电极传感器 一文读懂生物医学领域的传感器

注意力

生物医学传感器是生物医学科学技术的先锋，生物医学研究的正确结论取决于生物医学传感器的正确测量。传感器是一门非常综合性的科学技术。

现代传感器的物理模型如下所示:

对于传统的测量，敏感膜相当于传感器和被测物体之间的界面。在传统传感器的前面增加了根据不同需求特制的敏感膜，可以代表化学传感器和生物传感器。它们之间的区别取决于它们是否有生物活性。生物传感器是具有生物活性的膜材料。传感器中有两个接口，一个是被测介质与敏感膜之间的接口，另一个是敏感膜与传感器之间的接口。复杂的物理、化学或生物过程发生在界面上。

传感器的医疗要求

1.高安全性(特别是用于人体的传感器和换能器)，高灵敏度和高信噪比(高选择性)。

2.确保物理安全的措施是电气隔离和浮动技术。

3.确保高化学安全性的要求是无毒，无短期和长期致癌作用。

4.为保证高生物安全性，DNA和RNA不发生突变。

5.保证高选择性的措施是利用共振效应、过滤技术、自适应技术、分子识别和离子识别技术。

6.确保高灵敏度的措施是物理、化学和生物扩增技术。

医用传感器的主要用途

1.检测生物信息:比如心脏手术前检测心内压力；在心血管疾病的基础研究中，需要检测血液的粘度和脂质含量。

2.临床监护

比如病人在手术前后需要连续检测体温、脉搏、血压、呼吸、心电图等生理参数。

3.控制

利用检测到的生理参数来控制人体的生理过程。例如电子假体

医学上要测量的量

生物医学传感器的分类

根据申请表，有植入式传感器、临时植入体腔(或切口)的传感器、体外传感器和外部设备传感器

植入式传感器

根据工作原理，有:物理传感器(位移、力、温度、湿度。。。)，化学传感器(各种化学品)，生物传感器(各种酶，免疫，微生物，DNA。。。)，生物电电极传感器(心电图、脑电图、肌电图、神经元放电。。。)

物理传感器

由物理性质或物理效应制成的传感器称为物理传感器，将物理量转化为计算机能识别的电学量的装置称为传感器。

生物医学物理传感器的分类及应用

力传感器用于测量重量；压电薄膜传感器用于测量心率和呼吸模式；热电堆传感器用于测量体温；血氧传感器用于测量血氧含量；CO2，传感器用于测量新陈代谢；流量传感器用于辅助呼吸；力传感器用于测量氧气罐中的剩余氧气含量。

化学传感器

化学传感器是一种转换化学成分、浓度等的装置。转换成与之有精确关系的电学量。它大多是利用一些功能膜来选择特定的化学成分，然后利用电化学装置将其转化为电量。

一般要根据膜电极响应机制、膜组成或膜结构来分类。如离子选择电极换能器、气敏电极换能器、湿敏电极换能器、涂丝电极换能器、聚合物基质电极换能器、离子敏感场效应管换能器、离子选择微电极换能器和离子选择片换能器。

生物医学中各种化学传感器测得的化学物质包括K+、Na+、Ca2+、Cl-、O2、CO2、NH3、H+、Li+等。

生物传感器

生物传感器利用生物活性物质的选择性识别和测定来实现测量，主要由两部分组成:一部分是功能识别物质(分子识别元件)，对被测物质进行特异性识别；另一种是光电信号转换装置(换能器)，将被测物体产生的化学反应转换成便于传输的电信号或光信号。

第一个生物传感器是酶电极，克拉克和莱昂斯首先提出了组成型酶电极的思想。20世纪70年代中期，人们注意到酶电极的寿命普遍较短，纯化的酶价格昂贵，大部分酶来自微生物或动植物组织，这自然启发人们研究新的生物传感器，如微生物电极、细胞器电极、动植物组织电极和免疫电极，大大增加了生物传感器的种类。

自20世纪80年代以来，随着离子敏感场效应晶体管的不断改进，1980年，卡拉斯和贾纳法率先成功研制出用于青霉素测定的酶场效应晶体管。

生物传感器的组成和基本原理

1.分子识别元件

2.传感器

传感器包括电化学电极、半导体、热敏电阻、表面等离子体、压电晶体等

生物传感器的分类

根据分子识别元素

按设备分类

酶传感器

酶的催化作用是在一定条件下分解底物，所以酶的催化作用本质上是加快底物的分解速度。

酶传感器由固定化酶和碱性电极组成。酶电极的设计主要考虑酶催化过程中产生或消耗的电极活性物质。如果一个酶催化反应是消耗O2的过程，可以用O2电极，也可以用H2O2电极。如果酶催化反应过程产生酸，可以使用PH电极。

酶传感器的信号转换方法

1.潜在方法

电位法是通过在不同的受体中产生不同的离子，由测得的膜电位计算与酶反应有关的各种离子的浓度。一般使用铵离子电极(氨电极)、氢离子电极、碳氧化物电极；

2.当前方法

电流法是由酶反应相关物质的电极反应得到的电流值计算被测物质的方法。电化学装置采用氧电极。燃料电池电极和过氧化氢电极等。；

葡萄糖传感器

工作原理

用于测量氧消耗的葡萄糖传感器+用于测量H2O2产生的葡萄糖传感器

氧化酶(GOD):葡萄糖+H2O+O2-→葡萄糖酸+H2O2

因此，测量葡萄糖浓度的方法有三种:1。测量O2消耗量；2.测量产生的H2O2量；3.测量葡萄糖酸引起的酸碱度变化。

用于测量氧消耗的葡萄糖传感器

氧电极由:①浸在碱性溶液中的铅阳极和铂阴极组成；②阴极表面覆盖有透氧葡萄糖(底物)膜[特氟隆，约10微米厚]。

氧电极测量O2的原理:利用氧首先在阴极还原的特性。溶液中的O2通过特氟隆膜到达铂阴极。当一个DC电压施加到铂阴极(如0.7V)时，氧分子在铂阴极上得到电子并被还原:电流值与O2的浓度成正比。

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

用于测量H2O2产生的葡萄糖传感器

葡萄糖氧化酶

葡萄糖+H2O+O2->葡萄糖酸+H2O2

葡萄糖被氧化产生H2O2，H2O 2通过选择性气体渗透膜在铂电极上被氧化产生阳极电流。葡萄糖含量与电流成正比，因此可以测量葡萄糖溶液的浓度。

当对铂电极施加0.6V的电压时，阳极电流为H2O2-→ O2+2h++2e

微生物传感器

微生物传感器分为好氧微生物传感器和厌氧微生物传感器

将传感器放入含有有机化合物的被测溶液中，有机物扩散到微生物膜上，被微生物吸收(称为资本化)。

好氧微生物传感器

微生物的呼吸作用可以通过氧电极或二氧化碳电极来测定

O2电极好氧微生物传感器的响应曲线

厌氧微生物传感器

微生物的代谢产物可以通过离子选择电极来测定

甲酸传感器原理(厌氧):

产氢丁酸梭杆菌固定在低温凝胶膜上，固定在燃料电池铂电极上；

当传感器浸入含有甲酸的溶液中时，甲酸通过聚四氟乙烯膜扩散到丁酸梭菌，资本化后产生H2，H2通过铂电极表面的聚四氟乙烯膜与铂电极发生氧化还原反应产生电流，电流与微生物产生的H2含量成正比，H2的量与待测甲酸的浓度有关，因此传感器可以测量发酵液中甲酸的浓度。

免疫传感器

免疫传感器的基本原理是免疫反应。利用固定化抗体(或抗原)膜与相应抗原(或抗体)之间的特异性反应，生物敏感膜的潜力发生变化。

抗原或抗体一旦固定在膜上，就形成了具有较强识别免疫应答的分子功能膜。例如，当抗原固定在乙酰纤维素膜上时，由于蛋白质是双极电解质(正负电极的极性随PH值变化)，抗原固定化膜具有表面电荷。膜电位随膜电荷而变化。因此，根据抗体膜电位的变化，可以测定抗体的附着量。

现代医学传感器技术摆脱了传统医学传感器体积大、性能差的技术缺点，形成了智能化、小型化、多参数、远程控制、无创检测等新的发展方向，取得了一系列技术突破。DNA传感器、光纤传感器等其他新型传感器也方兴未艾。医学传感器技术的创新将促进现代临床医学的更快发展。

随着信息时代的到来，传感器技术已经成为信息社会的重要技术基础，医学传感器必将抓住这一机遇，努力向智能化、小型化、多参数、远程控制和无创检测方向发展，为现代医学的发展提供重要的动力。随着医学传感器科技含量的不断提高，医学传感器将在医学领域得到广泛应用。

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