重庆大学《生物医学传感器原理与应用》第三章--敏感元件
生物传感器的原理及其应用
生物传感器的原理及其应用1. 引言生物传感器是一种能够检测和测量生物体中特定化学或生物活性物质的装置。
它通过与生物体内的靶分子相互作用，产生电信号或光信号来测量目标分子的浓度或活性。
生物传感器的原理基于生物分子的高度选择性和灵敏性，使其成为医学诊断、食品安全、环境监测等领域中不可或缺的技术。
2. 生物传感器的原理生物传感器的工作原理主要基于两个关键部分：生物分子识别元件和信号转换元件。
2.1 生物分子识别元件生物分子识别元件是生物传感器的核心部分，它能够与目标生物分子特异性地相互作用。
常见的生物分子识别元件包括抗体、酶、核酸、受体等，其选择主要根据目标分子的性质和应用需求。
2.2 信号转换元件信号转换元件将生物分子的相互作用转化为可测量的信号，一般分为电化学传感器和光学传感器两种类型。
•电化学传感器：利用电化学反应产生的电流或电势变化来测量目标分子的浓度或活性。
常用的电化学传感器包括离子选择电极、电导传感器、电化学发光传感器等。
•光学传感器：利用生物分子与光信号的相互作用产生的吸收、散射、荧光等变化来测量目标分子的浓度或活性。
常见的光学传感器包括表面等离子体共振传感器、荧光传感器等。
3. 生物传感器的应用3.1 医学诊断生物传感器在医学诊断中发挥着重要作用。
例如，血糖监测仪利用葡萄糖酶作为生物分子识别元件，通过测量血液中的葡萄糖浓度来监测糖尿病患者的血糖水平。
此外，生物传感器还可以用于检测肿瘤标志物、感染性病原体等，为医生提供重要的诊断依据。
3.2 食品安全检测生物传感器在食品安全领域中广泛应用。
酶传感器可用于检测食品中的残留农药，抗体传感器可用于检测食品中的致病菌和毒素。
这些传感器可以快速、准确地检测食品的安全性，帮助保障公众的健康。
3.3 环境监测生物传感器可用于环境监测，例如检测水中的重金属离子、土壤中的农药残留等。
光学传感器和电化学传感器都可以用于此类应用，通过监测环境中的污染物，保护生态环境和人类健康。
生物传感器的原理与应用
生物传感器的原理与应用生物传感器是一种能够依靠生物分子与物理信号进行相互作用，实现生物信息转化和检测的装置。
它借鉴了生物学，化学和电子学的理论和技术，广泛应用于医疗、环境、食品安全等领域。
本文将介绍生物传感器的原理和一些常见的应用。
一、生物传感器的原理生物传感器通常由三个组成部分构成：生物识别元件、信号转换元件和信号处理元件。
1. 生物识别元件：生物传感器通过生物识别元件与待测物相互作用，实现检测和分析。
生物识别元件通常是具有特定选择性的生物分子，如酶、抗体、核酸等。
通过与待测物相互作用，生物识别元件可以产生特异性的信号响应。
2. 信号转换元件：信号转换元件将生物识别元件产生的生物分子信号转化为物理或化学信号。
常见的信号转换元件包括光电二极管、电化学电极和晶体振荡器等。
不同的生物传感器采用不同的信号转换元件来实现信号的转换和放大。
3. 信号处理元件：信号处理元件将信号转换元件转换得到的物理或化学信号进行放大、滤波和解码等处理。
信号处理元件通常由微处理器或电子电路组成，能够对信号进行实时监测和分析，并输出相应的结果。
二、生物传感器的应用生物传感器在医疗、环境监测和食品安全等领域有广泛的应用。
1. 医疗领域：生物传感器在医疗诊断中起到了重要的作用。
例如，血糖传感器可以测量血液中的葡萄糖浓度，用于糖尿病患者的自我监测。
基因传感器可以检测DNA序列，用于遗传疾病的早期筛查。
此外，生物传感器还可以用于药物筛选和监测药物浓度等方面。
2. 环境监测：生物传感器被广泛应用于环境监测，尤其是水质和空气质量监测。
水质传感器可以检测水中的氨氮、重金属等物质，用于水质评估和污染监测。
生物传感器还可以用于检测空气中的有害气体和微生物，提供实时的环境监测数据。
3. 食品安全：生物传感器在食品安全领域也有重要的应用。
例如，食品中的农药残留可以通过生物传感器进行快速检测。
利用生物传感器还可以检测食品中的重金属和微生物等有害物质，确保食品的安全性。
生物医学传感器电阻
在膜片的中心 （x = 0 )，径向应变和切向应变都
达到了最大值， εrmax=εtmax 即
3P 2 2 r 2 (1 )R 8h y
55
3P 3P 2 2 2 r 2 (1 )(R 3x ); 2 (1 2 )(R 2 x 2 ) 8h y 8h y
εr 为径向应变曲线，是在膜片的平面内沿半径方向 的应变； ετ为切向应变曲线，是在膜片的平面内以中心点为 圆心的同心圆的切线方向的应变。
53
膜片式压力传感器中，应变片贴在膜片内壁，在压 力P 作用下，膜片上任一点产生径向应变εr 和切向应 变ετ ，表达式分别为
3P r 2 (1 2 )(R 2 3x 2 ) 8h y 3P 2 (1 2 )(R 2 x 2 ) 8h y
金属丝式
金属型
金属箔式
半导体型
工作原理：电阻应变效应
电阻应变效应 导体或半导体材料在外力作用下发生
形变时，其电阻值也相应发生变化的物理
现象叫电阻应变效应。
（应变效应、压阻效应）
金属电阻应变效应
1.1 金属电阻应变片
基本组成结构
结构类型
丝式应变片
短接式
箔式应变片
箔式
常 见 应 变 片 形 式
式中：P — 单位面积上的压力 ; μ— 膜片材料的泊松系数 y — 膜片材料的杨氏模量; h — 膜片的厚度 R — 膜片的半径 ; x — 膜片中心到应变计算点的距离。
54
（3-11）
3P r 2 (1 2 )(R 2 3x 2 ) 8h y 3P 2 (1 2 )(R 2 x 2 ) 8h y
电阻应变片
重庆邮电大学811生物医学传感器原理及应用专业课考研真题(2020年)
重庆邮电大学2020年攻读硕士学位研究生入学考试试题
机密 启用前
重庆邮电大学
2020年攻读硕士学位研究生入学考试试题科目名称：生物医学传感器原理及应用(A卷)
科目代码：811
考生注意事项
1、答题前，考生必须在答题纸指定位置上填写考生姓名、
报考单位和考生编号。
2、所有答案必须写在答题纸上，写在其他地方无效
3、填（书）写必须使用黑色字迹钢笔、圆珠笔或签字笔。
4、考试结束，将答题纸和试题一并装入试卷袋中交回。
5、本试题满分150分，考试时间3小时。
注：所有答案必须写在答题纸上，试卷上作答无效！第1页/共4 页。
生物传感器的原理及应用
生物传感器的原理及应用1. 简介生物传感器是一种能够检测生物体内的生物化学或生物物理过程并将其转化为可量化的电信号的装置。
它已被广泛应用于医疗诊断、环境监测、食品安全等领域。
本文将介绍生物传感器的原理及其在不同应用领域中的具体应用。
2. 生物传感器的原理生物传感器的原理基于生物与物理或化学过程之间的相互作用。
主要包括以下几个方面：2.1 生物识别层生物传感器的生物识别层是用来与目标生物分子或细胞发生特异性相互作用的层。
常用的生物识别层包括抗体、酶、细胞等。
通过选择合适的生物识别层，可以实现对具体生物体的高灵敏度和高选择性检测。
2.2 信号转换元件信号转换元件用于将生物识别层与电子设备之间的信号转化。
常用的信号转换元件包括发光二极管（LED）、光电二极管（PD）、场效应晶体管（FET）等。
信号转换元件将生物与物理或化学信号转化为电信号，以便进行后续的信号处理和分析。
2.3 检测电路检测电路用于测量和放大信号转换元件输出的电信号。
根据不同的传感原理，检测电路可以选择合适的放大电路、滤波电路和增益控制电路等，以实现对信号的准确检测和分析。
3. 生物传感器的应用3.1 医疗诊断生物传感器在医疗诊断中具有广泛的应用。
例如，通过检测血液中的生物标志物，可以实现早期癌症的检测和诊断；通过监测血糖、血压等生理参数，可以实现糖尿病和高血压的监测和管理。
3.2 环境监测生物传感器可以用于环境监测，例如监测空气中的有害气体、水中的重金属离子等。
通过检测和分析这些有害物质的浓度，可以实现环境污染的早期预警和监测。
3.3 食品安全生物传感器在食品安全领域中也有重要应用。
通过检测食品中的有害物质、农药残留或细菌污染等，可以保障食品的安全性。
同时，生物传感器还可以用于检测食品中的营养成分，以指导人们的膳食搭配。
4. 生物传感器的发展趋势随着科技的不断发展，生物传感器的性能和应用范围也在不断提升。
未来，生物传感器的发展趋势主要包括以下几个方面：4.1 小型化和便携化生物传感器的小型化和便携化是未来的发展方向。
生物医学传感器原理与应用
生物医学传感器原理与应用
生物医学传感器原理与应用
一、定义
生物医学传感器是指以生物、化学或物理反应为基础，利用传感器原理和检测技术测量生物医学信号（如生物电、血液成分等）的设备。
二、传感原理
储存在生物体内的信息包括激活的物质和信号物质，以及具有不同电子极性的物质。
这些物质在外部因素的作用下，会形成电子信号，从而被传感器检测。
1、光电检测
光电检测可以通过分析光信号来检测生物医学信号，其原理是通过精密的光学技术观测生物体内反射回来的光谱信号，根据其特定频谱来推断出检测物的浓度，从而反应相应信号物的化学变化情况，可用于检测血液中的蛋白质含量、血糖浓度等生物医学信号。
2、电化学检测
电化学检测是一种以电解质反应为基础的检测方法，通过电解剂对电解质反应产生的电流和电压变化来表征物质浓度的变化，从而进行检测。
电化学检测可用于检测血液中的钠、钙和氯离子、血氧分压、血清谷丙转氨酶等生物医学信号。
三、应用
1、临床医学
生物医学传感器的应用非常广泛，如血氧仪、血液分析仪、脑电图仪、心电图仪等都是利用生物医学传感器原理和技术的应用，可用于检测心肺功能、血氧分压、血液成分等，对临床医学大有帮助。
2、环境监测
生物医学传感器也可用于环境监测，如可以用来检测大气污染物的浓度，检测地下水污染等，为环境保护和环境污染防治提供有力的支持。
四、总结
生物医学传感器是一种利用传感器原理来检测生物医学信号的设备，包括光电检测、电化学检测等原理，具有广泛的应用，如用于临床医学、环境监测等领域，为人类的医疗和环境保护提供了有力的支持。
生物传感器
2 环境监测
大气环境监测：二氧化硫是酸雨酸雾形 成的主要原因,传统的检测方法很复杂， 将亚细胞类脂类固定在醋酸纤维膜上,和 氧电极制成安培型生物传感器,可对酸雨 酸雾样品溶液进行检测，
硫化物的测定
硫化物的测定是用从硫铁矿附近酸性土 壤中分离筛选得到的专性、自养、好氧 性氧化硫硫杆菌制成的微生物传感器， 在pH=2.5、31℃时一周测量200余次,活 性保持不变,两周后活性降低20%，传感 器寿命为7天,其设备简单,成本低,操作 方便，
不同酶传感器检测物质机理是不同的，有些酶对物质具有催化转 化能力 如酪氨酸酶对酚类 ,有些物质对酶活性有特异性抑制作 用 如有机磷酸酯类对乙酰胆碱酯酶 或作为调节、辅助因子对酶 活性进行修饰 如Mn Ⅱ 对辣根过氧化酶 ，检测酶反应所产生的 信号,可以间接测定物质的含量，
由于单酶传感器只能测定数目有限的环境污染物,可以在一个生 物传感器上偶联几种酶促反应来增加可测分析物的数目，多酶传 感器的例子之一就是糖原磷酸化酶与一个碱性磷酸酶／变旋酶／ 葡萄糖氧化酶相结合以测定无机磷酸盐，结合多种酶之后,分析 物的数目就可以增加,如共固定酪氨酸酶和漆酶之后就能检测多 种酚类化合物，
将化学变化转变成电信号
以酶传感器为例,酶催化特定底物发生反应, 从而使特定生成物的量有所增减，用能 把这类物质的量的改变转换为电信号的 装置和固定化酶耦合,即组成酶传感器， 常用转换装置有氧电极、过氧化氢电极，
将热变化转换成电信号
固定化的生物材料与相应的被测物作用 时常伴有热的变化，例如大多数酶反应 的热焓变化量在25-100kJ/mol的范围， 这类生物传感器的工作原理是把反应的 热效应借热敏电阻转换为阻值的变化,后 者通过有放大器的电桥输入到记录仪中，
常用载体： ①丙烯酰胺聚合物、甲基丙烯系聚合物等合成高分子 ②胶原、右旋糖酐、纤维素、淀粉等天然高分子 ③陶瓷、不锈钢、玻璃等无机物
生物医学工程专业优质课生物传感器技术与应用
生物医学工程专业优质课生物传感器技术与应用生物医学工程专业优质课: 生物传感器技术与应用生物传感器技术是生物医学工程领域的重要组成部分，它利用生物分子与传感器之间的相互作用来检测、分析和监测生物体内的生物信息。
生物传感器技术的研究与应用为临床诊断、药物研发、生命科学研究等领域提供了强有力的支持。
本文将对生物传感器技术的原理、分类和应用进行探讨，旨在为生物医学工程专业的学生提供一些有益的参考和指导。
一、生物传感器技术的原理生物传感器是一种将生物反应与传感器相结合的装置，其工作原理基于生物分子与传感器之间的特定相互作用。
常用的生物传感器技术包括光学传感器、电化学传感器、生物阻抗传感器等。
以光学传感器为例，其工作原理是利用生物分子与特定的荧光探针结合后，探针的荧光性质发生改变，从而实现对生物分子的定量检测。
电化学传感器则是通过测量生物反应产生的电信号来获取与生物分子浓度相关的信息。
二、生物传感器技术的分类根据生物传感器的检测目标和工作原理，可以将其分为多种类型，如化学传感器、生物传感器、光学传感器等。
其中，化学传感器主要用于检测化学物质的浓度或组成，生物传感器用于检测生物分子（如蛋白质、DNA等）的存在和含量，而光学传感器则利用光学信号来检测生物样品的变化。
此外，还有温度传感器、压力传感器等根据测量参数进行分类。
三、生物传感器技术的应用1. 临床诊断应用：生物传感器技术在临床诊断中具有广泛的应用前景。
例如，利用生物传感器对体液中特定蛋白质和代谢产物进行检测，可以为早期肿瘤、心血管疾病等提供辅助诊断手段。
此外，生物传感器还可以用于检测药物浓度、蛋白质相互作用等，为药物研发和剂量控制提供支持。
2. 环境监测应用：生物传感器技术在环境监测领域也发挥着重要作用。
通过检测环境中的污染物浓度和种类，可以实现对水质、空气质量等重要参数的监测和预警。
生物传感器技术的灵敏度高、选择性好，使其成为环境监测的理想工具。
3. 生命科学研究应用：生物传感器技术在生命科学研究中具有广泛应用。
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第三章 敏感元件
作用：把物理量转换为电量，是传感器中的主要元件。
必备两个基本功能：
①敏感被测量（物理量、化学量）②对应产生输出量（电量）。
§3-1 变换力和压力的弹性敏感元件
一、弹性敏感元件的作用
非电量—→弹性元件—→应变量—→换能元件—→电量 弹性元件两种类型：
①弹性敏感元件：感受力、压力、力矩等－→变换为元件本身的应变、位移等； ②弹性支承：起支承导向作用，不作为测量敏感元件。
二、弹性特性：
作用在弹性元件上的外力与其相应变形间的关系。
1．刚度：弹性元件受外力作用下变形大小的量度。
dx dF
k =
F —作用外力 x —变形
弹性特性曲线上某点切线水平线夹角的正切为该点处的刚度。
dx dF tg k =
=θ
2．灵敏度：单位力产生变形的大小，是刚度的倒数。
dF dx K =
并联时，系统的灵敏度：∑==
n
i i K K 111
灵敏度低，刚度大
串联时，系统的灵敏度：
1
n i
i K K ==∑ 灵敏度高，刚度小 三、弹性滞后和弹性后效
1．弹性滞后——弹性特性曲线的加载曲线与去载曲线不重合现象。
滞后误差：弹性变形之差，直接产生测量误差。
2．弹性后效——当载荷改变后，在一定时间间隔逐渐完成变形的现象。
使弹性敏感元件的变形始终不能迅速跟随作用力的改变而改变，造成测量误差，尤其在动态测量中影响较大。
4．固有振动频率：——由振动质量和材料刚度综合表征的弹性元件特征。
决定弹性元件的动态特性和变换被测参数的滞后作用，希望0f （或0ω）高。
因
e
m k =
0ω
e
m k f π
210=
， k — 弹簧刚度，m e — 等效振动质量
所以 提高灵敏度K ，会使线性变差，固有振动频率
0ω、0f ↓。
k K 1=
Θ
提高0ω、0f
↑，灵敏度K 会降低，需综合考虑。
5．固有频率f 0与弹性元件的变形dx 以及材料性能的关系
ρ⋅⋅=l S m ， S —截面积，l —长度，ρ—密度
弹性元件相对变形：E l dx σδ== ，式中 E —弹性摸数，σ—应力，∴dx
l E ⋅=σ
()
2
02
1
1
1/1
1
222221122S
E
dx dx k dF dx dx dx l f m Sl Sl l l dx E E dx σσσσπ
πρπρπ
ρπ
ρ
σσπ
πρ
ρ⋅⋅======
=
最后可得：
ρπσ
⋅=
⋅E dx f 20
可知弹性元件dx
f ⋅0的乘积对于特定材料是有一个极限值的，σ达到许用应力时， dx 大，f 0就只能小，反之亦然。
6．弹性敏感元件的形式及其应用范围。
力、压力——→弹性敏感元件——→
输入
输出 应变—各种应变传感器
位移—电感式、电容式、电阻式等传感器
（1）力变换弹性元件：
轴状元件：优点：工艺性好；
缺点：位移量小，灵敏度受限，
l E l
f 29.00=
空心圆筒：优点：灵敏度高。
圆环：
优点：灵敏度高，输出位移大，测量力小；缺点：工艺性差，应力不等，尺寸小。
悬臂梁：优点：灵敏度高，输出位移大，
l E l h f 2
0162.0=
，
变截面梁：
l E l h f x
20316.0=
（2）压力变换弹性元件
弹簧管：高压测量； 薄壁圆筒：均匀应力，热惯
性小。
（3）力或应力变换弹性元件：
平面膜片：适于大量程
l E r h f 2
0492.0=
波纹膜片：适于小量程，灵敏度高。
波纹管： 灵敏度最高（相当于串联系统）
§3-2 常用敏感元
敏感元件
转换输出变量
工作原理
压磁效应：
①材料受压力时，作用力方向磁导率μ减小，作用力垂直方向，μ略有增大。
受拉力时，效果相反；②作用力取消后，磁导率复原。
压电效应：
某些电介后物质在一定方向上受外力作用，内部产生极化现象，表面产生电荷，外力去掉重回到不带电状态。
机械能—→电能。
热电效应（塞见克效应）：
两种不同导体组成闭合回路，如两接点温度不同，回路中会产生电动势，有电流流过。
光电导效应：
光照射到大多数高电阻率半导体材料，电子吸收光能过渡到自由状态，引起该材料电阻率下降而易于导电的现象。
如光敏电阻。
光生伏特效应：
在光照射下，结面产生光生电动势。
光电池、光电二极管、光电三极管。
§3-3传感器敏感材料
一．半导体敏感材料
半导体材料按化学组成可分为元素半导体、化合物半导体、有机半导体等。
半导体内载流子浓度可在很宽范围内变化。
根据这种变化能控制其电阻阻值，这是半导体的最大特征。
外部对半导体的作用能改变半导体内电子的运动状态和数目，故外部作用的
大小可转换成电信号。
半导体的这种电子特征，就是半导体敏感元件的特征基础。
1．元素半导体
（1）．单晶硅
目前的固态传感器大部分是用单晶硅材料制造，因为单晶硅具有优良的机械、物理特性，材质纯，内耗低，功耗小。
单晶硅的机械品质因数很高，滞后和蠕变极小，几乎为零，机械稳定性好。
单晶硅又是半导体材料，具有优良的电学性质．其压阻效应取决于晶向。
单晶硅的应变灵敏系数比金属的高1—2个数量级。
单晶硅传感器的制造工艺与硅集成电路工艺有很好的兼容性。
硅传感器与调理电路单片集成可实现微型化、低功耗，并有利于提高传感器的一致性、可靠性和快响应。
（2）．多晶硅
多晶硅是许多单晶（晶粒）的聚合物，这些晶粒的排列是无序的。
不同晶粒有不同的单晶取向，而每一晶粒内都具有单晶的特征。
晶粒大小对压阻效应也有一定形响，晶粒越大，压阻效应越大，即应变灵敏系数越大（单晶情况下为最大）。
多晶硅压阻膜与单晶硅压阻膜相比，其优点是可在不同衬底材料上制作。
如金属材料衬底，而制备过程与常规半导体工艺相容，且无PN结隔离问题，因而有良好的温度稳定性。
多晶硅压阻膜的应变灵敏系数虽比单晶硅膜低．但仍比金属高一个数量级。
用多晶硅压阻膜可有效抑制传感器的温漂，是制造低温漂传感器的好材料。
2．化合物半导体
大多数化合物半导体具有类似于单元素半导体的结构特点和电特性．其优点是具有较宽的禁带范围和迁移率。
CaAs（砷化镓）、InP(磷化铟）、GaP（磷化镓）应用很广，是微波、光电器件的主要材料；InSb、InAs的禁带窄，电子迁移率高，主要用于制造红外器件及霍耳器件。
利用金属氧化物的半导体性质可作为温度、湿度或气体敏感元件材料。
3．非晶半导体
非晶半导体有容易薄膜化、对可见光的光吸收系数大、禁带宽区可控制的特点，可作为光敏元件材料。
同时，由于淀积温应低，可使用多种材料作衬底，并可大面积淀积，适用于制造薄膜式传感器，用以感受压力分布和识别形状。
具有种种特异现象（光诱导晶化和结构变化、光掺杂、开关、存储），已开发应用于开关器件、大阳能电池及光电导器件。
4．硅蓝宝石
硅蓝宝石材料是在蓝宝石衬底上应用外延生长技术形成的硅薄膜。
由于衬底是绝缘体，可以实现元件间的分离，且寄生电容小，可工作在较高的温度下（300℃）。
蓝宝石的机械
强度是体形硅的2倍多，蠕变极小，优于单晶，且耐辐射，耐腐蚀，化学稳定性好。
二．石英敏感材料
1．石英晶体
石英晶体为各向异性材料，不同晶向具有各异的物理特性。
石英晶体又具有压电特性，即其弹性和电学性质为相互耦合。
其压电矩阵仅有而个独立的压电系数d11、d14。
石英晶体又是绝缘体，在其表面淀积金属电极引线，不会产生漏电现象。
石英晶体和单晶硅一样，具有优良的机械物理性质，材质纯、内耗低、功耗小。
三．功能陶瓷材料
1．压电陶瓷材料
压电体的压电效应与其极化强度的变化有关。
并非在任何力（或电场）作用下在任何方向都能产生压电效应，而只是在某些方向的力（或电场）作用下，沿某些特定方向才产生压电效应。
2．热释电陶瓷材料
热释电材料包括单晶体、陶瓷材料、有机高分子材料及薄膜材料，其主要特点是随温度的变化会引起晶体自发极化的变化而在晶体的一定方向上产生表面电荷。
也就是说，热释电效应是由于晶体中存在着自发极化所引起的。
利用热释电材料构成的敏感元件，它能以物体辐射的红外线作为热源，从而进行非接触检测。
这种红外线热敏元件的特点：
（l）能非接触、高灵敏度、宽范围（－80℃一1500℃）检测温度；
（2）对波长依赖性小，能检测任意红外线；
（3）能在常温工作；
（4）快速响应。
3．半导体陶瓷材料
半导体陶瓷是指具有半导体特性的陶瓷材料，绝大多数都是由各种氧化物组成的。
（1）热敏半导体陶瓷材料
（2）气敏半导体陶瓷材料
（3）湿敏半导体陶瓷材料
（4）压敏半导体陶瓷材料
（5）多功能敏感陶瓷。