生物传感检测技术课件.ppt

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1、生生 物物 传传 感感 检检 测测 技技 术术-生物传感器生物传感器 教师 熊兴良 E_mail 生物医学工程研究室生物医学工程研究室1313主要内容传感器基础知识生物传感检测的生物学理论生物传感器关键技术电化学生物传感器压电晶体生物传感器基因芯片与蛋白质芯片1414 绪绪 论论 主要内容传感器的定义传感器的发展方向生物医学传感器的用途开发新型传感器的途径开发生物医学传感器的要求1515检测就是去认识检测就是去认识 -西门子西门子(W.Ven.SiemensW.Ven.Siemens)1616医学中常用的生化检测技术医学中常用的生化检测技术比色法比色法比色法比色法(colorimetry)(c

2、olorimetry)以生成有色化合物的以生成有色化合物的显色反应显色反应显色反应显色反应为基础，通过比较或测量有为基础，通过比较或测量有色物质溶液颜色深度来确定待测组分含量的方法。色物质溶液颜色深度来确定待测组分含量的方法。比色分析对显色反应的比色分析对显色反应的基本要求基本要求是：反应应具有较高的灵是：反应应具有较高的灵敏度和选择性，反应生成的有色化合物的组成恒定且较稳定，敏度和选择性，反应生成的有色化合物的组成恒定且较稳定，它和显色剂的颜色差别较大。选择适当的显色反应和控制好适它和显色剂的颜色差别较大。选择适当的显色反应和控制好适宜的反应条件，是比色分析的关键。宜的反应条件，是比色分析的

3、关键。常用的比色法有两种：常用的比色法有两种：目视比色法目视比色法目视比色法目视比色法和和光电比色法光电比色法光电比色法光电比色法，两种方，两种方法都是以朗伯法都是以朗伯-比尔定律比尔定律(A Abcbc)为基础。为基础。1717医学中常用的生化检测技术医学中常用的生化检测技术分光光度法分光光度法分光光度法分光光度法(spectrophotometry)spectrophotometry)物质对不同波长的入射光有不同物质对不同波长的入射光有不同程度的吸收，形成吸收光谱。不同物程度的吸收，形成吸收光谱。不同物质各有其特征分子吸收光谱。在一定质各有其特征分子吸收光谱。在一定条件下记录某些物质在光源

4、的各波长条件下记录某些物质在光源的各波长的透光率，以波长为横坐标，以透光的透光率，以波长为横坐标，以透光率为纵坐标描绘的曲线。其形状反映率为纵坐标描绘的曲线。其形状反映了物质的特性。了物质的特性。L-BL-B定律。拓宽了比定律。拓宽了比色法。色法。分光光度法的应用光区包括分光光度法的应用光区包括紫外紫外光区光区，可见光区可见光区，红外光区红外光区。1818医学中常用的生化检测技术医学中常用的生化检测技术荧光法荧光法荧光法荧光法(fluorescence method)fluorescence method)物质在受到高能量的光照射时，在吸收某些波长的光后，物质在受到高能量的光照射时，在吸收某些

5、波长的光后，会发射各种颜色和不同强度的光，照射停止，发光消失，这会发射各种颜色和不同强度的光，照射停止，发光消失，这就是荧光。荧光物质浓度越大，发射的荧光强度也越大。就是荧光。荧光物质浓度越大，发射的荧光强度也越大。1919医学中常用的生化检测技术医学中常用的生化检测技术火焰光度法火焰光度法火焰光度法火焰光度法(flame photometryflame photometry)属于发射光谱分析，根据阳离子在火焰中燃烧时发射属于发射光谱分析，根据阳离子在火焰中燃烧时发射特征谱线进行测定。特征谱线进行测定。离子选择性电极离子选择性电极离子选择性电极离子选择性电极(ion specific elec

6、trode;ISEion specific electrode;ISE)属于电位测定法。属于电位测定法。(后面电化学传感器讲后面电化学传感器讲)自动生化分析仪自动生化分析仪自动生化分析仪自动生化分析仪(automatic biochemistry analyzerautomatic biochemistry analyzer)带光电传感器的光度计带光电传感器的光度计电泳法电泳法电泳法电泳法(electrophoresis method)electrophoresis method)不同物质由于所带电荷不同，在一定磁场中的泳速不不同物质由于所带电荷不同，在一定磁场中的泳速不同。同。20201 传

7、感器的定义传感器的定义定义定义定义定义：传感器是检测系统的第一个环节。它是以一定：传感器是检测系统的第一个环节。它是以一定的精度把被测量转换成与之有确定关系的、便于应用的精度把被测量转换成与之有确定关系的、便于应用的某种量值的测量装置的某种量值的测量装置 顾名思义，传感器的功能是一感二传，即感受被顾名思义，传感器的功能是一感二传，即感受被测信息，并传送出去。根据传感器的功能要求，它一测信息，并传送出去。根据传感器的功能要求，它一般应由三部分组成，即：般应由三部分组成，即：敏感元件敏感元件敏感元件敏感元件、转换元件转换元件转换元件转换元件、信号信号信号信号调理电路调理电路调理电路调理电路2121

8、敏感元件敏感元件敏感元件敏感元件 能够灵敏地感受被测量并作出响应的元件能够灵敏地感受被测量并作出响应的元件 如金属或半导体如金属或半导体应变片应变片应变片应变片，能感受压力的大小而引起形变，能感受压力的大小而引起形变，形变程度就是对压力大小的响应。金属或半导体应变片，形变程度就是对压力大小的响应。金属或半导体应变片，就是一种压力敏感元件。就是一种压力敏感元件。铂电阻能感受温度的升降而改变其阻值，阻值的变化就铂电阻能感受温度的升降而改变其阻值，阻值的变化就是对温度升降的响应，所以铂电阻就是一种温度敏感元件。是对温度升降的响应，所以铂电阻就是一种温度敏感元件。2222转换元件转换元件转换元件转换元

9、件 上面介绍的敏感元件，其中有许多可兼做转换元件。转上面介绍的敏感元件，其中有许多可兼做转换元件。转换元件实际上就是将敏感元件感受的被测量转换成电路参换元件实际上就是将敏感元件感受的被测量转换成电路参数的元件。数的元件。如果敏感元件本身就能直接将被测量变成电路参数，那如果敏感元件本身就能直接将被测量变成电路参数，那么，该敏感元件就是具有了敏感和转换两个功能。么，该敏感元件就是具有了敏感和转换两个功能。如热敏电阻，它不仅能直接感受温度的变化，而且能将如热敏电阻，它不仅能直接感受温度的变化，而且能将温度变化转换成电阻的变化，也就是将非电路参数（温度）温度变化转换成电阻的变化，也就是将非电路参数（温

10、度）直接变成了电路参数（电阻）。直接变成了电路参数（电阻）。2323信号调理电路信号调理电路 一般有两个作用。一般有两个作用。一是信号转换和放大；一是信号转换和放大；二是信号处理，即滤波、调制和解调、衰减运算、数字二是信号处理，即滤波、调制和解调、衰减运算、数字化处理等。化处理等。24242 传感器的分类传感器的分类传传感感器器物理传感器物理传感器化学传感器化学传感器生物传感器生物传感器位移传感器加速度传感器速度温度传感器O2传感器酶传感器免疫传感器微生物传感器DNA传感器1 1、按被测量分类、按被测量分类流量传感器压力传感器CO2传感器Na传感器25252 2、按工作原理分类、按工作原理分类

11、传传感感器器应变式传感器压电式传感器电动式传感器压阻式传感器热电式传感器电容式传感器电感式传感器电化学式传感器3 3、结合被测量和工作原理分类、结合被测量和工作原理分类传传感感器器应变式压力传感器压电式生物传感器热电式温度传感器电容式湿度传感器压电式加速度传感器.4 4、按人的感觉功能分类、按人的感觉功能分类传传感感器器视觉传感器听觉式传感器味觉式传感器触觉式传感器嗅觉式传感器2626生物传感器生物传感器生生理理参参数数利用生物活性物质选择性识别来测定生化物质利用材料的物理变化物理传感器物理传感器非非电电学学量量参参数数机体的各种生物电（心电、脑电、肌电、神经元放电等）生物电电极生物电电极电电

12、学学量量参参数数利用化学反应原理，把化学成分、浓度转换成电信号化学传感器化学传感器5 5、医学上传感器的分类、医学上传感器的分类-按检测的生理参数进行分类按检测的生理参数进行分类2727生物电检测电极生物电检测电极生物电的变化能够反应生物体的复杂生命现象，比生物电的变化能够反应生物体的复杂生命现象，比如人体心血管的疾患，通常可以从心脏各部分的电如人体心血管的疾患，通常可以从心脏各部分的电活动反映出来。例如：临床医生可以从病人身上记活动反映出来。例如：临床医生可以从病人身上记录的心电图的细节进行分析诊断；人的神经系统及录的心电图的细节进行分析诊断；人的神经系统及脑部的疾患在脑电图上必有所表现。脑

13、部的疾患在脑电图上必有所表现。因此临床上研究人的各种脏器的功能状态、疾病的因此临床上研究人的各种脏器的功能状态、疾病的发生与发展，需要有效地把生物体内细胞、离子分发生与发展，需要有效地把生物体内细胞、离子分布电位感应导出。通过与生物体的接触耦合，将生布电位感应导出。通过与生物体的接触耦合，将生物体内的电位和生物电流有效地导出的敏感元件称物体内的电位和生物电流有效地导出的敏感元件称为为检测电极检测电极。2828-生物电检测电极示意图生物电检测电极示意图生物电检测电极示意图生物电检测电极示意图机体外机体外机体内机体内电极电极电极在生物体内离子导电极在生物体内离子导电和金属的电子导电体电和金属的电子

14、导电体系之间形成一个电化学系之间形成一个电化学界面，能实现离子流与界面，能实现离子流与电子流的互相转换，从电子流的互相转换，从而使生物体和测量仪器而使生物体和测量仪器间构成了电流回路。间构成了电流回路。2929电极的本质电极的本质-半电池原理半电池原理当某种金属浸入含有这种金属离子的当某种金属浸入含有这种金属离子的电解质溶液中时，金属中的原子将失电解质溶液中时，金属中的原子将失去一些电子进入溶液，溶液中的离子去一些电子进入溶液，溶液中的离子也将在金属电极上沉积，当这两种过也将在金属电极上沉积，当这两种过程相平衡时，在金属和电解质溶液的程相平衡时，在金属和电解质溶液的接触面上形成电荷分布，并建立

15、起一接触面上形成电荷分布，并建立起一个平衡的个平衡的电位差电位差。对给定的金属与电。对给定的金属与电解质溶液来说，这种电位差是一个完解质溶液来说，这种电位差是一个完全确定的量。这种金属与电解质的组全确定的量。这种金属与电解质的组合如同半个电解质电池，称合如同半个电解质电池，称半电池半电池半电池半电池，其电位差称为其电位差称为半电池电位半电池电位半电池电位半电池电位。ZnZnSO43030生物电电极的本质是由金属电解质溶液构成的半电池。生物体的活组织是一种含多种金属离子成份的电解质溶液，当电极与组织表面相接触时，电极与组织之间就构成了半电池。电极的本质电极的本质3131电极的极化电极的极化电极与

16、电解液处于静态平衡时，电极与电解液间电极与电解液处于静态平衡时，电极与电解液间没有电流流过。当接上仪器的电路时，就有电流没有电流流过。当接上仪器的电路时，就有电流流过这个界面。原有的平衡被打破，电极的半电流过这个界面。原有的平衡被打破，电极的半电池电位与没电流时不同。池电位与没电流时不同。所谓所谓极化极化就是当电流通过电极界面时电极电位偏就是当电流通过电极界面时电极电位偏离平衡电位的现象。在有和无电流通过两种情况离平衡电位的现象。在有和无电流通过两种情况下电极的半电池电位的差值称为极化电压。下电极的半电池电位的差值称为极化电压。3232生物电测量的等效电路实验表明，生物电测量电极的伏安特性呈非

17、线性。电极的参数与流过的电流强度和频率有关。3333电极的电位电极的电位生物电电位差两个电极间的电位差电极的电位电极的半电池电位与极化电位的总和。3434生物电电极的分类生物电电极的分类生生物物电电电电极极宏电极宏电极微电极微电极体表电极体表电极体内电极体内电极金属微电极金属微电极玻璃微电极玻璃微电极3535宏电极和微电极宏电极和微电极宏电极宏电极宏电极宏电极用于检测和记录机体器官、组织整体放电用于检测和记录机体器官、组织整体放电水平的电极。按记录部位的不同，分为水平的电极。按记录部位的不同，分为体表电极体表电极体表电极体表电极和和体内电极体内电极体内电极体内电极。微电极微电极微电极微电极用于

18、测量细胞内外的电位改变的电极，其用于测量细胞内外的电位改变的电极，其尖端直径一般直径小于细胞，且电极较坚硬，可刺尖端直径一般直径小于细胞，且电极较坚硬，可刺入细胞膜并保持机械性能稳定。微电极直径大约在入细胞膜并保持机械性能稳定。微电极直径大约在0.050.05到到10m10m之间。按制作材料可分为之间。按制作材料可分为金属微电极金属微电极金属微电极金属微电极和充填电解液的和充填电解液的玻璃微电极玻璃微电极玻璃微电极玻璃微电极。3636体表电极体表电极 体表电极是用于在身体表面记录生物电信号体表电极是用于在身体表面记录生物电信号(如如ECGECG、EEGEEG、EMGEMG)的电极。的电极。皮肤

19、的角质层虽然极薄皮肤的角质层虽然极薄(约约40m)40m)，但具有很高，但具有很高的电阻率。一般在电极表面涂上一层含有的电阻率。一般在电极表面涂上一层含有Cl-Cl-离子的离子的导电膏，以保持良好接触，并且在此之前用砂纸摩导电膏，以保持良好接触，并且在此之前用砂纸摩擦去除部分皮肤角质层，可以显著减小表皮电阻擦去除部分皮肤角质层，可以显著减小表皮电阻体表电极，应满足如下体表电极，应满足如下要求要求要求要求：电极电位稳定；：电极电位稳定；阻抗阻抗阻抗阻抗小小小小；安放容易且不易脱落；不易产生；安放容易且不易脱落；不易产生运动伪迹运动伪迹运动伪迹运动伪迹；可；可长期监测；无毒安全、对人体刺激要小。长

20、期监测；无毒安全、对人体刺激要小。当电极相对于电解液运动时，使界面处电荷分当电极相对于电解液运动时，使界面处电荷分布打乱，会产生运动伪迹。布打乱，会产生运动伪迹。3737临床上常用的体表电极临床上常用的体表电极临临床床上上常常用用的的体体表表电电极极种种类类繁繁多多、形形状状多多样样，常常见见的的有有金金属属板板电电极极、Ag/AgclAg/Agcl电电极极等等。不不锈锈钢钢、铂铂或或镀镀金金(银银)的的圆圆盘盘电电极常用于肌电和脑电的记录。极常用于肌电和脑电的记录。柔柔性性电电极极可可适适应应体体表表外外形形的的变变化化，可可减减少少运运动动伪伪迹迹，常常用用的的是是柔柔性性银银丝丝电电极极

21、，它它的的制制作作方方法法很很简简单单：在在橡橡皮皮膏膏上上敷敷一一小小块块银银丝丝网网，焊焊上上引引线线，涂涂上上导导电电膏膏即即可可，它它适适用用于于手手、足足等等部位的测量，尤其是早产新生儿的心电监测。部位的测量，尤其是早产新生儿的心电监测。体表生物电检测中最常用的电极是体表生物电检测中最常用的电极是Ag/AgClAg/AgCl电极。它的结构电极。它的结构是在金属银的表面覆盖一层难溶解的银的盐类是在金属银的表面覆盖一层难溶解的银的盐类AgClAgCl，再浸入，再浸入含有氯离子的溶液中。含有氯离子的溶液中。电极可以用下列符号表示：电极可以用下列符号表示：Ag|AgCl|C1Ag|AgCl|

22、C1-。实际应用的实际应用的Ag/AgClAg/AgCl电极极化电压很低，一般在电极极化电压很低，一般在0.2mV0.2mV左右。左右。极化电压的随机变化小于极化电压的随机变化小于10mV10mV，对生物电的检测几乎不产生，对生物电的检测几乎不产生影响。在临床上得到广泛的应用。影响。在临床上得到广泛的应用。3838Ag-AgclAg-Agcl圆盘电极圆盘电极圆盘电极圆盘电极 lAg-Agcl圆盘电极的导电膏充填在空腔内，结构稳定，并且对于生物组织具有非常小和稳定的半电池电位，而且是一种不可极化电极，所以常被用作体表生物电测量电极。3939体内电极体内电极 体内电极，用作在生物体内检测生物电势。

23、因电极被插入体内，电极材料的安全性很重要，象Ag-Agcl电极和人体蛋白质会发生化学反应，不应选用。下面介绍两种体内电极：经皮注射式针电极和丝电极。4040（a a）经皮注射式针电极经皮注射式针电极 （b b）丝电极丝电极丝电极丝电极一般采用外面涂有绝缘层，直径为一般采用外面涂有绝缘层，直径为25-125m25-125m的镍铬合金的镍铬合金丝做成，用于肌电的长期测量。丝做成，用于肌电的长期测量。针电极针电极一般用不锈钢材料制成，常用于肌电的测量，效果较体一般用不锈钢材料制成，常用于肌电的测量，效果较体表电极大表电极大5-75-7倍。倍。4141金属微电极金属微电极金金金金属属属属微微微微电电电

24、电极极极极是是在在不不锈锈钢钢、钨钨、铂铂等等金金属属上上喷喷涂涂聚聚合合物物、玻玻璃璃等等绝绝缘缘材材料料制制成成的的，其其尖尖端端裸裸露露。金金属属微微电电极极的的极极化化特特性性使使其其不不宜宜精精确确测测量量细细胞胞的的静静止电势，止电势，常用于活动电势的检测常用于活动电势的检测。金金属属微微电电极极包包括括单单点点测测量量微微电电极极和和多多重重微微电电极极，后后者者由由多多根根相相互互独独立立的的电电极极组组合合而而成成，能能同同时时测测量量多多点点电电位位。如如测测量量神神经经纤纤维维束束中中多多根根神神经经纤纤维维电位的多个单点电极。电位的多个单点电极。目目前前已已经经出出现现

25、的的有有用用半半导导体体材材料料制制作作的的多多重重微微电电极极和和经经磁磁化化处处理理的的、合合金金线线制制作作的的、每每个个电电极极可可独立移动的多重电极。独立移动的多重电极。4242玻璃微电极玻璃微电极玻璃微电极玻璃微电极玻璃微电极玻璃微电极一般用于细胞膜电势一般用于细胞膜电势(如静息电位如静息电位)的的测量。它是由毛细管热拉后，内部充入电导率溶测量。它是由毛细管热拉后，内部充入电导率溶液，再将电极丝放入制成，电极尖端直径一般小液，再将电极丝放入制成，电极尖端直径一般小于于1m1m。玻璃微电极较金属电极来讲，存在阻抗高、噪声玻璃微电极较金属电极来讲，存在阻抗高、噪声大等缺点。大等缺点。玻

26、璃微电极可以向检测部位注射微量药物。玻璃微电极可以向检测部位注射微量药物。4343常用医用物理传感器常用医用物理传感器物理传感器物理传感器是指基于物理学原理、检测机体物理学指标的一类传感器。物理传感器是生物医学传感器中的一个大类，其作用是将各种物理信号转化为电信号。下面介绍几种医学常用的物理传感器:4444（1）温度的测量和温度传感器）温度的测量和温度传感器温度是物理学中一个基本的物理量，自然界中的温度是物理学中一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。温度传感器是最一切过程无不与温度密切相关。温度传感器是最早开发、最古老，也是应用最广泛的一类传感器。早开发、最古老，也是应用最广

27、泛的一类传感器。在医学上通常将体温分为体表温度、深部温度在医学上通常将体温分为体表温度、深部温度(即即机体内部温度机体内部温度)和器官温度和器官温度(用流经器官的血液温用流经器官的血液温度来代替度来代替)，测量时应根据不同需要来选用不同类，测量时应根据不同需要来选用不同类型的温度传感器。型的温度传感器。4545温度传感器的发展历史温度传感器的发展历史首先把温度变成电信号的传感器是首先把温度变成电信号的传感器是18211821年由德国物年由德国物理学家赛贝克发明的，这就是后来的理学家赛贝克发明的，这就是后来的热电偶传感器热电偶传感器。5050年以后，另一位德国人西门子发明了年以后，另一位德国人西

28、门子发明了铂电阻温度铂电阻温度计计（RTDRTD）。）。后来，由于半导体材料的发明，本世纪相继开发了后来，由于半导体材料的发明，本世纪相继开发了半导体热敏电阻传感器半导体热敏电阻传感器、PNPN结温度传感器和集成结温度传感器和集成温度传感器温度传感器。根据波与物质的相互作用规律，人们又相继开发了根据波与物质的相互作用规律，人们又相继开发了声学温度传感器声学温度传感器、红外温度传感器红外温度传感器和和微波温度传感微波温度传感器器等。等。4646温度传感器的种类温度传感器的种类目前，温度传感器的种类很多，在医学上常用的有：n n热电偶温度传感器热电偶温度传感器热电偶温度传感器热电偶温度传感器n n

29、热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器n nPNPN结温度传感器和集成温度传感器结温度传感器和集成温度传感器结温度传感器和集成温度传感器结温度传感器和集成温度传感器n n红外热辐射式温度传感器。红外热辐射式温度传感器。红外热辐射式温度传感器。红外热辐射式温度传感器。4747热电偶温度传感器热电偶温度传感器当两种不同材质的导体，在某点互相连接在一起，对这个连当两种不同材质的导体，在某点互相连接在一起，对这个连接点加热，在它们不加热的部位就会出现电位差。这个电位接点加热，在它们不加热的部位就会出现电位差。这个电位差的数值与不加热部位测量点的温度以及这两种导体的材质

30、差的数值与不加热部位测量点的温度以及这两种导体的材质有关。这种现象被称为有关。这种现象被称为热电效应热电效应，也称，也称SeebackSeeback(赛贝克赛贝克)效应效应。4848医学测量中热电偶温度传感器种类较多，常用的有医学测量中热电偶温度传感器种类较多，常用的有杆状热电杆状热电偶偶和和片状热电偶片状热电偶。杆状热电偶是将金属丝放入注射针头中，经皮插入到待测部杆状热电偶是将金属丝放入注射针头中，经皮插入到待测部位，可用于测量口腔和直肠温度。位，可用于测量口腔和直肠温度。片状热电偶是用薄膜代替金属丝，最薄可达片状热电偶是用薄膜代替金属丝，最薄可达3-6m3-6m，将其固，将其固定在适当材料

31、的基片上，尺寸很小，直径达定在适当材料的基片上，尺寸很小，直径达mm数量级，响应数量级，响应速度很快，有的可用于测量细胞内的暂态温度。速度很快，有的可用于测量细胞内的暂态温度。（a a）杆状热电偶杆状热电偶（b b）片状热电偶片状热电偶 4949热敏电阻温度传感器热敏电阻温度传感器热热电电阻阻式式温温度度传传感感器器可可分分为为两两大大类类：纯纯金金属属电电阻阻（RTDRTD）和和半半导导体体材材料料热热敏敏电电阻阻，因因后后者者临临床床用用的的较较多多，这这里里重重点点介介绍绍热敏电阻式温度传感器。热敏电阻式温度传感器。在在生生物物医医学学测测量量中中通通常常将将热热敏敏电电阻阻的的探探头头

32、做做成成珠珠状状和和薄薄片片状状，体体积积非非常常小小(可可达达几几十十纳纳米米)，其其热热惯惯性性小小、响响应应速速度度快快。其其中中薄薄片片热热敏敏电电阻阻多多是是用用单单晶晶半半导导体体材材料料(如如SiCSiC)制制造造的的，在在它它的的外外表表涂涂覆覆一一层层高高强强度度绝绝缘缘漆漆类类材材料料作作绝绝缘缘防防护护，多多用用于于测测量量表表面面温温度度和和皮皮肤肤温温度度。还还有有一一种种注注射射针针型型的的测测稳稳探探头头是是用用微微型型珠珠状状热热敏敏电电阻阻封封装装于于注注射射针针头头的的顶顶端端制制成成的的，可可用用来来做动物实验及测量肌肉温度和浅表血管内的温度。做动物实验及

33、测量肌肉温度和浅表血管内的温度。5050PN结温度传感器和集成温度传感器结温度传感器和集成温度传感器PNPN结温度传感器是利用半导体结温度传感器是利用半导体PNPN结上正向电压降的温度效应结上正向电压降的温度效应设计而成的，其线性度好、灵敏度高、测量范围宽，还可与设计而成的，其线性度好、灵敏度高、测量范围宽，还可与放大器做在一起，体积小且性能稳定，可应用在低温测量和放大器做在一起，体积小且性能稳定，可应用在低温测量和植入动物体内长期检测使用。植入动物体内长期检测使用。临床上常用的临床上常用的PNPN结测温探头有杆式测温探头、小型测温探头、结测温探头有杆式测温探头、小型测温探头、针状测温探头和表

34、面测温探头，它们的不同在于半导体热敏针状测温探头和表面测温探头，它们的不同在于半导体热敏器件安装的方法和装配材料的不同，当然其时间常数也不同，器件安装的方法和装配材料的不同，当然其时间常数也不同，其中以小型测温探头最小，达其中以小型测温探头最小，达0.2S0.2S。5151红外热辐射式温度传感器红外热辐射式温度传感器上述温度传感器都属于上述温度传感器都属于接触式温度传感器接触式温度传感器，红外辐射式温，红外辐射式温度传感器则属于不需与被测对象接触的传感器，因而不会度传感器则属于不需与被测对象接触的传感器，因而不会影响人体的生理状态。影响人体的生理状态。根据根据PlanckPlanck辐射定律，

35、当物体的温度高于热力学温度零度辐射定律，当物体的温度高于热力学温度零度(-273.16)(-273.16)时，都要以电磁波的形式向周围辐射能量，时，都要以电磁波的形式向周围辐射能量，其其辐射频率和能量随物体的温度而定辐射频率和能量随物体的温度而定辐射频率和能量随物体的温度而定辐射频率和能量随物体的温度而定。人体辐射红外线的波长约在人体辐射红外线的波长约在3-16m3-16m之间，当体温改变时，之间，当体温改变时，所辐射的红外线能量就会改变，红外辐射测温装置就是根所辐射的红外线能量就会改变，红外辐射测温装置就是根据检测人体表面的辐射能量而确定体温的据检测人体表面的辐射能量而确定体温的 。5252

36、临临床床上上具具有有实实用用价价值值的的红红外外测测温温传传感感器器有有红红红红外外外外热热热热探探探探测测测测器器器器和和红外光电探测器红外光电探测器红外光电探测器红外光电探测器。红红红红外外外外热热热热探探探探测测测测器器器器是是全全全全波波波波长长长长的的红红外外探探测测器器，其其首首先先利利用用黑黑化化元元件件吸吸收收入入射射红红外外线线辐辐射射能能量量，使使感感温温元元件件温温度度升升高高，再再通通过过适适当当的的温温度度敏敏感感元元件件将将温温度度信信息息转转变变为为电电信信号号，采采用用的的温度敏感元件有热电偶、热敏电阻等。温度敏感元件有热电偶、热敏电阻等。红红红红外外外外光光光

37、光电电电电探探探探测测测测器器器器的的敏敏感感元元件件是是光光电电器器件件碲碲镉镉汞汞(HgCdTeHgCdTe)，它它能能将将接接收收到到的的红红外外线线转转化化为为电电信信号号。此此种种传传感感器器只只能能对对一一一一定定定定波波波波长长长长范范围围的的红红外外线线有有响响应应，并并且且需需在在低低温温(液液氮氮冷冷却却)下下工工作作。目目前前出出现现了了低低成成本本的的非非制制冷冷红红外外光光电电探探测测器器(Si(Si器器件件)。一一般般将将许许多多个个红红外外光光电电探探测测器器组组合合在在一一起起构构成成红红外外图图像像传传感感器器，它它是是红红外外热热像像仪仪的的关关键键部部分分

38、。红红外外热热像像仪仪在在乳乳腺癌的诊断中具有重要的意义。腺癌的诊断中具有重要的意义。5353（2）血流的测量和）血流的测量和血流量传感器血流量传感器血流量是生理研究和临床医学中最常测量的对象。血流量的检测方法有热热稀稀释释法法、电电磁磁流流量量计计法法和Doppler频频移移法法。不同的检测方法采用不同的传感器。5454Doppler频移血流计频移血流计DopplerDoppler频移血流计频移血流计频移血流计频移血流计，基于血，基于血液中的血细胞等运动微粒会液中的血细胞等运动微粒会使超声波产生反射发生频率使超声波产生反射发生频率改变的特性，人们开创了测改变的特性，人们开创了测量流量的量流量

39、的DopplerDoppler技术。通过技术。通过公式可以根据频率改变得到公式可以根据频率改变得到的差频即可求出血流速度。的差频即可求出血流速度。目前此超声血流计已成为临目前此超声血流计已成为临床上广为使用的常规无创检床上广为使用的常规无创检测法。测法。5555（3 3）光电式传感器）光电式传感器光光电电式式传传感感器器是是把把光光信信号号转转换换成成电电信信号号的的传传感感器器，它它可可以以直直接接检检测测来来自自人人体体的的辐辐射射信信息息，也也可可以以把把人人体体的的其其他他信信息息转换成光信号。转换成光信号。光光电电式式传传感感器器结结构构简简单单、非非接接触触、可可靠靠性性高高、精精

40、度度高高、反反应迅速，在生物医学领域应用广泛。应迅速，在生物医学领域应用广泛。光光电电脉脉搏搏传传感感器器、核核医医学学检检测测器器(如如伽伽马马照照相相机机)、红红外外热热成像和光导纤维血压传感器等是它的应用实例。成像和光导纤维血压传感器等是它的应用实例。5656光电传感器的物理原理光电传感器的物理原理它它的的物物理理基基础础是是光光电电效效应应。光光电电效效应应是是指指光光照照射射到到物物质质上上引引起起其其电电特特性性(电电子子发发射射、电电导导率率、电电位位电电流等流等)发生变化的现象。发生变化的现象。光光电电效效应应分分为为外外光光电电效效应应和和内内光光电电效效应应：外外光光电电效

41、效应应就就是是光光电电发发射射效效应应；内内光光电电效效应应有有光光导导效效应应、光光生伏特效应等几种。生伏特效应等几种。5757外光电效应外光电效应金金属属表表面面受受光光照照射射，其其表表面面和和内内部部的的电电子子吸吸收收光光能能后后逸逸出出金金属属表表面面的的现现象象，称称为为外外光光电电效效应应，亦亦称称光电发射效应光电发射效应。光导效应和光敏电阻光导效应和光敏电阻 光照射到绝大多数高电阻率半导体材料时，会引起光照射到绝大多数高电阻率半导体材料时，会引起该材料的电阻率下降而易于导电的现象，称该材料的电阻率下降而易于导电的现象，称光导效光导效光导效光导效应应应应。用具有光导效应的材料制

42、成的光敏器件，称之。用具有光导效应的材料制成的光敏器件，称之为为光敏电阻光敏电阻或或光导管光导管。5858光电脉搏测定原理光电脉搏测定原理这这是是由由光光敏敏电电阻阻和和一一个个光光源源组组成成的的光光电电脉脉搏搏传传感感器器的的原原理理图图。光光敏敏电电阻阻与与适适当当的的普普通通电电阻阻串串联联后后由由电电源源供供电电，光光源源在在加加电电时时发发光光，光光经经人人的的手手指指传传播播到到光光敏敏电电阻阻的的受受光光面面，当当人人手手指指的的微微血血管管的的血血流流随随微微血血管管的的脉脉压压变变化化时时，对对光光的的反反射射系系数数也也发发生生变变化化，使使光光敏敏电电阻阻接接收收到到的

43、的光光强强也也随随之之改改变变。把把光光敏敏电电阻阻被被微微血血管管反反射射的的光光信信号号转转换换成成指指脉脉电电信信号号，就就可可做做成成脉脉搏搏传感器。传感器。5959光电脉搏测定原理（光电脉搏测定原理（2 2）透透射射型型指指套套式式光光电电传传感感器器，由由发发光光二二极极管管和和光光敏敏三三极极管管组组成成。其其工工作作原原理理是是：发发光光二二极极管管发发出出的的光光透透射射过过手手指指，被被手手指指组组织织的的血血液液吸吸收收和和衰衰减减，然然后后由由光光敏敏三三极极管管接接收收。由由于于手手指指动动脉脉血血在在血血液液循循环环过过程程中中呈呈周周期期性性的的脉脉动动变变化化，

44、所所以以它它对对光光的的吸吸收收和和衰衰减减也也是是周周期期性性脉脉动动的的，于于是是光光敏敏三三极极管管输输出出信信号号的的变化也就反映了动脉血的脉动变化。变化也就反映了动脉血的脉动变化。发发光光二二极极管管采采用用红红色色单单色色光光，稳稳定定性性好好。传传感感器器做做成成遮遮光光指指套套式式，减减少少了了外外界界光光的的干干扰扰。将将传传感感器器套套在在手手指指上上，就就可可以以测测量量手手指指末末端端处处的的动动脉脉脉脉搏搏波波，使使用用方方便便，灵灵敏敏度度高高，性性能能稳定。稳定。6060脉搏血氧测量原理脉搏血氧测量原理 氧是维护生命的基础，氧是维护生命的基础，动脉血氧饱和度动脉血

45、氧饱和度是反映动脉是反映动脉血含氧程度的重要参数。血含氧程度的重要参数。人体内的血液通过心脏的收缩和舒张脉动地流人体内的血液通过心脏的收缩和舒张脉动地流过肺部，一定量的还原血红蛋白过肺部，一定量的还原血红蛋白(HbHb)与从肺泡中摄与从肺泡中摄取的氧气结合变成了氧合血红蛋白取的氧气结合变成了氧合血红蛋白(HbOHbO2 2)，而约，而约2 2的氧溶解在血浆里。这些血通过动脉系统一直输的氧溶解在血浆里。这些血通过动脉系统一直输送到毛细血管，然后将氧释放，以维持组织细胞的送到毛细血管，然后将氧释放，以维持组织细胞的新陈代谢。新陈代谢。6161脉搏血氧测量原理脉搏血氧测量原理血氧浓度的测量通常分血氧

46、浓度的测量通常分电化学电化学和和光学光学两类。两类。以以往往大大部部分分采采用用电电化化学学法法，如如临临床床和和实实验验室室常常用用的的血血气气分分析析仪仪，它它要要取取血血样样来来检检测测，尽尽管管可可以以得得到到精精确确结结果果，但但从从危危重重病病人人身身上上经经常常取取血血却却是是不不可可能能的的，且且其其操操作作复复杂杂、分分析析周周期期长长、不不能能连连续续监监测测。在在病病人人处处于于危危症症状状况况时时，就就不不易易使使其其得得到到及时的治疗。及时的治疗。6262脉搏血氧测量原理脉搏血氧测量原理脉脉搏搏血血氧氧测测定定法法是是一一种种克克服服这这些些缺缺点点的的新新型型光光学

47、学测测量量方方法法。在在符符合合临临床床要要求求的的前前提提下下，实实现现无无创创伤伤、长长时时间间连连续续监监测测血血氧氧饱饱和和度度，为为临临床床提提供供了了快快速速、简简便便、安安全全可可靠靠的的测测定定方方法法，可可用用于于手手术术室、室、ICUICU病房、急救病房和睡眠研究中。病房、急救病房和睡眠研究中。6363 脉脉搏搏血血氧氧测测定定法法的的测测量量原原理理是是对对普普通通血血氧氧计计光光学测量方法的发展。学测量方法的发展。根根据据吸吸光光定定律律，当当入入射射光光射射入入厚厚度度为为D D的的均均质质组织时，入射光组织时，入射光I I0 0与透射光与透射光I I之间的关系为：之

48、间的关系为：I=II=I0 0e e-ECD-ECD 式中：式中：C C为吸光物质的浓度；为吸光物质的浓度；E E为吸光物质的吸光系数。为吸光物质的吸光系数。定义物质的吸光度定义物质的吸光度A A为：为：A A1n(I1n(I0 0/I)=ECD/I)=ECD 6464脉脉搏搏血血氧氧测测定定法法是是基基于于血血液液中中氧氧合合血血红红蛋蛋白白(HbOHbO2 2)和和还还原原血血红红蛋蛋白白(HbHb)的的吸吸收收光光谱谱的的特特性性，运运用用Lambert-BeerLambert-Beer法法则则，在体浅表动脉处用光电器件获取两个不同波长的吸光值。在体浅表动脉处用光电器件获取两个不同波长的

49、吸光值。选选择择适适当当的的两两波波长长就就可可以以测测量量出出HbOHbO2 2和和HbHb的的百百分分含含量量。因因为为在在红红光光区区(660nm)(660nm)，HbHb和和HbOHbO2 2的的分分子子吸吸光光系系数数差差别别很很大大，主主要要反反映映HbHb的的吸吸收收；而而在在红红外外光光区区(925nm)(925nm)，HbHb和和HbOHbO2 2的的分子吸光系数差别很小，反映分子吸光系数差别很小，反映HbHb和和HbOHbO2 2吸收的综合效果。吸收的综合效果。设：设：=A=A1 1/A/A2 2 为两个波长的光吸收变化率为两个波长的光吸收变化率 则：则：SaOSaO2 2

50、a+ba+b a a和和b b是实验获取的两个系数。是实验获取的两个系数。6565脉搏血氧测量传感器脉搏血氧测量传感器6666 3 传感器的发展方向传感器的发展方向新型传感器的开发新型传感器的开发 这是发展高性能、高功能、低成本和小型化传这是发展高性能、高功能、低成本和小型化传感器的重要途径。制作此类传感器是利用各种物理、感器的重要途径。制作此类传感器是利用各种物理、化学效应和定律。新型传感器层出不穷，如利用量化学效应和定律。新型传感器层出不穷，如利用量子力学诸效应研制的高灵敏阀传感器，响应速度极子力学诸效应研制的高灵敏阀传感器，响应速度极快的红外传感器，光纤传感器等。高灵敏阀传感器快的红外传