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生物传感器的特点以及在医疗领域的应用龙8国际long88,各种传感器在生物医学领域的奇妙应用

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生物传感器中包含抗体、抗原、蛋白质、DNA或者酶等生物活性材料,待测物质进入传感器后,分子识别然后发生生物反应并产生信息,信息被化学换能器或者物理换能器转化为声、光、电等信号,仪器将信号输出,我们就能够得到待测物质的浓度。

生物医学传感器是生物医学科学和技术的尖兵,也是生物医学工程技术中的一个先导和核心技术,它与生物力学、生物材料、人体生理、生物医学电子与医疗仪器、信号与图像处理等其他生物医学工程技术直接相关,生物医学研究的正确结论有赖于生物医学传感器的正确测量。而传感器是一门十分综合的科学和技术。

传感器的主要组成部分是感受器和换能器,再将信号通过自动化仪表技术和微电子技术处理,就能构成各种仪器或者系统。

现代传感器的物理模型如图所示:

按照换能器种类分类,可以分为声波传感器、半导体传感器、热传感器、阻抗传感器等;按照分子识别元件种类分类,可以分为免疫传感器、细胞传感器和组织传感器等。

对于传统被测量而言,敏感膜就相当于传感器与被测对象的界面。在传统的传感器前面附加一层根据不同需要而特制的敏感膜,即可表示化学传感器和生物传感器。二者的区别就看是否具有生物活性。具有生物活性的膜材料就是生物传感器。传感器中可存在两个界面,一是被测介质和敏感膜间的界面,二是敏感膜和传感器间的界面。界面上发生着复杂的物理、化学或生物过程。

传统医学检验大多是酶分析法,这种方法步骤繁琐,费用较高,而采用生物传感器的方法,虽然试剂价格昂贵但是可以多次使用;生物传感器有很强的转移性,即只对特定的底物发生反应,不论其浊度和颜色如何;再者分析速度较快,一般一分钟就能得到结果;误差能够控制在1%以内,准确度可以保证;相对于酶分析法操作更加简便,可以进行自动化分析;生物传感器检验效率更高。上述都是生物传感器的优点。

医学对传感器的要求

生物传感器有很多种,下面针对其中几种传感器在医学领域中的运用展开分析。

1、安全性高(特别是用于人体的传感器和换能器),灵敏度高,信噪比高(选择性高)。

微生物传感器的感受器是含有微生物的膜,工作原理是微生物会消耗待测溶液中的溶解氧,放出热量或者光,达到定量检测待测物质的目的。相对于酶传感器,微生物传感器使用稳定并且成本更低,但是使用范围不及酶传感器,数据显示,微生物传感器能够检测的物质约为60种到70种。微生物会受到待测物质的毒害影响,这是影响传感器准确度和寿命的主要因素,解决了这个问题,微生物传感器市场化指日可待。

2、保证物理安全性的措施是电的隔离、浮置技术。

这种传感器的敏感元件是固定化酶,使用酶传感器就不需要花费大量精力去提取酶。临床上测定尿素、葡萄糖、乳酸、天门冬酰胺等生化指标可以采用酶传感器,例如现在的葡萄糖酶传感器已经发展到了第四代,应用范围广泛,并且国际上乳酸酶传感器技术已经相当成熟。临床上要检验患者肾功能就要进行肾功能诊断,然后针对性的实施人工透析,这种情况下就要使用尿素传感器。酶传感器研究时间和发展时间都较长,市场上的酶传感器已经达到了超过200种。

3、保证化学安全性高的要求是无毒性,无近期和远期的致癌效应。

基因传感器是近年来才出现的一种传感器,但是技术先进,国内外也有很多专家学者针对基因传感器进行研究,现在已经成为研究热点之一。基因传感器的基础是杂交高特异性,一般基因传感器上有30个左右的核苷酸单链核酸分子,通过和靶序列杂交测定目标核酸分子。现在研究和使用较多的基因传感器是DNA传感器,主要用于结核杆菌、艾滋病毒和乙肝炎病毒等的检测,从而达到诊断疾病的目的。

4、保证生物安全性高的要求是无DNA和RNA突变。

1、医用生物传感器

5、保证选择性高的措施是利用共振效应、滤波技术、自适应技术、分子识别与离子识别技术。

随着生物传感技术的发展,在医疗器械范围内开辟出更多专业的领域。从病毒和疾病检测到康复和药物剂量等。以下的一些生物传感器装置,可能会在医疗领域产生巨大显著的影响。

6、保证灵敏度高的措施是:物理、化学和生物放大技术。

2、葡萄糖监测

医学传感器的主要用途

因为研究人员寻求开发可穿戴式生物传感器,可以通过皮肤上的汗水监测患者的葡萄糖水平,生物传感技术很可能成为糖尿病患者不同人生的制造者。德克萨斯大学达拉斯分校已经开发出一种大约25美分尺寸大小的传感器,可以检测汗液中的皮质醇,并提供来自周围汗液的实时数据。
一种可以集成到微流控芯片中的光纤葡萄糖传感器,
可以测量血糖水平的廉价便携式设备。最近,我们看到了各种不同的技术,都是旨在提供一种较少侵入性的葡萄糖监测方法,甚至纹身形式的传感技术——所有需要做的就是扎一下手指头,就结束了。有了这些新技术,这些传感器的实体可能比以往任何时候都更接近我们。

1、检测生物体信息:如心脏手术前检测心内压力;心血管疾病的基础研究中需要检测血液的粘度以及血脂含量。

3、检测DNA突变

2、临床监护

新的电石墨烯生物传感器芯片可能是第一种被用作生物医学植入物,可以实时读取和检测DNA突变的芯片。
一种廉价的生物传感器技术,可以高分辨率检测人类基因突变,并能把数据无线传输到移动设备上。该技术可以引领全新一代的诊断方法和个性化治疗,因为生物传感器芯片可用于进行活检和详细的DNA测序。由于芯片连接到石墨烯晶体管,它使芯片能够以电子方式运行——使其成为第一个将动态DNA纳米技术与高分辨率电子传感相结合的产品。

如病人在进行手术前后需要连续检测体温、脉搏、血压、呼吸、心电等生理参数。

4、疾病诊断

3、控制

一种新的生物传感器能够检测出与神经退行性疾病以及几种不同类型癌症相关的特定分子。该装置被设计为在与谷胱甘肽S-转移酶接触时反应,谷胱甘肽S-转移酶是一种与帕金森氏病、阿尔茨海默病、乳腺癌和其他疾病相关的酶。该装置是玻璃载片上的有机纳米级晶体管,使用纳米级系统识别特定分子,可以被用来快速和安全地诊断复杂疾病。该装置的便携性和低成本使其适用于任何实际的生活环境中,并且可以经过调整改进用于检测与不同疾病相关的其他物质或分子。该团队最终计划创建一个基于纸张的生物传感器,尽可能的进一步改善便携性和成本费用。

利用检测到的生理参数,控制人体的生理过程。如电子假肢

5、病毒检测

医学中需要测量的量

生物感测技术可以在病毒检测中发挥重要作用。
一种新的纳米生物传感器,可以在短短2至3小时内检测到各种不同的病毒。传统的测试方法可能需要一到三天才能完成,然而,这种新的生物传感器使用增频转换发光共振能量转移用于液相系统中的超灵敏病毒检测。该技术的设计和操作简单,并且不需要使用任何昂贵的设备或专业技能。该技术还被设计用于识别几乎任何已知的目标病毒的基因序列。迟早,这个技术甚至可以经过调整改进用于在单个测试平台上识别多种流感病毒。

生物医学传感器的分类

按应用形式分类有:植入式传感器、暂时植入体腔(或切口)式传感器、体外传感器、用于外部设备的传感器

植入式传感器

按工作原理分有:物理传感器(位移、力、温度、湿度。。。)、化学传感器(各种化学物质)、生物传感器(各种酶、免疫、微生物、DNA。。。)、生物电电极传感器(心电、脑电、肌电、神经元放电。。。)

物理传感器

利用物理性质或物理效应制成的传感器叫物理传感器,或把物理量转变为能为计算机识别的电学量的器件叫传感器。

生物医学用物理传感器的分类和用途

力传感器用来测量重量;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瓶中剩余的氧气含量。

化学传感器

化学传感器是把化学成分、浓度等转换成与之有确切关系的电学量的器件。它多是利用某些功能性膜对特定化学成分的选择作用把被测成分筛选出来,进而用电化学装置把它变为电学量。

一般多是依赖膜电极的响应机理、膜的组成或膜的结构进行分类。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、离子选择薄片换能器。

生物医学用各种化学换能器测量的化学物质有: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选择性的识别和测定实现测量,主要由两大部分组成:一为功能识别物质(分子识别元件),由其对被测物质进行特定识别;其二是电、光信号转换装置(换能器),由其把被测物所产生的化学反应转换成便于传输的电信号或光信号。

最先问世的生物传感器是酶电极,Clark和Lyons最先提出组成酶电极的设想。70年代中期,人们注意到酶电极的寿命一般都比较短,提纯的酶价格也较贵,而各种酶多数都来自微生物或动植物组织,因此自然地就启发人们研究酶电极的衍生型:微生物电极、细胞器电极、动植物组织电极以及免疫电极等新型生物传感器,使生物传感器的类别大大增多;

进入本世纪80年代之后,随着离子敏场效应晶体管的不断完善,于1980年Caras和Janafa率先研制成功可测定青霉素的酶FET。

生物传感器的组成与基本原理

1、分子识别元件

2、换能器

换能器种类有电化学电极、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

按分子识别元件分

按器件分类

酶传感器

酶的催化作用是在一定条件下使底物分解,故酶的催化作用实质上是加速底物分解速度。

酶传感器由固定酶和基础电极组成,酶电极的设计主要考虑酶催化过程产生或消耗的电极活性物质,如一个酶催化反应是耗O2过程,就可以使用O2电极或H2O2电极;若酶催化反应过程产生酸,即可使用PH电极。

酶传感器信号变换方法

1、电位法

电位法是通过不同离子生成在不同感受体,从测得膜电位去计算与酶反应有关的各种离子的浓度。一般采用铵离子电极(氨气电极)、氢离子电极、氧化碳电极等;

2、电流法

电流法是从与酶反应有关的物质的电极反应得到的电流值来计算被测物质的方法。电化学装置采用的是氧电极。燃料电池型电极和过氧化氢电极等;

葡萄糖传感器

工作原理

测量氧消耗量的葡萄糖传感器+测H2O2生成量的葡萄糖传感器

氧化酶(GOD):葡萄糖+H2O+O2――――――→葡萄糖酸+H2O2

故葡萄糖浓度测试方法有三种:1、测耗量O2;
2、测H2O2生成量;3、测由葡萄糖酸而产生的PH变化。

测量氧消耗量的葡萄糖传感器

氧电极构成:①由Pb阳极和Pt阴极浸入碱溶液,②阴极表面用氧穿透葡萄糖(基质)膜覆盖[特氟隆,厚约10μm]。

氧电极测O2原理:利用氧在阴极上首先被还原的特性。溶液中的O2穿过特氟隆膜到达Pt阴极上,当外加一个直流电压为氧的极化电压(如0.7V)时,则氧分子在Pt阴极上得电子,被还原:其电流值与含O2浓度成比例。

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

测H2O2生成量的葡萄糖传感器

葡萄糖氧化酶(GOD)

葡萄糖+H2O+O2―――――――→葡萄糖酸+H2O2

葡萄糖氧化产生H2O2,而H2O2通过选择性透气膜,在Pt电极上氧化,产生阳极电流。葡萄糖含量与电流成正比,由此可测出葡萄糖溶液浓度。

在Pt电极上加0.6V电压时,则产生的阳极电流为:H2O2―――――――→ O2+2H++2e

微生物传感器

微生物传感器分为好气性微生物传感器和厌气性微生物传感器

将传感器放入含有有机化合物的被测溶液中,有机物向微生物膜扩散而被微生物摄取(称为资化)。

好气性微生物传感器

微生物的呼吸可用氧电极或二氧化碳电极来测定结构

O2电极好气性微生物传感器响应曲线

厌气性微生物传感器

可测定微生物代谢产物,可用离子选择电极来测定

甲酸传感器(厌气性)原理:

将产生氢的酪酸梭状芽菌固定在低温胶冻膜上,并把它固定在燃料电池Pt电极上;

当传感器浸入含有甲酸的溶液时,甲酸通过聚四氟乙烯膜向酪酸梭状芽菌扩散,被资化后产生H2,而H2又穿过Pt电极表面上的聚四氟乙烯膜与Pt电极产生氧化还原反应而产生电流,此电流与微生物所产生的H2含量成正比,而H2量又与待测甲酸浓度有关,因此传感器能测定发酵溶液中的甲酸浓度。

免疫传感器

免疫传感器基本原理是免疫反应。利用固定化抗体(或抗原)膜与相应的抗原(或抗体)的特异反应,使得生物敏感膜的电位发生变化。

抗原或抗体一经固定于膜上,就形成具有识别免疫反应强烈的分子功能性膜。如,抗原在乙酰纤维素膜上进行固定化,由于蛋白质为双极性电解质,(正负电极极性随PH值而变)所以抗原固定化膜具有表面电荷。其膜电位随膜电荷要变化。故根据抗体膜电位的变化,可测知抗体的附量。

现代医用传感器技术已经摆脱了传统医用传感器体积大、性能差等技术缺点,形成了智能化、微型化、多参数、可遥控和无创检测等全新的发展方向,并取得了一系列的技术突破。其他一些新型的传感器如DNA传感器,光纤传感器等也方兴未艾。医用传感器技术的革新必将推动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,而医学传感器也势必要紧紧抓住这一机遇,努力朝着智能化、微型化、多参数、可遥控和无创检测等方面发展,为促进现代医学发展提供重要推动力。相信在医用传感器不断提高其科技含量的同时,医用传感器在医学领域中的应用也将越来越广泛。

医疗保健高层次的追求、早期诊断、快速诊断、床边监护、在体监测等对传感技术的需求,生命科学深层次的研究,分子识别、基因探针、神经递质与神经调质的监控等对高新传感技术的依赖,为生物医学传感技术的发展提供了客观条件。微电子技术与光电子技术、分子生物学、生化技术等新学科、新技术的发展为生物医学传感技术的进步奠定了技术基础。在这些背景条件下,生物医学传感技术在国际上得到了快速的发展并取得了明显的进步。

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