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生物传感器是什么?原理,工作原理,类型和应用

在本教程中,我们将学习传感器在医学和健康领域的主要应用之一,即生物传感器。我们将尝试了解什么是生物传感器,生物传感器工作背后的原理,不同类型的生物传感器和一些常见的应用。

简介

在深入研究生物传感器的细节之前,让我们快速概括一下传感器的概念。传感器是一种检测物理量变化的设备,如温度、湿度、水流、光强等,并将其转化为可测量和/或分析的量。

如果这个定义看起来有点令人困惑,那么让我们通过一个简单的例子来理解它。我们都知道LDR或光依赖电阻。这是一种简单的装置,其电阻随环境光强的变化而变化。

通常,当光的强度大时,它的电阻非常低,如果光的强度大,它的电阻就会上升到一个非常高的值。

这意味着像LDR这样的简单设备可以充当光传感器,因为它产生的量(它的电阻)对应于它所测量的量(光)。

同样,生物传感器是一种装置,它把生物信号转换成更有用的电信号。随着本教程的进行,我们将看到更多关于“生物信号”的内容。

生物传感器是什么?

这里给出了生物传感器最简单的定义:生物传感器是一种分析设备,可以检测生物过程中的变化,并将其转化为电信号。生物过程这个术语可以是任何生物元素或物质,如酶、组织、微生物、细胞、酸等。

生物传感器是生物传感元件和换能器的组合,换能器将数据转换成电信号。此外,还将有一个电子电路,由一个信号调理单元、一个处理器或微控制器和一个显示单元组成。

下面是一个简化的方框图,显示生物传感器的重要组件。

不同类型的生物传感器框图

在上面的框图中,信号调理单元包括一个放大器和一个滤波器(通常是低通滤波器)电路。当我们在接下来的部分中查看一个示例时,这个框图将更加清晰。

生物传感器的原理

所需的生物材料通常以酶的形式存在。通过一种被称为电酶法的过程,这是一种在换能器的帮助下将酶转化为相应的电信号(通常是电流)的化学过程。

一种常用的生物反应是酶的氧化。氧化作用作为催化剂,改变生物材料的pH值。pH值的变化将直接影响酶的电流承载能力,这再次与被测酶有直接关系。

不同类型的生物传感器操作原理

换能器的输出,即电流,是被测酶的直接表示。一般将电流转换为电压,以便对其进行适当的分析和表示。

工作的生物传感器

生物敏感元件和换能器的组合将把生物材料转换成相应的电信号。根据酶的类型,传感器的输出将是电流或电压。

如果输出是电压,那么很好。但如果输出是电流,那么这个电流应该转换为等效电压(使用运算放大器的电流电压转换器),然后再进一步。

输出电压信号的幅值通常很低,并叠加在高频噪声信号上。因此,信号被放大(使用基于运算放大器的放大器),然后通过一个低通RC滤波器。

这个放大和滤波信号的过程是信号处理单元或信号调理单元的工作。信号处理单元的输出是与被测生物量等效的模拟信号。

模拟信号可以直接显示在液晶显示器上,但通常,这个模拟信号被传递到微控制器,在那里模拟信号被转换成数字信号因为它很容易分析、处理或存储数字信号。

生物传感器的例子

在进一步介绍不同类型的生物传感器和生物传感器的应用之前,让我们快速看一下生物传感器的一个简单示例:血糖仪,这是最常见的应用之一(不幸的是)。

糖尿病是一种以血液中葡萄糖水平为特征的疾病。定期检查血糖水平对糖尿病患者非常重要。血糖仪是一种测量血液中葡萄糖浓度的生物传感器。

通常,它们包括一个测试条,收集一小部分血液样本来分析葡萄糖水平。这个特殊的传感器实现了电酶方法,即葡萄糖的氧化。

不同类型的生物传感器血糖仪测试条

测试条由触发电极和参比电极组成。当血液被放在试纸上时,会发生一个简单的化学反应并产生电流,电流与葡萄糖的浓度成正比。

在内部,血糖仪包括一个强大的处理器,如Cortex-M3或Cortex-M4,以及电流到电压转换器,放大器,滤波器和一个显示单元。

不同类型的生物传感器

生物传感器分为两组,即基于分析中使用的生物元件或实现的转导方法。如前所述,一些常用的生物元素或生物识别元素是DNA、酶、抗体、微生物、组织、细胞受体等。

生物传感器的下一个也是最常用的分类是基于传感器中使用的转导类型,即由传感事件产生的物理化学类型。此外,基于转导方法的生物传感器又分为三种类型。它们是:

  • 基于质量的生物传感器
  • 基于光学生物传感器
  • 电化学生物传感器

每一种类型都有几个子类。下图是不同类型生物传感器的综合列表。

不同类型的生物传感器生物传感器的类型

压电生物传感器

它们是基于质量的生物传感器的一个分支。压电生物传感器也被称为声学生物传感器,因为它们是基于声音振动的原理,即声学。当机械力作用在压电生物传感器上时,它们会产生电信号。

生物元件附着在压电生物传感器的表面。压电生物传感器,本质上是一个质量到频率的转换器,将传感分子的机械振动转换成比例电信号。

电化学生物传感器

在电化学生物传感器中,生物分子被包裹在探针表面。在无干扰膜的帮助下,传感分子固定在适当的位置。然后,传感分子对要检测的化合物做出适当的反应,并产生与被测量成比例的电信号。

电化学生物传感器可以采用各种类型的传感器,如电位、安培、阻抗等,将化学信息转换为可测量的电信号。

光学生物传感器

光纤在光学生物传感器中起着重要的作用。光纤允许基于光的不同性质(如吸收、散射和荧光)对传感元件进行检测。

由于相互作用表面折射率的变化,该反应引起上述任一性质的变化。例如,如果生物元素是抗体,并与金属层结合,与该层接触的介质的折射率将发生变化。

使用光学生物传感器的主要优点之一是它们的非电性。这使得他们可以通过改变光的波长来分析单层上的多个元素。

生物传感器的应用

自20世纪50年代早期发展以来,生物传感器在医学、临床分析和一般健康监测领域已变得非常重要。生物传感器相对于实验室设备的优势如下:

  • 小尺寸
  • 低成本
  • 立竿见影的效果
  • 非常容易使用

生物传感器除了在医学和健康方面的应用外,在工业加工、农业、食品加工、污染控制等其他领域也有重要应用。

因此,以下是生物传感器经常使用的潜在领域的一个小列表。

  • 医学,临床和诊断应用
  • 环境监测
  • 工业应用
  • 食品行业
  • 农业产业

让我们简单地单独看看生物传感器的这些应用领域。

医学,临床和诊断应用

生物传感器的主要研究领域是医学、临床和诊断应用。基于电化学的生物传感器通常用于生化实验室和临床,以监测和测量葡萄糖水平和乳酸。

商用生物传感器在个人健康保健领域越来越受欢迎,尤其是血糖的自我监测。这种方法的主要优点是血液样本不会被污染,而且它是未经稀释的,结果更准确。

早期的自监测设备是一次性使用的应用程序,即测试可以执行一次,传感器必须处理之后。但该领域的进步允许可重复使用的传感器来改善病人的护理。

环境监测

生物传感器的主要应用之一是在环境污染监测领域。尤其在水质污染监测方面,生物传感器具有很大的优势。有数量众多的污染物正在污染地下水,其结果是饮用水的质量越来越差。

带有硝酸盐和磷酸盐传感元件的生物传感器在对抗水污染物方面越来越普遍。

另一个重要的应用是为军方检测化学物质和可用于生物武器的危险生物标本。

工业应用

发酵是一种用于乳制品、酒精和其他类似产品的大型工业操作。大规模的细菌和细胞培养必须保持这一目的。为了尽量减少生产成本和无风险发酵,有必要对这些精致而昂贵的过程进行监测。

生物传感器被设计用来监测和测量发酵产物的生成。

食品行业

可以测量碳水化合物、酸、酒精等的商用生物传感器已经在市场上上市。生物传感器用于食品工业的食品质量控制,测量氨基酸,碳水化合物,酒精,气体等。

一些常见的食品工业是葡萄酒,啤酒,酸奶,软饮料等。

农业产业

生物传感器在农业领域中一般用于农药的检测。

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