生物医学传感传感器基本知识
生物医学传感-纳米生物传感器
纳米生物传感器的应用领域
纳米技术开始应用于生物传感器领域，出现了一些基于纳米材料的生物传感器。
1990年代
2000年代
2010年代至今
随着纳米技术的不断发展，纳米生物传感器在灵敏度和特异性方面取得了显著提升。
纳米生物传感器在医学诊断、环境监测等领域得到了广泛应用，成为生物医学传感领域的重要分支。
03
代谢性疾病诊断
在疾病诊断中的应用
药物代谢研究
纳米生物传感器可以用于研究药物在体内的代谢过程，有助于了解药物的作用机制和副作用。
个体化用药
纳米生物传感器可以监测患者的药物浓度和反应，为个体化用药提供依据，提高治疗效果并降低副作用。
药物筛选
纳米生物传感器可用于高通量药物筛选，快速筛选出具有潜在疗效的药物候选物。
02
01
纳米生物传感器的发展历程
02
纳米生物传感器的原理与技术
纳米生物传感器利用纳米材料和生物分子的特性，通过与目标物质发生相互作用，产生可被检测的信号变化，实现对生物分子和环境参数的快速、灵敏和准确的检测。
纳米生物传感器的工作原理通常包括分子识别、信号转换和信号输出三个步骤。分子识别是利用生物分子（如抗体、酶、核酸等）与目标物质之间的特异性相互作用，实现目标物质的捕获和富集。信号转换是将生物分子与目标物质相互作用产生的变化转换为可检测的电信号或光信号。信号输出则是将转换后的信号进行进一步处理和显示，得到最终的检测结果。
微型化
纳米材料种类繁多，可以针对不同的生物分子和疾病标志物进行设计和优化，实现多样化的生物检测。
多样性
优势
稳定性问题
生物兼容性
批量生产
临床应用
挑战
01
02
生物医学传感器通用课件
稳定性与可靠性
生物医学传感器需要长时间稳定 运行，同时需要确保数据的可靠 性，以满足临床和科研的需求。
生物相容性与安全
性
生物医学传感器需要与人体相容， 同时不能对人体产生任何不良影 响，因此对传感器的材料和制作 工艺提出了更高的要求。
交叉学科融合与创新
01
生物学与医学的融 合
生物医学传感器需要结合生物学 和医学的知识，以更好地应用于 人体检测和诊断。
工作原理与特性
总结词
生物医学传感器的工作原理基于各种物理、化学效应 和生物学反应，将生物分子间的相互作用转化为可测 量的电信号。其特性包括选择性、灵敏度、线性范围 和稳定性等。
详细描述
生物医学传感器的工作原理基于各种物理、化学效应 和生物学反应，如电化学反应、光吸收、热效应、压 差等，将生物分子间的相互作用转化为可测量的电信 号。其选择性是指传感器对目标分子的识别能力，灵 敏度是指传感器对目标分子的响应程度，线性范围是 指传感器响应与目标分子浓度之间的线性关系范围， 稳定性则是指传感器在使用过程中性能的保持能力。
VS
详细描述
生物化学传感器通过检测生物体内的化学 物质来获取生理参数，如血糖、尿酸等。 这些传感器通常具有快速响应、高精度和 低成本等特点，广泛应用于临床检验和家 庭自测。
生物力学传感器
总结词
生物力学传感器是用于测量生物体运动和形变的传感器，如 压力、应变等。
详细描述
生物力学传感器通过测量生物体的运动和形变来获取生理参 数，如血压、呼吸等。这些传感器通常具有高精度、高稳定 性和低成本等特点，广泛应用于医疗诊断和康复治疗。
详细描述
这类传感器通常由识别元件（抗体或抗原）和转换元件 （如电化学或光学转换器）组成。通过识别元件与目标 分子的特异性结合，引发转换器产生可测信号，实现对 生物分子的定量检测。基于免疫识别的生物化学传感器 在生物毒素、病毒、蛋白质等检测中具有广泛的应用。
生物医学传感器原理及应用
无论是计算机软、硬件，还是网络、通讯技术发展日新月异， 传感器技术却大为滞后，日益成为信息技术发展的瓶颈。究其原 因，一是传感器的应用不尽如意，更重要的是传感器自身的发展 滞后。这是由传感器本身特点所决定的。
b.人体内产生应急反应，从而改变被测部位的状态，影响 被测量的真实性。
因而通常采用非接触测量
第15页，本讲稿共19页
非接触测量：传感器不与被测介质直接接触。
非接触测量特点：不会破坏被测介质的状态，但易受环境
的影响，信号中干扰成份多，需进行信号处理以去除干扰。 2、为能检测生物体局部信息，又使对生物体的侵扰减小到足
够低的程度，发展了体内（植入式、部份插入式）传感器，这 相应需考虑体积、能量信号传输方式、材料的生物相容性、安 全性等。 3、生物信号特点是微弱、低频、背景噪声大，要求传感器有较 强的抗干扰能力。
4、应充分考虑生物体的特性
5、需适应多和环境和使用对象。
第16页，本讲稿共19页
二、生物医学传感器的应用
传感器的输入（被测物理量）通常是非电量，故传感器测量 又称为非电量检测。当然被测物理量也可以是电量，如电量传感 器（强电流、电压频率、相位、功率的测量）。
第7页，本讲稿共19页
三、传感器的应用
传感器是现代信息社会的基础，可以说是无处不在。 日常生活：冰箱、洗衣机、空调、电子血压计…… 工业生产：压力、成份、力、温度、流量、位移……
通常希望成简单的线性关系，即：Y=kX。大多数遵从这 一线性关系。但也有例外，如倾角的测量。
生物医学传感器
In vivo
可靠(Reliable) 安全(safe)
4 生物医学传感器的应用
美国霍尼韦尔国际公司
深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司 /
作业
1简述在哪些仪器设备上你所看到传感器的应用， 是何种传感器？ 2简述人造传感器和人自身传感器的异同点 ？物理、电、化学
北京滨松光子技术股份有限公司 /
3 生物医学传感器的性能指标
In vitro:
准确(accuracy) 精密(precision) 范围(range) 响应时间(response time) 漂移(drift)
2 生物医学传感器的种类
1 从测量对象
如温度、压力、流量、光等
2 从是否和人体接触
体内(in vivo)监测: 侵入式(Invasive) 非侵入式(Noninvasive) 监测参数：心电、呼吸、无创血压、双体温、血氧 饱和度、 脉搏、双有创压、心输出量 体外(In vitro)诊断 如电解质、生化、免疫
生物医学传感器 (Biomedical Sensors)
深圳大学医学院生物医学工程系 张会生
生物医学传感器
1 生物医学传感器的定义 2 生物医学传感器的种类 3 生物医学传感器的性能指标 4 生物医学传感器的应用
1 生物医学传感器的定义
传感器？ 人的眼睛、耳、鼻
生物医学传感器： 用于将人体内的一些特征参数转换成可测量的 信号（如电阻、电压、电流等）的一类元件。
第2章 生物医学传感器基础课件
• E 0 是金属浸在含有该金属离子有效浓度 为lmol/L的溶液中达到平衡时的电极电位, 称为这种金属的标准电极电位（表3.2 ）
• 可看出 E 0 值远远大于所有生物电位信号 的大小。
• E 0 与金属以离子形态转入溶液的能力K 以及温度T有关系。
第2章 生物医学传感器基础
第2章 生物医学传感器基础
• 图 电极－溶液界面的平衡电位
锌电极放入含Zn2＋的溶液 中，锌电极中Zn2＋进入溶 液中，在金属上留下电子
带负电，溶液带正电。
进入水中的正离子和带负 电的金属彼此吸引,使大多 数离子分布在靠近金属片 的液层中,形成的电场,阻 碍Zn2＋进一步迁移最终达 到平衡。
此时金属与溶液之间形成电荷 分第2布章 产生物生医学一传感定器的基础电位差。
第2章 生物医学传感器基础
一、电极的基本概念
• 生物电是生物体最基本的生理现象，各种生物 电位的测量都要用电极；给生物组织施加电剌 激也要用电极
• 电极实际上是把生物体电化学活动而产生的离 子电位转换成测量系统的电位
• 电极起换能器作用，是一种传感器
• 电流在生物体内是靠离子传导的,在电极和导
线中是靠电子传导的,在电极和溶液界面上则
＋
-
-
-
＋
-
生物电检测电极示意图 第2章 生物医学传感器基础
生物电测量的等效电路
第2章 生物医学传感器基础
• 医用电极按工作性质可分为检测电极和 刺激电极两大类：
• 检测电极是敏感元件,用来测定生物电位的。 需用电极把这个部位的电位引导到电位测量 仪器上进行测量,这种电极称为检测电极。
• 剌激电极是对生物体施加电流或电压所用的 电极。剌激电极是个执行元件。
生物医学工程中的生物传感器资料
生物医学工程中的生物传感器资料生物传感器是一种能够检测生物体内外各种生理、生化过程的装置。
它利用生物活性分子与传感元件之间的化学、物理作用，将生物信息转化为可以测量的电信号、光信号或其他信号，实现对生物过程的监测和分析。
在生物医学工程领域中，生物传感器在疾病诊断、药物研发、环境监测等方面发挥着重要作用。
一、生物传感器的分类与原理生物传感器可以根据传感元件的性质和工作原理进行分类。
主要的分类包括：1. 免疫传感器：免疫传感器利用生物分子间的特异性反应，实现对特定抗原或抗体的检测。
这种传感器常用于疾病诊断、药物监测等方面。
免疫传感器的工作原理是将待检测样品与标记物竞争结合，通过测量标记物的信号差异来判断待测物含量。
2. 酶传感器：酶传感器以酶与底物之间的催化反应为基础，实现对多种生物分子的测量。
例如，葡萄糖传感器利用葡萄糖氧化酶将葡萄糖转化为过氧化氢，从而测量葡萄糖的浓度。
酶传感器在血糖监测、生物反应进程监测等方面具有广泛应用。
3. DNA传感器：DNA传感器利用DNA分子中的特异性配对反应，实现对DNA序列的检测。
常用的DNA传感器有基于荧光染料标记的探针，通过测量荧光强度的变化来判断目标DNA的存在与否。
DNA传感器在基因检测、疾病诊断等方面具有重要作用。
4. 光学传感器：光学传感器利用光信号的变化来检测生物分子。
例如，基于表面等离子体共振（SPR）的传感器可以通过监测光的折射率变化来分析待测物的浓度变化。
光学传感器在生物分析、药物筛选等方面具有广泛应用。
二、生物传感器在生物医学工程中的应用生物传感器在生物医学工程中发挥着重要作用。
以下是一些典型应用的介绍：1. 生物传感器在疾病诊断中的应用：生物传感器可以便捷地检测生物体内的生化指标，如血糖、胆固醇、肌酸酐等。
这对于糖尿病、心血管疾病等慢性疾病的早期诊断和管理非常重要。
2. 生物传感器在药物研发中的应用：药物研发需要对候选药物的药代动力学、毒理学等进行评估。
博士生生物工程生物传感器知识点归纳总结
博士生生物工程生物传感器知识点归纳总结生物工程领域的发展为生命科学研究提供了更多工具和技术。
生物传感器作为其中的一种重要工具，被广泛应用于生物医学、环境监测、食品安全和农业生产等领域。
本文将对博士生需要了解的生物工程生物传感器知识点进行归纳总结。
一、生物传感器概述生物传感器是一种能够将生物分子与传感器相结合的装置，通过检测生物分子的特异性反应来实现对目标物质的定性和定量分析。
它的基本组成部分包括生物识别分子、转换元件和信号读取器。
生物传感器的核心原理是生物分子的识别与信号转换。
二、生物识别分子生物识别分子是生物传感器中用于与目标物质特异性相互作用的分子。
常用的生物识别分子包括抗体、酶、受体和核酸等。
抗体是一种可以识别特定抗原的蛋白质分子，通过与抗原结合形成免疫复合物进行检测。
酶是一种具有催化作用的蛋白质，通过催化底物的反应产生可测量的信号。
受体可以结合特定的配体，实现对目标物质的识别和检测。
核酸分子可以通过互补配对与目标DNA或RNA序列特异性结合。
三、转换元件转换元件是将生物识别分子与目标物质的相互作用转化为可测量信号的部分。
常用的转换元件包括电化学传感器、光学传感器和压电传感器。
电化学传感器通过测量电流或电压的变化来检测目标物质的存在。
光学传感器利用光的特性来测量物质浓度或反应速率。
压电传感器则通过物质的压电效应来转换信号。
四、信号读取器信号读取器是生物传感器中的关键部分，用于接收、放大和解码传感器产生的信号。
常见的信号读取器包括电子测量仪器、光谱仪和计算机等。
电子测量仪器可以实时地测量电化学传感器产生的电流或电压信号。
光谱仪则可以测量光学传感器产生的光强度与波长等信号。
计算机则可以对传感器产生的信号进行数据处理和分析。
五、生物传感器的应用生物传感器在生物医学、环境监测、食品安全和农业生产等领域有着广泛的应用。
在生物医学领域，生物传感器可以用于药物检测、疾病诊断和基因分析等方面。
在环境监测领域，生物传感器可以实时监测水质、大气污染和土壤污染等指标。
生物医学传感器复习资料
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。
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7:21 AM
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3) 迟滞
迟滞是描述传感器的正向和反向特性不一致的程度.
传感器在全量程范围内最大的迟滞差值ΔHmax与满量 程输出值YFS之比称为迟滞误差，用δH表示，即
数量关系的线性程度。
y
YFS 实 际 特性 曲 线
理 想 特性 曲 线
o
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x
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2）线性度(非线性误差)
定义：在规定条件下,传感器校准曲线与某一选定的拟 合直线间的最大偏差与满量程(F.S)输出平均值的百分 比,称为线性度L 。
Ｌ＝
Lmax YF .S
100％
Lmax — 校准曲线与拟合直线 的最大偏差；
YFS — 传感器满量程输出， YFS Ymax Y0
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16
注意：
采用拟合直线的方法不同，则其拟合后所得到的基准直 线不同，计算出的线性度也会不一样。
所以要特别注意：说明某传感器的线性度是多少时，不 能笼统的说线性度或非线性误差，必须同时说明所依据 的基准直线，即采用什么样的拟合方法。
9
(3) 非线性项仅有偶次项（图c）
Y a1X a2 X 2 a4 X 4 L L
注意，在图 (c)中, 相对线 性范围中心偏离原点。
另外，输出－输入特性曲 线无对称性。
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(4)奇偶次项都有的非线性(图d)
Y a1X a2 X 2 a3 X 3 L L an X n
第2章 传感器的基本知识
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1
内容回顾
传感器的定义 传感器的组成 生物医学传感器的用途和分类
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2
第2章 传感器基本知识
• 学习内容：
传感器的基本特性：静态特性、动态特性
• 知识要点：
1、 传感器的静态特性方程，静态特性指标
2、传感器的动态特性的一般数学模型
3、传感器动态特性： 传递函数、动态响应及动态特性指标
测量的被测量的变化范围，而测量范围的上限值 Ymax与下限值Ymin 之差就是传感器的量程 YFS ，即
YFS = Ymax - Ymin
例如:某温度计的测量范围为-20 ~ 100˚C，则其量程 YFS = 100 ˚C - ( - 20 ˚C ) = 120 ˚C
7:21 AM
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2）线性度(非线性误差) 传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间
1.利用一定精度等级的校准设备； 2.对传感器进行反复循环测试，即可得到输出一输入数据； 3.将这些数据列成表格，再画出各被测量值的正行程输出值 和反行程输出值的平均值连接起来的曲线，即传感器的静态 校准曲线。
7:21 AM
13
2. 衡量传感器静态特性的指标
1 ）测量范围 传感器的测量范围是指按其标定的精确度可进行
(2-1)
Y — 输出量； X — 输入量； a0 — 零位输入(零偏）； a1 — 传感器的灵敏度，常用K表示； a2 , a3, , an — 非线性项待定系数。
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7
a0 0 有以下四种情况：
（1）线性特性（图a） X 高次项为零，线性方程为：
Y a1X
此时， a1 Y / X K
称为传感器的灵敏度
线性传感器
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(2)非线性项仅有奇次项（图b）
Y a1 X a3 X 3 a5 X 5 L L
注意，在图 (b)中,原点附近较大 范围内输出、输入特性基本上是 线性的。
另外，输出－输入特性曲线关于 原点对称（奇函数性质）:
Y (X ) Y (X )
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7:21 AM
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注意：
在设计传感器时，应将测量范围选取在静态特性最接近 直线的一小段，静态特性可近似线性。此时原点可能不 在零点，以图(c)为例，如取ab段，则其原点在c点。
7:21 AM
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传感器的静态校准
传感器的静态特性是在静态标准条件下校准的.
静态标准条件：
校准方法：在静态标准工作状态下，
y
i Yi a0 KX i
Y=a0+KX
7:21 AMx最小乘法拟合直线20最小二乘法的原则就是使这些△i之和最小。
n
n
2
i2 yi kxi b min
i 1
i 1
亦即使对K和a0的一阶偏导数等于零。来求出K和a0的表达式
n
n
n
K
n X iYi X i Yi
i1 n
i 1
i 1
n
n
X
2 i
(
Xi )2
xy x y x2 (x )2
i 1
i 1
n
n
n
n
X
2 i
Yi
Xi
X iYi
a0 i1
i 1 n
i 1
i 1
n
y kx
n
X
2 i
(
Xi )2
i 1
i 1
7:21 AM
21
d)差动测量方法
Y Y1 Y2 2(a1 X a3 X 3 a5 X 5 L )
7:21 AM
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几种常用的拟合直线方法:
a)理论直线拟合（理论线性度）
利用静态方程的第一种情况：
Y a1X
特点：方法比较明确和方
便，但拟合精度较低
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b） 端基法
把传感器校准数据的零点输出平均值a0和满量程输 出平均值b0连成的直线ab作为传感器特性的拟合直线。
Y a0 KX
定义： 传感器在被测量的各个值处于稳定状态时， 输入量为恒定值而不随时间变化时，其相应输出量亦 不随时间变化，这时输出量和输入量之间的关系称为 静态特性。
不含有时间变量
7:21 AM
6
传感器静态特性数学模型
传感器的静态特性可由下列方程式表示：
Y a0 a1X a2 X 2 …… an X n
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3
3
概述
传感器或测量系统功能框图
不失真地完成信号的转换
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4
4
概述
• 传感器特性主要是指输出与输入间的关系 • 静态特性：输入量为常量，或变化极慢 • 动态特性：输入量随时间较快地变化时
传感器的静态特性只是动态特性的一个特例。
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§2-1 传感器的静态特性
1. 传感器的静态特性
式中 Y—输出量 X—输入量 a0—Y轴上截距 K—直线a0b0的斜率
方法简单，但因未考虑到 所有校准点数据的分布， 拟合精度较低。
7:21 AM
端基线性度拟合直线
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c）最小二乘法
假设拟合直线的方程式为： Y a0 KX
而实际测量了n个点，则有n个校准数据Y1、Y2、……Yn。 自然就可知，每个数据点都与拟合直线有偏差，△i（i＝ 1，……，n）。