一文讀懂生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的傳感器

生物醫(yī)學(xué)傳感器是生物醫(yī)學(xué)科學(xué)和技術(shù)的尖兵，生物醫(yī)學(xué)研究的正確結(jié)論有賴于生物醫(yī)學(xué)傳感器的正確測量。而傳感器是一門十分綜合的科學(xué)和技術(shù)。

現(xiàn)代傳感器的物理模型如圖所示：

對于傳統(tǒng)被測量而言，敏感膜就相當(dāng)于傳感器與被測對象的界面。在傳統(tǒng)的傳感器前面附加一層根據(jù)不同需要而特制的敏感膜，即可表示化學(xué)傳感器和生物傳感器。二者的區(qū)別就看是否具有生物活性。具有生物活性的膜材料就是生物傳感器。傳感器中可存在兩個界面，一是被測介質(zhì)和敏感膜間的界面，二是敏感膜和傳感器間的界面。界面上發(fā)生著復(fù)雜的物理、化學(xué)或生物過程。

醫(yī)學(xué)對傳感器的要求

1、安全性高(特別是用于人體的傳感器和換能器)，靈敏度高，信噪比高(選擇性高)。

2、保證物理安全性的措施是電的隔離、浮置技術(shù)。

3、保證化學(xué)安全性高的要求是無毒性，無近期和遠(yuǎn)期的致癌效應(yīng)。

4、保證生物安全性高的要求是無DNA和RNA突變。

5、保證選擇性高的措施是利用共振效應(yīng)、濾波技術(shù)、自適應(yīng)技術(shù)、分子識別與離子識別技術(shù)。

6、保證靈敏度高的措施是：物理、化學(xué)和生物放大技術(shù)。

醫(yī)學(xué)傳感器的主要用途

1、檢測生物體信息：如心臟手術(shù)前檢測心內(nèi)壓力;心血管疾病的基礎(chǔ)研究中需要檢測血液的粘度以及血脂含量。

2、臨床監(jiān)護(hù)

如病人在進(jìn)行手術(shù)前后需要連續(xù)檢測體溫、脈搏、血壓、呼吸、心電等生理參數(shù)。

3、控制

利用檢測到的生理參數(shù)，控制人體的生理過程。如電子假肢

醫(yī)學(xué)中需要測量的量

生物醫(yī)學(xué)傳感器的分類

按應(yīng)用形式分類有：植入式傳感器、暫時植入體腔(或切口)式傳感器、體外傳感器、用于外部設(shè)備的傳感器

植入式傳感器

按工作原理分有：物理傳感器(位移、力、溫度、濕度。。。)、化學(xué)傳感器(各種化學(xué)物質(zhì))、生物傳感器(各種酶、免疫、微生物、DNA。。。)、生物電電極傳感器(心電、腦電、肌電、神經(jīng)元放電。。。)

物理傳感器

利用物理性質(zhì)或物理效應(yīng)制成的傳感器叫物理傳感器，或把物理量轉(zhuǎn)變?yōu)槟転橛嬎銠C(jī)識別的電學(xué)量的器件叫傳感器。

生物醫(yī)學(xué)用物理傳感器的分類和用途

力傳感器用來測量重量;壓電薄膜傳感器用于測量心率和呼吸模式;熱電堆傳感器用于測量體溫;血氧傳感器用于測量血氧含量;CO2，傳感器用于測量新陳代謝;流量傳感器用于輔助呼吸;力傳感器用于測量氧氣瓶中剩余的氧氣含量。

化學(xué)傳感器

化學(xué)傳感器是把化學(xué)成分、濃度等轉(zhuǎn)換成與之有確切關(guān)系的電學(xué)量的器件。它多是利用某些功能性膜對特定化學(xué)成分的選擇作用把被測成分篩選出來，進(jìn)而用電化學(xué)裝置把它變?yōu)殡妼W(xué)量。

一般多是依賴膜電極的響應(yīng)機(jī)理、膜的組成或膜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類。如離子選擇電極換能器、氣敏電極換能器、濕敏電極換能器、涂絲電極換能器聚合物基質(zhì)電極換能器、離子敏感場效應(yīng)管換能器、離子選擇微電極換能器、離子選擇薄片換能器。

生物醫(yī)學(xué)用各種化學(xué)換能器測量的化學(xué)物質(zhì)有：K+、Na+、Ca2+、Cl-、O2、CO2、NH3、H+、Li+ 等。

生物傳感器

生物傳感器利用生物活性物質(zhì)選擇性的識別和測定實現(xiàn)測量，主要由兩大部分組成：一為功能識別物質(zhì)(分子識別元件)，由其對被測物質(zhì)進(jìn)行特定識別;其二是電、光信號轉(zhuǎn)換裝置(換能器)，由其把被測物所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換成便于傳輸?shù)碾娦盘柣蚬庑盘枴?/p>

最先問世的生物傳感器是酶電極，Clark和Lyons最先提出組成酶電極的設(shè)想。70年代中期，人們注意到酶電極的壽命一般都比較短，提純的酶價格也較貴，而各種酶多數(shù)都來自微生物或動植物組織，因此自然地就啟發(fā)人們研究酶電極的衍生型：微生物電極、細(xì)胞器電極、動植物組織電極以及免疫電極等新型生物傳感器，使生物傳感器的類別大大增多;

進(jìn)入本世紀(jì)80年代之后，隨著離子敏場效應(yīng)晶體管的不斷完善，于1980年Caras和Janafa率先研制成功可測定青霉素的酶FET。

生物傳感器的組成與基本原理

1、分子識別元件

2、換能器

換能器種類有電化學(xué)電極、半導(dǎo)體、熱敏電阻、表面等離子體、壓電晶體等

生物傳感器的分類

按分子識別元件分

按器件分類

酶傳感器

酶的催化作用是在一定條件下使底物分解，故酶的催化作用實質(zhì)上是加速底物分解速度。

酶傳感器由固定酶和基礎(chǔ)電極組成，酶電極的設(shè)計主要考慮酶催化過程產(chǎn)生或消耗的電極活性物質(zhì)，如一個酶催化反應(yīng)是耗O2過程，就可以使用O2電極或H2O2電極;若酶催化反應(yīng)過程產(chǎn)生酸，即可使用PH電極。

酶傳感器信號變換方法

1、電位法

電位法是通過不同離子生成在不同感受體，從測得膜電位去計算與酶反應(yīng)有關(guān)的各種離子的濃度。一般采用銨離子電極(氨氣電極)、氫離子電極、氧化碳電極等;

2、電流法

電流法是從與酶反應(yīng)有關(guān)的物質(zhì)的電極反應(yīng)得到的電流值來計算被測物質(zhì)的方法。電化學(xué)裝置采用的是氧電極。燃料電池型電極和過氧化氫電極等;

葡萄糖傳感器

工作原理

測量氧消耗量的葡萄糖傳感器+測H2O2生成量的葡萄糖傳感器

氧化酶(GOD)：葡萄糖+H2O+O2――――――→葡萄糖酸+H2O2

故葡萄糖濃度測試方法有三種：1、測耗量O2; 2、測H2O2生成量;3、測由葡萄糖酸而產(chǎn)生的PH變化。

測量氧消耗量的葡萄糖傳感器

氧電極構(gòu)成：①由Pb陽極和Pt陰極浸入堿溶液，②陰極表面用氧穿透葡萄糖(基質(zhì))膜覆蓋[特氟隆，厚約10μm]。

氧電極測O2原理：利用氧在陰極上首先被還原的特性。溶液中的O2穿過特氟隆膜到達(dá)Pt陰極上，當(dāng)外加一個直流電壓為氧的極化電壓(如0.7V)時，則氧分子在Pt陰極上得電子，被還原:其電流值與含O2濃度成比例。

O2+2H2O+4e=======4OH-

測H2O2生成量的葡萄糖傳感器

葡萄糖氧化酶(GOD)

葡萄糖+H2O+O2―――――――→葡萄糖酸+H2O2

葡萄糖氧化產(chǎn)生H2O2，而H2O2通過選擇性透氣膜，在Pt電極上氧化，產(chǎn)生陽極電流。葡萄糖含量與電流成正比，由此可測出葡萄糖溶液濃度。

在Pt電極上加0.6V電壓時，則產(chǎn)生的陽極電流為：H2O2―――――――→ O2+2H++2e

微生物傳感器

微生物傳感器分為好氣性微生物傳感器和厭氣性微生物傳感器

將傳感器放入含有有機(jī)化合物的被測溶液中，有機(jī)物向微生物膜擴(kuò)散而被微生物攝取(稱為資化)。

好氣性微生物傳感器

微生物的呼吸可用氧電極或二氧化碳電極來測定結(jié)構(gòu)

O2電極好氣性微生物傳感器響應(yīng)曲線

厭氣性微生物傳感器

可測定微生物代謝產(chǎn)物，可用離子選擇電極來測定

甲酸傳感器(厭氣性)原理：

將產(chǎn)生氫的酪酸梭狀芽菌固定在低溫膠凍膜上，并把它固定在燃料電池Pt電極上;

當(dāng)傳感器浸入含有甲酸的溶液時，甲酸通過聚四氟乙烯膜向酪酸梭狀芽菌擴(kuò)散，被資化后產(chǎn)生H2,而H2又穿過Pt電極表面上的聚四氟乙烯膜與Pt電極產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生電流，此電流與微生物所產(chǎn)生的H2含量成正比，而H2量又與待測甲酸濃度有關(guān)，因此傳感器能測定發(fā)酵溶液中的甲酸濃度。

免疫傳感器

免疫傳感器基本原理是免疫反應(yīng)。利用固定化抗體(或抗原)膜與相應(yīng)的抗原(或抗體)的特異反應(yīng)，使得生物敏感膜的電位發(fā)生變化。

抗原或抗體一經(jīng)固定于膜上，就形成具有識別免疫反應(yīng)強烈的分子功能性膜。如，抗原在乙酰纖維素膜上進(jìn)行固定化，由于蛋白質(zhì)為雙極性電解質(zhì)，(正負(fù)電極極性隨PH值而變)所以抗原固定化膜具有表面電荷。其膜電位隨膜電荷要變化。故根據(jù)抗體膜電位的變化，可測知抗體的附量。

現(xiàn)代醫(yī)用傳感器技術(shù)已經(jīng)擺脫了傳統(tǒng)醫(yī)用傳感器體積大、性能差等技術(shù)缺點，形成了智能化、微型化、多參數(shù)、可遙控和無創(chuàng)檢測等全新的發(fā)展方向，并取得了一系列的技術(shù)突破。其他一些新型的傳感器如DNA傳感器，光纖傳感器等也方興未艾。醫(yī)用傳感器技術(shù)的革新必將推動現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)的更快發(fā)展。

隨著信息時代的到來,傳感器技術(shù)已經(jīng)成為信息社會的重要技術(shù)基礎(chǔ),而醫(yī)學(xué)傳感器也勢必要緊緊抓住這一機(jī)遇,努力朝著智能化、微型化、多參數(shù)、可遙控和無創(chuàng)檢測等方面發(fā)展，為促進(jìn)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展提供重要推動力。相信在醫(yī)用傳感器不斷提高其科技含量的同時，醫(yī)用傳感器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用也將越來越廣泛。