2.7_几种常见生物医学传感器原理
生物传感器的工作原理探究
生物传感器的工作原理探究生物传感器是一种通过生物体内特定生物分子与传感器上的生物识别元件发生特异性相互作用，以实现检测和分析生物样品中目标分子的装置。
它在医药、环境、食品安全等领域具有重要的应用价值。
本文将探讨生物传感器的工作原理，重点介绍典型的光学、电化学和生物识别元件的工作原理。
一、光学生物传感器的工作原理光学生物传感器是利用光学原理，通过生物反应介导的光学信号变化来检测样品中的目标分子。
其工作原理主要包括两个步骤：生物反应和光学信号变化。
1. 生物反应：光学生物传感器的关键是选择适合的生物识别元件，如酶、抗体、DNA等，使其与目标分子发生特异性识别与结合，触发一系列的生物反应。
例如，酶识别底物并催化底物转化为产物，抗体与抗原结合形成复合物，DNA发生特异性的亲和反应等。
2. 光学信号变化：生物反应导致信号变化的方式主要有荧光、吸收光谱以及表面等离子体共振等。
其中，荧光信号变化是光学生物传感器中常用的检测手段之一。
通过荧光荧光素或量子点等发光材料标记在生物分子上，当目标分子与生物识别元件结合后，荧光强度会发生可测量的变化。
吸收光谱则是通过测量反应物或产物在特定波长处的吸收强度变化来实现目标分子的检测。
二、电化学生物传感器的工作原理电化学生物传感器是利用电化学原理，通过测量电化学信号的变化来检测样品中的目标分子。
其工作原理主要包括两个步骤：生物反应和电化学信号变化。
1. 生物反应：电化学生物传感器常采用生物催化反应或生物亲和反应实现与目标分子的识别和结合。
以酶传感器为例，酶与底物发生特异性识别与结合，并催化底物的电化学反应产生电流或电势变化。
生物亲和传感器则是利用抗体或DNA等与其互补的分子结合，触发反应并导致电化学信号变化。
2. 电化学信号变化：电化学生物传感器通过测量反应产生的电流或电势变化来实现目标分子的检测。
常见的电化学探测技术包括安培法、伏安法和阻抗法等。
安培法是通过测量在电极上产生的电流来判断反应物或产物的浓度变化。
生物传感器的原理和应用
生物传感器的原理和应用随着生物技术和纳米技术的发展，生物传感器逐渐成为了现代科技发展的一个热门领域。
生物传感器是一种能够通过检测微小生物体、生物反应或生物元素来测定生物活性的设备，随着生物传感器应用范围的不断扩大，其体积持续缩小，功能持续增强，越来越多的领域在使用生物传感器来提高生产效率和科技水平，到目前为止，其广泛应用于医学、环境监测、食品安全等领域。
一、生物传感器的原理生物传感器是通过生物体与物理和化学学科结合而产生的一种新型传感器，其通过生物体与物理和化学学科的相互作用，能够检测出微小的生物体、生物反应以及生物元素，实现对生物活性的测定。
其原理主要有光学测量法、电化学测量法、物理测量法和生物测量法等。
1. 光学测量法光学测量法是通过感应光学信号来测量生物体的活性，光学测量法广泛应用于荧光、光电能量转换、折射以及散射等领域。
在生物体感应光学信号的过程中，需要使用光源来激发或检测生物体发生的光学效应，从而实现测量和识别生物体。
2. 电化学测量法电化学测量法是通过测量物质与电解液之间的相互作用来测量生物体的活性，电化学测量法主要涉及到电导、电位和电荷等方面，通过对电化学效应的测量，可以实现对生物活性的测定。
电化学测量法广泛应用于电分析化学、电分析生物化学、电分析医学等领域。
3. 物理测量法物理测量法是通过测量生物体生成的物理效应来测量其活性，例如温度、压力、声波、磁场等。
物理测量法的测量基于物理学原理，在生物组织、生物胶体颗粒、生物膜等方面具有广泛的应用。
4. 生物测量法生物测量法是通过测量生物内部的生理和生化过程来测量其活性。
生物测量法需要根据生物的不同特征，采用不同的测试方法来测量其活性，例如重金属离子浓度的测定、生物酶迅速检测等。
二、生物传感器的应用生物传感器的应用领域主要包括医学、环境监测、生化工程、食品安全等多个领域。
1. 医学领域生物传感器在医学领域中应用广泛，例如在血糖检测、蛋白质检测等方面都有一定的应用。
生物医学中的传感器技术
生物医学中的传感器技术随着生物医学领域的不断发展，传感器技术已经成为了一个重要的研究领域。
生物医学传感器的基本原理是将生物信号转换为电信号，从而实现对生物体的监测和分析。
传感器通过对生物体信息的灵敏反应能够提供非常精确和实时的数据。
传感器技术在生物医学领域中的应用具有非常广泛的前景，包括医疗器械、药物筛选、疾病预测和治疗等方面。
生物医学传感器可以分为多种类型，如光学传感器、化学传感器、电化学传感器、生物传感器和机械传感器等。
这些传感器的基本工作原理都是通过感受生物体的信号来进行数据采集和分析。
在这些传感器中，其中一种比较常见的是电化学传感器。
电化学传感器是利用电化学反应转化生物体信号为电信号的一种传感器。
它通常包括三个部分：工作电极、参比电极和计量电极。
这些部件协同工作，完成从生物体的化学信号转化为电信号的过程。
电化学传感器被广泛应用于生物体中的离子、分子和细胞等诸多领域中。
在生物医学传感器的应用领域中，最广泛的是医疗器械领域。
在目前医疗器械中，许多仪器都需要生物体内生化、物理和生理等方面的信号数据。
安装生物医学传感器可以实现对这些信号的实时和高效监测。
比如，在负责调节人体内分泌系统的胰岛素泵中，生物医学传感器可以确保适量的胰岛素注射，减少并发症的风险。
又比如，在心脏起搏器中，生物医学传感器可以实时监测心脏的跳动情况，减少心脏机械损伤以及心血管并发症的风险。
通过生物医学传感器可以筛选出合适的药物，达到更加精准的治疗效果。
目前，生物医学传感器可以获得更精确的生物信号数据，这有助于对药物的筛选和治疗方案的定制化。
这些传感器可以轻松地检测体内不同的生物化学标记物，如蛋白质、酶、DNA和细胞表面标记物等。
这些数据可用于药物筛选、预测药物作用及评估药物副作用等领域。
除此之外，生物医学传感器还可以应用于疾病预测和治疗。
例如，糖尿病患者需要监测自身的血糖水平，并及时调整胰岛素注射用量。
生物医学传感器可以检测出患者血糖水平，提供更精确的数据。
生物传感器的原理及其应用
生物传感器的原理及其应用随着科技的不断发展，越来越多的新型技术得到了广泛的关注和应用。
其中，生物传感器就是一种备受瞩目的领域。
生物传感器是将生物分子、细胞、组织等生物材料作为信号转换器，通过转化生物特定的分子识别事件为电、光、声、热等可测量信号的一种装置。
生物传感器的原理非常简单，但是其应用领域却异常广泛。
下面我们来详细了解一下生物传感器的原理及其应用。
一、生物传感器的原理生物传感器是一种将生物分子、细胞、组织等生物材料作为信号转换器的研究装置。
利用生物分子与分析物的特异性反应，转换生物中指定的分子识别事件为可测量的信号（光、电、声、热等），从而实现对分析物的监测和分析。
通常情况下，生物传感器包括生物感受材料、转换装置和信号处理装置。
生物感受材料是生物传感器的关键部分，其主要功能是充当生物分子与分析物特异性反应的膜片或支架，进行特异性识别和结合。
转换装置则将特异性结合事件转换为电、光、声和热等信号进行检测，从而确定被检测分子的浓度。
信号处理装置则负责对检测到的信号进行放大、滤波、处理及数据分析，输出正确、准确、稳定的信息。
二、生物传感器的应用生物传感器具有高灵敏度、高选择性、实时检测、非破坏性、无污染等优点，可以广泛应用于医学、环境、食品、生命科学等领域。
1.医学应用生物传感器在医疗领域的应用非常广泛。
例如，可以用于肿瘤标志物的检测，通常采用单克隆抗体对肿瘤标志物进行检测，具有较高的灵敏性和准确性，并且可以实现快速和便捷的检测。
另外，生物传感器还可用于检测葡萄糖水平，这对糖尿病患者来说非常重要。
2.环境应用生物传感器在环境监测中也有广泛的应用。
例如，污染物的检测，通过监测大气中的有毒气体和微量元素来判断空气质量，这对保护人们的健康非常重要。
此外，生物传感器还可用于检测土壤和水体中的有害物质。
3.食品应用生物传感器可以广泛应用于食品质量检测中。
例如，可以用于检测食品中的致病微生物和其它有害物质。
这对保证食品的安全非常重要。
生物传感器检测原理、类型
③ 酶催化一般在温和条件下进行 由于酶是蛋白质，极端的环境条件(如高温、酸碱)容易 使酶失活。 ④ 有些酶(如脱氢酶)需要辅酶或辅基 若从酶蛋白分子中除去辅助成分，则酶不表现催化活性。 ⑤ 酶在体内的活力常常受多种方式调控 包括基因水平调控、反馈调节、激素控制、酶原激活等。 ⑥ 酶促反应产生的信息变化有多种形式， 如热、光、电、离子化学等。
3.1 酶及酶反应
2） 酶的蛋白质性质
酶是蛋白质，这一结论最早由sumner提出，他在1926年首次 从刀豆中提取了脲酶结晶，并证明这个结晶具有蛋白质的一切性质。 以后人们又陆续获得了多种结晶酶，在已经鉴定的2000余种酶中， 多数已被结晶或纯化，检索SIGMA目录，作为商品出售的酶已经达 400多种。 证明酶是蛋白质有4点依据： ① 蛋白质是氨基酸组成的，而酶的水解产物都是氨基酸，即酶是由 氨基酸组成的。 ② 酶具有蛋白质所具有的颜色反应，如双缩脲反应、茚三酮反应、 乙醛酸反应等。 ③ 一切能使蛋白质变性的因素，如热、酸、碱、紫外线等，同样可 以使酶变性失活。 ④ 酶同样具有蛋白质所具有的大分子性质，如不能透过半透膜，可 以电泳，并有一定等电点。
催化C-C、C-O、C-N或C=S键裂解或缩合，其代表反应式为：
如脱羧酶、碳酸酐酶等。
(5) 异构酶类(isomerases)
催化异构化反应，使底物分子内发生重排，一般反应式为：
这类酶包括消旋酶(如L-氨基酸转变成D-氨基酸)、变位酶(如 葡萄糖-6-磷酸转变为葡萄糖-l-磷酸)等。
(6) 合成酶类(1igases) 或称连接酶类，
生物学反应信息 离子变化 电阻、电导变化 质子变化 气体分压变化 换能器选择 离子选择性电极 阻抗计、电导仪 场效应晶体管 气敏电极 生物学反应信息 光学变化 颜色变化 质量变化 力变化 换能器选择 光纤、光敏管 光纤、光敏管 压电晶体等 微悬臂梁
生物传感器的工作原理
生物传感器的工作原理生物传感器是一种能够利用生物分子与物理或化学传感器相结合的设备，用于检测生物体内或周围环境中的特定生物分子或生物过程的变化。
生物传感器的工作原理主要基于生物分子的识别和信号转换，它可以应用于医学诊断、食品安全监测、环境污染监测等领域，具有广阔的应用前景。
生物传感器的工作原理涉及到生物分子的识别和信号转换两个关键步骤。
首先，生物传感器需要能够识别目标生物分子，这通常通过生物分子与传感器上的生物识别元素（如抗体、酶、核酸等）的特异性结合来实现。
这种特异性结合可以使传感器对目标生物分子具有高度的选择性和灵敏性，从而实现对目标生物分子的准确检测。
其次，生物传感器需要将生物分子的识别转化为可测量的信号。
这一步骤通常通过生物识别元素与传感器信号转换元件（如电化学传感器、光学传感器等）的相互作用来实现。
生物识别元素与信号转换元件的相互作用可以引起信号的变化，这种变化可以被测量和记录下来，从而实现对目标生物分子的定量或定性分析。
生物传感器的工作原理可以分为直接检测和间接检测两种方式。
直接检测是指生物传感器直接检测目标生物分子的存在或浓度，通常通过生物识别元素与目标生物分子的特异性结合来实现。
而间接检测则是指生物传感器通过检测目标生物分子引起的生物过程或信号变化来间接反映目标生物分子的存在或浓度，通常通过生物识别元素与目标生物分子的相互作用引起的信号变化来实现。
生物传感器的工作原理还涉及到信号放大和数据处理等技术。
信号放大可以提高生物传感器的灵敏度和检测范围，从而实现对低浓度目标生物分子的检测。
数据处理则可以将生物传感器采集到的信号转化为可视化的结果，如图形、数字或报告，从而为用户提供准确的检测结果和分析。
总之，生物传感器的工作原理基于生物分子的识别和信号转换，通过生物识别元素与信号转换元件的相互作用来实现对目标生物分子的检测。
生物传感器在医学、食品安全、环境监测等领域具有重要的应用价值，其工作原理的深入理解和技术的不断创新将推动生物传感器技术的发展和应用。
生物传感器的工作原理
生物传感器的工作原理生物传感器是一种能够利用生物体内的生物分子或生物反应来检测和测量特定物质或环境条件的装置。
生物传感器的工作原理可以分为识别分子、转换信号和输出信号三个主要步骤。
生物传感器需要具备识别分子的能力。
这一步骤通常通过生物分子与目标分子之间的特异性识别来实现。
生物传感器中常用的识别分子包括酶、抗体、DNA等。
这些识别分子能够与目标分子发生特定的相互作用，形成稳定的复合物。
这种识别与目标分子的相互作用是生物传感器的关键步骤，能够确定目标分子的存在和浓度。
接下来，生物传感器需要将识别分子与目标分子的相互作用转换成可测量的信号。
这一步骤通常通过信号转换元件实现。
信号转换元件可以将生物分子与目标分子的相互作用转化为物理或化学信号，如电信号、光信号等。
常用的信号转换元件包括电极、光学纳米晶体、荧光染料等。
这些信号转换元件能够将相互作用产生的信号放大或转换成易于测量的形式。
生物传感器需要输出检测结果。
输出信号可以是直接的电信号、光信号等，也可以是通过计算机或其他设备进行分析和处理后得到的结果。
输出信号的形式取决于生物传感器的具体设计和应用。
生物传感器的输出可以是定量的浓度值，也可以是定性的存在与否判断。
生物传感器的工作原理基于生物分子与目标分子之间的特异性识别和相互作用。
这种特异性识别和相互作用使得生物传感器具备了高灵敏度和高选择性的特点。
相比于传统的化学传感器，生物传感器具有更多的应用优势。
生物传感器可以应用于生物医学、环境监测、食品安全等领域，能够检测和测量各种生物分子和环境条件。
生物传感器的工作原理使得它具备了较高的检测灵敏度和准确性，能够实现实时监测和快速检测。
生物传感器是一种能够利用生物分子或生物反应来检测和测量特定物质或环境条件的装置。
生物传感器的工作原理基于生物分子与目标分子之间的特异性识别和相互作用，通过识别分子、信号转换和输出信号三个步骤实现检测和测量。
生物传感器具有高灵敏度、高选择性和广泛的应用前景，对于实现生物监测、环境监测和食品安全等方面具有重要意义。
生物医学传感生物传感器
载体种类较多，如活性炭、高岭土、硅胶、玻璃、纤维素、离子交换体等。
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3）包埋法
把生物活性材料包埋并固定在高分子聚合物三维空间网状结构基质中。 特点是：一般不产生化学修饰，对生物分子活性影响较小；缺点是分子量大的底物在凝胶网格内扩散较固难。
介体生物传感器
换能器
半导体生物传感器
生物电极ห้องสมุดไป่ตู้
光生物传感器
热生物传感器
压电晶体生物传感器
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3、 生物传感器特点
1） 根据生物反应的特异性和多样性，理论上可以制成测定所有生物物质的传感器，因而测定范围广泛。 2）一般不需进行样品的预处理，它利用本身具备的优异选择性把样品中被测组分的分离和检测统一为一体，测定时一般不需另加其他试剂，使测定过程简便迅速，容易实现自动分析。 3）体积小、响应快、样品用量少，可以实现连续在线检测。
主要有：电化学电极、光学检测元件、场效应晶体管、压电石英晶体、表面等离子共振等。
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将化学变化转变成电信号（间接型） 将热变化转换为电信号（间接型） 将光效应转变为电信号（间接型） 直按产生电信号方式（直接型）
转换器转化为电信号的方式：
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酶传感器为例，酶催化特定底物发生反应,从而使特定生成物的量有所增减，用能把这类物质的量的改变转换为电信号的装置和固定化酶耦合，即组成酶传感器。 常用转换装置有：氧电极、过氧化氢电极。
（a）将化学变化转变成电信号（间接型）
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（b）将热变化转换成电信号
固定化的生物材料与相应的被测物作用时常伴有热的变化。例如大多数酶反应的热焓变化量在25-100kJ/mol的范围.这类生物传感器的工作原理是把反应的热效应借热敏电阻转换为阻值的变化，后者通过有放大器的电桥输入到记录仪中。
医疗传感器原理及应用
医疗传感器原理及应用医疗传感器是一种用于监测和记录患者生理参数或环境信息的设备。
它们通过感知特定的生物信号或物理量，将其转化为可供分析和处理的电信号或数字数据。
以下是医疗传感器的原理及应用的一些常见例子：1. 生物传感器：生物传感器用于检测和测量生物体内的生理参数，如心率、血压、体温、血氧饱和度等。
常见的生物传感器包括心电图（ECG）传感器、血压传感器、体温传感器和脉搏氧饱和度（SpO2）传感器。
这些传感器通常基于电化学、光学或机械原理进行测量。
2. 成像传感器：成像传感器用于获取人体内部结构的影像，以帮助医生进行诊断和治疗。
常见的成像传感器包括X射线传感器、超声波传感器和磁共振成像（MRI）传感器。
它们利用不同的物理原理来生成影像，如X射线透射、超声波回波和磁场共振。
3. 运动传感器：运动传感器用于监测和记录患者的运动活动，如步数、姿势和运动轨迹等。
这些传感器常用于康复治疗、体育训练和老年人健康管理等领域。
常见的运动传感器包括加速度计、陀螺仪和GPS。
4. 化学传感器：化学传感器用于检测和分析生物样本中的化学成分，如血液中的葡萄糖、尿液中的尿酸等。
这些传感器基于化学反应或光学原理来测量目标物质的浓度。
化学传感器在糖尿病管理、血气分析和药物监测等方面具有广泛应用。
5. 环境传感器：环境传感器用于监测医疗设施或患者周围的环境参数，如温度、湿度、气压和空气质量等。
这些传感器可以帮助维持良好的医疗环境和患者舒适度，并提供实时监测和报警功能。
总而言之，医疗传感器在医疗诊断、监护和康复中发挥着重要作用。
它们可以提供准确的生物数据和环境信息，帮助医生做出准确的诊断和治疗决策，同时也能够实现远程监测和个性化医疗。
关于生物检测传感器类型、基本原理及主要应用的文献整理
2 压电石英晶体传感器
2.1 基本原理及结构
压电石英晶体传感器是利用石英晶体作为基底的体声波器件在厚度剪 切模式振荡过程中与周边环境的相互作用, 切模式振荡过程中与周边环境的相互作用, 由器件超高频声波的声电 阻抗谱、频谱或相位等参量变化对环境介质如质量、粘弹性、导纳、 介电或流变特性等物理化学性能作出相关应答并转换成相应的检测信 号。
1.2 DNA电化学传感器的主要应用 DNA电化学传感器的主要应用
1.2.1 DNA损伤研究 DNA损伤是指由于化学物质的作用或受辐射而引 DNA损伤研究 DNA损伤是指由于化学物质的作用或受辐射而引 起的 DNA磷酸核糖骨架的断裂 ,磷酸、核糖或碱基的损伤等。Palecek DNA磷酸核糖骨架的断裂 磷酸、核糖或碱基的损伤等。Palecek 等曾在 1996年和 1998年两次对用于 DNA损伤研究的 DNA传感器进行 1996年和 1998年两次对用于 DNA损伤研究的 DNA传感器进行 了综述 ,并认为基于汞电极的传感器最适合于 DNA损伤的研究。 2000 DNA损伤的研究。 年 ,他们又用悬汞电极发展了一种新的 DNA传感器用于监控由 Fenton DNA传感器用于监控由 反应所造成的 DNA链的断裂。 DNA链的断裂。 1.2.2 环境污染监控 利用固定的双链DNA 修饰层使电活性污染物在电 利用固定的双链DNA 极上优先富集; 极上优先富集; 检测由污染物键合引起的电极表面修饰核酸内在氧化 信号的改变; 对于非电活性的分析物,可通过它与一电活性物质在DNA 信号的改变; 对于非电活性的分析物,可通过它与一电活性物质在DNA 修饰电极表面的结合竞争来进行测定。 1.2.3 病原基因检测 利用一段38 个碱基的低聚核苷酸探针制备了一种 利用一段38 隐孢子虫DNA 传感器,通过计时电位溶出法检测,检测限可达到ng 隐孢子虫DNA 传感器,通过计时电位溶出法检测,检测限可达到ng 级。 1.2.4 基因疾病诊断 将一段 20个碱基的探针固定于金电极 ,制备了一 20个碱基的探针固定于金电极 种用于致癌基因 vzmyc序列检测的电化学传感器；通过一段固定在传 vzmyc序列检测的电化学传感器；通过一段固定在传 感器上的 17个碱基的肽核酸 PNA探针完成了抑癌基因 P55的点突变检 17个碱基的肽核酸 PNA探针完成了抑癌基因 P55的点突变检 测。
生物传感器的原理与发展
生物传感器的原理与发展生物传感器是一种结合了生物学和传感技术的新型器件，可以检测生物分子、细胞和微生物等生物体的存在与浓度的变化。
生物传感器广泛应用于临床医学、环境保护、食品安全等领域，受到了广泛关注。
本文将介绍生物传感器的原理与发展。
一、生物传感器的原理生物传感器是利用生物分子对其特定配对分子（即生物分子的配体）的互作用来进行测量的一类传感器。
其原理主要包括生物分子的识别和信号转换两个方面。
1. 生物分子的识别生物分子的识别是实现生物传感的关键步骤。
通常采用抗体或核酸分子作为生物传感器的生物识别元件。
抗体是一类特异性很高的生物分子，它可以与其特异的抗原结合形成免疫复合体。
利用这种特性可以通过抗体识别来定量检测抗原分子。
核酸分子则是利用互补配对原理实现生物分子的识别，其优点是高度特异性和稳定性。
因此，核酸分子应用在生物传感中的潜力很大。
2. 信号转换生物分子的识别之后，就需要将信号传输到输出终端。
信号转换主要分为电化学、光学和质谱三种方式。
其中，电化学传感是最常用的一种传感方式。
这种方式利用电流、电压的变化来检测生物分子浓度。
光学传感则是借助光子学原理，使用光谱仪或显微镜等设备来记录光信号变化，从而测量生物分子的存在和浓度。
质谱传感则是通过质谱技术来检测生物分子。
二、生物传感器的发展生物传感器的发展经历了多个阶段。
从早期的化学传感器开始，到后来的生物染料传感器，再到现在最常用的生物分子传感器，生物传感器在结构、性能和应用领域上都发生了巨大的变化和进步。
1. 化学传感器化学传感器是生物传感器的先驱。
它以无机或有机化合物为探针，通过反应产生新的化学物质，进而使信号发生变化。
化学传感器主要用于环境污染、工业自动化控制等领域。
2. 生物染料传感器生物染料传感器是利用生物染料对环境变化的敏感性实现生物传感的一种技术。
例如，蛋白质分子和细胞膜上的一些荧光探针可以通过荧光信号的变化来检测生物分子。
3. 生物分子传感器生物分子传感器是一类利用生物分子（如抗体和DNA）与生物分子之间的配对反应实现生物传感的一种技术。
几种常见生物医学传感器原理
表面等离子体共振传感器
总结词
表面等离子体共振传感器利用金属薄膜表面的等离子 体共振现象，通过检测共振波长或共振角度的变化， 实现对生物分子相互作用和浓度的监测。
详细描述
表面等离子体共振传感器通常由金属薄膜和光检测器 组成。当特定波长的光照射到金属薄膜上时，会产生 表面等离子体共振现象，即光波被局限在金属表面并 沿表面传播。当生物分子附着到金属薄膜表面时，会 引起共振波长或共振角度的变化，通过光检测器进行 测量和记录。表面等离子体共振传感器具有高灵敏度 、高特异性和实时监测等优点，广泛应用于生物医学 领域。
微生物传感器
总结词
微生物传感器利用微生物对特定物质的代谢反应，实现 对物质的检测。
详细描述
微生物传感器由固定化微生物的换能器和信号处理电路 组成。微生物与待测物反应后，引起换能器信号变化， 通过信号处理电路得到检测结果。微生物传感器具有高 灵敏度、低成本等优点，广泛应用于环境监测、污水处 理等领域。
应用领域
电化学传感器广泛应用于环境监测、食品工业、医疗诊断等领域，如 检测水中的重金属离子、血糖、尿酸等。
优点
电化学传感器具有高灵敏度、高选择性、低成本等优点，且易于微型 化和集成化。
缺点
电化学传感器的使用寿命相对较短，且易受到干扰物质的影响。
离子敏场效应管传感器
工作原理 离子敏场效应管传感器利用离子 敏感膜和场效应管的结合，通过 测量膜电位的变化来检测目标离 子的存在和浓度。
04 生物力学传感器
压阻式传感器
总结词
利用电阻值变化检测压力变化的传感器。
详细描述
压阻式传感器通过测量电阻值的变化来检测压力的变化。当压力作用于敏感材 料时，材料的电阻值会发生变化，从而可以测量压力的大小。这种传感器广泛 应用于生物医学领域，如监测血压和呼吸等生理参数。
常用医用传感器原理介绍
常用医用传感器原理介绍一、X射线CT传感器从传感器的名字，马上就想到“人体断层图象”。
X射线的波长比电磁波、光波的波长更短，能量更大，对人体的穿透性很强。
CT这个词，是Couputer Tomography（计算机断层检查装置）两个英文词的词头。
当X射线通过人体后，利用传感器检查X射线的强度，作为输出信号。
然后，借助计算机，作成人体切片图象。
图3-1是X射线CT的简图。
用X射线CT照射，若X射线在人体组织某部分被吸收，根据传感器输出的大小，可将人体内的异常情况（出血、肿瘤等），以图象方式检测出来。
为了缩短摄影时间，提高分辨率，对原来的CT装置进行了改进。
现在的CT，只需X射线管和X射线检测器作旋转运动，便能进行高速扫描。
图3-2（a）表示只有X射线管和传感器部分旋转的情形，图3-2（b）表示实际得到的头部断层图象的例子。
检测X射线用的光敏二极管的构造示于图3-3。
在硅的Pin光电二极管的表面，密布将X射线变成光的闪烁体。
二、用硅压力传感器的电子血压计日本40岁以上的成年人中有三分之一的人患有高血压病，可以说是一种国民病。
因此，各个家庭中的血压计的普及率和体温计一样高。
本节叙述用硅压力传感器制作的电子血压计。
图3-4是电子血压计的简图。
为了测量压力差，硅压力传感器利用薄膜上形成的扩散层的压电电阻组成电桥进行测量。
最常见的测量血压的方法是腕带压力在最高血压和最低血压之间会产生一种K音（特殊的声音），由此可以听到脉搏的跳动。
利用微音器听K音的开始和结束，测量这时腕带内空气压力和大气压力的差作为血压值。
测量K音用的传感器是小型微音器，抗噪音能力弱。
心脏运动产生的P音（动脉压波）也和K音一样表现为硅传感器的输出。
因此，电子血压计将硅压力传感器P音的输出作为晶体管的门信号来测量K音。
通过测量P音产生的周期，可以测量1分钟的脉搏次数。
图3-5表示在测量血压时各种信号的变化状态，图中K音出现时，P1的压力Y3为最高血压；K音消失时，P2的压力Y4为最低血压。
生物传感器的原理和应用实例
生物传感器的原理和应用实例随着科技的不断发展，生物传感器已经成为了生命科学和医学研究中不可或缺的一环。
那么，什么是生物传感器？生物传感器是一种能够将生物分子的信息转换成电信号的设备，也可以将物理或化学变化转换成电信号，从而实现对生物体系的检测、监测和诊断。
生物传感器的工作原理基本上都是建立在找到目标分子与生物识别元件（如抗体、DNA或酶）相互作用的基础之上。
生物传感器的工作原理在生物传感器的工作中，生物识别元件与目标分子之间的相互作用至关重要。
因此，在对生物体系进行检测和诊断的过程中，生物识别元件的选择是至关重要的。
生物识别元件可以选择的范围非常广，包括但不限于：1.抗体：抗体是一种特异性非常强的生物识别元件，可以牢固地结合在抗原分子上，从而实现分子的检测和诊断。
2.DNA：DNA互补配对的蓝图是DNA分子结构的本质特征之一，因此可以利用这一特性来实现DNA的检测和诊断。
3.酶：酶在生物体系中极其普遍、高效地协同作用，可以利用酶的特性来检测和诊断大量的生物分子。
在确定生物识别元件之后，就需要考虑将其固定在传感器表面的方法。
最常用的方法是构建一层高度规整的自组装单分子膜，使识别元件有序而紧密地附着在传感器表面上。
在完成生物识别元件的选择和修饰之后，传感器就可以进行检测和诊断了。
其基本原理是将采集到的样品萃取到传感器表面，经过反应，生物分子与生物识别元件之间的相互作用就会产生改变传感器表面的电信号，从而能够实现生物分子的检测和诊断。
生物传感器的应用实例生物传感器已经被广泛应用于生命科学和医学研究中。
以糖尿病为例，可以设计基于葡萄糖酸化酶的生物传感器来监测血糖水平。
利用传感器测得的数字结果可以帮助医生调整病人的治疗方案，有效地控制病情的发展。
在与生物防御研究相关的工作中，生物传感器也被广泛应用。
比如，在寻找疾病诊断标记物质时，可以选择一种高度特异性的抗体作为生物识别元件，进行疾病的诊断和预防。
此外，在医疗临床领域，生物传感器也有广泛的应用，比如可以用于测量肺部疾病患者的呼气量和肺活量。
生物医学传感器基本原理
中华人民共和国国家标准(GB7665—87)对传 感器下这样的定义：
传感器是能感受规定的被测量并按照一定的 规律转换成可用输出信号的器件或装置，它 通常由敏感元件和转换元件组成。
国标中的定义强调了被测量信号按一定规律 转换成可用输出信号，而且它给出了传感器 的结构信息，即它通常由敏感元件和转换元 件组成。
医用传感器的数学模型
传感器的设计、制造和应用，均需要研究传感器 的输入与输出的关系特性。
描述传感器的输入一输出关系的数学表达式被称 为传感器的数学模型，通常从传感器的静态输入 一输出和动态输入一输出关系两分面建立数学模 型。
医用传感器的基本特性
医用传感器的基本特性是指传感器的输出与输入 的关系特性，它是传感器应用的外部特性，但是 传感器不同的内部结构参数影响或决定着它具有 不同的外部特性。
目前已经出现的有用半导体材料制作的多重微电 极和经磁化处理的、合金线制作的、每个电极可 独立移动的多重电极。
§3 常用医用物理传感器
物理传感器
物理传感器是指基于物理学原理、检测 机体物理学指标的一类传感器。物理传感 器是生物医学传感器中的一个大类，其作 用是将各种物理信号转化为电信号。
物理传感器的分类
在医学上通常将体温分为体表温度、深部温 度（即机体内部温度）和器官温度（用流经 器官的血液温度来代替），测量时应根据不 同需要来选用不同类型的温度传感器。
温度传感器的发展历史
首先把温度变成电信号的传感器是1821年由德 国物理学家赛贝发明的，这就是后来的热电偶 传感器。
50年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻 温度计（RTD）。
第二节 细胞生物电现象
生物电现象：生命活动中表现的电现象。
心脏 脑 骨骼肌 胃肠平滑肌
27几种常见生物医学传感器原理
IL
RL
R4
U
（2）不平衡直流电桥
当电桥后面接放大器时, 电桥输出端看成开路. 电桥的输出式为：
U0(R1R 1R R42)(R R32R 3R4)U
应变片工作时，其电阻变化ΔR
U 0 U ( ( R R 1 1 R R 1 1 ) R R ( 4 2 R R 4 ) 2 ) R (R ( 3 2 R R 3 2 )R R 4 ( 3 R R 4 3 ) )
Z2ZZ
电桥的输出电压为：
•
•
••
U •oI•Z2U 2Z1U Z2Z2U 2U 2 Z Z
❖ 实际测量中，4个阻抗难于达到真正平衡，为此常采用下 面的电桥平衡电路进行调整。各电位器值>10R，r25R。
❖ 实际应用时还在输入回路中加接小的铜电阻，或者在受感 臂中串接热敏电阻等，来实现温度补偿。
S ε
变极距(δ）型: (a)、(e) 变面积型(S)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 变介电常数(ε )型: （i）～(l)
变极距型电容传感器
初始电容 若极距缩小△d
C0
0r s
d
d
CC0
C0rs C0
dd 1d d
C0(1
d
)
1d2
d
若△d/d<<1时，则上式可简化为
ΔR
电量输出
❖ 其基本原理为：设有一根长度为L，截面积为A，
电阻率为ρ的金属丝，则它的电阻值R可用下
式表示：
RR
L
A
l A
三个参数：长度L，截面积A，电阻率ρ， 如果发生变化，则它的电阻值R随之发生变 化，构成不同电阻传感器：
1、长度L发生变化——电位器式传感器；
生物传感器的原理与制造
生物传感器的原理与制造随着科技的不断进步，传感器在工业、医疗、生物、环境等各领域中应用广泛。
其中，生物传感器作为一种新型的生物技术，受到越来越多人的关注。
本文将详细介绍生物传感器的原理与制造。
一、生物传感器的定义生物传感器是一种能够检测生物体内或周围环境中化合物和分子的传感器。
通过检测生物反应或物理性质来测量目标分子的数量和活性。
有时候，该定义还会加上传感器通过转化生物作用或生物事件进行电信号转化的过程。
生物传感器的原理主要是利用生物分子与信号转换器的特定相互作用，在物理和化学层面上将其转化为可测量的信号，用来测量所识别物质的存在和水平。
二、生物传感器的种类生物传感器主要分为以下几类：1. 免疫传感器免疫传感器通过识别和荧光标记的抗体与特定的抗原分子相互作用，从而测量其存在和浓度。
这种传感器常用于检测癌症、心脏病和传染病等重要疾病的标志物。
2. 生物传导传感器生物传导传感器通过检测质子、离子和电子等的转移来测量生物体内分子的存在和活性。
这种传感器常用于测量酸碱度、氧化还原反应、叶绿素含量等生物信息。
3. DNA传感器DNA传感器通过在基因水平上检测DNA序列之间的互补性来测量目标分子。
这种传感器可用于测量肿瘤标志物、细菌和病毒等。
4. 酶传感器酶传感器通过检测酶与其底物之间的特定相互作用来测量化学反应中的目标分子。
这种传感器可用于测量葡萄糖、酚、酒精等的浓度。
三、生物传感器的制造生物传感器的制造涉及到生物学、化学、物理等多个领域的知识。
其主要步骤包括：1. 生物分子的制备生物分子是生物传感器的核心部分，用于与目标分子进行相互作用。
目前，常见的生物分子包括酶、抗体、DNA片段等。
这些生物分子可以从天然来源中提取或通过人工合成制备。
2. 载体的选择在制造生物传感器时，需要选择适合生物分子的载体。
常用的载体包括纳米粒子、纳米管、生物膜等。
这些载体具有优异的物理和化学性能，可保护生物分子并增强检测灵敏度。
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电桥的输出电压与电阻变化成正比，与恒流源电流成正比， 但与温度无关，因此测量不受温度的影响。
交流电桥
如果电桥的供电电源为交流电压时，这种电桥称为交 流电桥。 为适应电感、电容式传感器的需要 交流电桥通常采用正弦交流电压供电，在频率较高 的情况下需要考虑分布电感和分布电容的影响。
（1）交流电桥的平衡条件
Z1 Z Z
Z 2 Z Z
电桥的输出电压为：
Z1 R1 Z1 2R RZ1 Z 2 U Z Uo U U U Z1 Z 2 2R Z1 Z 2 R1 R2 2 Z
当ωC＞＞R' 时，上式可近似为：
U C Uo 2 C
6.水银－橡胶管应变仪传感器
在一个可伸缩的橡胶管中充满导电液体（如KCl，水 银），也可以是导电碳粒，可测量心脏，血管，手足， 胸腔尺寸变化。可测的应变较小，保证电阻变化与应变 成线性关系。频率上限为10Hz。
二、电容式传感器
1.工作原理
被测量改变传感器的电容量，再转换成电量输出。基本 形式是平板电容器，电容量为 C=0rS/x 常通过极距x来实现测量，也可以改变介电常数r和极板 面积S。 上式微分得电容传感器的灵敏度 K=C/x=- 0rS/x2 并得到 dC/C= -dx/x 说明在任何中心点附近电容量相对变化与位移的相对变 化成正比关系。
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2.5 几种常见传感器原理
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2.5.1 RLC传感器
一、电阻应变式传感器
位移或应变能够引起某些材料的电阻值变化，因 此可用它们构成电阻应变式传感器。
特点：分辨率高(<1m)，误差小(<±1%), 重量轻，量程大，尺寸小，价格低，可用来测动 态和静态量。
工作原理
电阻式传感器测量原理: 被测的非电量 ΔR
电感电桥
两相邻桥臂为电感L1和L2，另两 臂为纯电阻R1和R2，其中R 1 和 R 2 为电感线圈的有功电阻。
若设Z1、Z2为传感器阻抗 且
R1 R2 R
L1 L2 L
则有 另有
Z1 Z 2 Z R jL
R1 R2 R
由于电桥是双臂工作，所以 接入的是差动电感式传感器的两 差动电感，工作时： Z1 Z Z
电容电桥
两相邻桥臂为电容C1和C2，另 两臂为纯电阻R1和R2，其中 R1 和 R 2 为电容介质损耗电阻。
设Z1、Z2为传感器阻抗，
且 有
R1 R2 R1 R2 R
Z1 Z 2 Z R
由于电桥是双臂工作，所以接入的是差动电容式传感器的两 差动电容，
最大位移应小于间距的1/10 差动式改善其非线性
变面积型电容传感器
当动极板相对于定极板沿着长度 方向平移时，其电容变化量化为
C C C0
0 r (a x)b
d
△C与△x间呈线性关系
电容式角位移传感器
当θ=0时
C0
0 r s0
d0
当θ≠0时
0 r s0 (1 ) C C C 0 0 d0
输出是由位移x调制的调 幅信号，用解调器和低通 滤波器来得到正比与x的 电压信号。
4.应用实例－血管外血压传感器
由插管技术将血液压力传到圆帽，膜片产生位移，带动 活动元件移动，使R1，R4以及R2, R3发生反方向应变， 使连接它们的全桥失去平衡，产生输出。
5.应用实例－脉象传感器
侧视图
上视图
脉搏波经传感顶子作用于等强度悬臂梁的自由端， 使之弯曲变形。贴在梁上下面的应变片接入全桥或 半桥，输出的电压即反应脉动规律。
Z 2 Z Z
电桥的输出电压为：
U U U U Z U o I Z2 Z2 2 Z1 Z 2 2 2 Z
实际测量中，4个阻抗难于达到真正平衡，为此常采用下 面的电桥平衡电路进行调整。各电位器值>10R，r25R。
实际应用时还在输入回路中加接小的铜电阻，或者在受感 臂中串接热敏电阻等，来实现温度补偿。
工作方式有两种：平衡电桥（零检测器）和不平衡电 桥。在传感器的应用中主要是不平衡电桥。
直流电桥
直流电桥
桥路输出
R1 R4 - R2 R3 IL U RL ( R1 R2 )(R3 R4 ) R1 R2 ( R3 R4 ) R3 R4 ( R1 R2 )
（1）平衡电桥：IL=0时
④ 电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。但是，当 U大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻 应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出 现蠕变和零漂。 ⑤ 增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出 电压。
单臂电桥：即R1桥臂变化ΔR
略去分母中的ΔR1/R1项 ,假设ΔR1/R1<<1 理想的线性关系：
全桥差动电路
输出电压为：
R1＋⊿R1
R2－⊿R2
U0
U0 U
R
R
R3－⊿R3
R4＋⊿R4
U
恒流源供电电桥
假设ΔRT为温度引起的电阻变化
I ABC I ADC 1 I 2
电桥的输出为
U 0 U BD 1 1 I ( R R RT ) I ( R R RT ) 2 2 IR
U R U 4 R
' 0
实际输出电压： U 0 U
电桥的相对非线性误差：
R U R 1 R 1 4R 2R 4 R 2 R
1
U0 1 R 1 R 1 1 R ' 1 1 1 1 1 K U0 2 R 2 R 2 2 R
交流电桥的四臂可以为：电阻、电容、电感或变压器的两 个次级线圈 交流电桥的四个桥臂分别用阻抗 Z1、Z 2 、Z 3 、 Z 4 表示 交流电桥的平衡条件为：
Z1Z 4 Z 2Z3
电阻交流电桥 电感电桥 电容电桥 变压器电桥电路
电阻交流电桥
1、单臂电阻； 2、等臂差动电桥 ； 3、全桥交流电桥。
电量输出
其基本原理为：设有一根长度为L，截面积为A， 电阻率为ρ 的金属丝，则它的电阻值R可用下 式表示：
L l RR A A
三个参数：长度L，截面积A，电阻率ρ ， 如果发生变化，则它的电阻值R随之发生变 化，构成不同电阻传感器：
1、长度L发生变化——电位器式传感器； 2、截面积A、长度L发生变化——电阻应变 片传感器； 3、电阻率ρ 发生变化——热敏电阻、光导 性光检测器等。
电容式液位传感器
1）直流极化电压电路
这是最简单的测量动态位移 变化的电路，将传感器与直 流电源V和大负载电阻R串 接，在R上测量输出电压 V0 ，它与极距x间有关系： X0 是无位移时的电容极距， ＝RC，R1M
2.测量电路
实际上是高通滤波器，增大 R，C能降低fc，但会增加 非线性，要求x/x0很小。
2.电阻应变片
片状电阻元件贴在构件上构成。 有丝绕式，短接式，泊式，半导体，还可用硅条做成产 品。
典型结构
康铜应用最广；
半导体电阻温度系数大，要进行温度补偿；
半导体有很高的压阻效应，灵敏度是康铜的70－
90倍，但非线性也比较大。
3 传感器测量电路
电桥电路又叫惠斯登电桥，它是将电阻、电容、电 感等参数的变化转换为电压或电流输出的一种测量 电路。 电桥电路按其所采用的激 励电源类型 直流电桥 交流电桥
工作原理
S r 0 S C d d
S
δ ε
S ——极板相对覆盖面积； d ——极板间距离； εr——相对介电常数； ε0——真空介电常数，； ε ——电容极板间介质的介电常数。
变极距(δ）型: (a)、(e)
变面积型(S)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h）
变介电常数(ε )型: （i）～(l)
1.电位器式传感器
通过滑动触点把位移转换为电阻丝的长度变化， 从而改变电阻值大小，进而再将这种变化值转 换成电压或电流的变化值。
电位器式传感器 分为直线位移型、 角位移型和非线性 型等，如图所示。
电位器式传感器一般采用电阻分压电路，将电 参量R 转换为电压输出给后续电路，如图所示。 当触头移动时，输出电压为： ui uo L R x 1 x RL L
R1+⊿R1
平衡条件 :
R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4
R3 U
R2
IL RL
R4
（2）不平衡直流电桥
当电桥后面接放大器时, 电桥输出端看成开路. 电桥的输出式为：
R1 R4 R2 R3 U0 U ( R1 R2 )(R3 R4 )
应变片工作时，其电阻变化ΔR
( R1 R1 )(R4 R4 ) ( R2 R2 )(R3 R3 ) U0 U ( R1 R1 R2 R2 )(R3 R3 R4 R4 )
变极距型电容传感器
初始电容 若极距缩小△d
C0
0 r s
d
C 0 (1
d ) 0 r s C0 d C C 0 C 2 d d d d 1 1 d d
非线性关系
若△d/d<<1时，则上式可简化为
d C C0 C0 d
传感器电容量C与角位移θ间呈线性关系
变介电常数型电容式传感器
2H C0 D ln d
初始电容
电容与液位的关系为：
2 1 h 2 ( H h) 2H 2h( 1 ) 2h( 1 ) C C0 D D D D D ln ln ln ln ln d d d d d
U R1 R2 R3 R4 U0 4 R R R R