生物医学传感技术_仿生传感器技术
生物医学传感器——仿生传感技术
一、仿生传感器的背景及现状
仿生传感器是目前热门的研究领域。人们对人或其他动物的各种感觉如视觉、听觉、感觉嗅觉和思维等行为进行模拟，研制出了自动捕获和处理信息，模仿人或动物行为的装置，这就是仿生传感器。机器人使用的传感器就是仿生传感器的典型应用，目前各国对此类传感器的研制和开发都非常重视。
比如日本政府计划用30年时间完成一项名为“阿童木”的机器人开发计划，计划目标是是机器人开发出具备一个5岁孩子的能力和感情，而计划投入的一半以上将用来研制各种仿生传感器。
英国研制的新型机器人可实时模仿10种人类表情。
二、仿生传感技术的研究模型的建立
三、仿生传感器的主演类型和在生物医学中的应用
1.视觉传感器
视觉传感器主要检测被敏感对象的明暗度、位置、运动方向、形状特征等。通过明暗觉传感器判别对象物体的有无，检测其轮廓；通过形状觉传感器检测物体的面、棱、顶点，二维或三维形状。达到提取物体轮廓，识别物体及提物体固有特征的目的。
应用范例：在药品包装生产线，检验阿司匹林药片的泡罩式包装中是否有破损或缺失的药片。
2.嗅觉传感器
最新的研究表明嗅觉的产生是由多个嗅觉细胞组合起来共同对某种气味进行“探测”的结果。每一种不同的组合，感知一种不同的气味，由于组合方式多种多样，因此动物能辨别大量不同的气味。现在研究出来的“电子鼻”，适用于许多系统种测量一种或多种气味物质的气体敏感系统。
目前仿生嗅觉的研究趋势是利用还具有交叉式反应的气敏元件组成一定规模的气敏传感器阵列来对不同的气体进行信息提取，然后将这些大量复杂的数据交由计算机进行模式判别处理。
3.听觉传感器
听觉传感器式人工智能装置。包括声音检测转换和语音信息处理两部分。它能使机器人实现“人机”对话，赋予机器人这些智慧的技术称为语音处理系统。具有语音识别功能的传感器称为听觉传感器，实现语音识别技术的大规模集成电路目前已商品化了。
蝙蝠、海豚的听觉为主动型生物雷达——超声传感器；夜蛾胸腹之间有一对鼓膜器，可以从很强的背景噪声中分辨出蝙蝠发出的超声波，其身上厚密的绒毛还能吸收蝙蝠发射的探测超声波，从而在天敌面前处于“隐身”状态。科学家通过把夜蛾身上绒毛状的材料用于飞机、舰船等装备，大大减少了目标被雷达、红外线和超声波发现的概率。
4.味觉传感器
味觉是同时捕捉多种物质的复合感觉。一个完善的“人工舌”必须研制出阵列式不同敏感材料的膜电极，以感受不同味道，对味觉信息进行编码，综合图像处理和味觉识别。
“能品酒的电子舌”。
我国电化学生物传感器的研究进展.
第12卷第6期重庆科技学院学报(自然科学版2010年12月 收稿日期:2010-07-20 基金项目:重庆市教委科学技术研究资助项目(KJ101315 作者简介:刘艳(1968-,女,四川乐山人,副教授,研究方向为电化学传感器。 在生命科学研究和医学临床检验中,需对各种各样的生物大分子进行选择性测定。据统计,全世界每年要进行数亿次免疫学和遗传学病理检验。常用的检验小型化分析装置和检测方法,成为目前现代分析化学研究领域的前沿课题。 1962年,Clark 提出将生物和传感器联用的设 想,并制得一种新型分析装置“酶电极”。这为生命科学打开一扇新的大门,酶电极也成为发展最早的一类生物传感器。生物传感器结合具有分子识别作用的生物体成分(酶、微生物、动植物组织切片、抗原和抗体、核酸或生物体本身(细胞、细胞器、组织作为敏感元件与理化换能器,能产生间断的或连续的信号,信号强度与被分析物浓度成比例。 电化学生物传感器是将生物活性材料(敏感元件与电化学换能器(即电化学电极结合起来组成的生物传感器。当前,电化学生物传感器技术已在环境监测、临床检验、食品和药物分析、生化分析[2-4]等研究中有着广泛的应用。本文在此综述电化学生物传感器的工作原理、分类及几个当今研究的热点。 1 电化学生物传感器概述 1.1 电化学生物传感器的原理 电化学生物传感器是将生物活性材料(敏感元
件与电化学换能器(即电化学电极结合起来组成的生物传感器。当电化学池中溶液的化学成分变化时,电极上流过的电流或电极表面与溶液的电势差会随之发生变化,这样通过测定电流或电势的 变化就可以获取溶液成分或相应的化学反应的变化信息。 电化学生物传感器是在上述电化学传感器原理的基础上,以具有生物活性的物质作为识别元件,通过特定反应使被测成分消耗或产生相应化学计量数的电活性物质,从而将被测成分的浓度或活度变化转换成与其相关的电活性物质的浓度变化,并通过电极获取电流或电位信息,最后实现特定物质的检测。如图1所示,这类传感器中使用的生物活性材料包括酶、微生物、细胞、组织、抗体、抗原等等。 图1电化学生物传感器的工作原理 1.2电化学生物传感器的类别 生物传感器主要包括生物敏感膜和换能器两部 分。按照敏感元件所用生物材料的不同,电化学生物传感器分为酶电极传感器、微生物电极传感器、电化学免疫传感器、组织电极与细胞器电极传感器、电化学DNA 传感器等,其中酶电极由于其高效、专一、反应条件温和且具有化学放大作用而成为电化学生物传感器的研究主流。 按照检测信号的不同,电化学生物传感器可分 我国电化学生物传感器的研究进展 刘 艳 (长江师范学院,重庆408100 摘
生物医学传感器与检测技术教学
《生物医学传感器与检测技术实验》教案大纲 张日欣李元斌 一、课程名称：生物医学传感器与检测技术实验 Experiments in Biomedical Sensor & Detecting Techniques 二、课程编码：0702831 三、学时与学分：24/1.5 四、先修课程：数字电子技术，模拟电子技术，项目生理学，电子测试与实验，生物医学测量与仪器实验。 五、课程教案目标 1．本课程是生物医学项目专业的一门专业课，它应用电子技术，传感器测量技术和计算机技术，解决生物医学领域中的信号提取，检测和处理以及生物医学仪器的设计等问题； 2．使学生了解典型医学仪器的原理、特点和性能指标，学习正确使用传感器，设计检测电路，掌握基本测量技术； 3．为医学仪器设计奠定基础。 六、适用学科专业 生物医学项目 七、基本教案内容与学时安排 ●热敏器件及温度传感器特性实验<4学时） ●压力传感器性能实验<4学时） ●气敏传感器特性实验<4学时） ●光电式脉搏探测器<4学时） ● ECG前置放大器<4学时） ●陷波器仿真、制作与调试<4学时） ●安全隔离设计与调试<4学时） ● ECG放大器的整体调试<4学时） ● 12导联心电工作站的原理及使用<4学时） 八、教材及参考书： 教材：生物医学电子技术与信号处理实验指导书,张日欣、李元斌、邹昂等自编教材，武汉：华中科技大学教材科，2004年9月 参考文献： 1．生物医学检测技术讲义，杨玉星自编教材，1998年 2．生物医学电子学，蔡建新，张唯真，北京大学出版社，1997年 3．传感器原理与应用，黄贤钨，电子科技大学出版社，1999年 4．生物医学测量，陈延航，人民卫生出版社，1986年 5．医学物理，刘普和，人民卫生出版社，1986年 6．医学仪器-应用与设计，约翰G.韦伯斯特，新时代出版社，1985年 7．Protel 98 for windows 电路设计应用指南，程凡等，人民邮电出版社，1999年 九、考核方式 实验报告+实践表现 《生物医学测量与仪器实验》教案大纲
生物医学传感器的发展与应用综述
收稿日期：２００７－１０－２６ 作者简介：夏西泉（１９６９—），男，重庆市人，重庆电子工程职业学院，高级讲师，主要从事传感与检测技术、通信技术的教学与研究； 曹毅（１９６７—），男，重庆市人，副教授，重庆城市管理职业学院电子信息工程系主任，主要研究方向为计算机网络通信、生物医学信息处理。 第１７卷第１期重庆职业技术学院学报Ｖｏｌ．１７Ｎｏ．１２００８年１月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｏｎｇｑｉｎｇＶｏｃａｔｉｏｎａｌ＆ＴｅｃｈｎｉｃａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｊａｎ．２００８ 传感技术是当代科学技术发展的一个重要标志，它是现代生物医学、自动化检测、环境保护等应用领域不可缺少的功能器件，它与通讯技术、计算机技术并称为现代信息产业的三大支柱。２１世纪是人类全面进入信息电子化的时代，随着人类探索领域和空间的拓展，人们需要获得的电子信息种类日益增加，需要信息传递的速度加快，信息处理能力增强，因此要求与此相对应的信息采集技术———传感技术必须跟上信息化发展的需要。生物传感器是近几十年内发展起来的一种新的传感器技术。有人把２１世纪称为生命科学的世纪，也有人把２１世纪称为信息科学的世纪。生物传感器正是在生命科学与信息科学之间发展起来的一个交叉学科。 １生物传感器的定义 生物传感器定义为“使用固定化的生物分子 （ｉｍｍｏｂｉｌｉｚｅｄｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ）结合换能器，用来侦测生体内 或生体外的环境化学物质或与之起特异性交互作用后产生响应的一种装置”。生物传感器由两个主要关键部分所构成，一为来自于生物体分子、组织部分或个体细胞的分子辨认组件，此一组件为生物传感器信号接收或产生部分，另一为属于硬件仪器组件部分，主要为物理信号转换组件，主要是由电化学或光学检测元件（如电流、电位测量电极，离子敏场效应晶体管，压电晶体等）。 然而，随着当前各种新材料、新原理和新技术的不断发展，特别是微电子机械系统（Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅ ｍ，ＭＥＭＳ）技术和生物芯片技术的出现，目前生物传感器 的概念已经跳出了原来狭义的圈子，扩展为以微型化、集成化、智能化和芯片化为特征的生物检测、处理的微系统。 ２生物传感器的结构与原理 ２．１生物传感器的结构 生物传感器由两个主要关键部分所构成，第一部分 是识别部件，如酶、微生物、细胞或组织、抗原或抗体等；第二部分是转换部件，将其他物理量转换成电学量（电压或电流），如：温度转化为电压，力学压力量转换为电学量等。其余为辅助部分，完成系统测量或控制的功能。生物传感器的组成框图如图１所示。 ２．２生物传感器的原理 被测物质经扩散作用进入生物活性材料，经分子识别（特异性结合）后，发生物理或化学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经信号处理单元处理后输出，便可知道待测物的相关信息。 ３生物传感器的种类 根据生物传感器组成部分（识别部分和转换部分）的 材料或原理的不同，可以有以下不同的分类方法。 （１）按照其感受器中所采用的生命物质分类，可分为微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、酶传感器、ＤＮＡ传感器等。 生物医学传感器的发展与应用综述 夏西泉１，曹 毅２ （１．重庆电子工程职业学院，重庆４０１３３１；２．重庆城市管理职业学院，重庆４０００５５） 摘要：随着现代生物工程技术的发展和需要，生物医学传感器的研究与开发得到了长足发展，特别是微传感器及生化传感器是目前发展的前沿技术，本文对生物医学传感器的发展、原理、应用领域以及发展趋势等作了详细论述。 关键词：生物医学传感器；传感器；应用中图分类号：Ｑ－１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－００６７（２００８）０１－０１４９－０４ 图１生物传感器结构框图
生物医学传感器 简答题汇总
生物医学传感器与一般传感器相比，还必须满足 1.材料无毒，且与生物体组织有良好的相容性； 2.检测时，长期接触不会影响或尽可能少影响正常生理活动； 3.有良好的电气安全性 4.在结构和性能上便于清洁和消毒，防止交叉感染。 生物信号有哪些特点对医学传感器有哪些要求 特点：1.非电量信号；2.生物信号十分微弱；3.信噪比低；4.变化频率低；5.无创伤的检测； 要求：1.灵敏度高；2.信噪比高；3.良好的精确性；4.响应速度快；5.稳定性；6.互换性； 什么是应变效应什么是压阻效应两者有何异同 应变效应：金属电阻受力后尺寸变化引起阻值变化；压阻效应：半导体电阻受力后电阻率变化引起电阻值变化；同：都受到作用力，其结果都会导致电阻值的变化。异：导致阻值变化的原因不同，前者因尺寸变化引起，后者主要因电阻率变化引起。 直流单臂电桥的非线性误差如何产生如何解决 产生条件：△R1< (这)使(不)用(就是)说(重)明(点) 1.书本使用《医用传感器》第2版,陈安宁主编。供生物医学工程、影像学等相关专业使用 2.有些题目找的答案与标准答案或有出入,有些题目LZ也没有找到答案,各位您见谅！ 3.全文“LZ”代表“录主”,不就是“楼主”,也不就是“劳资”或者“老子”。 4.“【PS:xxxxxxxxxxxx】”:可能为重要备注也可能就是LZ瞎BB,请视具体情况取舍。 5.“*************我就是分割线*****************”:分割线之前为网络各家资料,分割线之后为亲爱的老师给的“给力”的重点。 6.本文有些地方有照片或者有截图,如果不清楚,请您凑合着瞧吧！目前照片里的字代表了LZ的最高水平,也请您凑合着瞧吧！排版水平差,也请您凑合着瞧吧！ 7.第1-9章,参考网上部分资料,老师PPT,与学神(我希望就是,毕竟不认识,瞎买的书)的复习资料,所以有些照片就是她的杰作。第10章、第11章为另一个亲爱的老师给的题目,没给“重点”至于考不考就是另外一回事。总之,谢谢她们,我只就是个欢乐的复习资料搬运工。 8.再次谢谢她们！！！也谢谢您的观瞧,预祝过过过,都考90分。但就是,您也知道这难度有点大,所以,加油！！！！！ 第一章绪论 1、医用传感器的定义、组成及在医用测量系统中的作用？ 定义:能感受或响应规定的测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。 生物医学传感器:能将各种被观测的生物医学中的非电量转换为易观测的电学量的一类特殊的电子器件。 医用测量系统中传感器的作用:提供信息、监护、生化检验、自动控制、参与治疗 2.传感器定义中“有用信号”的含义就是什么？为什么通常传感器输出信号形式为电信号？ 反映生命的信息绝大多数属于非电量,其放大与处理就是十分困难的。而医学传感器把生物信号换成电信号,经放大器及预处理器进行信号放大与预处理,然后经A/D 转换器进行采样,将模拟信号转变为数字信号,输入计算机,然后通过各种数字信 号处理算法进行信号分析处理,得到有意义的结果。 3、何谓物理型、化学型、生物型传感器？ 医用传感器按其敏感的工作原理,可以分为物理型、化学型与生物型三大类。 物理传感器就是利用物理性质与物理效应制成的传感器; 化学传感器就是利用化学性质与化学效应制成的传感器; 生物传感器就是利用生物活性物质作为分子识别系统的传感器。 4、何谓直接型、间接型、物性型与结构型传感器？ 5、试分析比较医用传感器主要分类方法有何优缺点。 光电化学生物传感器的研究与应用 陈洪渊* 南京大学，南京，210093 *Email: hychen@https://www.360docs.net/doc/df8633412.html, 光电化学过程是指分子、离子以及固体物质在光的作用下，因吸收光子而使电子处于激发态继而产生电荷传递的过程。光电化学传感是基于物质的光电转化特性而建立起来的一种新兴的检测技术。待测物与光电化学活性物质之间的直接/间接相互作用，或者生物识别过程前后所产生的光电流（或光电压）的变化与待测物浓度之间的关系, 是光电化学传感定量的基础。在光电化学检测中，与电化学发光检测恰好相反，光被用作激发源来激发光活性物质，通过光激发所产生的电信号作为检测信号。由于采用不同能量形式的激发与检测信号，和电化学发光检测相同的是，光电化学传感的背景信号要比传统的电化学方法低。研究表明，在采用相同或类似的流程对同一种物质进行检测时，光电化学方法获得的检测限通常要比电化学方法低一个数量级。此外，由于利用电信号响应, 同传统的光学方法相比, 光电化学检测仪器设备简单、价格低廉且易于微型化。因此，这种方法在生物分析领域具有广阔的应用前景，近年发展十分迅速。随着研究的不断深入，可以预期，光电化学传感将在生物分子测定、环境监测、食品安全、新药研究和医学卫生等诸多领域发挥重要作用。目前，光电化学应用于生物传感器的各个主要研究方向，如DNA传感器、免疫传感器以及酶催化型传感器等方面都取得了迅速的发展。 本文将以本研究组现有相关工作为例，对光电化学生物传感的基本概念、原理与应用及当前的发展趋势作一扼要的评述，以期为光电化学生物传感器的进一步发展提供一定的启示。 参考文献 [1] Zhao W W, Yu P P, Xu J J, Chen H Y. Electrochem. Commun., 2011, 13, 495—497 [2] Zhao W W, Wang J, Xu J J, Chen H Y. Chem. Commun., 2011, 47, 10990—10992 [3] Zhao W W, Tian C Y, Xu J J, Chen H Y. Chem. Commun., 2012, 48, 895—897 [4] Zhao W W, Dong X Y, Wang J, Kong F Y, Xu J J, Chen H Y. Chem. Commun., 2012, 48, doi: 10.1039/C2CC17942C [5] Zhao W W, Ma Z Y, Yu P P, Dong X Y, Xu J J, Chen H Y. Anal. Chem., 2012, 84, 917—923 第一章 传感器与生物医学测量 （1）国家标准(GB7665—87)关于传感器的定义，传感器的组成部分及其作用。 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。 传感器的组成：敏感元件，转换元件，信号调节转换电路，辅助电源 传感器的作用：将一种能力转化为另一种能量形式。 （2）生物医学测量仪器的三个主要部分及其所起作用。 ? 传感器和电极 ? 放大器和测量电路 ? 数据处理和显示装置(现代生物医学测量仪器已包括治 疗仪器组成完整的生物医学仪器，也包括基于网络的数据传输部分。) （3）常见生理参数的测量范围（心电，脑电，肌电） 心电图ECG :（所用传感器）体表电极 (幅值)50uv —5mv (频率)0.05—100Hz 脑电图EEG :头皮电极 2—200uv 0.5—100Hz 肌电图EMG:针电极 20uv —1mv 10Hz —20kHz （4）通过人体的低频电流（直流～1KHz ）对人体的作用有三个方面。 ? 产生焦耳热； ? 刺激神经、肌肉等细胞； ? 使离子、大分子等振动、运动、取向。 第二章 生物电信号的特征 （1）什么是膜电位？静息时细胞膜内外常见离子浓度情况如何？ 膜电位（membrane potential ）：在可兴奋组织（如神经，肌肉或腺组织）的细胞膜内外，存在着不同的带电离子。膜外呈正电，膜内呈负电，存在着一定的电位差。平时呈现静息电位,细胞膜内介质的静息电位约为-50mV ～-100mV ，细胞内带负电,细胞外带正电。（静息电位（resting potential ）：是指细胞未受刺激时的膜电位，即处于静息状态下，细胞膜两侧存在的电位差。） 静息时: ? K + 的膜内浓度比膜外高30倍; ? Na +的膜外浓度比膜内高10-15倍; ? CL -的膜外浓度比膜内高4～7倍; ? Ca 2+ 的膜外浓度比膜内高104 倍; ? 蛋白质阴离子的膜内浓度比膜外高等 由此可知,膜内外的K + 、Na + 、CL -、Ca 2+ 等离子之间各有一定的浓度差形成浓度梯度。 （2）能斯特(Nernst)方程以及利用能斯特方程求静息时K + 的平衡电位ε k 。 （式中ε为扩散电位差，生理学上为 膜两边的跨膜电位） 例子：已知人体神经细胞内、外K + 的有效浓度分别为[K + I ]和[K + o ]（单位为mol/L ），则根据Nernst 方程式计算出 K + 的平衡电位εk : k=1.38x10-23 J·K -1)，T 为绝对温度(K)，Z=+1，e=1.60x10-19 C 在人体体温(37℃)下，若将各项值代入，则Nernst 方程式可化为: 代入表2.1给出参数,得εk =-89mV,理论计算值与实测结果（－ 86mV ）很接近。 （3）细胞膜的模拟等效电路 细胞膜等效电路为电容和电阻并联形式。 例子：若细胞膜面积S=5x10-6cm 2,厚度d=10-6 cm,ε=3.26 膜的电容值：d S C ε4==1.3pF=1.3×10-12 F(法拉) 若已知膜电位为V = - 86mV ，代入公式Q = CV,可求得应带的电量为Q=1.3×10-12 × 0.086 = 1.1×10-13 库仑(C)。 这些电量应是Q/e 个K + 离子所有,已知e=1.6×10-19 库仑（即K + 离子的电量）,得参与扩散的K + 离子数应为：Q/e = 6.9×105 。 已知典型的细胞体积为10-9 cm 3 ,K + 离子的浓度约为0.14克分子/升,或每立方厘米约有0.14×6×1023 /1000 ≈1020 个离子。 照此计算,每一细胞内就有：1020 ×10-9 =1011 个K + 离子,其中只有6.9×105 个K + 离子向膜外扩散 （4）什么是动作电位，动作电位在去极化和复极化过程中各个时期的特点（包括时程，电位幅度，K + 、Na + 、Ca 2+ 离子运动情况）。 心肌细胞受到窦房结发来的电脉冲剌激时(阈剌激),受剌激部位膜电位将发生短暂的电位变动，最初膜电位升高,接着慢慢恢复到原来静息电位水平。这个过程经历300ms 时程,膜电位的变动,生理学上称为“动作电位”。 1.去极化：去极化即除极,是动作电位的0期。（当可兴奋的细胞受到外界剌激,如给它以电剌激,剌激电流从膜内流向膜外,因此膜的极化状态减弱,称之为去极化。） ? 表现：去极化达到一定临界水平,即阈电位,便产生兴奋。 这时细胞膜的极化现象消除,出现膜内为正、膜外为负的反极化状态:在短时间内由-50mV —100mV 变到+20mV —+40mV ,构成动作电位上升支(去极相)。快钠通道“开放”，Na + 通过快钠通道,向膜内迅速扩散,使膜电位升高得很快,最快变化率可达800v/s,上升幅度大(-80mV 至＋30mV)。 ? 特点：对于心肌细胞,此期历时很短,仅1～2ms 。 2.复极化：是从去极化电位达到正峰值后开始,一直恢复到静息电位水平状态之间的过程。（动作电位的产生,取决于细胞膜两边的电压和膜对于Na + 、K +随时间变化的通透性。） 1期:亦称快速复极初期，Na + 向内扩散减慢,而K + 的向外扩散则缓慢地上升,两者达到动态平衡。膜外CL -浓度高于膜内4～7 倍,而且此时膜内电位为正,高于膜外,故CL - 借助于浓度差和电位差两者的作用而大量向内扩散,使细胞内的电位逐渐降低。1期占时平均约10ms 。 2期:缓慢复极期或平台期，胞外Ca 2+ 浓度比细胞内高得多，此期慢钙通道‘早已开放’,并且开得很大，Ca 2+ 在浓度梯度作用 )(] [] [lg 3.2mV K K e T O I k + +Z -=κε)(] [] [lg 51.61m V K K O I k + +-=ε 第一章生物电磁学 第一节概述 第二节生物电现象 第三节电磁波在医学中的应用 第四节微波的生物效应 第五节毫米波生物学效应 第六节生物磁场现象 第七节生物电磁剂量学和电磁辐射的安全标准第八节生物电磁场热点问题 第二章生物力学 第一节概述 第二节软组织的力学性质 第三节骨的力学性质 第四节血液的流动性质 第五节心脏、动脉和静脉中的血液动力学 第三章超声医学原理 第一节概述 第二节医学超声的物理基础 第三节医用超声换能器医学超声的物理基础第四章生物医学光子学 第一节概述 第二节光和物质 第三节生物系统的超微弱光子发射 第四节生物组织中光传播的基本规律 第五节激光与组织的相互作用原理及应用 第六节生物医学研究中的光学成像技术 第七节光谱技术及其在生物医学中的应用 第五章生物技术 第一节概述 第二节生物学基础 第三节基因组生物技术 第四节蛋白质组生物技术 第五节制药生物技术 第六节纳米生物技术 应用技术篇生物医学工程中的应用技术 第六章生物医学传感技术 第一节概述 第二节物理传感器 第三节化学传感器 第四节生物传感器 第七章生物医学信号处理 第一节概述 第二节生物医学信号的特点 第三节生物医学信号的提取及特征 第四节生物医学信号的常用处理方法简介 第五节现代生物医学信号处理方法简介 第六节生物医学信号的参数模型分析 第八章现代医学影像技术 第一节概述 第二节投影X射线成像 第三节X射线计算机断层摄影 第四节超声成像系统 第五节放射性梳素成像系统 第六节磁共振成像系统 第七节医学图像的未来发展 第九章电生理的诊断与监护技术 第一节概述 第二节心电分析与诊断技术 第三节脑电分析与诊断技术 第四节肌电检测与应用 第五节眼电检测与诊断 第六节胃电检测与诊断 第十章临床生化检验技术 第十一章放射治疗技术 第十二章定向能量外科治疗技术 第十三章理疗技术与康复 发展趋势篇生物医学工程发展趋势 第十四章医院数字化信息化技术 第十五章生物材料 第十六章基因芯片与数据分析 第十七章MEMS技术在生物医学工程中的应用第十八章生物信息学导论 电化学生物传感器 生物分子的分析检测对获取生命过程中的化学与生物信息、了解生物分子及其结构与功能的关系、阐述生命活动的机理以及对疾病的有效诊断与治疗都具有十分重要的意义。如何高效、快速、灵敏地检测这些生物分子，是当前生命科学领域中面临的一个十分重要的问题。解决这些问题的关键就在于发展各种新型的分析检测技术。生物传感器的出现为有效地解决这些问题提供了新的工具，为生命科学及其相关领域的研究提供了许多新的方法 1电化学生物传感器的基本结构及工作原理 1.1 基本结构 通常情况下，生物传感器由两个主要部分组成即生物识别元件和信号转换器。生物识别元件是指具有分子识别能力，能与待测物质发生特异性反应的生物活性物质，如酶、抗原、抗体、核酸、细胞、组织等。信号转换器主要功能是将生物识别作用转换为可以检测的信号，目前常用的有电化学、光学、热和质量分析几种方法[1]。其中，电化学方法就是一种最为理想的检测方法。 图1 电化学生物传感器的基本结构 1.2 工作原理 电化学生物传感器采用固体电极作基础电极，将生物敏感分子固定在电极表面，然后通过生物分子间的特异性识别作用，生物敏感分子能选择性地识别目标分子并将目标分子捕获到电极表面，基础电极作为信号传导器将电极表面发生的识别反应信号导出，变成可以测量的电信号，从面实现对分析目标物进行定量或定性分析的目的。 2电化学生物传感器的分类 由各种生物分子(抗体、DNA、酶、微生物或全细胞)与电化学转换器(电流型、电位型、电容型和电导型)组合可构成多种类型的电化学生物传感器，根据固定在电极表面的生物敏感分子的不同，电化学生物传感器可分为电化学免疫传感器、电化学DNA传感器、电化学酶传感器、电化学微生物传感器和电化学组织细胞传感器等。 2.1 电化学免疫传感器 电化学免疫传感器是一种将免疫技术与电化学检测相结合的标记免疫分析方法。它是以抗原．抗体特异性反应为基础，将抗原/抗体反应达到平衡状态后的生物反应信号转换成可测量的电信号并通过基础电极将其导出。当采用电化学检测方法测量时，其信号大小与目标分析物在一定浓度范围内成线性关系，从而实现对目标检测物的分析测定。 根据抗原-抗体间的免疫反应的类型，电化学免疫传感器可分为两种：竞争法和夹心法。竞争法的分析原理是基于标记抗原和非标记抗原共同竞争与抗体的反应[2]。而夹心法则是将捕获抗体、抗原和检测抗体结合在一起，形成一种捕获抗体/抗原/检测抗体的夹心式复合物，也称“三明治”式结合物[3]。 图2 竞争法 图3 夹心法 2.2 DNA生物传感器 DNA生物传感器主要检测的是核酸的杂交反应。电化学DNA传感器的工作原理如图所示，即将单链DNA(ssDNA)探针，固定在电极上，在适当的温度、pH、离子 目录 1. 电化学生物传感器简介 (2) 1.1 电化学生物传感器的原理 (2) 1.2 电化学生物传感器的发展 (3) ２.电化学生物传感器分类.... 错误！未定义书签。 2.1电化学免疫传感器 .......................................... 错误！未定义书签。 2.2电化学适体传感器 (5) 2.3电化学DNA传感器 (5) 3.信号放大技术在电化学生物传感器中的应用错误！ 未定义书签。 3.1酶催化信号放大技术在电化学生物传感器中的应用错误！未定义书签。 3.2纳米粒子信号放大技术在电化学生物传感器中的应用 3.3 链式反应信号放大技术在电化学生物传感器中的应用 4. 电化学生物传感器研究新进展 (8) 参考文献及英文摘要与关键词. 错误！未定义书签。 电化学生物传感器的研究 摘要本文介绍了电化学生物传感器的发展状况和最新研究方向，综述了近年来电化学生物传感器检测技术的原理和分类，以及信号放大策略在电化学生物传感器中的应用，并概括了电化学生物传感器检测技术的新进展。 关键词电化学生物传感器免疫适体 DNA 信号放大 电化学生物传感器(Electrochemical biosensor)是将生物活性物质如酶、抗原/抗体、DNA、适体等作为分子识别物质固定在电极上,以电化学信号为检测信号的分析器件。电化学生物传感器以其选择性好、灵敏度高、响应快、操作简便、可实现在线、活体分析等特点,在分析化学的研究中起着越来越重要的地位,已广泛用于生命科学、环境分析、药物分析等领域。 1.电化学生物传感器简介 1.1 电化学生物传感器的原理 电化学生物传感器是指由生物体成分（酶、抗原、抗体、激素等）或生物体本身（细胞、细胞器、组织等）作为敏感元件，电极（固体电极、离子选择性电极、气敏电极等）作为转换元件，以电势或电流为特征检测信号的传感器。其原理结构[9]如下图 1 所示。 图1 电化学生物传感器的基本构成示意图 1.2 电化学生物传感器的发展 电化学生物传感器的应用广范，它已经渗透到医药领域、食品卫生、环境检测等生活实践中去，只要应用有：细茵及病毒感染类疾病诊断[24]，基因诊断[25，26]，药物分析[27]，DNA 损伤研究[28]等。由此可见，电化学生物传感器的研究对临床医学和遗传工程的研究具有深远的意义和应用价值。 ２.电化学生物传感器分类 2.1 电化学免疫传感器 一氧化氮电化学传感器及其在生物医学中的应用 陈晓霞１，３ 易洪潮２ 王 颖１ 胡胜水１，３＊ （１武汉大学化学与分子科学学院 武 汉 ４３００７２）（２长江大学化学与环境工程学院 荆 州 ４３４０２３）（３中国科学院传感技术联合国家重点实验室 北 京 １０００８０） 摘 要 一氧化氮（ＮＯ）是一种含有可以调控不断生长的生物学过程的非共享电子对的气体自由基，它由一氧化氮合成酶家族的Ｌ－精氨酸所形成。ＮＯ在人体内分布广泛，是帮助机体抵抗心血管疾病与其他疾病的信号分子。缺乏ＮＯ可能导致糖尿病、心血管疾病与其他疾病，而补充ＮＯ可预防和逆转此类疾病。ＮＯ是非常小的分子，十分活泼，半衰期短，它可以进入细胞，并向周围的细胞发出交流信号。但是，要准确检测其在生物体中的含量很困难。目前直接用于一氧化氮检测的方法不多，电化学方法尤其是电化学传感器是应用广泛的一类方法，由于其操作简单，灵敏度高，选择性好，已成为现代生物医学中研究一氧化氮的重要工具。本文主要综述近年来ＮＯ电化学传感器的研制及其在生物医学中的应用。 关键词 一氧化氮；电化学传感器；生物医学中图分类号 Ｏ６５７．１ Electrochemical Nitric Oxide Sensors and Its Application in Biomedicine Chen Xiaoxia 1,3, Yi Hongchao 2, Wang Ying 1, Hu Shengshui 1,3* (1Department of Chemistry, Wuhan University, Wuhan 430072, China) (2School of Chemistry and Environmental Engineering,Yangtze University, Jingzhou 434023, China)(3State Key Laboratory of Transducer Technology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China) Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｎｉｔｒｉｃ ｏｘｉｄｅ （ＮＯ） ｐｌａｙｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ， ｂｕｔ ｉｔ ｉｓ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ＮＯ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｎ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｄｕｅ ｔｏ ｉｔｓ ｈｉｇｈ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｒｅａｃｔｉｖｉｔｙ， ｓｈｏｒｔ ｈａｌｆ－ｌｉｆｅ，ｌｏｗ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｒａｉｌｌｙ ｏｘｉｄｉｚｅｄｂｙ Ｏ２． Ｄａｔｅ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｅｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ＮＯ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｄｉｒｅｃｔｌｙ． Ｏｔｈｅｒ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｐａｒａｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｓｐｅｃｔｒｏｓｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ ＵＶ－ｖｉｓｉｂｌｅ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ， ａｒｅ ｉｎｄｉｒｅｃｔ． Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｅｓｐｅ－ｃｉａｌｌｙ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｅｎｓｏｒ ｈａｓ ｗｉｄｅｌｙ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ＮＯ ｉｎ ｂｉｏｍｅｄｉｃｉｎｅ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｉｔｓ ｓｉｍｐｌｅ， ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ， ｅｘｃｅｌｌｅｎｔｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｅｎｓｏｒｓ ｉｎｂｉｏｍｅｄｉｃｉｎｅ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｎｉｔｒｉｃ ｏｘｉｄｅ； ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｅｎｓｏｒ； ｂｉｏｍｅｄｉｃｉｎｅ 收稿日期：２００６－０６－０２ 基金资助：国家自然科学基金ＮＯｓ．３０３７０３９７，６０５７１０４２的支持。作者简介：陈晓霞，硕士。 ＊联系人：胡胜水，教授。 １ 引 言 在过去的２０年里，一氧化氮在生物体分子信号中 的作用已成为生物学中发展最快的领域之一。一氧化氮（ＮＯ）是一种含有可以调控不断生长的生物学过程的非 共享电子对的气体自由基，它由一氧化氮合成酶家族的 Ｌ－精氨酸所形成。ＮＯ在人体内分布广泛，是帮助机体 抵抗心血管疾病与其他疾病的信号分子。缺乏ＮＯ可能 导致糖尿病、心血管疾病与其他疾病，而补充ＮＯ可预 防和逆转此类疾病。ＮＯ是非常小的分子，十分活泼，半 衰期短，它可以进入细胞，并向周围的细胞发出交流信 号。人体很多器官都可以生成ＮＯ，比如动脉、神经等。 但是，要准确检测其在生物体中的含量很困难，因此， 寻找一种实时、快速、简便检测一氧化氮的方法成为化学与医学界普遍关心的问题。目前，常用于检测一氧化 氮的方法有化学发光法（Ｃｈｅｍｉｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ），紫外－可 见光谱法（ＵＶ－ｖｉｓｉｂｌｅ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ），荧光光谱法（Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ） ，电子自旋共振光谱法（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｐａｒａ－ｍａｇｎｅｔｉｃ／ｓｐｉｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ， ＥＰＲ／ＥＳＲ），电化学方法（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ）等。在所有的方法中，电化学方法尤其是电化学传感器具有操作简单，灵敏度高，选择性好，又可实现实时、原位检测而广泛地应用在生物医学中，并成为现代生物医学中一氧化氮的重要研究工具。本文主要综述近年来ＮＯ电化学传感器的研制及其在生物医学中的应用。２ 生物体系中一氧化氮的直接检测应用于生物体中的一氧化氮电化学传感器可分为两 电化学生物传感器 蔡新霞, 李华清, 饶能高, 王利, 崔大付 (中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室北方基地, 北京100080 E 2mail :. ac. cn 摘要:介绍了电化学生物传感器的分类、基本测试原理和研究进展, 该类传感器可对多种生化参数 进行直接实时动态检测, 基于微机电系统(M EMS 加工技术和微电子IC , 电化学传感器在向着微型化、集成化方向发展。关键词:生物传感器; 电化学器件; M EMS 技术; 中图分类号:TP212文献标识码:(07/0820359203 biosensors CAI Xin 2xia , L I Hua 2qing , RAO Neng 2gao , WAN G Li , CU I Da 2fu (S tate Key L ab of T ransducer Technology (North Base , Instit ute of Elect ronics , Chi nese Academy of Sciences , Beiji ng 100080, Chi na Abstract :The system , principle and research progress of electrochemical biosensors were introduced. The electrochemical biosensors can be used for real time detection to various biochemical molecules and would take development on microsystem and integration using M EMS and IC technologies. K ey w ords :biosensors ; electrochemical devices ; M EMS technology ; integration 1引言 第一个商业化的生物传感器于1972年由Y el 2low Springs 仪器公司制造, 之后又由Leeds , Northrup 和Beckman 仪器公司相继推出, 这些传感器均用于血糖和尿糖检测的电化学传感器。80年代新型的生物传感器在实验室取得了科研进展, 商家 生物医学电子学领域的医疗传感器（一） 科幻剧《无敌金刚》（The Six MillionDollar Man）搬上电视荧屏距今已差不多有40 年时间，随着现代电子技术与纳米技术、高级植入技术、太阳能与 光能设备，以及医学与生物学领域传感器重要发展的融合，科学幻想正在成为 现实。科学创新催生了增强和代替人体器官的基于传感器的电子设备。这些电 子设备包括WBAN（无线体域网）以及增强或代替眼睛和耳朵的设备。本文第一部分描述了创新的传感器技术，以及从传感器直到微控制器的微型化、可植 入以及无线电子接口方式。第二部分将讨论肺、心脏和大脑。 传感器与无线通信设备的发展使我们能够设计出微型、高成本效益以及智能 的生理传感器结点。一个创新是可穿戴的健康监控系统，如WBAN.针对这一 技术的IEEE802.15.4 标准规定了一个与医疗传感器体域网络相关的小功率低数据速率无线方案。2011 年，意法半导体公司推出了自己的未来cyborg 技术， 包括传感器和MEMS,以及iNEMO（惯性模块评估板）结点（图1）。 图1,意法半导体公司开发了一些用于个人与诊断的传感器应用 在这一领域的其它供应商中，Analog Devices 也提供了一些先进的活动监控解决方案，以及传感器接口元件，而德州仪器公司提供了一个带Tmote Sky 的开发套件，这是下一代的mote 平台，即针对极低功耗、高数据速率传感器网 络应用的远程平台，有容错和易于开发的双重设计目标。TI 公司的Tmote Sky 套件号称有10KB 的片上RAM（所有mote 中的最大容量），IEEE 802.15.4 射频，以及一个125m 作用范围的集成板载天线。 帮助盲人重见光明 视网膜修复技术可以帮助患视网膜退化疾病，如可能致盲的黄斑变性的人群 恢复视力（参考文献1）。研究人员做了临床植入研究，证明植入假体最终可弥 生物医学传感器与一般传感器相比，还必须满足？ 1.材料无毒，且与生物体组织有良好的相容性； 2.检测时，长期接触不会影响或尽可能少影响正常生理活动； 3.有良好的电气安全性 4.在结构和性能上便于清洁和消毒，防止交叉感染。 生物信号有哪些特点？对医学传感器有哪些要求？ 特点：1.非电量信号；2.生物信号十分微弱；3.信噪比低；4.变化频率低；5.无创伤的检测； 要求：1.灵敏度高；2.信噪比高；3.良好的精确性；4.响应速度快；5.稳定性；6.互换性； 什么是应变效应？什么是压阻效应？两者有何异同？ 应变效应：金属电阻受力后尺寸变化引起阻值变化；压阻效应：半导体电阻受力后电阻率变化引起电阻值变化；同：都受到作用力，其结果都会导致电阻值的变化。异：导致阻值变化的原因不同，前者因尺寸变化引起，后者主要因电阻率变化引起。 直流单臂电桥的非线性误差如何产生？如何解决？ 产生条件：△R1<生物医学传感器习题
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