生物医学传感与检测原理 课件 ch06光电传感与生物光效应检测.pptx

光电传感与生 物光效应检测 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 第六章 01 生物组织的光学效应 光与生物组织的相互作用以吸收和散射占主导，一方面生物组织的颜色、成分及浓度将影响其对光的吸收和散射，而光的波长及其能量也将影响其与生物组织的相互作用方式；另一方面，光能量作用于生物组织过程中可能引起不同类型的生物物理、生物化学反应，而生物组织特性也将影响这些光生物效应。因此，利用光与生物组织的作用机制，可以构建基于生物光学效应的生物医学传感与检测方法。 生物组织的光学效应 生物组织的光学效应 光照射到生物组织时，当光子能量hv与组织的原子或分子的跃迁能级相同时，光能便被生物组织或材料所吸收。生物组织所吸收的光子能量在大多数情况下转化为热能，而在一些特定的情况下会将所吸收的能量转化为荧光或磷光。 细胞中的光吸收 蛋白质是生物细胞中含量最多的化学物质，其基本组成是氨基酸，氨基酸又分为脂肪族和芬芳族两种。 光致细胞过程 吸收了光之后，细胞会产生多种光物理和光化学过程。当细胞一些组分直接受光激发或被其他组分转移的能量激发时能产生荧光。 生物组织的光学效应 生物组织的光学效应 从物理学的基本理论出发，当照射到生物组织的光远离其吸收谱带时，生物组织中物质的分子会被光的电磁波能量所极化，光波正弦变化的电磁场会引起电子在分子内进行正弦振荡。这种振荡使得每个分子像小天线一样，会在非入射光方向辐射能量，这就是光的散射现象。 瑞利散射，其特点包括： ①散射光频率与入射光频率相同； ②散射强度随距离的平方下降； ③散射强度与入射波长λ的4次方成反比； ④散射光随散射角而变化。 生物组织的光学效应 生物组织的光学效应 光化反应是指光能量作用直接引起的化学反应。通常的光化反应源于发生反应的分子，在吸收适当量子能量的光子后将跃迁到某一电子激发态，最后终结于第一个基态产物的出现。完整的光化反应由原始的光化学反应和继发的光化学反应两个阶段构成。由于反应后的最终产物可能是原初物质的分解物，也可能是总反应的氧化物、聚合物或敏化后的生成物，因而光化反应可分为光致分解、光致氧化、光致聚合、光致敏化四种类型。 生物组织的光学效应 表6-1列举了一些常见生化物质的特征吸收波长。 02 光电传感器及其检测原理 光电传感器的物理基础是光电效应。当光照射到某种物体上时，光能量作用于物体而释放出电子的现象称为光电效应。光电效应常分为内光电效应、外光电效应两大类。 光电传感器基本原理 ②入射光频率成分不变，产生的光电流与光强成正比，光强越强则入射的光子数越多，逸出的电子数也越多。 ③光电子逸出物体表面具有初始动能，因此光电管即使没加阳极电压，也会有光电流。加负的截止电压可使光电流为零，此截止电压与入射光频率成正比。 光电传感器基本原理 ①当光子能量大于逸出功时，才产生光电效应，当光子能量恰好等于逸出功时的v。 内光电效应 受光照物体的电导率发生变化或产生光电动势的现象称为内光电效应。 光电传感器基本原理 （1）光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态而引起材料电阻率的变化，此现象称为光电导效应。它与外光电效应一样受红限频率限制。基于此类效应的器件有光敏电阻。除金属外大多数的绝缘体和半导体都有光电导效应。 （2）光生伏特效应 在光线作用下，能够使物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。光生伏特效应有两种。 光电传感器基本原理 一种为结光电效应。在接触的金属-半导体或PN结中，当光照射其接触区时，产生光生电动势。基于此原理的器件主要有光敏晶体管和光电池。 另一种为侧向光电效应。当半导体光电器件敏感面受光照不均匀时，将由载流子浓度梯度产生侧向光电效应，基于这一效应工作的光电器件有半导体光电位置传感器。 光电传感器基本原理 光电器件 1）光电管与光电倍增管 （1）光电管 典型的真空光电管，其玻璃泡内装有两个电极。一个为光 电阴极，常用碱金属及其化合物制成，如铯、氧化铯、锑铯等。 （2）光电倍增管 当入射光很微弱时，普通光电管能产生的光电流太小，不易检测。 光电器件与光电传感器的主要类型 光电器件与光电传感器的主要类型 光敏电阻具有灵敏度高、光谱响应范围宽、体积小、质量小、机械强度高、抗过载能力强、价格较低等特点。它一般由金属硫化物等材料制成。 3）光电池与光敏晶体管 （1）光电池 光电池是一个有源器件，当光照射时，无须外接电压激励也能产生电流输出。 （2）光敏二极管 光敏二极管的结构与一般二极管相似。 （3）光敏晶体管 与普通晶体管一样，光敏晶体管集电结可获得电流增益。 光电器件与光电传感器的主要类型 4）半导体位置传感器 半导体位置传感器（Position Sensitive Detector，PSD）是基于侧向光