一文讀懂生物醫學領域的感測器

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現代感測器的物理模型如圖所示：

對於傳統被測量而言，敏感膜就相當於感測器與被測對象的界面。在傳統的感測器前面附加一層根據不同需要而特製的敏感膜，即可表示化學感測器和生物感測器。二者的區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感測器。感測器中可存在兩個界面，一是被測介質和敏感膜間的界面，二是敏感膜和感測器間的界面。界面上發生著複雜的物理、化學或生物過程。

醫學對感測器的要求

1. 安全性高(特別是用於人體的感測器和換能器)，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。
3. 保證化學安全性高的要求是無毒性，無近期和遠期的致癌效應。
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、濾波技術、自適應技術、分子識別與離子識別技術。
6. 保證靈敏度高的措施是：物理、化學和生物放大技術。

醫學感測器的主要用途

1、檢測生物體信息：

如心臟手術前檢測心內壓力;心血管疾病的基礎研究中需要檢測血液的粘度以及血脂含量。

2、臨床監護

如病人在進行手術前後需要連續檢測體溫、脈搏、血壓、呼吸、心電等生理參數。

3、控制

利用檢測到的生理參數，控制人體的生理過程。如電子假肢

醫學中需要測量的量

生物醫學感測器的分類

按應用形式分類有：植入式感測器、暫時植入體腔(或切口)式感測器、體外感測器、用於外部設備的感測器

按工作原理分有：物理感測器(位移、力、溫度、濕度。。。)、化學感測器(各種化學物質)、生物感測器(各種酶、免疫、微生物、DNA。。。)、生物電電極感測器(心電、腦電、肌電、神經元放電。。。)

物理感測器

利用物理性質或物理效應製成的感測器叫物理感測器，或把物理量轉變為能為計算機識別的電學量的器件叫感測器。

生物醫學用物理感測器的分類和用途

力感測器用來測量重量;壓電薄膜感測器用於測量心率和呼吸模式;熱電堆感測器用於測量體溫;血氧感測器用於測量血氧含量;CO2，感測器用於測量新陳代謝;流量感測器用於輔助呼吸;力感測器用於測量氧氣瓶中剩餘的氧氣含量。

化學感測器

化學感測器是把化學成分、濃度等轉換成與之有確切關係的電學量的器件。它多是利用某些功能性膜對特定化學成分的選擇作用把被測成分篩選出來，進而用電化學裝置把它變為電學量。

一般多是依賴膜電極的響應機理、膜的組成或膜的結構進行分類。如離子選擇電極換能器、氣敏電極換能器、濕敏電極換能器、塗絲電極換能器聚合物基質電極換能器、離子敏感場效應管換能器、離子選擇微電極換能器、離子選擇薄片換能器。

生物醫學用各種化學換能器測量的化學物質有：K+、Na+、Ca2+、Cl-、O2、CO2、NH3、H+、Li+ 等。

生物感測器

生物感測器利用生物活性物質選擇性的識別和測定實現測量，主要由兩大部分組成：一為功能識別物質(分子識別元件)，由其對被測物質進行特定識別;其二是電、光信號轉換裝置(換能器)，由其把被測物所產生的化學反應轉換成便於傳輸的電信號或光信號。

最先問世的生物感測器是酶電極，Clark和Lyons最先提出組成酶電極的設想。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，而各種酶多數都來自微生物或動植物組織，因此自然地就啟發人們研究酶電極的衍生型：微生物電極、細胞器電極、動植物組織電極以及免疫電極等新型生物感測器，使生物感測器的類別大大增多;

進入本世紀80年代之後，隨著離子敏場效應晶體管的不斷完善，於1980年Caras和Janafa率先研製成功可測定青黴素的酶FET。

生物感測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電極、半導體、熱敏電阻、表面等離子體、壓電晶體等

生物感測器的分類

按分子識別元件分

按器件分類

酶感測器

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上是加速底物分解速度。

酶感測器由固定酶和基礎電極組成，酶電極的設計主要考慮酶催化過程產生或消耗的電極活性物質，如一個酶催化反應是耗O2過程，就可以使用O2電極或H2O2電極;若酶催化反應過程產生酸，即可使用PH電極。

酶感測器信號變換方法

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有關的各種離子的濃度。一般採用銨離子電極(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有關的物質的電極反應得到的電流值來計算被測物質的方法。電化學裝置採用的是氧電極。燃料電池型電極和過氧化氫電極等;

葡萄糖感測器

工作原理

測量氧消耗量的葡萄糖感測器+測H2O2生成量的葡萄糖感測器

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、測由葡萄糖酸而產生的PH變化。

測量氧消耗量的葡萄糖感測器

氧電極構成：①由Pb陽極和Pt陰極浸入鹼溶液，②陰極表面用氧穿透葡萄糖(基質)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Pt陰極上，當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生成量的葡萄糖感測器

葡萄糖氧化酶(GOD)

葡萄糖+H2O+O2―――――――→葡萄糖酸+H2O2

葡萄糖氧化產生H2O2，而H2O2通過選擇性透氣膜，在Pt電極上氧化，產生陽極電流。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，則產生的陽極電流為：H2O2―――――――→ O2+2H++2e

微生物感測器

微生物感測器分為好氣性微生物感測器和厭氣性微生物感測器

將感測器放入含有有機化合物的被測溶液中，有機物向微生物膜擴散而被微生物攝取(稱為資化)。

好氣性微生物感測器

微生物的呼吸可用氧電極或二氧化碳電極來測定結構

O2電極好氣性微生物感測器響應曲線

厭氣性微生物感測器

可測定微生物代謝產物，可用離子選擇電極來測定

甲酸感測器(厭氣性)原理：

將產生氫的酪酸梭狀芽菌固定在低溫膠凍膜上，並把它固定在燃料電池Pt電極上;

當感測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散，被資化後產生H2,而H2又穿過Pt電極表面上的聚四氟乙烯膜與Pt電極產生氧化還原反應而產生電流，此電流與微生物所產生的H2含量成正比，而H2量又與待測甲酸濃度有關，因此感測器能測定發酵溶液中的甲酸濃度。

免疫感測器

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

抗原或抗體一經固定於膜上，就形成具有識別免疫反應強烈的分子功能性膜。如，抗原在乙醯纖維素膜上進行固定化，由於蛋白質為雙極性電解質，(正負電極極性隨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。故根據抗體膜電位的變化，可測知抗體的附量。

現代醫用感測器技術已經擺脫了傳統醫用感測器體積大、性能差等技術缺點，形成了智能化、微型化、多參數、可遙控和無創檢測等全新的發展方向，並取得了一系列的技術突破。其他一些新型的感測器如DNA感測器，光纖感測器等也方興未艾。醫用感測器技術的革新必將推動現代臨床醫學的更快發展。

隨著信息時代的到來,感測器技術已經成為信息社會的重要技術基礎,而醫學感測器也勢必要緊緊抓住這一機遇,努力朝著智能化、微型化、多參數、可遙控和無創檢測等方面發展，為促進現代醫學發展提供重要推動力。相信在醫用感測器不斷提高其科技含量的同時，醫用感測器在醫學領域中的應用也將越來越廣泛。

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