传感器在医疗领域的应用

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。
3.生物传感器
❖ 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；
❖ 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 DNA
抗原
分子识别，具有应激生成 特性
互补DNA或嵌 分子识别与信息储存 合剂
表1-3 一些分子识别系统的形式、底物及特点
（2）换能器
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
生物传感器的基本原理与组成
分子识别元件
信号(换能)转换器
()
生
化学物质
电极、半导体等
物
热
热电偶、热敏电阻
敏
感
光
光纤、光度计
功 能
质量
压电晶体等
膜
介电性质
表面等离子共振
分子识 别过程
生化反应信号 转换为电信号
信
号
预
计
处
算
理
机
装
置
返回
生物传感器的分类
按分子识别元件分类
按分子识别元件对生物传感器的命名
1. 氧电极构成：①由Ｐb阳极和Ｐt阴极浸入碱溶液，② 阴极表面用氧穿透葡萄糖（基质）膜覆盖[特氟隆， 厚约１０μm]
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。
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纲要
❖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
生物传感器的发展历程
❖ 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；
❖ 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。
(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Ｏ２过程，就可以使用Ｏ２电极或Ｈ２Ｏ２ 电极；若酶催化反应过程产生酸，即可使用ＰＨ电极。
被测 物质
化学物质
生 物理
热
物 敏
化学 （产生
光
）
感 变化
声
膜
电化学器件 热敏元件 光敏元件 声敏元件
电信号
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
将光效应转变为电信号的生物传感器
固
光
被测物——
定 化
——h ——
检 测
——电信号
酶
器
直按产生电信号方式的生物传感器
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
传感器的分类
1.按应用形式分类
植入式传感器
传
暂时植入体腔(或切口)式传感器
感
器 体外传感器
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 电信号 信号处理 电信号 输出显示
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。
❖ 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
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
❖ 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
微生物传感器， 70 发展时期 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
进入生物 80 电子学传
感器时期
酶FET 酶光二极管
传感器如何应用于医疗领域
❖ 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12所示。
▪ 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
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
力传感器 流量传感器
肌收缩力、咬合力、骨骼负荷力、粘滞力等 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
葡萄糖传感器
❖ 工作原理 ❖ 测量氧消耗量的葡萄糖传感器 ❖ 测Ｈ2Ｏ2生成量的葡萄糖传感器
快速葡萄糖分析仪
工作原理
葡萄糖氧化酶（ＧＯＤ） 葡萄糖+H2O＋Ｏ２――――――→葡萄糖酸＋Ｈ２Ｏ２
故葡萄糖浓度测试方法有三种： ①测耗量Ｏ２ ②测Ｈ２Ｏ２生成量 ③测由葡萄糖酸而产生的ＰＨ变化。
测量氧消耗量的葡萄糖传感器
按换能方式对生物换能器的命名
按器件分类
生物电极
电化学电极 介体
介体生物传感器
传递系统 热敏电阻
热生物传感器
光生物传感器
光学换能器
换能器
半导体 换能器
半导体生物 传感器
压电晶体
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）
▪ 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。
感器时期
酶FET 酶光二极管
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 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
❖ 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
微生物传感器， 70 发展时期 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
进入生物 80 电子学传
❖ 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 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。
反应直接在电极表面上发生
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
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
(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；
Ｏ2+２Ｈ2Ｏ+４e=======４ＯＨ－
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Ｈ2Ｏ2生成量的葡萄糖传感器
1. Pt阳极 2. 聚四氟乙烯膜（作
物理传感器
ຫໍສະໝຸດ Baidu
位移 力
…… 速度 温度
化学传感器 各种化学物质
传
感
酶
器 生物传感器 免疫 …… 微生物
DNA
心电
生物电电极传感器 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。
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。
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。
用于外部设备的传感器
植入式传感器
体外传感器
多种传感器应用于患者的病床
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。
2.按工作原理分类