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0904054生物医学传感器与测量教学大纲

0904054生物医学传感器与测量教学大纲
0904054生物医学传感器与测量教学大纲

《生物医学传感器与测量》课程教学大纲

一、课程基本信息

课程编号:0904054

课程中文名称:生物医学传感器与测量

课程英文名称:Sensor and Measure of Biomedicine

课程性质:专业主干课程

考核方式:考试

开课专业:生物医学工程

开课学期:6

总学时:24(其中理论16学时,实验8学时)

总学分:1.5

二、课程目的

本课程是生物医学工程专业的主干课程。通过讲述生物医学传感器的工作原理、功能特性、测量电路和在医学上的应用等内容,使学生了解医学测量常用的传感器知识,掌握传感器的原理和特性,并具有运用这些理论与方法去解决工程实践中遇到问题的能力。

三、教学基本要求(含素质教育与创新能力培养的要求)

1、掌握物理传感器的工作原理及一般的测量方法。学习物理传感器在医学检测仪器中

的应用,了解适用的范围,并能够运用不同特性的传感器进行人体测量。

2、了解其他化学传感器及生物传感器等的工作原理及测量方法。

3、了解掌握传感器与微机接口技术、生物医学测量系统组成。

四、教学内容与学时分配

第一章物理传感器应用(6学时)

掌握压力传感器及血压的测量、心音传感器及心音的测量、血流传感器及测量血流的仪器和方法、呼吸传感器和温度传感器。

实验一:血压传感器的使用与测量(4学时)

实验二:血氧饱和度传感器的使用与测量(4学时)

第二章化学传感器(4学时)

掌握离子选择性电极、电化学气体传感器、半导体陶瓷气体传感器、半导体场效应化学

传感器的原理和用途。

第三章生物传感器(4学时)

了解掌握生物传感器的原理和特点、生物传感器的分类、生物活性物质固定化技术,了解酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、生物传感器在医学中的应用。

第四章生物医学测量系统(2学时)

掌握测量电桥、传感器与微机接口、传感器输出信号的计算机处理、生物医学测量系统的概念、原理、方法。

五、教学方法及手段(含现代化教学手段)

课堂讨论、讲授、多媒体授课、实验。

六、实验(或)上机内容

实验一:血压传感器的使用与测量(4学时)必做

血压传感器的使用,测量血压值并分析结果。

实验二:血氧饱和度传感器的使用与测量(4学时)必做

血氧饱和度传感器的使用,测量血氧饱和度并分析结果。

七、先修课程

先修课程:大学物理A、普通化学、现代生物学、检测与转换技术。

八、教材及主要参考资料

[1] 彭承琳.生物医学传感器原理及应用[M].高等教育出版社,2000.

[2] 徐恕宏.传感器原理及其设计基础[M].机械工业出版社,1989.

[3] 陈延航.生物医学测量[M].人民卫生出版社,1984.

[4] 张先恩.生物传感器技术原理与应用[M].吉林科学技术出版社,1991.

九、课程考核方式

期末闭卷考试占50%,实验占20%,平时大作业占30%。

撰写人签字:院(系)教学院长(主任)签字:

生物医学传感器与检测技术教学

《生物医学传感器与检测技术实验》教案大纲 张日欣李元斌 一、课程名称:生物医学传感器与检测技术实验 Experiments in Biomedical Sensor & Detecting Techniques 二、课程编码:0702831 三、学时与学分:24/1.5 四、先修课程:数字电子技术,模拟电子技术,项目生理学,电子测试与实验,生物医学测量与仪器实验。 五、课程教案目标 1.本课程是生物医学项目专业的一门专业课,它应用电子技术,传感器测量技术和计算机技术,解决生物医学领域中的信号提取,检测和处理以及生物医学仪器的设计等问题; 2.使学生了解典型医学仪器的原理、特点和性能指标,学习正确使用传感器,设计检测电路,掌握基本测量技术; 3.为医学仪器设计奠定基础。 六、适用学科专业 生物医学项目 七、基本教案内容与学时安排 ●热敏器件及温度传感器特性实验<4学时) ●压力传感器性能实验<4学时) ●气敏传感器特性实验<4学时) ●光电式脉搏探测器<4学时) ● ECG前置放大器<4学时) ●陷波器仿真、制作与调试<4学时) ●安全隔离设计与调试<4学时) ● ECG放大器的整体调试<4学时) ● 12导联心电工作站的原理及使用<4学时) 八、教材及参考书: 教材:生物医学电子技术与信号处理实验指导书,张日欣、李元斌、邹昂等自编教材,武汉:华中科技大学教材科,2004年9月 参考文献: 1.生物医学检测技术讲义,杨玉星自编教材,1998年 2.生物医学电子学,蔡建新,张唯真,北京大学出版社,1997年 3.传感器原理与应用,黄贤钨,电子科技大学出版社,1999年 4.生物医学测量,陈延航,人民卫生出版社,1986年 5.医学物理,刘普和,人民卫生出版社,1986年 6.医学仪器-应用与设计,约翰G.韦伯斯特,新时代出版社,1985年 7.Protel 98 for windows 电路设计应用指南,程凡等,人民邮电出版社,1999年 九、考核方式 实验报告+实践表现 《生物医学测量与仪器实验》教案大纲

最新重庆大学《生物医学传感器原理与应用》第二章--传感器基础

第二章 传感器基础 §2-1 传感器的静态特性 医用传感器的输入量可以分为静态量与动态量两大类。 静态量:是指固定状态的信号或变化极其缓慢的信号(准静态量)。 动态量:通常是指周期信号、瞬变信号或随机信号。 无论对动态量或静态量,传感器输出量都应不失真地复现输入生理量的变化,其关健决定于传感器的静态特性与动态特性。 一.传感器的静态特性 传感器的静特性—表示传感器在被测量处于稳定状态,输入量为恒定值而不随时间变化时,其相应输出量亦不随时间变化,这时输出量与输入量之间的关系称为静态特性。 这种关系一般根据物理、化学、生物学的“效应”和“反应定律”得到,具有各种函数关系。 传感器的输出输入关系或多或少的存在非线性问题。在不考虑迟滞蠕变不稳定性等因素的情况下,其静态特性可用下列多项式代数方程表示: n n x a x a x a x a a y +++++= 332210 (2-1) 式中 y — 输出量; x — 输入量; 0a — 零位输出(零偏); 1a — 传感器的灵敏度,常用K 表示; n a a a ,,,32 — 非线性项系数 各项系数不同,决定了特性曲线的具体形式。 由式(2—1)可知,如果0a =0,表示静态特性通过原点,这时静态特性是由线性项和非线性的高次项迭加而成。这种多项式代数方程可能有四种情况,表现了传感器的四种静态特性,如图2-1所示。 1.线性特性 在理想情况下,式(2—1)中的零偏0a 被校准(0a =0).且x 的高次项为零。

0,,,32=n a a a 线性方程为: x a y 1= 如图2—1(a )所示。 此时, K x y a ==/1 K 称为传感器的灵敏度。 2.非线性项仅有奇次项的特性 当式(2—1)中只有x 的奇次项,即: +++=5 53 31x a x a x a y 时,特性如图2—1(b )所示。在这种情况下,在原点附近相当范围内输出、输入特性基本成线性,对应的曲线有如下特性: y (x )=-y(-x ) 3.非线性项仅有偶次项的特性 当式(2—1)中只有x 的偶次非线性项时.所得曲线不对称,如图2-1(c )所示。 4.一般情况 对应的曲线如2—1(d )所示。在实际应用中,如果非线性项的x 方次不高,则在输入量变化不大的范围内,可以用切线或割线来代替实际静态特性的某一段,使得传感器的静态特性近于线性,称之为传感器静态特性的线性化。只要传感器非线性系数较小,测量范围又不大时,即可这样处理。当没计传感器时,把测量范围选择在最接近直线的那一小段,可 使传感器的静态特性近于线性。 传感器的静态特性实际上是非线性的,所以它的输出不可能丝毫不差地反映被测量的变化,对动态特性也会有一定的影响。 传感器的静态特性是在静态标准条件下进行校准的。静态标准条件是指没有加速度、振动、冲击,环境温度一般在室温20℃±5 ℃,相对湿度不大于85%,大气压为101.3士8 kPa 。在这种标准工作条件下,利用一定等级的校准设备,对传感器进行反复的测试,将得到的输出-输入数据列成表格或画成曲线。把被测量值的正行程输出值和反行程输出值的平均值连接起来的曲线称为传感器的静态校准曲线。 二.传感器的静态特性指标 1.线性度 传感器的线性度也叫作传感器特性曲线的非线性误差。 它是用传感器校准曲线与拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出平均值之比的百分数来表示的(如图2—2所示): δL =士(ΔL max / Y FS )×100% (2-2) 式中δL 为线性度; ΔL max 为校准曲线与拟合直线之间的最大偏差; Y FS 为传感器满量程输出(平均值),Y FS =Y max -Y 。 常用的拟合直线的方法: ⑴.采用理论直线作为拟合直线来确定传感器的线性度。 所谓理论直线即式(2-1)静态方程式的第一种情况:Y =α1X ,由此式求得的线性度称为理论线性度。拟合直线为传感器的理论特性,与实际测试值无关。该方法十分简单,但ΔL max 较大。图2—3为理论线性度的示意图。 ⑵.采用最小二乘法拟合

生物医学传感器的发展与应用综述

收稿日期:2007-10-26 作者简介:夏西泉(1969—),男,重庆市人,重庆电子工程职业学院,高级讲师,主要从事传感与检测技术、通信技术的教学与研究; 曹毅(1967—),男,重庆市人,副教授,重庆城市管理职业学院电子信息工程系主任,主要研究方向为计算机网络通信、生物医学信息处理。 第17卷第1期重庆职业技术学院学报Vol.17No.12008年1月JournalofChongqingVocational&TechnicalInstitute Jan.2008 传感技术是当代科学技术发展的一个重要标志,它是现代生物医学、自动化检测、环境保护等应用领域不可缺少的功能器件,它与通讯技术、计算机技术并称为现代信息产业的三大支柱。21世纪是人类全面进入信息电子化的时代,随着人类探索领域和空间的拓展,人们需要获得的电子信息种类日益增加,需要信息传递的速度加快,信息处理能力增强,因此要求与此相对应的信息采集技术———传感技术必须跟上信息化发展的需要。生物传感器是近几十年内发展起来的一种新的传感器技术。有人把21世纪称为生命科学的世纪,也有人把21世纪称为信息科学的世纪。生物传感器正是在生命科学与信息科学之间发展起来的一个交叉学科。 1生物传感器的定义 生物传感器定义为“使用固定化的生物分子 (immobilizedbiomolecules)结合换能器,用来侦测生体内 或生体外的环境化学物质或与之起特异性交互作用后产生响应的一种装置”。生物传感器由两个主要关键部分所构成,一为来自于生物体分子、组织部分或个体细胞的分子辨认组件,此一组件为生物传感器信号接收或产生部分,另一为属于硬件仪器组件部分,主要为物理信号转换组件,主要是由电化学或光学检测元件(如电流、电位测量电极,离子敏场效应晶体管,压电晶体等)。 然而,随着当前各种新材料、新原理和新技术的不断发展,特别是微电子机械系统(Microelectromechanicalsyste m,MEMS)技术和生物芯片技术的出现,目前生物传感器 的概念已经跳出了原来狭义的圈子,扩展为以微型化、集成化、智能化和芯片化为特征的生物检测、处理的微系统。 2生物传感器的结构与原理 2.1生物传感器的结构 生物传感器由两个主要关键部分所构成,第一部分 是识别部件,如酶、微生物、细胞或组织、抗原或抗体等;第二部分是转换部件,将其他物理量转换成电学量(电压或电流),如:温度转化为电压,力学压力量转换为电学量等。其余为辅助部分,完成系统测量或控制的功能。生物传感器的组成框图如图1所示。 2.2生物传感器的原理 被测物质经扩散作用进入生物活性材料,经分子识别(特异性结合)后,发生物理或化学反应,产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号,再经信号处理单元处理后输出,便可知道待测物的相关信息。 3生物传感器的种类 根据生物传感器组成部分(识别部分和转换部分)的 材料或原理的不同,可以有以下不同的分类方法。 (1)按照其感受器中所采用的生命物质分类,可分为微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、酶传感器、DNA传感器等。 生物医学传感器的发展与应用综述 夏西泉1,曹 毅2 (1.重庆电子工程职业学院,重庆401331;2.重庆城市管理职业学院,重庆400055) 摘要:随着现代生物工程技术的发展和需要,生物医学传感器的研究与开发得到了长足发展,特别是微传感器及生化传感器是目前发展的前沿技术,本文对生物医学传感器的发展、原理、应用领域以及发展趋势等作了详细论述。 关键词:生物医学传感器;传感器;应用中图分类号:Q-1 文献标识码:A 文章编号:1672-0067(2008)01-0149-04 图1生物传感器结构框图

生物医学传感器 简答题汇总

生物医学传感器与一般传感器相比,还必须满足 1.材料无毒,且与生物体组织有良好的相容性; 2.检测时,长期接触不会影响或尽可能少影响正常生理活动; 3.有良好的电气安全性 4.在结构和性能上便于清洁和消毒,防止交叉感染。 生物信号有哪些特点对医学传感器有哪些要求 特点:1.非电量信号;2.生物信号十分微弱;3.信噪比低;4.变化频率低;5.无创伤的检测; 要求:1.灵敏度高;2.信噪比高;3.良好的精确性;4.响应速度快;5.稳定性;6.互换性; 什么是应变效应什么是压阻效应两者有何异同 应变效应:金属电阻受力后尺寸变化引起阻值变化;压阻效应:半导体电阻受力后电阻率变化引起电阻值变化;同:都受到作用力,其结果都会导致电阻值的变化。异:导致阻值变化的原因不同,前者因尺寸变化引起,后者主要因电阻率变化引起。 直流单臂电桥的非线性误差如何产生如何解决 产生条件:△R1<

生物医学传感器习题

(这)使(不)用(就是)说(重)明(点) 1.书本使用《医用传感器》第2版,陈安宁主编。供生物医学工程、影像学等相关专业使用 2.有些题目找的答案与标准答案或有出入,有些题目LZ也没有找到答案,各位您见谅! 3.全文“LZ”代表“录主”,不就是“楼主”,也不就是“劳资”或者“老子”。 4.“【PS:xxxxxxxxxxxx】”:可能为重要备注也可能就是LZ瞎BB,请视具体情况取舍。 5.“*************我就是分割线*****************”:分割线之前为网络各家资料,分割线之后为亲爱的老师给的“给力”的重点。 6.本文有些地方有照片或者有截图,如果不清楚,请您凑合着瞧吧!目前照片里的字代表了LZ的最高水平,也请您凑合着瞧吧!排版水平差,也请您凑合着瞧吧! 7.第1-9章,参考网上部分资料,老师PPT,与学神(我希望就是,毕竟不认识,瞎买的书)的复习资料,所以有些照片就是她的杰作。第10章、第11章为另一个亲爱的老师给的题目,没给“重点”至于考不考就是另外一回事。总之,谢谢她们,我只就是个欢乐的复习资料搬运工。 8.再次谢谢她们!!!也谢谢您的观瞧,预祝过过过,都考90分。但就是,您也知道这难度有点大,所以,加油!!!!!

第一章绪论 1、医用传感器的定义、组成及在医用测量系统中的作用? 定义:能感受或响应规定的测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。 生物医学传感器:能将各种被观测的生物医学中的非电量转换为易观测的电学量的一类特殊的电子器件。 医用测量系统中传感器的作用:提供信息、监护、生化检验、自动控制、参与治疗 2.传感器定义中“有用信号”的含义就是什么?为什么通常传感器输出信号形式为电信号? 反映生命的信息绝大多数属于非电量,其放大与处理就是十分困难的。而医学传感器把生物信号换成电信号,经放大器及预处理器进行信号放大与预处理,然后经A/D 转换器进行采样,将模拟信号转变为数字信号,输入计算机,然后通过各种数字信 号处理算法进行信号分析处理,得到有意义的结果。 3、何谓物理型、化学型、生物型传感器? 医用传感器按其敏感的工作原理,可以分为物理型、化学型与生物型三大类。 物理传感器就是利用物理性质与物理效应制成的传感器; 化学传感器就是利用化学性质与化学效应制成的传感器; 生物传感器就是利用生物活性物质作为分子识别系统的传感器。 4、何谓直接型、间接型、物性型与结构型传感器? 5、试分析比较医用传感器主要分类方法有何优缺点。

重庆大学《生物医学传感器原理与应用》第三章--敏感元件

第三章 敏感元件 作用:把物理量转换为电量,是传感器中的主要元件。 必备两个基本功能: ①敏感被测量(物理量、化学量)②对应产生输出量(电量)。 §3-1 变换力和压力的弹性敏感元件 一、弹性敏感元件的作用 非电量—→弹性元件—→应变量—→换能元件—→电量 弹性元件两种类型: ①弹性敏感元件:感受力、压力、力矩等-→变换为元件本身的应变、位移等; ②弹性支承:起支承导向作用,不作为测量敏感元件。 二、弹性特性: 作用在弹性元件上的外力与其相应变形间的关系。 1.刚度:弹性元件受外力作用下变形大小的量度。 dx dF k = F —作用外力 x —变形 弹性特性曲线上某点切线水平线夹角的正切为该点处的刚度。 dx dF tg k = =θ 2.灵敏度:单位力产生变形的大小,是刚度的倒数。 dF dx K = 并联时,系统的灵敏度:∑== n i i K K 111 灵敏度低,刚度大 串联时,系统的灵敏度: 1 n i i K K ==∑ 灵敏度高,刚度小 三、弹性滞后和弹性后效 1.弹性滞后——弹性特性曲线的加载曲线与去载曲线不重合现象。 滞后误差:弹性变形之差,直接产生测量误差。 2.弹性后效——当载荷改变后,在一定时间间隔逐渐完成变形的现象。

使弹性敏感元件的变形始终不能迅速跟随作用力的改变而改变,造成测量误差,尤其在动态测量中影响较大。 4.固有振动频率:——由振动质量和材料刚度综合表征的弹性元件特征。 决定弹性元件的动态特性和变换被测参数的滞后作用,希望0f (或0ω)高。 因 e m k = 0ω e m k f π 210= , k — 弹簧刚度,m e — 等效振动质量 所以 提高灵敏度K ,会使线性变差,固有振动频率 0ω、0f ↓。 k K 1= Θ 提高0ω、0f ↑,灵敏度K 会降低,需综合考虑。 5.固有频率f 0与弹性元件的变形dx 以及材料性能的关系 ρ??=l S m , S —截面积,l —长度,ρ—密度 弹性元件相对变形:E l dx σδ== ,式中 E —弹性摸数,σ—应力,∴dx l E ?=σ () 2 02 1 1 1/1 1 222221122S E dx dx k dF dx dx dx l f m Sl Sl l l dx E E dx σσσσπ πρπρπ ρπ ρ σσπ πρ ρ??====== = 最后可得: ρπσ ?= ?E dx f 20 可知弹性元件dx f ?0的乘积对于特定材料是有一个极限值的,σ达到许用应力时, dx 大,f 0就只能小,反之亦然。 6.弹性敏感元件的形式及其应用范围。 力、压力——→弹性敏感元件——→ 输入 输出 应变—各种应变传感器 位移—电感式、电容式、电阻式等传感器

生物医学传感器复习资料

第一章 传感器与生物医学测量 (1)国家标准(GB7665—87)关于传感器的定义,传感器的组成部分及其作用。 定义:传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,它通常由敏感元件和转换元件组成。 传感器的组成:敏感元件,转换元件,信号调节转换电路,辅助电源 传感器的作用:将一种能力转化为另一种能量形式。 (2)生物医学测量仪器的三个主要部分及其所起作用。 ? 传感器和电极 ? 放大器和测量电路 ? 数据处理和显示装置(现代生物医学测量仪器已包括治 疗仪器组成完整的生物医学仪器,也包括基于网络的数据传输部分。) (3)常见生理参数的测量范围(心电,脑电,肌电) 心电图ECG :(所用传感器)体表电极 (幅值)50uv —5mv (频率)0.05—100Hz 脑电图EEG :头皮电极 2—200uv 0.5—100Hz 肌电图EMG:针电极 20uv —1mv 10Hz —20kHz (4)通过人体的低频电流(直流~1KHz )对人体的作用有三个方面。 ? 产生焦耳热; ? 刺激神经、肌肉等细胞; ? 使离子、大分子等振动、运动、取向。 第二章 生物电信号的特征 (1)什么是膜电位?静息时细胞膜内外常见离子浓度情况如何? 膜电位(membrane potential ):在可兴奋组织(如神经,肌肉或腺组织)的细胞膜内外,存在着不同的带电离子。膜外呈正电,膜内呈负电,存在着一定的电位差。平时呈现静息电位,细胞膜内介质的静息电位约为-50mV ~-100mV ,细胞内带负电,细胞外带正电。(静息电位(resting potential ):是指细胞未受刺激时的膜电位,即处于静息状态下,细胞膜两侧存在的电位差。) 静息时: ? K + 的膜内浓度比膜外高30倍; ? Na +的膜外浓度比膜内高10-15倍; ? CL -的膜外浓度比膜内高4~7倍; ? Ca 2+ 的膜外浓度比膜内高104 倍; ? 蛋白质阴离子的膜内浓度比膜外高等 由此可知,膜内外的K + 、Na + 、CL -、Ca 2+ 等离子之间各有一定的浓度差形成浓度梯度。 (2)能斯特(Nernst)方程以及利用能斯特方程求静息时K + 的平衡电位ε k 。 (式中ε为扩散电位差,生理学上为 膜两边的跨膜电位) 例子:已知人体神经细胞内、外K + 的有效浓度分别为[K + I ]和[K + o ](单位为mol/L ),则根据Nernst 方程式计算出 K + 的平衡电位εk : k=1.38x10-23 J·K -1),T 为绝对温度(K),Z=+1,e=1.60x10-19 C 在人体体温(37℃)下,若将各项值代入,则Nernst 方程式可化为: 代入表2.1给出参数,得εk =-89mV,理论计算值与实测结果(- 86mV )很接近。 (3)细胞膜的模拟等效电路 细胞膜等效电路为电容和电阻并联形式。 例子:若细胞膜面积S=5x10-6cm 2,厚度d=10-6 cm,ε=3.26 膜的电容值:d S C ε4==1.3pF=1.3×10-12 F(法拉) 若已知膜电位为V = - 86mV ,代入公式Q = CV,可求得应带的电量为Q=1.3×10-12 × 0.086 = 1.1×10-13 库仑(C)。 这些电量应是Q/e 个K + 离子所有,已知e=1.6×10-19 库仑(即K + 离子的电量),得参与扩散的K + 离子数应为:Q/e = 6.9×105 。 已知典型的细胞体积为10-9 cm 3 ,K + 离子的浓度约为0.14克分子/升,或每立方厘米约有0.14×6×1023 /1000 ≈1020 个离子。 照此计算,每一细胞内就有:1020 ×10-9 =1011 个K + 离子,其中只有6.9×105 个K + 离子向膜外扩散 (4)什么是动作电位,动作电位在去极化和复极化过程中各个时期的特点(包括时程,电位幅度,K + 、Na + 、Ca 2+ 离子运动情况)。 心肌细胞受到窦房结发来的电脉冲剌激时(阈剌激),受剌激部位膜电位将发生短暂的电位变动,最初膜电位升高,接着慢慢恢复到原来静息电位水平。这个过程经历300ms 时程,膜电位的变动,生理学上称为“动作电位”。 1.去极化:去极化即除极,是动作电位的0期。(当可兴奋的细胞受到外界剌激,如给它以电剌激,剌激电流从膜内流向膜外,因此膜的极化状态减弱,称之为去极化。) ? 表现:去极化达到一定临界水平,即阈电位,便产生兴奋。 这时细胞膜的极化现象消除,出现膜内为正、膜外为负的反极化状态:在短时间内由-50mV —100mV 变到+20mV —+40mV ,构成动作电位上升支(去极相)。快钠通道“开放”,Na + 通过快钠通道,向膜内迅速扩散,使膜电位升高得很快,最快变化率可达800v/s,上升幅度大(-80mV 至+30mV)。 ? 特点:对于心肌细胞,此期历时很短,仅1~2ms 。 2.复极化:是从去极化电位达到正峰值后开始,一直恢复到静息电位水平状态之间的过程。(动作电位的产生,取决于细胞膜两边的电压和膜对于Na + 、K +随时间变化的通透性。) 1期:亦称快速复极初期,Na + 向内扩散减慢,而K + 的向外扩散则缓慢地上升,两者达到动态平衡。膜外CL -浓度高于膜内4~7 倍,而且此时膜内电位为正,高于膜外,故CL - 借助于浓度差和电位差两者的作用而大量向内扩散,使细胞内的电位逐渐降低。1期占时平均约10ms 。 2期:缓慢复极期或平台期,胞外Ca 2+ 浓度比细胞内高得多,此期慢钙通道‘早已开放’,并且开得很大,Ca 2+ 在浓度梯度作用 )(] [] [lg 3.2mV K K e T O I k + +Z -=κε)(] [] [lg 51.61m V K K O I k + +-=ε

生物传感器原理及应用

Chapter 1生物传感器 (Biosensors) ? 1.1 Generalization(概述)? 1.2 Principle (基本原理)? 1.3 Classification(分类)? 1.4 Application(应用)

1.2 生物传感器工作原理 被测对象生物敏 感膜 (分子 识别感 受器) 电 信 号 换 能 器 物理、化学反应 化学物质 力 热 光 声 . . . 图16-1 生物传感器原理图

BIOSENSORS 1.2 生物传感器原理 无论是基于电化学、光学、热学或压电 晶体等不同类型的生物传感器,其探头均由 两个主要部分组成,一是感应器,它是由对 被测定的物质(底物)具有高选择性分子识 别功能的膜构成。二是转换器,它能把膜上 进行的生化反应中消耗或生成的化学物质, 或产生的光、热等转变成电信号,最后把所 得的电信号经过电子技术的处理后,在仪器 上显示或记录下来。

换能器(T r a n s d u c e r )感受器(R e c e p t o r )= 分析物(Analyte ) 溶液(Solution )选择性膜(Thin selective membrane ) 识别元件(Recognition )生物传感器工作机理 测量信号(Measurable Signal ) BIOSENSORS

(1)将化学变化转变成电信号 酶传感器为例,酶催化特定底物发生化学反应,从而使特定生成物的量有所增减。用能把这类物质的量的改变转换为电信号的装置和固定化酶耦合,即组成酶传感器.常用转换装置有氧电极、过氧化氢。

一氧化氮电化学传感器及其在生物医学中的应用

一氧化氮电化学传感器及其在生物医学中的应用 陈晓霞1,3 易洪潮2 王 颖1 胡胜水1,3* (1武汉大学化学与分子科学学院 武 汉 430072)(2长江大学化学与环境工程学院 荆 州 434023)(3中国科学院传感技术联合国家重点实验室 北 京 100080) 摘 要 一氧化氮(NO)是一种含有可以调控不断生长的生物学过程的非共享电子对的气体自由基,它由一氧化氮合成酶家族的L-精氨酸所形成。NO在人体内分布广泛,是帮助机体抵抗心血管疾病与其他疾病的信号分子。缺乏NO可能导致糖尿病、心血管疾病与其他疾病,而补充NO可预防和逆转此类疾病。NO是非常小的分子,十分活泼,半衰期短,它可以进入细胞,并向周围的细胞发出交流信号。但是,要准确检测其在生物体中的含量很困难。目前直接用于一氧化氮检测的方法不多,电化学方法尤其是电化学传感器是应用广泛的一类方法,由于其操作简单,灵敏度高,选择性好,已成为现代生物医学中研究一氧化氮的重要工具。本文主要综述近年来NO电化学传感器的研制及其在生物医学中的应用。 关键词 一氧化氮;电化学传感器;生物医学中图分类号 O657.1 Electrochemical Nitric Oxide Sensors and Its Application in Biomedicine Chen Xiaoxia 1,3, Yi Hongchao 2, Wang Ying 1, Hu Shengshui 1,3* (1Department of Chemistry, Wuhan University, Wuhan 430072, China) (2School of Chemistry and Environmental Engineering,Yangtze University, Jingzhou 434023, China)(3State Key Laboratory of Transducer Technology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China) Abstract Nitric oxide (NO) plays an important role in biological system, but it is difficult to determine NO concentrationin biological system due to its high spontaneous chemical reactivity, short half-life,low concentration and frailly oxidizedby O2. Date fluorescence and electrochemical methods were used to determine the NO concentration directly. Other methods,such as paramagnetic resonance spectrososcopy and UV-visible spectroscopy, are indirect. Electrochemical method espe-cially electrochemical sensor has widely been used to study NO in biomedicine because of its simple, sensitivity, excellentselectivity and real time performance. This article summarized the development and application of electrochemical sensors inbiomedicine in recent years. Key words Nitric oxide; electrochemical sensor; biomedicine 收稿日期:2006-06-02 基金资助:国家自然科学基金NOs.30370397,60571042的支持。作者简介:陈晓霞,硕士。 *联系人:胡胜水,教授。 1 引 言 在过去的20年里,一氧化氮在生物体分子信号中 的作用已成为生物学中发展最快的领域之一。一氧化氮(NO)是一种含有可以调控不断生长的生物学过程的非 共享电子对的气体自由基,它由一氧化氮合成酶家族的 L-精氨酸所形成。NO在人体内分布广泛,是帮助机体 抵抗心血管疾病与其他疾病的信号分子。缺乏NO可能 导致糖尿病、心血管疾病与其他疾病,而补充NO可预 防和逆转此类疾病。NO是非常小的分子,十分活泼,半 衰期短,它可以进入细胞,并向周围的细胞发出交流信 号。人体很多器官都可以生成NO,比如动脉、神经等。 但是,要准确检测其在生物体中的含量很困难,因此, 寻找一种实时、快速、简便检测一氧化氮的方法成为化学与医学界普遍关心的问题。目前,常用于检测一氧化 氮的方法有化学发光法(Chemiluminescence),紫外-可 见光谱法(UV-visible spectroscopy),荧光光谱法(Fluorescence) ,电子自旋共振光谱法(Electron para-magnetic/spin resonance spectroscopy, EPR/ESR),电化学方法(Electrochemical method)等。在所有的方法中,电化学方法尤其是电化学传感器具有操作简单,灵敏度高,选择性好,又可实现实时、原位检测而广泛地应用在生物医学中,并成为现代生物医学中一氧化氮的重要研究工具。本文主要综述近年来NO电化学传感器的研制及其在生物医学中的应用。2 生物体系中一氧化氮的直接检测应用于生物体中的一氧化氮电化学传感器可分为两

生物医学电子学领域的医疗传感器(一)

生物医学电子学领域的医疗传感器(一) 科幻剧《无敌金刚》(The Six MillionDollar Man)搬上电视荧屏距今已差不多有40 年时间,随着现代电子技术与纳米技术、高级植入技术、太阳能与 光能设备,以及医学与生物学领域传感器重要发展的融合,科学幻想正在成为 现实。科学创新催生了增强和代替人体器官的基于传感器的电子设备。这些电 子设备包括WBAN(无线体域网)以及增强或代替眼睛和耳朵的设备。本文第一部分描述了创新的传感器技术,以及从传感器直到微控制器的微型化、可植 入以及无线电子接口方式。第二部分将讨论肺、心脏和大脑。 传感器与无线通信设备的发展使我们能够设计出微型、高成本效益以及智能 的生理传感器结点。一个创新是可穿戴的健康监控系统,如WBAN.针对这一 技术的IEEE802.15.4 标准规定了一个与医疗传感器体域网络相关的小功率低数据速率无线方案。2011 年,意法半导体公司推出了自己的未来cyborg 技术, 包括传感器和MEMS,以及iNEMO(惯性模块评估板)结点(图1)。 图1,意法半导体公司开发了一些用于个人与诊断的传感器应用 在这一领域的其它供应商中,Analog Devices 也提供了一些先进的活动监控解决方案,以及传感器接口元件,而德州仪器公司提供了一个带Tmote Sky 的开发套件,这是下一代的mote 平台,即针对极低功耗、高数据速率传感器网 络应用的远程平台,有容错和易于开发的双重设计目标。TI 公司的Tmote Sky 套件号称有10KB 的片上RAM(所有mote 中的最大容量),IEEE 802.15.4 射频,以及一个125m 作用范围的集成板载天线。 帮助盲人重见光明 视网膜修复技术可以帮助患视网膜退化疾病,如可能致盲的黄斑变性的人群 恢复视力(参考文献1)。研究人员做了临床植入研究,证明植入假体最终可弥

生物医学传感器 简答题汇总

生物医学传感器与一般传感器相比,还必须满足? 1.材料无毒,且与生物体组织有良好的相容性; 2.检测时,长期接触不会影响或尽可能少影响正常生理活动; 3.有良好的电气安全性 4.在结构和性能上便于清洁和消毒,防止交叉感染。 生物信号有哪些特点?对医学传感器有哪些要求? 特点:1.非电量信号;2.生物信号十分微弱;3.信噪比低;4.变化频率低;5.无创伤的检测; 要求:1.灵敏度高;2.信噪比高;3.良好的精确性;4.响应速度快;5.稳定性;6.互换性; 什么是应变效应?什么是压阻效应?两者有何异同? 应变效应:金属电阻受力后尺寸变化引起阻值变化;压阻效应:半导体电阻受力后电阻率变化引起电阻值变化;同:都受到作用力,其结果都会导致电阻值的变化。异:导致阻值变化的原因不同,前者因尺寸变化引起,后者主要因电阻率变化引起。 直流单臂电桥的非线性误差如何产生?如何解决? 产生条件:△R1<

生物传感器

生物传感器 生物传感器(biosensor)对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件(包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质)与适当的理化换能器(如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等)及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。 目录 简介 解释 定义分类 生物研究 结构原理 应用领域 应用实例 简介 生物传感器(biosensor)对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件(包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质)与适当的理化换能

结构 器(如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等)及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。各种生物传感器有以下共同的结构:包括一种或数种相关生物活性材料(生物膜)及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器(传感器),二者组合在一起,用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工,构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统[1]。 1967年S.J.乌普迪克等制出了第一个生物传感器葡萄糖传感器。将葡萄糖氧化酶包含在聚丙烯酰胺胶体中加以固化,再将此胶体膜固定在隔膜氧电极的尖端上,便制成了葡萄糖传感器。当改用其他的酶或微生物等固化膜,便可制得检测其对应物的其他传感器。固定感受膜的方法有直接化学结合法;高分子载体法;高分子膜结合法。现已发展了第二代生物传感器(微生物、免疫、酶免疫和细胞器传感器),研制和开发第三代生物传感器,将系统生物技术和电子技术结合起来的场效应生物传感器,90年代开启了微流控技术,生物传感器的微流控芯片集成为药物筛选与基因诊断等提供了新的技术前景。由于酶膜、线粒体电子传递系统粒子膜、微生物膜、抗原膜、抗体膜对生物物质的分子结构具有选择性识别功能,只对特定反应起催化活化作用,因此生物传感器具有非常高的选择性。缺点是生物固化膜不稳定。生物传感器涉及的是生物物质,主要用于临床诊断检查、治疗时实施监控、发酵工业、食品工业、环境和机器人等方面。 生物传感器是用生物活性材料(酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等)与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科,是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法,也是物质分子水平的快速、微量分析方法。在未来21世纪知识经济发展中,生物传感器技术必将是介于信息和生物技术之间的新增长点,在国民经济中的临床诊断、工业控制、食品和药物分析(包括生物药物研究开发)、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景。[2] 解释 传感器是一种可以获取并处理信息的特殊装置,如人体的感觉器官就是一套完美的传

生物医学传感器与检测技术实验教学大纲

《生物医学传感器与检测技术实验》教学大纲 张日欣李元斌 一、课程名称:生物医学传感器与检测技术实验 Experiments in Biomedical Sensor & Detecting Techniques 二、课程编码:0702831 三、学时与学分:24/1.5 四、先修课程:数字电子技术,模拟电子技术,工程生理学,电子测试与实验,生物医学测量与仪器实验。 五、课程教学目标 1.本课程是生物医学工程专业的一门专业课,它应用电子技术,传感器测量技术和计算机技术,解决生物医学领域中的信号提取,检测和处理以及生物医学仪器的设计等问题; 2.使学生了解典型医学仪器的原理、特点和性能指标,学习正确使用传感器,设计检测电路,掌握基本测量技术; 3.为医学仪器设计奠定基础。 六、适用学科专业 生物医学工程 七、基本教学内容与学时安排 ●热敏器件及温度传感器特性实验(4学时) ●压力传感器性能实验(4学时) ●气敏传感器特性实验(4学时) ●光电式脉搏探测器(4学时) ● ECG前置放大器(4学时) ●陷波器仿真、制作与调试(4学时) ●安全隔离设计与调试(4学时) ● ECG放大器的整体调试(4学时) ● 12导联心电工作站的原理及使用(4学时) 八、教材及参考书: 教材:生物医学电子技术与信号处理实验指导书,张日欣、李元斌、邹昂等自编教材,武汉:华中科技大学教材科,2004年9月 参考文献: 1.生物医学检测技术讲义,杨玉星自编教材,1998年 2.生物医学电子学,蔡建新,张唯真,北京大学出版社,1997年 3.传感器原理与应用,黄贤钨,电子科技大学出版社,1999年 4.生物医学测量,陈延航,人民卫生出版社,1986年 5.医学物理,刘普和,人民卫生出版社,1986年 6.医学仪器-应用与设计,约翰G.韦伯斯特,新时代出版社,1985年 7.Protel 98 for windows电路设计应用指南,程凡等,人民邮电出版社,1999年 九、考核方式 实验报告+实践表现

生物传感器在医学上的应用

生物传感器在医学上的应用 [摘要]:生物传感器作为一项新兴的科学技术已应用于医学检验分析领域中, 是近来国际上医学检测技术的热点之一[1]。生物传感器具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、能在复杂体系中进行在线连续监测等特点[2]。本文综述了生传感器的基本概念、基本原理、特点、分类,并对国内外近几年光学、电化学和压电3种生物传感器及其应用。 [关键词] 生物传感器医学应用发展前景 1、引言 传感器是一种可以获取并处理信息的特殊装置, 如人体的感觉器官就是一套完美的传感系统,通过眼、耳、皮肤来感知外界的光、声、温度、压力等物理信息, 通过鼻、舌感知气味和味道这样的化学刺激。而生物传感器是一类特殊的传感器, 它以生物活性单元( 如酶、抗体、核酸、细胞等) 作为生物敏感单元, 对目标测物具有高度选择性的检测器。生物传感器是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术。因其具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、能在复杂的体系中进行在线连续监测, 特别是它的高度自动化、微型化与集成化的特点, 使其在近几十年获得蓬勃而迅速的发展。在国民经济的各个部门如食品、制药、化工、临床检验、生物医学、环境监测等方面有广泛的应用前景。特别是分子生物学与微电子学、光电子学、微细加工技术及纳米技术等新学科、新技术结合, 正改变着传统医学、环境科学、动植物学的面貌。生物传感器的研究开发, 已成为世界科技发展的新热点, 形成21 世纪新兴的高技术产业的重要组成部分, 具有重要的战略意义[2]。 2、生物传感综述 2. 1 生物传感器的基本概念[3] 生物传感器是用固定化的生物活性材料( 酶、蛋白质、DN A、抗体、抗原、生物膜等) 与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科, 是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法, 也是物质分子水平的快速、微量分析方法。各种生物传感器有以下共同的结构: 包括一种或数种相关生物活性材料( 生物膜) 及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器( 传感器) , 二者组合在一起, 用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工, 构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。 2. 2 生物传感器的工作原理及特点[3]

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