生物医学传感与检测原理 课件 ch07生物医学中的化学传感与检测.pptx

生物医学中的化学传感与检测 教育部生物医学工程类专业教学指导委员会“十三五”规划教材 生物医学传感与检测原理 第七章 01 生理与代谢的生物化学过程 生命活动的生物化学反应概述 新陈代谢是生命现象的基本活动，生物体一方面从外界环境摄取各种营养物质，经过转化提供身体所需的原料和能量，同时体内形成的分解产物要排出体外，维持物质成分的动态平衡。在新陈代谢过程中，体内各种物质的合成、分解、转化、利用等，在大多数情况下是各种生物分子在水溶液中进行的系列化学反应。 生理与代谢的生物化学过程 生命过程所表现出的细胞、组织、器官生理活动，与新陈代谢的物质、能量转换密切相关，特别是血液循环系统、消化系统、呼吸系统及肾脏在物质传送和交换中发挥了重要作用。其中，由心脏和血管组成的循环系统主要完成体内物质运输，运输代谢原料和代谢产物，使机体新陈代谢持续进行；体内各内分泌腺分泌的激素或其他体液，通过血液运输到达靶细胞，实现机体体液调节。 生理与代谢的生物化学过程 虽然身体内环境稳定的维持最终取决于消化、呼吸、循环、排泄等诸多内脏器官或系统，但血液本身有重要作用，主要包括：机体细胞与组织液进行物质交换需要依靠血液在组织液与各内脏器官之间运输各种物质；血液对内环境某些理化性质的变化有一定的“缓冲”作用，如减轻代谢产物引起的pH值变化，吸收大量的热抑制温度快速升高；通过与毛细血管外的组织液进行物质交换可以反映内环境理化性质的微小变化，再刺激感受器为调节系统提供反馈信息。 生理与代谢的生物化学过程 作为最基本的生命单元，细胞由细胞膜、细胞质、细胞核三部分构成，其中细胞膜在新陈代谢和物质交换中有重要意义。一方面，细胞膜使得细胞能够独立于环境而存在，通过细胞膜与周围环境进行的选择性物质交换而维持生命活动；另一方面，细胞在不断进行新陈代谢的过程中需要从外界获得氧和营养物质，排出代谢产物，这都需要通过细胞膜的脂质双分子层、细胞膜蛋白和糖类等进行调控。 生理与代谢的生物化学过程 02 化学传感与检测原理 电化学基本概念 以电化学反应为基础的测量系统主要包括三个组成部分：电解质溶液、电极（至少两个）和测量电路。电解质溶液是位于一个连通的容器内的电极间媒介，是离子导体，主要由溶剂和高浓度电离盐及电活性物质组成。电极是电化学传感器中最主要的敏感器件，是电化学反应进行的场所；一个电极系统由一个电子导体相和一个离子导体相组成，且在两相界面有电荷转移发生，该电荷转移反应就是电极反应，也就是电化学反应。电化学反应过程与电解质溶液活度、溶液电导率、电极电势、溶液电势等多种因素密切相关。 活度 在水溶液中，认为强电解质全部离解，弱电解质部分离解，并建立平衡。但由于电解质溶液中电离的正、负离子之间以及离子与溶剂分子之间的相互作用，使得物质的浓度不能代表其在溶液中的有效浓度。因此引入活度（activity）来表示电解质溶液中物质的有效浓度。 溶液电导率 溶液中的电导率是指单位立方厘米体积的电解质溶液的电导。对于一横截面积为A、两个电极间的距离为1的电解池。 电化学基本概念 双电层模型 当金属电极浸入电解质溶液中时，金属与溶液的界面上将产生反应，一部分金属离子将离开金属表面进入溶液中。金属因失去金属离子而带负电荷，溶液中因有金属离子的进入而带正电荷。 电极电位与能斯特方程 单个电极的电极电位无法测量，通常与一个选定的作为标准的电极（参比电极）组成一个化学电池，通过测量两电极之间的电位差来获得电极电位。能斯特方程用来表示电极的电极电位或电池的电动势与待测物活度间的关系。 电化学基本概念 电解池与原电池 电化学分析方法是基于化学能与电能的相互转化，主要有原电池和电解池两种测量体系。当外加电源的正、负极分别与电解质溶液中的两个电极相连时，就构成了电解池。 电化学传感器测量系统 电化学传感器的测量体系主要由电极、电解质溶液和测量电路构成，其中电解质溶液是待测样品。电极是电化学传感器中将生物化学信号转换为电信号的换能器的重要组成部分。 电化学基本概念 电化学基本概念 离子传感器 离子选择性电极是一类利用膜电势测定溶液中离子活度的电化学传感器。此类电极表面具有一层敏感膜，可以对溶液中的待测离子产生选择性的响应。当电极与含待测离子的溶液接触时，敏感膜和溶液的界面上会产生与该离子活度直接有关的膜电势。 离子敏感场效应管 离子敏感场效应管（Ion Selective Field Effect Transistor， ISFET）是一种新型离子敏感器件，它基于调制栅极电压来调节源极与漏极之间电流的原理，在绝缘栅上沉积离子选择性敏感膜，由离子浓度影响漏电流来进行测量。 离子传感器 气体传感器 电化学气体传感器的检测原理是：待测气体在电极和电解质组成的电池中与电解质发生反应，或在电极表面发生氧化还原反应，在两个电极之