传感器在医疗领域的应用.

LOGO帮助盲人重见光明纲要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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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。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。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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；(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。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故葡萄糖浓度测试方法有三种：①测耗量Ｏ２②测Ｈ２Ｏ２生成量③测由葡萄糖酸而产生的ＰＨ变化。葡萄糖氧化酶（ＧＯＤ）葡萄糖+H2O＋Ｏ２――――――→葡萄糖酸＋Ｈ２Ｏ２测量氧消耗量的葡萄糖传感器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。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（ＧＯＤ）葡萄糖+H2O＋Ｏ２―――――――→葡萄糖酸＋Ｈ２Ｏ２葡萄糖氧化产生Ｈ２Ｏ２，而Ｈ２Ｏ２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Ｐt电极上加0.6V电压时，则产生的阳极电流为：H2O2O2+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→Ｏ２※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