原电 流减小，通过测量电流值的变化即可确定葡萄糖浓度。
也可以通过测量反应产物H2O2的产生量来确定葡萄糖浓度。
快速葡萄糖(glucose)分析仪
电流型酶电极多以分子氧作为生物氧化还原反应的电子受体， 在环境缺氧或氧分压变化时对测量不利。故发展了利用介体取 代O2、H2O2在酶反应和电极间进行电子传递的介体酶电极。 将GOD固定在石墨电极上，以水不溶性二茂铁单羟酸为介体， 在电极对葡萄糖的响应过程中，二茂铁离子作为GOD的氧化剂， 并在酶反应与电极过程间迅速传递电子。由于二茂铁离子不与 氧反应，故传感器对氧不敏感，故可在缺氧或氧浓度易变的场 合使用；二茂铁离子与还原的GOD之间的电子传递快，因而电 极响应快；
分类方式
基于生物体内存在相互亲和性的物质，把它们的一方固定 在膜上作为分子识别元件，当被测溶液中存在它们的配体时， 发生特异性反应，形成稳定的复合体，测定反应前后膜电位 的变化，即可得知配体浓度。
✓基于天然生物膜和人工生物膜的生物敏感膜
例如膜与外来物反应，生成的复合物影响到膜结构，改变 了膜的物理化学性质，使膜的通透性发生变化，进而感知外 界信息。
微生物作为敏感膜材料与底物作用时一般有两种情况： （1）呼吸机能型：对好氧性微生物，在与底物作用的同时， 其细胞的呼吸活性提高，耗氧量增大，用氧电极或CO电极 测定其呼吸活性，便可求出底物浓度。
呼吸机能型
（2）代谢机能型：对厌氧性微生物，其微生物同化被测有机物 后将生成各种代谢产物，如CO2、H2、H+等，可利用相应的离 子选择性电极测得代谢产物浓度，进而求出底物浓度。
总反应式为：葡萄糖 O2 G OD葡萄糖酸内酯 H2O2
此时氧电极附近的氧气量由于酶促反应而减少，使得还原电 流减小，通过测量电流值的变化即可确定葡萄糖浓度。
也可以通过测量反应产物H2O2的产生量来确定葡萄糖浓度。
快速葡萄糖(glucose)分析仪
电流型酶电极多以分子氧作为生物氧化还原反应的电子受体， 在环境缺氧或氧分压变化时对测量不利。故发展了利用介体取 代O2、H2O2在酶反应和电极间进行电子传递的介体酶电极。 将GOD固定在石墨电极上，以水不溶性二茂铁单羟酸为介体， 在电极对葡萄糖的响应过程中，二茂铁离子作为GOD的氧化剂， 并在酶反应与电极过程间迅速传递电子。由于二茂铁离子不与 氧反应，故传感器对氧不敏感，故可在缺氧或氧浓度易变的场 合使用；二茂铁离子与还原的GOD之间的电子传递快，因而电 极响应快；
分类方式
生物传感器.pptx
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10.1.2 生物传感器的类型
生物传感器可以根据其分子识别元件的敏感物 质分为：酶传感器、微生物传感器、组织传感 器、细胞传感器和免疫传感器。还可以根据换 能器和测声型生物传感器等。生物传感器的分 类如图10-1所示。
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图库
▪
图10-1 生物传感器的基本结构
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生物传感器通常将生物物质固定在高分子膜等 固体载体上，例如酶、微生物组织、动物细胞、 底物、抗原、抗体等，被识别的生物分子作用 于生物功能性人工膜（生物传感器）时，将会 产生生理变化或化学变化，换能器将此信号转 换为电信号，从而检测出待测物质。转换包括 电化学反应、热反应、光反应等，输出为可处 理的电信号。人们把这类固定化的生物物质： 酶、抗原、抗体、激素等，或生物体本身：细 胞、细胞体（器）、组织作为敏感元件的传感 器，称为生物分子传感器或简称生物传感器。
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10.3.2 生物场效应晶体管结构类型
一 生物场效应晶体管有分离型和结合型 二 结合型生物场效应晶体管 三 酶场效应晶体管差分输出
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10.3.3 应用研究实例
1 尿素测定 2 NAD+-NADH测定 3 肌酸酐测定 4 青霉素测定 5 甲醛测定 6 有机磷农药测定 7 活细胞场效应晶体管 8 昆虫触角天线场效应晶体管 9 其他用途
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▪ DNA在固体电极上的固定化方法： ▪ （1）吸附法 ▪ （2）共价键结合法 ▪ （3）自组装膜法
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10.2.3 电化学传感器中的标识物
高等教育生物医学传感器光电.pptx
第6页/共73页
外光电效应（光电管、光电倍增管） 光作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。 光电子、光电流 光电子产生条件 光电流大小与光强 外光电效应瞬时发生 光电子具有初始动能
(红限频率)
第7页/共73页
内光电效应 （光敏电阻、光电池、光敏二极管、光敏三极管等)光电导效应 物体受光照后，吸收的入射光能量激发内部载流子，使其电导率增加，电阻值下降的现象。
第8页/共73页
光生伏特效应 光照作用下，能使物体在一定方向上产生电动势的现象。侧向光生伏特效应PN结光生伏特效应光电磁效应贝克勒尔效应
第9页/共73页
外光电效应器件光电管（真空光电管和充气光电管）
光电管结构示意图
光电管测量电路图
阴极
阳极
I
U
0
R
E
光
阳极
光电阴极
光窗
第10页/共73页
绝缘玻璃
发光二极管
透明绝缘体
光敏三极管
塑料
发光二极管
光敏三极管
透明树脂
采用金属外壳和玻璃绝缘的结构，在其中部对接，采用环焊以保证发光二极管和光敏二极管对准，以此来提高灵敏度。
(a)金属密封型
(b)塑料密封型
采用双列直插式用塑料封装的结构。管心先装于管脚上，中间再用透明树脂固定，具有集光作用，故此种结构灵敏度较高。
MOS光敏元结构
第66页/共73页
MOS光敏元工作原理
第67页/共73页
MOS——电荷存储原理构成CCD的基本单元是MOS电容器。与其它电容器一样， MOS电容器能够存储电荷。如果MOS电容器中的半导体是P型硅，当在金属电极上施加一个正电压Ug时，P型硅中的多数载流子（空穴）受到排斥，半导体内的少数载流子（电子）吸引到P-Si界面处来，从而在界面附近形成一个带负电荷的耗尽区， 也称表面势阱。对带负电的电子来说， 耗尽区是个势能很低的区域。在一定的条件下，所加正电压Ug越大，耗尽层就越深，势阱所能容纳的少数载流子电荷的量就越大。 如果有光照射在硅片上， 在光子作用下，半导体硅产生了电子-空穴对，光生电子被附近的势阱所吸收，而空穴被排斥出耗尽区。势阱内所吸收的光生电子数量与入射到该势阱附近的光强成正比。
外光电效应（光电管、光电倍增管） 光作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。 光电子、光电流 光电子产生条件 光电流大小与光强 外光电效应瞬时发生 光电子具有初始动能
(红限频率)
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内光电效应 （光敏电阻、光电池、光敏二极管、光敏三极管等)光电导效应 物体受光照后，吸收的入射光能量激发内部载流子，使其电导率增加，电阻值下降的现象。
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光生伏特效应 光照作用下，能使物体在一定方向上产生电动势的现象。侧向光生伏特效应PN结光生伏特效应光电磁效应贝克勒尔效应
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外光电效应器件光电管（真空光电管和充气光电管）
光电管结构示意图
光电管测量电路图
阴极
阳极
I
U
0
R
E
光
阳极
光电阴极
光窗
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绝缘玻璃
发光二极管
透明绝缘体
光敏三极管
塑料
发光二极管
光敏三极管
透明树脂
采用金属外壳和玻璃绝缘的结构，在其中部对接，采用环焊以保证发光二极管和光敏二极管对准，以此来提高灵敏度。
(a)金属密封型
(b)塑料密封型
采用双列直插式用塑料封装的结构。管心先装于管脚上，中间再用透明树脂固定，具有集光作用，故此种结构灵敏度较高。
MOS光敏元结构
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MOS光敏元工作原理
第67页/共73页
MOS——电荷存储原理构成CCD的基本单元是MOS电容器。与其它电容器一样， MOS电容器能够存储电荷。如果MOS电容器中的半导体是P型硅，当在金属电极上施加一个正电压Ug时，P型硅中的多数载流子（空穴）受到排斥，半导体内的少数载流子（电子）吸引到P-Si界面处来，从而在界面附近形成一个带负电荷的耗尽区， 也称表面势阱。对带负电的电子来说， 耗尽区是个势能很低的区域。在一定的条件下，所加正电压Ug越大，耗尽层就越深，势阱所能容纳的少数载流子电荷的量就越大。 如果有光照射在硅片上， 在光子作用下，半导体硅产生了电子-空穴对，光生电子被附近的势阱所吸收，而空穴被排斥出耗尽区。势阱内所吸收的光生电子数量与入射到该势阱附近的光强成正比。
第2章 生物医学传感器基础课件
第2章 生物医学传感器基础
• E 0 是金属浸在含有该金属离子有效浓度 为lmol/L的溶液中达到平衡时的电极电位, 称为这种金属的标准电极电位（表3.2 ）
• 可看出 E 0 值远远大于所有生物电位信号 的大小。
• E 0 与金属以离子形态转入溶液的能力K 以及温度T有关系。
第2章 生物医学传感器基础
第2章 生物医学传感器基础
• 图 电极－溶液界面的平衡电位
锌电极放入含Zn2＋的溶液 中，锌电极中Zn2＋进入溶 液中，在金属上留下电子
带负电，溶液带正电。
进入水中的正离子和带负 电的金属彼此吸引,使大多 数离子分布在靠近金属片 的液层中,形成的电场,阻 碍Zn2＋进一步迁移最终达 到平衡。
此时金属与溶液之间形成电荷 分第2布章 产生物生医学一传感定器的基础电位差。
第2章 生物医学传感器基础
一、电极的基本概念
• 生物电是生物体最基本的生理现象，各种生物 电位的测量都要用电极；给生物组织施加电剌 激也要用电极
• 电极实际上是把生物体电化学活动而产生的离 子电位转换成测量系统的电位
• 电极起换能器作用，是一种传感器
• 电流在生物体内是靠离子传导的,在电极和导
线中是靠电子传导的,在电极和溶液界面上则
＋
-
-
-
＋
-
生物电检测电极示意图 第2章 生物医学传感器基础
生物电测量的等效电路
第2章 生物医学传感器基础
• 医用电极按工作性质可分为检测电极和 刺激电极两大类：
• 检测电极是敏感元件,用来测定生物电位的。 需用电极把这个部位的电位引导到电位测量 仪器上进行测量,这种电极称为检测电极。
• 剌激电极是对生物体施加电流或电压所用的 电极。剌激电极是个执行元件。
• E 0 是金属浸在含有该金属离子有效浓度 为lmol/L的溶液中达到平衡时的电极电位, 称为这种金属的标准电极电位（表3.2 ）
• 可看出 E 0 值远远大于所有生物电位信号 的大小。
• E 0 与金属以离子形态转入溶液的能力K 以及温度T有关系。
第2章 生物医学传感器基础
第2章 生物医学传感器基础
• 图 电极－溶液界面的平衡电位
锌电极放入含Zn2＋的溶液 中，锌电极中Zn2＋进入溶 液中，在金属上留下电子
带负电，溶液带正电。
进入水中的正离子和带负 电的金属彼此吸引,使大多 数离子分布在靠近金属片 的液层中,形成的电场,阻 碍Zn2＋进一步迁移最终达 到平衡。
此时金属与溶液之间形成电荷 分第2布章 产生物生医学一传感定器的基础电位差。
第2章 生物医学传感器基础
一、电极的基本概念
• 生物电是生物体最基本的生理现象，各种生物 电位的测量都要用电极；给生物组织施加电剌 激也要用电极
• 电极实际上是把生物体电化学活动而产生的离 子电位转换成测量系统的电位
• 电极起换能器作用，是一种传感器
• 电流在生物体内是靠离子传导的,在电极和导
线中是靠电子传导的,在电极和溶液界面上则
＋
-
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-
＋
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生物电检测电极示意图 第2章 生物医学传感器基础
生物电测量的等效电路
第2章 生物医学传感器基础
• 医用电极按工作性质可分为检测电极和 刺激电极两大类：
• 检测电极是敏感元件,用来测定生物电位的。 需用电极把这个部位的电位引导到电位测量 仪器上进行测量,这种电极称为检测电极。
• 剌激电极是对生物体施加电流或电压所用的 电极。剌激电极是个执行元件。
《生物传感器》PPT课件
生物分子识别元件：葡萄糖氧化酶膜 可用的测量量：O2的减少量，葡萄糖酸或H2O2的
产生量
信号转换元件：氧电极，pH电极及H2O2电极
一种葡萄糖传感器-Glucowatch
•Glucose pulled through the skin by charged molecules •The ions migrate to the anode (+) and cathode (-) •Glucose reacts with glucose oxidase to form hydrogen peroxide •The reaction produces an electrochemical measured by the AutoSensor
灵敏。
完整版课件ppt
3
敏感元件：
酶、抗体、核酸、细胞等。
转换器：
电化学电极、光学检测元件、 场效应晶体管、压电石英晶体、 表面等离子共振。
酶 (Enzyme)
抗体(Antibody)
完整版课件ppt
DNA
4
2. 分类
根据输出信号产生的方式 生物亲和型、代谢型、催化型
根据生物分子识别元件上的敏感物质 酶传感器、组织传感器、微生物传感器、免疫传感器、基 因传感器等
根据信号转化器 电化学生物传感器、半导体生物传感器等
其他分类 被测对象、大小、功能
完整版课件ppt
6
3. 生物传感器的特点
➢ 高选择性。生物传感器是由选择性好的主 体材料构成的分子一识别元件，因此，一般不 需进行样品的预处理。测定时一般不需另加其 它试剂。
➢ 体积小、可以实现连续在位监测。
➢ 响应快、样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反复 多次使用。
产生量
信号转换元件：氧电极，pH电极及H2O2电极
一种葡萄糖传感器-Glucowatch
•Glucose pulled through the skin by charged molecules •The ions migrate to the anode (+) and cathode (-) •Glucose reacts with glucose oxidase to form hydrogen peroxide •The reaction produces an electrochemical measured by the AutoSensor
灵敏。
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3
敏感元件：
酶、抗体、核酸、细胞等。
转换器：
电化学电极、光学检测元件、 场效应晶体管、压电石英晶体、 表面等离子共振。
酶 (Enzyme)
抗体(Antibody)
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DNA
4
2. 分类
根据输出信号产生的方式 生物亲和型、代谢型、催化型
根据生物分子识别元件上的敏感物质 酶传感器、组织传感器、微生物传感器、免疫传感器、基 因传感器等
根据信号转化器 电化学生物传感器、半导体生物传感器等
其他分类 被测对象、大小、功能
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6
3. 生物传感器的特点
➢ 高选择性。生物传感器是由选择性好的主 体材料构成的分子一识别元件，因此，一般不 需进行样品的预处理。测定时一般不需另加其 它试剂。
➢ 体积小、可以实现连续在位监测。
➢ 响应快、样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反复 多次使用。
生物传感器在医疗中的使用课件
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生物传感器在环境监测中的应用
生物传感器在动物行为研究中的 应用
05
生物传感器在医疗中的案例分析
糖尿病监测
生物传感器在糖尿病监测中的应用 血糖浓度监测的原理与技术 糖尿病监测的挑战与解决方案 未来糖尿病监测的趋势与展望
心脏病诊断
生物传感器在心脏病诊断中的应用 实时监测心脏功能 快速准确地检测心脏病症状 帮助医生进行早期诊断和治疗
诊断疾病
监测病情：对患者的病情进行实时监测，及时发现异常情况 辅助诊断：通过生物传感器检测疾病标志物，为医生提供诊断依据 疗效评估：监测患者对治疗的反应，评估治疗效果 预测风险：通过对生物标志物的检测，预测疾病风险
生物传感器在医疗中的应用-药物研发
生物传感器用于 药物研发的早期 阶段，帮助科学 家快速筛选和优 化候选药物。
种类：光学传感 器包括光纤传感 器、光谱传感器、 荧光传感器等。
应用领域：光学 传感器在医疗领 域中有着广泛的 应用，如血糖监 测、血压监测、 药物浓度监测等。
压电传感器
简介：压电传感器是一种基于压电效应的生物传感器 原理：利用压电材料的压电效应将生物信号转换为电信号 特点：具有高灵敏度、快速响应和低成本等优点 应用：用于检测各种生物分子，如DNA、蛋白质等
生物传感器能够 监测药物对靶点 的作用，为新药 开发提供关键信 息。
通过生物传感器 技术，可以快速 评估药物的疗效 和安全性，加速 药物的研发进程。
生物传感器还可 以用于研究药物 的副作用和耐药 性，有助于发现 新的治疗策略。
个性化治疗
生物传感器可监测患者生理参数 根据监测结果为患者制定个性化治疗方案 提高治疗效果并减少副作用 生物传感器还可用于实时监测患者病情变化
生物医学传感器实验 ppt课件
表1 差动变压器位移X值与输出电压数据表
(3) 再从最小处反相移动做试验，记录数据。 注意左右位移时，初次级波形的相位关系。
五、注意事项
1. 在做实验前，应先用示波器监测差动变压器激 励信号的幅度，使之为Vpp值为2V，不能太 大，否则差动变压器发热严重，影响其性能， 甚至烧毁线圈。
2. 模块上L2、L3线圈旁边的“*”表示两线圈的 同
2. 霍尔位移传感器工作原理
在极性相反，磁场强度相同的两个磁钢的 气隙间放置一个霍尔元件，如图1。
当控制电流恒定时，
U H K H B I K 1 B
当磁场与位移成正比时,
B K2x
U H K 1 K 2x K x
K — 位移传感器的灵敏度
图1 结构图
U H K 1 K 2x K x
霍尔电势与位移量成线性关系，其输出电 势的极性反映了元件位移方向。
生物医学传感器实验 ppt课件
一、实验目的
了解金属箔式应变片的应变效应，半桥工 作原理和性能。
二、实验器材
应变式传感器实验模板、砝码、数显表、 ±15V电源、±5V电源、万用表。
三、基本原理
金属丝在外力作用下发生机械形变时，其电 阻值会发生变化，这就是金属的电阻应变效应。
金属的电阻表达式为：
六、名端思。考题
差动变压器测量频率的上限受什么影响？
七、实验报告要求：
1. 记录实验数据，并绘制出差动变压器传感器左 移和右移的特性曲线。
2. 根据实验数据计算系统灵敏度S
及非线性误差 .f 2
实验五 霍尔传感器的位移特性
生物医学传感器教研组
刘艳
Email:liuyan2010@
图5 全桥接线图
4. 放砝码 在砝码盘上放置一只砝码，读取数显表数值，
(3) 再从最小处反相移动做试验，记录数据。 注意左右位移时，初次级波形的相位关系。
五、注意事项
1. 在做实验前，应先用示波器监测差动变压器激 励信号的幅度，使之为Vpp值为2V，不能太 大，否则差动变压器发热严重，影响其性能， 甚至烧毁线圈。
2. 模块上L2、L3线圈旁边的“*”表示两线圈的 同
2. 霍尔位移传感器工作原理
在极性相反，磁场强度相同的两个磁钢的 气隙间放置一个霍尔元件，如图1。
当控制电流恒定时，
U H K H B I K 1 B
当磁场与位移成正比时,
B K2x
U H K 1 K 2x K x
K — 位移传感器的灵敏度
图1 结构图
U H K 1 K 2x K x
霍尔电势与位移量成线性关系，其输出电 势的极性反映了元件位移方向。
生物医学传感器实验 ppt课件
一、实验目的
了解金属箔式应变片的应变效应，半桥工 作原理和性能。
二、实验器材
应变式传感器实验模板、砝码、数显表、 ±15V电源、±5V电源、万用表。
三、基本原理
金属丝在外力作用下发生机械形变时，其电 阻值会发生变化，这就是金属的电阻应变效应。
金属的电阻表达式为：
六、名端思。考题
差动变压器测量频率的上限受什么影响？
七、实验报告要求：
1. 记录实验数据，并绘制出差动变压器传感器左 移和右移的特性曲线。
2. 根据实验数据计算系统灵敏度S
及非线性误差 .f 2
实验五 霍尔传感器的位移特性
生物医学传感器教研组
刘艳
Email:liuyan2010@
图5 全桥接线图
4. 放砝码 在砝码盘上放置一只砝码，读取数显表数值，
《生物医学传感器》PPT课件
——
响应的被测量转性换敏成感适元于件传把输力或、测压量力的、电力信矩号、部振分动。
生 物
等被测参量转换成应变量或位移量， 电子线路，然由后于再传通感过器各输种出转信换号元一件般把都应很变微量或
医 弱，需要有信号位调移理量与转转换换成电电路量，。进弹行性放元大件、材运料有
学 算调制等。 弹性合金、石英、陶瓷和半导体硅等。
医 学
节，它替代医生的感觉器官（视觉、听觉、触觉、
传 味觉和嗅觉），把医生的定性感觉变为定量测量，
感 决定着医学仪器的测量原理和结构设计。
器
29
生 生物医学传感器
物
医
学 敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被
工 程
测量的部分；
导
论 传感元件是例指如传：感弹器性中材能料将制敏成感的元敏件感感元受件或，弹
3
生 生物医学传感器
物 医
学 ３．传感器技术广泛应用于航天航空、军事、工
工
程 业、农业、医学、环境保护、机器人、汽车、
导
论 舰船、灾害预测预防、家电、公共安全以及
——
日常生活等各个领域，可以说是无所不在。
生 物
有人说：征服了传感器，几乎就征服了现代
医 科学技术。话虽夸张，却说明了传感器技术
学
传 在现代科学技术中的重要地位。
学 断信息，即生化检验信息。它是利用化学传感
传 器和生物传感器来获取，是诊断各种疾病必不
感 可少的依据。
器
23
生 生物医学传感器
物
医
学
工
程
导
论
MB—3型 脉搏波传感器
MB—4型 脉搏波传感器
——
生
物
生物传感器ppt
生物传感器是一类特殊的化学传感 器，它是以生物活性单元(如酶、 蛋白质、DNA、抗体、抗原、生 物膜、微生物、细胞等)作为识别 元件，将生化反应转变成可定量 的物理、化学信号，从而能够进 行生命物质和化学物质检测和监 控的装置。
2、生物传感器与传统的分析方法 相比，具有如下的优点：
1）.生物传感器是由选择性好的生 物材料构成的分子识别元件，因 此一般不需要样品的预处理，样 品中的检测组分的分离和检测同 时完成，且测定时一般不需加入 其它试剂；
转换器（换能器transducer ）
生物传感器的选择性取决于它 的生物敏感元件，而生物传感器 的其他性能则和它的整体组成有 关。
生物传感器的传感原理
分子识别 生物功能性膜
化学物质 热 光 质量
介电性质
电极、半导体等
热敏电阻
电
光纤、光度计 信
压电晶体等
号
表面等离子共振
信号转换器
四、生物传感器中的信 号转换器
采用TTL-IC振荡 电路驱使石英晶 体谐振于其固有 的频率，图是压 电石英晶体传感 器的工作系统。
压电石英晶体传感器的工作系统
当石英晶体便面附着层的质量改变时 其频率随之改变，用Sauerbrey方程来 描述。即△F =KF2 △m /A，式中， △F 是晶体吸附外表物质后振动频率 （Hz）的变化；K为常数；F为压电晶 体的基础频率（MHz）； △m 为附 着层物质的质量变化。通常可检测低 至10-10g/cm2级的痕量物质，因此常称 之为石英晶体微天平。
三、生物传即感感受器器，结具有构分子和识原别能理 力的生物活性物质（如组织 切片、细胞、细胞器、细胞 膜、酶、抗体、核酸、有机 分子识别元物件分子等）； 主要有电化学电极（如电位、电流 的测量）、光学检测元件、热敏电阻、 场效应晶体管、压电石英晶体及表面等 离子共振器件等，从而达到分析监测的 目的。
生物医学传感器及应用-第五章-电感式传感器
输出电感灵敏度与初始截面面积的 成反比关系。
《生物医学传感器及应用》 医学院生物医学工程系
§5.1 自感式电感传感器
五、差动式自感传感器
在实际使用中，常采用两个相同的传感线 圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器。
差动结构的特点： （1）改善线性、提高灵敏度外； （ 2 ）补偿温度变化、电源频率变化等的 影响，从而减少了外界影响造成的误差。
δ Δδ
变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，因 此变间隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。 动态测量范围：0.001 ~ 1mm。 为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传 感器。
《生物医学传感器及应用》 医学院生物医学工程系
§5.1 自感式电感传感器
四、变截面式自感传感器输出特性
铁芯 线圈 δ Δδ
线圈中电感量：
因此只要能测出这种电感量的变化， 就能确定衔铁位移量的大小和方向。
NΦ IN L I RM
总磁阻
线圈匝 数
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§5.1 自感式电感传感器
一、自感式传感器工作原理
L NΦ IN Φ I RM
l1 铁芯
RM RF R
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§5.1 自感式电感传感器
七、自感式传感器的测量电路
1、交流电桥式测量电路
电桥输出电压为
U o
RZ (L L ) U 1 2 Z ( Z R)
差动式传感器的电感灵敏度K0为
L 2 K0 / L0 0
线性处理后电桥输出电压为
生物医学传感器 及应用
第五章 电感式传感器
《生物医学传感器及应用》 医学院生物医学工程系
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§5.1 自感式电感传感器
五、差动式自感传感器
在实际使用中，常采用两个相同的传感线 圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器。
差动结构的特点： （1）改善线性、提高灵敏度外； （ 2 ）补偿温度变化、电源频率变化等的 影响，从而减少了外界影响造成的误差。
δ Δδ
变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾，因 此变间隙式电感式传感器适用于测量微小位移的场合。 动态测量范围：0.001 ~ 1mm。 为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变隙式电感传 感器。
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§5.1 自感式电感传感器
四、变截面式自感传感器输出特性
铁芯 线圈 δ Δδ
线圈中电感量：
因此只要能测出这种电感量的变化， 就能确定衔铁位移量的大小和方向。
NΦ IN L I RM
总磁阻
线圈匝 数
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§5.1 自感式电感传感器
一、自感式传感器工作原理
L NΦ IN Φ I RM
l1 铁芯
RM RF R
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§5.1 自感式电感传感器
七、自感式传感器的测量电路
1、交流电桥式测量电路
电桥输出电压为
U o
RZ (L L ) U 1 2 Z ( Z R)
差动式传感器的电感灵敏度K0为
L 2 K0 / L0 0
线性处理后电桥输出电压为
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第五章 电感式传感器
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传感器在医学中的作用
医学研究和进行疾病诊断都要求获得人体各方面的 信息。如心脏疾病的诊断，它要求来自从系统到器官、 组织、细胞、分子等各层次的信息，即心音、血压、心 电、心肌组织信息等。实现这些生物信息的检测手段就 是依靠各种各样的医用传感器（medical sensor ） 。
医用传感器就是感知生物体内各种生理的、生化的 和病理的信息，把它们传递出来并转化为易处理的电信 号装置。由于要采集的信号绝大部分是非电学量，传感 器通常是将非电学量转换成电学量，所以又把传感器叫 做换能器。
生物医学传感器
现代信息产业的三大支柱: 传感技术、通信技术和计算机技术
感官
神经
大脑
信息的采集与控制
信息的传输
信息的处理
传感器是信息采集的首要部件，鉴于其重要作用， 世界各国自20 世纪 80 年代开始都将其列为重点发展的 关键技术
生物医学传感器
五官(眼、耳、鼻、舌、身）
大脑
传感器Байду номын сангаас
物理量 感知 化学量
生物医学测量的目的是为了获取生物医学有 用信息，生物医学测量是各种生物医学仪器的基 础。生物体是极其复杂的生命系统，用工程技术 方法获取生物医学信息，通常采用适合生物医学 测量的传感技术和检测技术来实现，这是与普通 测量相区别的。
生物医学传感器
传感器的测量主要表现在以下几个方面：
信息的收集、信息数据的转换、控制信息的采集。
通过传感器来实现。
2．传感器作为测控系统中对象信息的入口、检测技 术的核心部件，在现代化的自动检测、自动控制 和遥控系统中是必不可少的部分：如果缺少了它， 自动化将无从谈起。
生物医学传感器
３．传感器技术广泛应用于航天航空、军事、工 业、农业、医学、环境保护、机器人、汽车、 舰船、灾害预测预防、家电、公共安全以及 日常生活等各个领域，可以说是无所不在。 有人说：征服了传感器，几乎就征服了现代 科学技术。话虽夸张，却说明了传感器技术 在现代科学技术中的重要地位。
控制系统的状态，或者跟踪系统变化的目标值。
例如：排爆机器人手动控制系统是智能排爆机器 人的辅助系统，在自动系统失效或其他需 要手动控制机器人运动状态时，实现对机 器人的控制。
生物医学传感器
再如：
实时采集和传送环境数据
室外温度、湿度、辐照度、风速、风向和雨量， 二氧化碳浓度和水温，灌溉量、回流量、 灌溉营养液pH等，生物数据包括叶面温度、
生物医学传感器
随着科学技术的发展，医学科学已进入崭新 的阶段，从定性医学走向定量医学，从宏观的人 体组织到微观的细胞和分子，生物医学传感器起 了重要作用，它延伸了医生的感觉器官，可帮助 医生进行客观正确的定量分析。
如:
用压电传感器测手的微振动，测心室内部压力，测心内 瓣膜振动等；
用固态压阻传感器测指尖、桡骨和手腕等部位的脉压； 用电阻应变片测呼吸气流、脉象和肌肉力等。
生物医学传感器
2．信息数据的转换 把文字、符号、代码、图形等多种形式记录
在纸或胶片上的信号数据转换成计算机、传真机 等易处理的信号数据，或者读出记录在各种媒体 介质上的信息并进行转换。例如，磁盘和光盘的 信息读出磁头就是一种传感器。
生物医学传感器
3．控制信息的采集 检测控制系统处于某种状态的信息，并由此
生物医学传感器
4．传感器技术在发达国家中深受重视： • 如美国 22 项国家长期安全和经济繁荣的关键技术中有6 项
与传感器技术直接相关； • 保持武器系统质量优势的关键技术中有8 项为传感器技术； • 美国空军举出的15项有助于提高21世纪空军能力的关键技术
中，传感器技术名列第二，每年仅在生物传感器技术及产品 开发研究方面投资额度约为13亿美元。 • 早在上世纪80年代，日本就把传感器技术列为优先发展的十 大技术之首。 • 目前，我国也把传感器技术列为重点发展的技术之一。
生物医学传感器
医用传感器的用途有：
（1）提供诊断用信息：如心音、血压、脉搏、 血流、呼吸、体温等信息，供临床诊断 和医学研究用。
（2）监护：长时间连续测定某些参量，监视 这些参量是否处于规定的范围内，以便 了解病人的恢复过程，出现异常时及时 报警。如重症监护( ICU )。
生物医学传感器
Biomedical sensors
生物医学传感器
传感器在现代科学技术中的地位 传感器的作用 传感器的定义 传感器的分类 医用传感器的特点和要求 医用传感器的发展趋势
生物医学传感器
一、传感器在现代科学技术中的地位
1．21世纪是现代信息技术的时代，信息技术包括信 息采集、信息传输和信息处理。而信息采集需要
生物量
电脑 电信号
生物医学传感器
传感器的物理含义:
传感器是指能将各种非电量转换成电信号 的部件，这是因为电信号是最适合于传输、转 换、处理和定量运算。
生物医学传感器
各种传感器：
生物医学传感器
生物医学传感器
生物医学传感器
传感器的作用就是测量。没有传感器，就不 能实现测量；没有测量，也就没有科学技术。
1．信息的收集 科学研究中的计量测试、产品制造与销售中
所需要的计量都要由测量获得准确的定量数据； 在航空、航天技术领域，仅“阿波罗”10号飞船就 有3000多个参数需要监测。
生物医学传感器
在兵器领域中，现代引信实质就是完成引爆 战斗任务的传感器系统，为了更好地解决安全、 可靠和通用性问题，同时增强功能，目前采用几 个传感器分别检测环境和目标信息。各国竟相研 制的重要新型精确打击武器——目标敏感弹更是 以传感器为技术核心来获取各种信息，制导炮弹、 各种导弹也是如此。
采用智能、先进控制策略和算法
智能玻璃温室环境气候自动调控，灌溉营养液自动控制； 通过网络宽带技术，实现温室生物信息与环境信息的
远程实时监视和远程视频传输，以及温室主要设备状态 的远程控制。
生物医学传感器
1. 植物茎杆增长传感器
2. 果实增长传感器
3. 叶面温度传感器
4. 叶面湿度传感器
生物医学传感器
生物医学传感器
在工业生产中，传感器采集各种信息，起到 工业耳目的作用。例如，冶金工业中连续铸造生 产过程中的钢包液位检测、高炉铁水硫磷含量分 析，均由各种传感器为操作人员提供可靠的数据。 此外，用于工厂自动化柔性制造系统中的机械手 或机器人可实现高精度在线实时测量，从而保证 产品的产量和质量，其测量需要各种传感器来完 成。