生物醫(yī)學(xué)信號檢測基礎(chǔ)-文庫吧
2025-01-01 15:22 本頁面
【正文】 微型機構(gòu)和信號處理與控制電路、接口、通訊于一體的植入式微電子機械系統(tǒng)（ MEMS）已經(jīng)日趨成熟，并逐步進(jìn)入臨床檢測使用。 五、生物換能器 生物換能器是近幾十年內(nèi)發(fā)展起來的一種新的傳感器技術(shù)。有人把21世紀(jì)稱為生命科學(xué)的世紀(jì)，也有人把 21世紀(jì)稱為信息科學(xué)的世紀(jì)，綜合起來 21世紀(jì)就是生命科學(xué)和信息科學(xué)的世紀(jì)。生物換能器正是在生命科學(xué)和信息科學(xué)之間發(fā)展起來的一個新型的交叉學(xué)科。 生物換能器是以生物活性單元（酶、抗體、核酸和細(xì)胞等）作為敏感基元（分子識別元件）、以化學(xué)電極等作為換能器且對被測信號具有高度選擇性的一類傳感器，它通過物理的或化學(xué)的換能方式捕捉目標(biāo)物和敏感基元之間的反應(yīng)，并將反應(yīng)的程度用離散或連續(xù)的電信號表達(dá)出來，敏感基元是生物傳感器的核心。 通常生物換能器利用純化的酶、免疫系統(tǒng)、組織、細(xì)胞器或完整細(xì)胞作為敏感基元，這些敏感基元通常被固定化制成膜并與物化儀器中的換能器相結(jié)合使用。物化儀器用來監(jiān)測欲進(jìn)行分析的物質(zhì)在固定化敏感基元的作用下所發(fā)生的化學(xué)變化，并轉(zhuǎn)換成電信號。生物換能器的基本構(gòu)成及工作原理如圖 11所示。 ? ? ? 按所使用敏感基元的不同，生物換能器可分為酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、細(xì)胞傳感器和免疫傳感器等。 生物換能器中所使用的能量轉(zhuǎn)換器與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器并沒有本質(zhì)的區(qū)別。 此外，按輸出電信號的不同，生物換能器還可分為電位型生物換能器、電流型生物換能器和伏安型生物換能器。 圖 11 生物換能器的原理圖 ? 生物換能器有如下一些特點： ?（ 1）采用固定化生物活性物質(zhì)作敏感基元（催化劑），價值昂貴的試劑可以重復(fù)多次使用，克服了過去酶法分析試劑費用高和化學(xué)分析繁瑣復(fù)雜的缺點。 ?（ 2）專一性強，只對特定的底物起反應(yīng)，而且不受顏色、濁度的影響。 ? （ 3）分析速度快，可以在很短時間內(nèi)（一般不超過一分鐘）得到結(jié)果。 ?（ 4）準(zhǔn)確度高，一般相對誤差不超過 1％。 ? （ 5）操作系統(tǒng)比較簡單 ，容易實現(xiàn)自動分析。 ? （ 6）成本低，連續(xù)使用時，每例測定有時僅需要幾分錢人民幣。 近年來被學(xué)術(shù)界認(rèn)為最成功和最具實用價值的用于生物醫(yī)學(xué)測量的生物換能器有：（ 1）血糖生物傳感器；（ 2）快速分析葡萄糖、谷氨酸、乳酸鹽和乳糖等成分的多功能生物傳感器；（ 3）測量機體內(nèi)三磷酸腺苷（ ATP）變化的生物傳感器；（ 4）廣泛應(yīng)用于傳染病和基因變異檢測的脫氧核糖核酸（ DNA）生物傳感器。 DNA生物傳感器又稱 DNA探針或 DNA芯片，它是二十世紀(jì)八十年代末發(fā)展起來的一種新型的生物傳感器。 目前研究和開發(fā)的 DNA生物傳感器從信息轉(zhuǎn)換原理區(qū)分，主要有電極電化學(xué)式、石英晶體振蕩器（ QCM）質(zhì)量式和表面等離子諧振（ SPR）光學(xué)式等幾種。 目前，微電子機械系統(tǒng)（ MEMS）技術(shù)給生物傳感器的發(fā)展帶來了深刻的影響，成為當(dāng)今發(fā)展生物傳感器的核心技術(shù)。采用 MEMS技術(shù)可以將傳感器與微元件、微執(zhí)行器等集成化，把生物傳感器推到了一個新的階段，形成了一個嶄新的 BioMEMS研究領(lǐng)域。 第二節(jié) 生物醫(yī)學(xué)信號的放大器 (Biomedical Signal Amplifier) 生物醫(yī)學(xué)信號大多是低頻的微弱信號，在對這類信號進(jìn)行各種處理、分析和記錄時，首先必須把信號放大到所要求的幅度。信號放大是生物醫(yī)學(xué)測量系統(tǒng)中最基本也是比較重要的一個環(huán)節(jié)，一般都采用多級放大，其中核心的是前置級放大，對生物電信號前置級放大器的基本要求是： 一 、 高輸入阻抗 生物信號源本身是高內(nèi)阻的微弱信號源 ， 通過電極提取又呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的高內(nèi)阻源性質(zhì) 。 生物信號源阻抗不僅因人而異 、 因生理狀態(tài)而異 ， 而且在測量時與電極的安放位置 、 電極本身的物理狀態(tài)等密切關(guān)聯(lián) ， 源阻抗的不穩(wěn)定性將使放大器的電壓增益不穩(wěn)定 ,使得測量誤差難以修正 。同時 ， 理論上源阻抗是信號頻率的函數(shù) ， 電極阻抗也是頻率的函數(shù) ， 變化規(guī)律都是隨頻率的增加而下降 。 如果放大器的輸入阻抗不夠高（與源阻抗相比），則造成信號的低頻分量的幅度減小，產(chǎn)生低頻失真。電極阻抗還隨電極中電流密度的大小而變化。小面積電極（如腦電測量的頭皮電極，眼電測量的接觸電極）在信號幅度變化時，電極電流密度變化比較明顯，相應(yīng)的電極阻抗會隨信號幅度的變化而不同，即低幅度信號的電流密度小，電極阻抗大。如果人體是在運動的情況下，電極和皮膚接觸壓力有變化，人體組織液和導(dǎo)電膏中的離子濃度也有變化，都會導(dǎo)致電信號在放大器輸入端產(chǎn)生極大的干擾。表 11是部分生物電放大器的輸入阻抗指標(biāo)。 用于細(xì)胞電位測量的微電極放大器的輸入阻抗高達(dá) 109Ω量級。此外，放大器高輸入阻抗也是高共模抑制比的必要條件。 表 11 部分生物電放大器的輸入阻抗指標(biāo) 二、高共模抑制比 （ Common Mode Rejection RatioCMRR） 前已述及，工頻干擾也在醫(yī)學(xué)信號的有效頻帶內(nèi)，為了抑制
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