传感器与生化传感系统关键技术

感知技术是物联网关键技术之一，其作用越来越重要，应用也越来越广泛。生化感知系统是一种特殊的感知系统，在化工与医疗领域应用广泛。本书围绕生化感知系统与智慧医疗的相关内容展开，旨在满足从事物联网、信息技术等相关工作与学习的读者的需求。 本书有以下几大特色： （1）本书介绍的内容是当前的前沿技术，虽然技术已有一定的发展，但是尚未有系统全面介绍相关理论的书籍，本书的编写刚好可以弥补这一空白。 （2）本书内容系统、全面，并结合实例分析，应用性强。本书首先介绍生化感知系统与智慧医疗系统的发展及关系，其次系统介绍了生化感知系统的相关知识及关键技术，然后介绍了智慧医疗系统的相关技术，并结合实例介绍了生化感知系统与智慧医疗的相关应用，结构体系完整，应用性强。

传感器是感知系统中非常重要的感知设备之一，能够获取现实世界中物理、化学、生物等的信息，并将获取的信息传递给人或其他装置，是探知现实世界不可或缺的感知工具。生化传感系统是传感器应用的重要方面之一，涉及多个学科和多个领域。
本书结合大量应用，对传感器与生化传感系统关键技术进行了详细介绍。首先是传感器基础，主要介绍传感器基础结构、物理传导效应、常用传感器、有机传感器等；其次是生化传感器相关技术，主要介绍用于医疗健康的生物传感器、石墨烯与纳米材料生化传感器、微流体传感器、非酶生物传感器与基于DNA的无标记电化学生物传感器、场效应晶体管生物传感器、可穿戴传感器等；最后为生化传感系统的广义应用，主要介绍智慧医疗。
本书可作为从事传感器应用、医疗仪器研发及相关专业人员的参考书籍，也可作为普通高校仪器仪表、物联网、医疗仪器及其相关专业的研究生教材。

曾宪武，青岛科技大学信息学院，中国物联网人才培养众创联盟副理事长，青岛市软件学会理事，系主任，教授，教育背景： （1）1987年7月毕业于北京邮电大学，通信工程系； （2）1993年7月毕业于兰州交通大学，铁路运输自动化方向，获工学硕士学位； （3）2008年毕业于中国海洋大学，海洋信息探测与处理方向，获理学博士学位。 工作经历与代表性科研成果： （1）1987.07～1990.09，甘肃省邮电管理局，任载波通信助理工程师； （2）1993.07～1996.04，兰州交通大学，电信系，通信工程专业，任讲师； （3）1996.04～2002.12，烟台东方电子信息产业集团有限公司，任通信事业部、配电自动化事业部主任工程师，主持了枣庄配电自动化、上海闵行及人民广场配电自动化等项目，规划设计了岳阳、东营等配电自动化系统； （4）2003.01～至今，青岛科技大学任教，从事通信工程与物联网工程教学、智能电网方向的教学科研工作，完成国家自然科学基金资助项目“时滞离散变结构控制系统的分析与综合（60574005）”，国家自然科学基金项目“具有时间滞后的离散变结构控制系统的分析与设计（60674020）”，及山东省自然科学重点基金项目“滞后广义变结构控制系统的建模”（资助号：Z2006G11）。承担自然科学基金资助项目“基于海量时空数据语义挖掘及分布密度估计的城市区域社会功能研究(61402246)”。先后发布科研论文40多篇，其中被SCI、EI收录20篇，主持横向课题3项、主讲的《电磁场理论》被评为2010校级优秀课程，2011年度被山东经信委、省教育厅评为山东省企校合作办学优选个人。

第一篇传感器基础001
第1章概述001
1.1传感器基础001
1.1.1传感器的基本概念001
1.1.2传感器的基本结构与分类及其要求002
1.1.3传感器的特性003
1.2传感器应用与发展趋势008
1.2.1常用传感器的应用潜力008
1.2.2传感器应用008
1.2.3传感器的发展趋势009
参考文献010

第2章传感器中的物理传导效应011
2.1电磁效应与介电及磁导效应011
2.1.1麦克斯韦方程组及其应用011
2.1.2电磁波谱013
2.1.3介电效应013
2.1.4磁导效应014
2.2光电效应、光电导效应与光伏效应015
2.2.1光电效应015
2.2.2光电导效应015
2.2.3光伏效应016
2.3光电介效应与光致发光效应016
2.3.1荧光和磷光016
2.3.2电致发光018
2.4霍尔效应、热电效应及热阻效应018
2.4.1霍尔效应018
2.4.2热电效应019
2.4.3热阻效应020
2.5压阻效应、压电效应及热电效应021
2.5.1压阻效应021
2.5.2压电效应021
2.5.3热电效应022
2.6磁效应与多普勒效应022
2.6.1磁致伸缩效应022
2.6.2磁阻效应023
2.6.3巴克豪森效应024
2.6.4能斯特-爱廷豪森效应024
2.6.5法拉第旋转效应与福格特效应024
2.6.6多普勒效应025
2.7磁光效应025
2.7.1磁光克尔效应025
2.7.2克尔效应025
2.7.3普克尔斯效应026
参考文献026

第3章常用传感器027
3.1电导和电容传感器027
3.1.1电导传感器027
3.1.2电容传感器028
3.2光波导传感器029
3.2.1光波导中的传播029
3.2.2光波导的灵敏度031
3.2.3基于光纤的传感器031
3.2.4光干涉传感器032
3.2.5表面等离子体共振传感器033
3.3光谱传感器036
3.3.1紫外-可见和红外光谱036
3.3.2紫外-可见光谱037
3.3.3光致发光光谱039
3.3.4红外光谱040
3.3.5拉曼光谱042
3.3.6核磁共振光谱044
3.4电化学传感器045
3.4.1化学反应045
3.4.2化学热力学046
3.4.3能斯特方程047
3.4.4参比电极050
3.4.5膜电极051
3.4.6电化学pH传感器052
3.4.7基于电化学的气体传感器053
3.4.8伏安法053
3.5扩散电流与容性电流054
3.5.1扩散电流054
3.5.2容性电流056
3.5.3计时电流法（或电位阶跃伏安法）056
3.6线性扫描伏安法和循环伏安法056
3.6.1线性扫描伏安法056
3.6.2循环伏安法058
3.7固态传感器059
3.7.1PN结二极管和基于双极结的传感器059
3.7.2基于肖特基二极管的传感器061
3.7.3基于场效应晶体管的传感器061
3.8声波传感器063
3.8.1石英晶体微量天平063
3.8.2薄膜体声波谐振器064
3.8.3基于悬臂的传感器065
3.8.4叉指式声表面波器件066
3.9陀螺仪068
参考文献070

第4章有机传感器072
4.1表面反应072
4.1.1靶向与锚定有机分子072
4.1.2自组装073
4.2生物感测的表面修饰075
4.2.1金和其他金属表面075
4.2.2硅、二氧化硅和金属氧化物表面076
4.2.3碳表面076
4.2.4导电和非导电聚合物表面078
4.3蛋白质与传感器集成079
4.3.1蛋白质的结构079
4.3.2蛋白质的功能081
4.3.3传感应用中的蛋白质082
4.3.4抗体在感测中的应用082
4.3.5酶在感测中的应用084
4.3.6跨膜传感器085
4.4基于核苷酸和DNA的传感器087
4.4.1DNA的结构088
4.4.2RNA的结构090
4.4.3DNA解码器和微阵列090
参考文献093


第二篇生化传感器094
第5章用于医疗健康的生物传感器的近期新进展094
5.1生物传感器的发展及其材料094
5.1.1生物传感器的发展094
5.1.2生物传感器材料095
5.2可吸收的与可穿戴的生物传感器096
5.2.1可吸收的生物传感器096
5.2.2柔性可穿戴的生物传感器097
5.3电化学与酶生物传感器099
5.3.1电化学生物传感器100
5.3.2酶生物传感器102
5.4FET与石墨烯生物传感器103
5.4.1FET生物传感器103
5.4.2石墨烯生物传感器104
5.5聚合物有机生物传感器与微流体生物传感器105
5.5.1聚合物有机生物传感器105
5.5.2微流体生物传感器105
5.6金属氧化物与等离子体生物传感器106
5.6.1金属氧化物生物传感器106
5.6.2等离子体生物传感器107
5.7其他生物传感器107
参考文献109

第6章石墨烯与纳米材料生化传感器114
6.1石墨烯电化学传感器概述114
6.1.1石墨烯的结构特性与制备方法114
6.1.2石墨烯电化学传感器117
6.2用于检测溶菌酶的功能化银纳米颗粒生化传感器121
6.2.1常用检测溶菌酶的方法121
6.2.2制备与实验122
6.2.3AgNPs/GA生化感测探针及其讨论123
6.3氧化钛纳米电化学生物传感器128
6.3.1TiO2的特性128
6.3.2合成TiO2纳米粒子的方法129
6.3.3TiO2的感测过程131
6.3.4TiO2电化学生物传感器在医疗中的应用132
6.4用于肺癌生物标志物分析的多维结构的纳米传感器137
6.4.1肺癌诊断与纳米材料137
6.4.2零维结构纳米材料141
6.4.3一维纳米材料142
6.4.4二维纳米材料145
6.4.5三维纳米材料147
6.4.6用于肺癌诊断的生物传感器上的多维纳米复合材料149
参考文献152

第7章微流体传感器155
7.1微流体与增材制造155
7.2接近喷墨打印的微流体157
7.2.1制造工艺157
7.2.2喷墨印刷PMMA158
7.2.3SU-8喷墨印刷159
7.2.4喷墨印刷导电材料与3D微流体161
7.2.5应用162
7.3微流体芯片中的光纤生化传感器165
7.3.1光纤传感器的结构和传感机制165
7.3.2集成光纤芯片的测量方法168
7.3.3应用173
7.3.4片上的流量测量182
参考文献185

第8章非酶生物传感器与基于DNA的无标记电化学生物传感器188
8.1非酶生物传感器188
8.1.1食品安全与农药残留检测188
8.1.2非酶受体189
8.1.3光学感测方法190
8.1.4电化学感测199
8.2基于DNA的无标记电化学生物传感器204
8.2.1基于DNA的无标记电化学生物传感器的概要204
8.2.2异构的基于DNA的无标记电化学生物传感器206
8.2.3同构的基于DNA的无标记电化学生物传感器220
参考文献223

第9章场效应晶体管生物传感器226
9.1生化FET传感器检测原理226
9.1.1生化FET传感器及其结构226
9.1.2固体电解质界面230
9.1.3FET的检测机制234
9.2用于生物素特异性检测的高灵敏度石墨烯场效应管生物传感器237
9.2.1生物素的特异性与GFET238
9.2.2制作材料与方法239
9.2.3结果与测试240
9.3感测血清样品中唾液酸的场效应管生物传感器244
9.3.1唾液酸与基本构成244
9.3.2OECT制造过程245
9.3.3基于OECT的SA生物传感器的设计及其性能246
9.4快速测定流感的双通道场效应晶体管生物传感器250
9.4.1流感病毒及其FET测定250
9.4.2制造过程251
参考文献252

第10章可穿戴传感器254
10.1可穿戴传感器概述254
10.1.1健康监测传感器255
10.1.2智能假肢260
10.1.3辅助机器人262
10.2高可拉伸的超灵敏的可穿戴传感器264
10.2.1可拉伸传感器的分类与应用264
10.2.2运动监测266
10.2.3生命体征监测267
10.2.4周围环境监测272
10.2.5可拉伸传感器设计中常用的材料与策略273
10.3非侵入性的可穿戴的葡萄糖传感器275
10.3.1组织液中的葡萄糖水平监测276
10.3.2汗液中葡萄糖的监测277
参考文献280


第三篇生化传感系统的广义应用282
第11章智慧医疗282
11.1智慧医疗：让医疗更智能282
11.1.1智慧医疗的理念282
11.1.2智慧医疗的典型应用283
11.2医疗物联网（IoMT）285
11.2.1IoMT构成285
11.2.2IoMT使能技术286
11.2.3IoMT在医疗保健中的应用288
11.3实例：基于可穿戴设备和云计算的智能孕产妇保健服务系统291
11.3.1系统的作用与意义291
11.3.2孕妇可穿戴设备292
11.3.3IoMT平台292
参考文献296