生物传感器的简单介绍
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检测并转换生物体内或周围环境中生物分析物的信号的装置。
它们基于生物体内的生化反应，利用敏感元件转换生物分析物的信息为可测量的信号，从而实现对生物体状态的监测和分析。
本文将介绍几种常见的生物传感器，并探讨其工作原理。
一、光学传感器光学传感器是一种利用光的散射、吸收、发射等光学性质进行信号测量的传感器。
以光谱分析为例，利用物质吸收特定波长的光线而产生的吸收峰位移来检测该物质的存在。
生物传感器中常用的光学传感器有吸光度测量法和荧光法。
在吸光度测量法中，生物分析物会吸收特定波长的光线，测量被吸收的光线强度即可得到样品中生物分析物的浓度信息。
荧光法则是通过物质在受激光照射下发出特定波长的荧光信号，利用荧光光强的变化来反映生物分析物的浓度。
二、电化学传感器电化学传感器是利用电化学原理进行信号检测的传感器。
其核心部件是电化学电极，包括工作电极、参比电极和计时电极。
当生物分析物与电极表面发生反应时，产生的电流、电势或电容等信号变化可用于检测目标生物分析物的存在和浓度。
电化学传感器的工作原理分为两种模式：电荷转移模式和离子传递模式。
在电荷转移模式中，电化学反应涉及电荷的转移，通过测量电流变化来监测生物分析物浓度。
而在离子传递模式中，电化学反应涉及离子的扩散，通过测量电势或离子浓度变化来检测生物分析物。
三、生物感应器生物感应器使用与生物分析物相互作用的生物元件，如酶、抗体、DNA等，将生物分析物与生物元件之间的相互作用转化为检测信号。
常见的生物感应器有酶传感器、抗体传感器和核酸传感器等。
酶传感器是利用酶与底物之间的特异性催化反应进行检测的传感器。
当靶生物分析物存在时，酶会与其发生特异性反应，产生可测量的信号。
抗体传感器则是利用抗体与靶生物分析物的特异性结合作用进行检测。
通过检测抗体与靶生物分析物结合的物理或化学变化，可以获得目标生物分析物的信息。
核酸传感器是基于核酸的特异性配对结构，通过测量靶分析物与探针核酸的杂交反应来检测目标生物分析物的存在和浓度。
其他类型生物传感器介绍
其他类型生物传感器介绍一、纳米生物传感器随着纳米技术的发展，生物传感器也带来了新的革命，一些纳米传感器和纳米执行器应运而生。
例如有一种为糖尿病患者研制的超小型的、模仿健康人体内的葡萄糖检测系统的智能药丸，即纳米智能药物，它能被植入皮下，监测血糖水平，必要时释放出胰岛素，使人体内的血糖和胰岛素含量总处于正常水平。
由生物大分子构成，利用化学能进行机械做功的分子马达，也是一种纳米系统。
它包括线性推进和旋转式推进两类。
DNA解旋酶是线性分子马达，而生物体中普遍存在的三磷酸腺苷酶（ATPase）是旋转式分子马达。
有种能探测单个活细胞的纳米探针，可插入活细胞内，探知会导致肿瘤的早期DNA损伤程度。
美国康纳尔大学一个科研小组最近研制成功了“纳米直升机”，它有一个用金属镍制成的螺旋桨，并且利用它的生物分子部件而将人体内产生的ATP转换成能量，利用这一能量它们可以在人体细胞内“飞翔”和“着陆”。
科学家希望它能帮助医师清除细胞缺陷和释放药物。
实验结果已经显示，在人体生物能量的驱动之下，这种三件式的“纳米直升机”能自行组装、维护和修理。
另外，利用纳米材料的吸附能力强、比表面积大、表面反应活性高、表面活性中心多、催化效率高等优良特性，把纳米敏感颗粒引入到生物传感器的组装中可制备体积更小、灵敏度更高而且可靠性更好的高性能生物传感器。
如把纳米金颗粒或纳米铂颗粒（图-1）引入敏感膜制备中，则生物传感器灵敏度等性能有可能极大的提高。
Mirkin 和Lin等采用金纳米-DNA探针成功识别了靶基因，表明纳米技术能提高DNA传感器的灵敏度、稳定性及专一性。
中国科学研究院上海应用物理所日前研制出一种新型电化学DNA 纳米生物传感器，使DNA检测变得便捷而廉价。
其创新点在于引入“金”纳米粒子进行电化学信号的放大，从而显著增强了DNA检测的“嗅觉”，其灵敏度比常规荧光检测方法高出约1000倍。
该技术的检测速度也较快，对于标准DNA样品约1小时就能给出数据，能实现传统检测手段所无法做到的DNA现场检测。
纳米生物传感器的原理和操作流程
纳米生物传感器的原理和操作流程纳米技术的快速发展为生物科学研究带来了许多前所未有的机会。
纳米生物传感器作为一种创新的技术，已经成为生物分析领域的重要工具。
本文将介绍纳米生物传感器的原理和操作流程。
一、纳米生物传感器的原理纳米生物传感器基于纳米材料的特殊物理和化学特性，通过与生物分子的相互作用来检测和分析生物分子的存在和变化。
其原理主要包括以下三个方面：1. 纳米材料的特殊性能：纳米材料具有高比表面积、量子尺寸效应和表面增强效应等特殊性能。
通过纳米材料的特殊性能，可以增强分子的信号，提高传感器的灵敏度和选择性。
2. 生物分子的特异性识别：纳米生物传感器通过特殊的生物分子与目标分子的反应，实现对目标分子的特异性识别。
例如，可以利用抗体与抗原的特异性反应，或者利用核酸与其互补序列的特异性碱基配对反应。
3. 检测信号的转换和放大：纳米生物传感器通过将生物分子的识别事件转换为可观测的物理或化学信号，来进行目标分子的检测和测定。
常见的信号转换方法包括荧光、电化学和质谱等。
二、纳米生物传感器的操作流程纳米生物传感器的操作流程一般包括样品处理、生物分子识别、信号转换和结果分析等步骤。
下面将详细介绍每个步骤的操作流程。
1. 样品处理：样品处理是纳米生物传感器分析的关键步骤，可以对样品进行前处理和富集。
前处理可以包括蛋白质降解、核酸提取等操作，以提高目标分子的稳定性和纳米传感器的灵敏度。
富集可以通过分离纯化等技术提高分析物的浓度，减少干扰物质的存在。
2. 生物分子识别：生物分子识别是纳米生物传感器的核心步骤，需要选择合适的生物分子来与目标分子发生特异性反应。
常见的生物分子包括抗体、寡核苷酸和酶等。
生物分子识别可以在固相或溶液相进行，通常需要优化反应条件和选择适当的生物分子浓度。
3. 信号转换：纳米生物传感器通过将生物分子的识别事件转换为可观测的物理或化学信号来进行目标分子的检测和测定。
信号转换可以利用纳米材料的特殊性能，例如荧光探针的荧光强度变化、电极上的电化学反应和质谱分析等。
生物传感器介绍、分类和应用
酶FET 酶光二极管
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生物传感器的发展史(2)
生物传感器发展的整体划分:
❖ 第一代生物传感器以将生物成分截留在膜上或结合在膜 上为基础，这类器件由透析器(膜)、反应器(膜)和电化学 转换器所组成，其实验设备相当简单。
❖ 第二代生物传感器是指将生物成分直接吸附或共价结合 在转换器的表面上，从而可略去非活性的基质膜。
压电晶体生物传感器
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生物传感器的固定方法
固定化技术：把生物活性材料与载体固定化成 为生物敏感膜。
1. 物理方法：夹心法、吸附法、包埋法； 2. 化学方法: 共价连接法、交联法； 3. 近年来, 由于半导体生物传感器迅速发展,
因而又出现了采用集成电路工艺制膜技术。
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夹心法
❖ 将生物活性材料封闭 在双层滤膜之间，形 象地称为夹心法。
❖ 此方法的特点是一般不产 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。
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生物传感器的特点
1. 根据生物反应的奇异和多样性，从理论上讲可以制 造出测定所有生物物质的多种多样的生物传感器；
2. 这类生物传感器是在无试剂条件下工作的(缓冲液 除外)，比各种传统的生物学和化学分析法操作简 便、快速、准确；
3. 可连续测量、联机操作、直接显示与读出测试结果。
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生物传感器的分类 ❖ 按分子识别元件分类 ❖ 按换能器分类
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生物传感器的发展史(1)
❖ 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；
化学生物传感器的名词解释
化学生物传感器的名词解释化学生物传感器是一种能够检测、识别和定量分析生物样品中的化学物质的装置或系统。
它利用生物分子与化学分子之间的相互作用来实现对目标物质的检测和测定。
在目前的生物科学和医学领域中，化学生物传感器已经成为一种重要的检测工具，能够广泛应用于食品安全、环境监测、医疗诊断等方面。
化学生物传感器的核心是生物分子与化学分子之间的相互作用。
生物分子可以是蛋白质、核酸或其他生物大分子，而化学分子则是待测物质或与待测物质有特异性相互作用的物质。
这种相互作用可以是特异性的结合、酶催化反应、电荷转移等，通过这些作用，待测物质的存在和浓度可以被传感器检测到并定量分析。
化学生物传感器的制备过程通常包括传感元件的构建和信号检测两个主要步骤。
传感元件的构建是化学生物传感器制备的重要环节。
传感元件由生物分子和化学分子构成，其中生物分子通常被固定在传感界面上，起到在待测物质与化学分子之间传递信号的作用。
常用的生物分子有抗体、酶、DNA等，它们对待测物质具有高度的特异性和亲和性。
化学分子则是通过与生物分子的特异性相互作用，来识别和检测待测物质。
传感元件的构建需要考虑到不同生物分子和化学分子之间的相互作用，并进行合适的组装和修饰。
例如，选择合适的载体材料来固定生物分子，可以增强其稳定性和特异性。
此外，对传感界面进行化学修饰，可以增加它们与待测物质之间的相互作用力，提高传感器的检测灵敏度和选择性。
信号检测是化学生物传感器的另一个重要环节。
当传感元件与待测物质发生相互作用后，会产生一定的信号变化，这个信号变化可以是光学、电化学、电子等方面的。
信号检测的方式通常是将传感器与传感器读取装置相连接，将信号转换成可观测的物理量，并通过信号处理和分析来获得目标物质的浓度和存在情况。
化学生物传感器具有许多优点，使其成为广泛应用于各个领域的理想工具。
首先，化学生物传感器具有高灵敏度和特异性，可以在微量待测物质中进行准确的定量分析。
生物传感器技术及其应用
生物传感器技术及其应用生物传感器技术作为一种新兴的生物医学工程技术，在生态环境监测、食品安全检测、临床诊断和基因工程等领域有着广泛的应用前景。
本文将从生物传感器的原理、分类以及应用领域等方面进行介绍。
一、生物传感器技术概述生物传感器是一种可以将生物学体系与物理化学传感技术相结合的系统，通过对生物分子的识别和检测，实现对生物样本中的特定物质的快速、高灵敏度的检测。
其主要原理为通过生物分子与传感器表面的特异性结合，产生信号的转化，进而实现定量或定性的检测。
生物传感器可以分为生物材料传感器和生物元件传感器两类。
前者是利用整个生物元件，如细胞、组织和细菌等作为传感元件；后者则是通过提取生物分子，将其与传感器表面结合，以产生信号的转化。
二、生物传感器的分类根据生物传感器的测量原理和检测目标的不同，生物传感器可以分为多种类型，其中常见的有光学传感器、电化学传感器、生物晶体传感器和磁性传感器等。
光学传感器是利用物质与光粒子的相互作用，通过测量光的散射、吸收、发射或折射等现象，来对所检测物质的性质和浓度进行判断。
电化学传感器是利用电化学原理，通过测量电位、电流或电荷等参数的变化来确定所检测物质的浓度和性质。
生物晶体传感器是将所检测生物分子与晶体表面发生结合反应，通过测量晶体的质量、厚度或频率的变化来判断所检测物质的性质。
磁性传感器则是利用物质在磁场中的磁学性质的变化来检测目标物质。
三、生物传感器的应用领域1. 环境监测生物传感器技术在环境监测领域具有广泛的应用前景。
例如，通过对生物传感器的使用可以实现对水质中有害物质的快速检测，如重金属离子、有机污染物等。
此外，生物传感器技术还可以应用于土壤监测，通过检测土壤中的微生物和营养物质含量，评估土壤的肥力和污染程度。
2. 食品安全检测食品安全是人们日常关注的重要问题，而生物传感器技术可以有效地用于食品中有害物质的检测。
例如，通过对生物传感器的使用，可以快速、高效地检测食品中的农药残留、重金属、致病菌等物质，确保食品质量的安全。
生物传感器技术的发展与应用
生物传感器技术的发展与应用随着科技的飞速发展，越来越多的生物传感器技术被研发出来并得到了广泛应用。
生物传感器是一种能够检测生物体内化学、物理和生理性质的设备，常用于医学、环境保护、食品安全等方面。
本文将介绍生物传感器技术的发展与应用，并对其前景进行展望。
一、生物传感器技术的发展历程生物传感器技术的最早研究可以追溯到20世纪50年代。
当时，科学家们首次研发出能够检测葡萄糖的生物传感器，但由于技术水平和设备限制，其检测效果并不理想。
直到70年代末期，随着纳米技术和信息技术等新技术的发展，生物传感器技术才得以大幅提升。
进入21世纪，生物传感器技术实现了跨越式发展。
新型的材料、微纳加工和微电子技术的应用使得生物传感器的灵敏度、选择性和稳定性得到了大幅提升。
此外，智能化和自动化技术的应用也使得生物传感器成为了现实生活中的重要工具。
二、生物传感器技术的应用领域1. 医学领域生物传感器是医学领域中最为重要的工具之一。
例如在糖尿病患者的日常生活中，通过佩戴连续血糖监测器，患者可以随时随地观察自己的血糖水平。
同时，同步传输到医生端的数据也能帮助医生及时调节患者的药物使用和饮食习惯。
生物传感器在其他疾病的诊断和治疗方面也有着广泛的应用，比如应用于血压、呼吸等实时生命监测。
2. 环境保护领域在近年来，生物传感器技术也被广泛应用于环境保护领域。
例如，通过生物传感器检测水环境中的浓度和种类，可以有效地预测和监控水的质量状况，避免水污染造成的环境危害。
此外，生物传感器还可以应用于大气质量监测、土壤质量分析等多个方面。
3. 食品安全领域生物传感器技术也被应用于食品安全领域。
通过生物传感器检测食品中的毒素、微生物等潜在的食品安全隐患，可以有效地预防食品中毒事件的发生。
三、生物传感器技术的未来发展及前景随着技术的日新月异，生物传感器技术的应用前景十分广阔。
由于生物传感器技术的突出优势，未来的生物传感器技术将会朝着以下几个方面得到不断的创新和拓展。
生物传感器
生物传感器导言生物传感器是一种具有生物识别功能的器件，可以通过生物体的特定信号或变化来检测和测量外部环境、生理活动或生物分子等信息。
生物传感器的应用领域广泛，涵盖了生物医学、环境监测、食品安全等多个领域，具有重要的研究和应用价值。
生物传感器的类型生物传感器按照传感元件的特性和信号来源可以分为多种类型，其中常见的包括电化学传感器、免疫传感器、DNA传感器、细胞传感器等。
这些传感器通过不同机制与生物体相关的物质相互作用，转化成可输出的信号。
•电化学传感器：利用生物体内或生物体产生的电活性物质引起电流变化的原理进行检测，如葡萄糖传感器等。
•免疫传感器：通过生物体内抗原和抗体的结合反应来检测特定物质，常用于检测病原体、荷尔蒙等。
•DNA传感器：基于DNA分子结构的特异性识别原理，用于检测DNA序列、病毒等。
•细胞传感器：利用细胞与外部环境的相互作用来监测环境中的毒素、微生物等。
生物传感器的应用生物传感器在医学、环境监测、食品安全等领域有着广泛的应用，主要表现在以下方面：•医学领域：生物传感器可用于检测药物浓度、疾病标志物、生理参数等，有望提高医学诊断和治疗的准确性和效率。
•环境监测：生物传感器可以检测环境中的污染物、重金属等有害物质，为环境保护和监测提供技术支持。
•食品安全：生物传感器可用于检测食品中的有害物质、微生物等，保障食品安全，减少食品中毒事件发生。
生物传感器的发展趋势随着生物技术和纳米技术的不断发展，生物传感器的灵敏度、稳定性和便携性不断提升，未来生物传感器的发展趋势主要包括以下几个方面：•多功能一体化：未来生物传感器将趋向于多功能一体化，同时具备多种检测功能，提高传感器的综合性能。
•微型化和便携化：生物传感器将逐渐向微型化、便携化发展，方便快速实时检测需要。
•智能化：结合人工智能和大数据分析，生物传感器将具备智能化的特性，提高信号处理和数据分析的效率和准确性。
结语生物传感器作为一种具有生物体识别功能的重要器件，对医学、环境监测、食品安全等方面具有重要的应用意义。
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• 电流信号测量方法
• 控制电极的电位从而
有选择性的使溶液中
某些成分发生氧化还
原反应，电路中通过
函 数
电流时电极发生极化 发
现象，转化为电位测
生 器
量。
• 采用三电极测量体系
电流法测量O2,H2O2等 电活性物质浓度
测定溶液 辅助电极
记录仪
恒电位仪
工 作 电 极
参比电极
电化学信号转换器的特点与应用
• 具有一定互补序列的核苷酸单链在液相或 固相中按照碱基互补配对原则合成异质双 链的过程叫做核酸分子杂交。
• 利用这一原理，人们 制作了可用于检测基因
的DNA（或RNA）探针， 进行基因诊断
4.2 光学光纤-DNA传感器
DNA探针标 记物生化反应
光纤探头检测 特征光学信号
由光检测器 进行光电转换
• 生物工程产业中用生物传感器监测生物反应器内各 种物理、化学、生物的参数变化以便加以控制；
• 由于时间限制，下面仅以生物酶为例做简单介绍
酶作为敏感元件
固
测
定
定
化
物
酶
质
膜
产物： O2 H2O2 NH3 CO2
H+
Pt阴电极 Pt阳电极
H+敏感膜
电流、电位信 号测定
热、光
热敏材料、光纤测定 光热信号
第三节 信号转换器
这里以电化学信号转换器为例，进行简单介绍
• 原理：化学反应与电荷变化密切相关，将待测物质以适当 形式置于点化学反应池，测量其电化学性质（如电位、电 流、电容等）变化可实现物质含量的测定。
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第四节 生物传感器
• 生物传感器的分类： • （1）按照生物敏感元件划分 • （2）按照信号转换器类型划分 • 很多时候两种划分的方法都是交叉使用，
以下就以光学光纤-DNA传感器为例做一个 简单介绍
4.1 基因（DNA）
• DNA双螺旋结构的发现，使人们从分子水 平上了解生物奥秘成为现实。
敏感膜（DNA探 针）固定在光纤
头
光纤
其他光学型DNA传感器
• 1）近红外荧光型 • 2）化学发光型 • 3）拉曼光谱型（涉及化学分析的知识） • 4）共振镜型
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两种光学型DNA传感器的比较
• 以一个表格，进行粗略比较
性能 响应时间
灵敏度（检 稳定性（使 测下限） 用期限）
第一节 概述
• 传感器是一种信息获取与处理的装置，受启发于生物 体的感觉系统，是人类感官功能的延伸。
• 生物传感器是一种特殊的传感器，它是以生物活性单 元（如酶、抗体、核酸、细胞等）作为生物敏感元件， 对被测物具有高度选择性的检测器。
• 到目前为止，生物传感器大致经历三个发展阶段：第 一代生物传感器是有固定了生物成分的非活性基质膜 （透析膜或反应膜）和电化学电极所组成；第二代生 物传感器是将生物成分直接吸附或共价结合到转换器 的表面，无需非活性基质膜，测定时不必加入其他试 剂；第三代生物传感器是把生物成分直接固定在电子 元件上，他们可以直接感知和放大界面物质的变化， 从而把生物识别和信号的转换处理结合在一起。
消失波型 一般在
1.1nmol/L 可以重复使
1~10min以内
用数百次
光反射型 大约需要 40~50min
30fmol/L
贮存一年后 光纤仍可使 用
4.3 传感器的应用
&医疗、医药、生物工程、环境保护、食品、 农业、畜牧等与生命科学感器来检测体液中的 各种化学成分，为医生的诊断提供依据；
• 电位信号测量方法
• 对一个选择性膜电极， 外界条件确定时，膜 电位与溶液中待测离 子浓度呈线性关系。
• 将待测电极与参比电 极组成一个电池，测 量其电位差
• 常用的有标准氢电极、 甘汞电极、银-氯化银 电极（如图）
电极引线
饱和KCl溶 液
Ag-AgCl 丝
电位法经常用来 测量H+、NH3、CO2的
分析信号测定 杂交分子的量
光纤DNA传感器的构建与检测过程： 1）体膜与DNA探针的固定、活化 2）光线表面功能化，即通过化学反应在其表
面连接敏感膜材料
3）杂交与检测 4）敏感膜再生，通过化学试剂或升温使已杂
交的DNA分子解旋，恢复单链，重新使用
4.2.1 消失波型光纤DNA传感器
• 消失波：当一束光线以适当角度进入光纤 时，它会以全反射方式在光纤中传播，产 生一种横贯光纤的波，，通过光纤与其他 介质的交接处传出光纤，这种波随传播距 离快速衰减，称之为消失波。
第二节 生物敏感材料
• 生物传感器由生物敏感元件和信号转换器两个主 要部分组成，其中，传感器的选择性主要取决于 生物敏感材料，而灵敏度与信号转换器、生物材 料的固定化技术有很大关系。
• 按特性分类，可分为磁敏、电敏、热敏、光敏和 压电材料
• 具体说来，有生物酶、细胞（器）、生物组织、 基因、光纤等
• 电化学测量技术是一种成熟的技术，具有 性能稳定、适用范围广、易微型化特点， 已在酶传感器、微生物传感器、免疫传感 器、DNA传感器中得到应用。也广泛应用 于细胞膜功能与结构、脑神经系统等研究 领域。
• 其制作加工技术在此不做叙述
其它类型信号转换器
1) 离子敏场效应晶体管型信号转换器（FET） 2) 热敏电阻型信号转换器 3) 压电晶体型信号转换器 4) 光纤光学型信号转换器 5) 表面等离子体共振型信号转换器（SPR）
• 利用这种性质，在光纤表面加上敏感膜 （ssDNA探针），当消失波穿过膜时，会 产生光信号，或者导致光线强度、相位、 频率的改变，测量其变化，即可获得信息
消失波型光纤DNA传感器示意图
待测荧光 （激光）
敏感膜
消失波 消失波
信号分析仪 计算机处理
4.2.2 光反射型光纤DNA传感器
• 与消失波型不同，光反射型传感器是将 DNA探针直接固定于光纤头，随后将其置 于杂交液中进行杂交，完毕后注入溴化乙 锭（EB）染色，再用Ar+激光器照射，激发 产生荧光进行分析。
• 几个电化学概念
• （1）固体电极的相间电位：金属电极与电解质溶 液间形成的电位
• （2）液体接界电位：存在浓差梯度的两种溶液， 同时扩散的离子其淌度不同在其界面形成的电位
• （3）膜电极电位：离子选择性膜与两侧溶液接触， 膜相中离子与溶液中的离子交换，在两个界面形 成两个液体接界电位
基本电化学信号测量