2018-8-12 王平实验室生物医学传感与检测技术介绍(上网)

△f=f02(k1+k2+k3) △m/A
基于呼吸气体及其冷凝物的检测疾病
Temperature control oven and capillary column SAW sensor detector in a gas chamber
Mixer
Data store and process Tenax-TA thermal desorption system
H+ Ca2+ K+
细胞动作电位的检测原理
胞外微电极阵列提供长期无 损监测细胞生物电活动的方 法，典型的是16－64个记录 电极，提供大量的数据采集
细胞阻抗的检测原理
采用 IDA 芯片可以检测阻抗反映 细胞贴附于器件表面的特性以及 细胞在药物等刺激下的细胞贴壁 以及迁移等特性。
多参数集成芯片的加工设计
Surface Acoustic Wave Sensor
Mass deposition
Frequency change direct corresponding to mass change
△f=f02(k1+k2+k3) △m/A
Electronic nose design
Artificial Neural Network
CT scan
Thoracoscopy
PET scan
Bronchoscopy
基于呼吸气体及其冷凝物的检测疾病
Surface Acoustic Wave Sensor
Mass deposition
Frequency change direct corresponding to mass change
生物传感器
生物传感器
生物传感器
基于细胞传感器的生物医学应用
微生理计
只能观察细胞的形态
用于H+测量
微电极阵阵列
用于动作电位测量
细胞电阻抗传感器
用于电阻抗测量
基于细胞传感器的生物医学应用
细胞代谢离子检测原理分析
细胞代谢微环境中多种离子的 检测方法：采用集成的光电离 子敏传感器阵列芯片MLAPS
视觉等仿生传感器研究的意义
仿生嗅觉味觉研究的主要内容 电子鼻与电子舌 生物电子鼻与生物电子舌 应用前景
Human Olfaction
odor
Olfactory cells Olfactory bulb
Neuraxon
Coding and Olfactory cortex decoding
Input Layer
Freq. of Isoprene RT. of Isoprene Freq. of 1-hexene RT. of 1-hexene Freq. of Benzene RT. of Benzene Freq. of Hexanal RT. of Hexanal Freq. of Styrene RT. of Styrene Freq. of Propyl benzene RT. of Propyl benzene Freq. of 1,2,4-trimethyl benzene RT. of 1,2,4-trimethyl benzene Freq. of Decane RT. of Decane Freq. of Undecane RT. of Undecane
Structure of Electronic Nose
A relatively small number of nonselective gas sensors can recognize different odors combining with pattern recognition method( e.g.ANN)
Hidden Layer Output Layer
Lung cancer Patients Healthy People Suspected Patients
Our e-Tongue for environmental monitoring
LAPS Sensors with Thin Film Heavy Metal
Electronic Nose (e-Nose)
The term "Electronic Nose " was presented in the 1980's. It became apparent that the animal and human olfaction operating on the same principle. “Electronic Nose" is a kind of electronic (or optical) analysis instrument and while it should be a kind of bimimetic instrument.
响应模式(Rat D)
9 8 7 6 5 4 3 2 1 源自文库 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 A 神经元
10 8 6 4 4 2 0 -20 2 -10 0 10 0 20 -10 0 10 20 30
嗅觉味觉受体共表达的细胞传感器
以人的嗅觉受体为敏感分子，异源表达在环境耐受性强的爪蟾卵母细胞中，以 此构建能特异性识别气味分子的仿生嗅觉传感器。进一步将人的苦味受体进行
共表达，实现对具有同时具有气味和苦味的物质的特异性识别
嗅觉和味觉受体表达在爪蟾卵母细胞的信号转导通路 仿生嗅觉与味觉传感器
智能仿生电子鼻的结构
气味敏感受体细胞
250 240 230 220 210 200 190 180
110
104
100uM Diacetyl
14
20
38
44
50
56
62
74
80
86
92
表达气味受体 ODR-10的MCF-7细胞
细胞功能性钙离子浓度检测
98
26
32
68
2
8
MEA嗅觉传感器
微电极阵列MEAs传感器 细胞胞外动作电位检测
多参数集成芯片实物图
多参数集成芯片封装后的器件
细胞在芯片表面的固定培养
基于细胞传感器的生物医学应用
分析仪电路
仪器实物图
生物医学传感技术的未来发展
生物医学传感技术的未来发展
新型及仿生传感技术的研究进展
仿生传感器——
视觉、听觉、触觉、 嗅觉和味觉
视觉、听觉、触觉研究比较深入； 嗅觉与味觉的研究相对较为贫乏。
生物医学传感技术的用途
生物医学传感技术的用途
生物医学传感器的需求
生物医学传感技术的发展
生物医学传感技术的发展
生物医学传感器的特殊要求
生物医学传感器的特点
生物医学传感器的现状
人体生理信息的检测技术
人体生理信息的检测技术
人体生理信息的检测技术
物理类传感器举例
物理类传感器举例
物理类传感器举例
Our gas sensors array design
Normal Gas Sensor Metal oxide Semiconductors Fiber optic sensors Advantages Easy to manufacture & utilize Cheap High integration high sensitive high sensitive widely used stable Widely used Very high resolution Very high stability Disadvantages Bad stability and repetition Easy to aging Complex equipment Expensive Not high sensitivity and resolution
Quartz Crystal Microbalance (QCM) Surface Acoustic Wave sensor (SAW)
Complex measurement circuits Expensive
GC+SAW e-Nose for lung cancer detection
Electronic Nose for Medical diagnosis
物理类传感器举例
化学类传感器
化学类传感器举例
化学类传感器举例
生物医学传感器应用举例
Breath analysis
Early stage
Design of SAW sensor
biomarker
Our Work
e-Nose
Cell line analysis
biomarkers in breath
2nd Part
Biomimetic Artificial
Nose and Tongue
研究进展：嗅觉细胞传感器
嗅觉信号传导
细胞传感检测系统
传感器器件
生物电子鼻与电子舌芯片
生物电子鼻传感器阵列
The development the device integrating FET array and culture olfactory and taste bud cell on the device and detect the response under stimulants of odor and taste.
嗅上皮组织，嗅感觉神经元 基于嗅上皮的嗅觉传感系统
气味响应
LAPS嗅觉传感器
光寻址电位传感器LAPS
细胞代谢物检测 嗅感觉神经元，表达气味受体的细胞
LAPS检测气味响应信号
SAW嗅觉传感器
声表面波传感器SAW
质量变化检测 细胞、受体
AFM scans of the SAW chips with a sensitive surface immobilized with ODR-10 by SAMs.
Structure of Electronic Tongue
•
e-Nose在医学诊断中的应用
呼吸气体检测
人体呼出气体中含有不同种类的挥发性有机物VOCs（Volatile Organic Compounds） 无创、安全、有效、便捷 酒精检测 幽门螺旋杆菌检测（14CO2） 糖尿病检测（丙酮） 肺癌检测
Electronic Tongue (e-Tongue)
The " Electronic Tongue " was presented in the 1990's. It became apparent that the animal and human taste operating on the same principle. “Electronic Tongue" is a kind of electronic(or optical) analysis instrument and while should be a kind of bionic instrument;
肺癌早期诊断
呼出气体采集 气体富集 固相微萃取气质联用，VOCs检测
肺癌病人呼出气体中特征性标志物确定
肺癌标志物
采集比较肺癌、肺结核患者和健康组 的呼出气体样本
确定苯、苯乙烯、正己烷、十三烷、
十三酮、十六醛、2-甲基十一醛、 8己基十五烷等作为肺癌标志物
肺癌早期诊断
健康组
肺癌患者
肺结核患者
Signal
Objective: to study the identification, encoding and conduction of odor information with in vitro model.
磁共振辅助定位的生物电子鼻
特定气味响应区域定位 气味识别准确率提高至90%以上
Set up the e-Nose system
基于呼吸气体及其冷凝物的检测疾病
Tests and procedures that are used to detect and diagnose lung cancer
Chest x-ray
Fine-needle aspiration (FNA) biopsy
肺癌早期诊断
早期肺癌病人呼出气体中存在特征性VOCs标志物 1971年，Pauling等人首次提出人体呼出气中 含有数百种VOCs
1985年，Gorden等人提出通过呼吸气体检测
实现肺癌诊断的设想，并发现3种特异性VOCs 1999年，Phillips等人扩大研究样本量（60 cancer vs 48 control），发现22种特异性 VOCs，肺癌检测灵敏度71.7%，特异性 66.7% 2007年， Phillips等人 进一步筛选16种 VOCs，检测灵敏度84.6% 、特异性80.0%