ch06光電傳感與生物光效應(yīng)檢測

光電傳感與生物光效應(yīng)檢測教育部生物醫(yī)學(xué)工程類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會“十三五”規(guī)劃教材生物醫(yī)學(xué)傳感與檢測原理第六章01生物組織的光學(xué)效應(yīng)光與生物組織的相互作用以吸收和散射占主導(dǎo)，一方面生物組織的顏色、成分及濃度將影響其對光的吸收和散射，而光的波長及其能量也將影響其與生物組織的相互作用方式；另一方面，光能量作用于生物組織過程中可能引起不同類型的生物物理、生物化學(xué)反應(yīng)，而生物組織特性也將影響這些光生物效應(yīng)。因此，利用光與生物組織的作用機(jī)制，可以構(gòu)建基于生物光學(xué)效應(yīng)的生物醫(yī)學(xué)傳感與檢測方法。生物組織的光學(xué)效應(yīng)生物組織的光學(xué)效應(yīng)生物組織對光的吸收光照射到生物組織時，當(dāng)光子能量hv與組織的原子或分子的躍遷能級相同時，光能便被生物組織或材料所吸收。生物組織所吸收的光子能量在大多數(shù)情況下轉(zhuǎn)化為熱能，而在一些特定的情況下會將所吸收的能量轉(zhuǎn)化為熒光或磷光。細(xì)胞中的光吸收蛋白質(zhì)是生物細(xì)胞中含量最多的化學(xué)物質(zhì)，其基本組成是氨基酸，氨基酸又分為脂肪族和芬芳族兩種。光致細(xì)胞過程吸收了光之后，細(xì)胞會產(chǎn)生多種光物理和光化學(xué)過程。當(dāng)細(xì)胞一些組分直接受光激發(fā)或被其他組分轉(zhuǎn)移的能量激發(fā)時能產(chǎn)生熒光。生物組織的光學(xué)效應(yīng)生物組織的光學(xué)效應(yīng)生物組織對光的散射從物理學(xué)的基本理論出發(fā)，當(dāng)照射到生物組織的光遠(yuǎn)離其吸收譜帶時，生物組織中物質(zhì)的分子會被光的電磁波能量所極化，光波正弦變化的電磁場會引起電子在分子內(nèi)進(jìn)行正弦振蕩。這種振蕩使得每個分子像小天線一樣，會在非入射光方向輻射能量，這就是光的散射現(xiàn)象。瑞利散射，其特點(diǎn)包括：①散射光頻率與入射光頻率相同；②散射強(qiáng)度隨距離的平方下降；③散射強(qiáng)度與入射波長λ的4次方成反比；④散射光隨散射角而變化。生物組織的光學(xué)效應(yīng)生物組織的光學(xué)效應(yīng)光化反應(yīng)光化反應(yīng)是指光能量作用直接引起的化學(xué)反應(yīng)。通常的光化反應(yīng)源于發(fā)生反應(yīng)的分子，在吸收適當(dāng)量子能量的光子后將躍遷到某一電子激發(fā)態(tài)，最后終結(jié)于第一個基態(tài)產(chǎn)物的出現(xiàn)。完整的光化反應(yīng)由原始的光化學(xué)反應(yīng)和繼發(fā)的光化學(xué)反應(yīng)兩個階段構(gòu)成。由于反應(yīng)后的最終產(chǎn)物可能是原初物質(zhì)的分解物，也可能是總反應(yīng)的氧化物、聚合物或敏化后的生成物，因而光化反應(yīng)可分為光致分解、光致氧化、光致聚合、光致敏化四種類型。生物組織的光學(xué)效應(yīng)表6-1列舉了一些常見生化物質(zhì)的特征吸收波長。02光電傳感器及其檢測原理光電傳感器的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。當(dāng)光照射到某種物體上時，光能量作用于物體而釋放出電子的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)常分為內(nèi)光電效應(yīng)、外光電效應(yīng)兩大類。光電傳感器基本原理②入射光頻率成分不變，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比，光強(qiáng)越強(qiáng)則入射的光子數(shù)越多，逸出的電子數(shù)也越多。③光電子逸出物體表面具有初始動能，因此光電管即使沒加陽極電壓，也會有光電流。加負(fù)的截止電壓可使光電流為零，此截止電壓與入射光頻率成正比。光電傳感器基本原理①當(dāng)光子能量大于逸出功時，才產(chǎn)生光電效應(yīng)，當(dāng)光子能量恰好等于逸出功時的v。內(nèi)光電效應(yīng)受光照物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動勢的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。光電傳感器基本原理（1）光電導(dǎo)效應(yīng)在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)而引起材料電阻率的變化，此現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。它與外光電效應(yīng)一樣受紅限頻率限制?；诖祟愋?yīng)的器件有光敏電阻。除金屬外大多數(shù)的絕緣體和半導(dǎo)體都有光電導(dǎo)效應(yīng)。（2）光生伏特效應(yīng)在光線作用下，能夠使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)有兩種。光電傳感器基本原理一種為結(jié)光電效應(yīng)。在接觸的金屬-半導(dǎo)體或PN結(jié)中，當(dāng)光照射其接觸區(qū)時，產(chǎn)生光生電動勢。基于此原理的器件主要有光敏晶體管和光電池。另一種為側(cè)向光電效應(yīng)。當(dāng)半導(dǎo)體光電器件敏感面受光照不均勻時，將由載流子濃度梯度產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)，基于這一效應(yīng)工作的光電器件有半導(dǎo)體光電位置傳感器。光電傳感器基本原理光電器件1）光電管與光電倍增管（1）光電管典型的真空光電管，其玻璃泡內(nèi)裝有兩個電極。一個為光電陰極，常用堿金屬及其化合物制成，如銫、氧化銫、銻銫等。（2）光電倍增管當(dāng)入射光很微弱時，普通光電管能產(chǎn)生的光電流太小，不易檢測。光電器件與光電傳感器的主要類型光電器件與光電傳感器的主要類型光敏電阻光敏電阻具有靈敏度高、光譜響應(yīng)范圍寬、體積小、質(zhì)量小、機(jī)械強(qiáng)度高、抗過載能力強(qiáng)、價格較低等特點(diǎn)。它一般由金屬硫化物等材料制成。3）光電池與光敏晶體管（1）光電池光電池是一個有源器件，當(dāng)光照射時，無須外接電壓激勵也能產(chǎn)生電流輸出。（2）光敏二極管光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似。（3）光敏晶體管與普通晶體管一樣，光敏晶體管集電結(jié)可獲得電流增益。光電器件與光電傳感器的主要類型4）半導(dǎo)體位置傳感器半導(dǎo)體位置傳感器（PositionSensitiveDetector，PSD）是基于側(cè)向光電效應(yīng)的。5）CCD固態(tài)圖像傳感器CCD（電荷耦合器件）圖像傳感器是集光電轉(zhuǎn)換、電荷存儲、電荷轉(zhuǎn)移為一體的固態(tài)圖像傳感器。光電器件與光電傳感器的主要類型固態(tài)圖像傳感器除CTD外，還有光敏二極管陣列（SSPD陣列）、電荷耦合光敏二極管陣列（CCPD陣列）等。它們具有尺寸小、價廉、工作電壓低、功耗小、壽命長、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。值得一提的是，最近出現(xiàn)一種利用RAM的光敏特性的光學(xué)RAM二維陣列器件，這種器件的電荷泄漏速度與照射的光強(qiáng)度有關(guān)。光電器件與光電傳感器的主要類型光譜靈敏度S（λ）光電器件對單色輻射通量的反應(yīng)為光譜靈敏度S（λ）。積分靈敏度S光電器件對連續(xù)輻射通量的反應(yīng)程度稱為積分靈敏度。通量閾φ在光電器件輸出端產(chǎn)生的并與固有噪聲電平等效的信號最小輻射通量稱為通量閾值?！啊惫怆娖骷c光電傳感器的主要類型歸一化探測率D°響應(yīng)與輸出噪聲之比稱為探測率D。頻率特性在同樣電壓和同樣光強(qiáng)下，當(dāng)入射光強(qiáng)度以不同的正弦交變頻率調(diào)制時，器件靈敏度會隨調(diào)制頻率f變化。光照特性光照特性表示光電器件靈敏度與其入射輻射通量的關(guān)系。有時也用光電器件輸出電流或電壓與入射輻射通量間的關(guān)系表示。光照特性反映了輸入光信號與輸出電信號的關(guān)系?！啊惫怆娖骷c光電傳感器的主要類型伏安特性伏安特性是指在保持入射光頻譜成分不變且入射輻射通量恒定時，光電器件的電流和電壓之間的關(guān)系。伏安特性曲線可幫助我們計算光電器件的負(fù)載電阻、設(shè)計線路。溫度特性溫度特性是指光電器件的光-電轉(zhuǎn)換效率隨溫度變化的特色。溫度變化后，電子熱運(yùn)動也變化，將引起光電器件光、電性質(zhì)的改變，是引起測量系統(tǒng)靈敏度不穩(wěn)定的一個重要因素。光電器件與光電傳感器的主要類型光電傳感器的參數(shù)計算光電傳感器由光路和電路組成，因此設(shè)計計算應(yīng)從光路和電路兩方面加以考慮。（1）光通量計算；（2）光電流計算；（3）電路的分析計算。光電器件與光電傳感器的主要類型光電傳感器的光信號測量方法1）基本型光電傳感器光電傳感器結(jié)構(gòu)包括光路與電路。按測量光路可將光電傳感器分為下面幾種基本類型。（1）透射式（2）反射式（3）輻射式（4）遮擋式（5）開關(guān)式光電器件與光電傳感器的主要類型光電器件與光電傳感器的主要類型雙光路光電傳感器上述基本型光電傳感器，當(dāng)電源有波動，光路中有干擾光（如陽光、燈光等雜散光）以及光路中有灰塵時，將引起測量誤差。此外，光敏元件特性變化也將帶來誤差。采用雙光路系統(tǒng)可減小這些誤差。光電器件與光電傳感器的主要類型圖6-21示出了一種雙光路系統(tǒng)。03光纖與光譜傳感器件光纖傳感器的基本原理光纖基本原理常見光纖是由兩種成分不同的玻璃抽成極細(xì)的絲，然后套裝在一起構(gòu)成的，如圖6-22所示。傳輸損耗。光纖的主要參數(shù)色散。傳播模式。數(shù)值孔徑NA。光纖強(qiáng)度。光纖傳感器的基本原理功能型光纖傳感器若光纖因本身的性質(zhì)或特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計從而對外界環(huán)境因素，如位置、溫度、應(yīng)力、電場、磁場等敏感，這些敏感量將對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獾奶匦裕ㄈ缦辔弧⒄穹?、頻率、偏振等）形成調(diào)制，通過光電探測器接收調(diào)制后的光信號，并采用適當(dāng)?shù)慕庹{(diào)方法，就可對這些敏感信號進(jìn)行測量。這種傳感器稱為功能型光纖傳感器。光纖傳感器的基本原理傳輸型光纖傳感器若光纖傳感器中光纖僅作為光的傳播媒質(zhì)，往往不連續(xù)，中間接入其他材料制成的敏感元件，則稱為傳輸型（或非功能型）光纖傳感器。（1）光纖Bragg光柵傳感器光纖Bragg光柵（FiberBraggGrating，F(xiàn)BG）是利用紫外光等手段在光纖特定位置制成的折射率周期性分布的光柵區(qū)，于是特定波長（Bragg反射光）在該區(qū)域內(nèi)被反射。（2）馬赫澤德干涉儀傳感器原理光纖傳感器的基本原理光纖傳感器的基本原理馬赫澤德干涉儀的結(jié)構(gòu)如圖6-25所示，它主要由2個3dB耦合器和2條光纖組成，其中一條稱為信號臂，另一條稱為參考臂。光譜傳感的核心元件是光譜分離元件。傳統(tǒng)光譜儀一般采用光柵分離光譜，通過狹縫和光電傳感器或線陣CCD接收空間分離后的光譜；傅里葉變換光譜儀則使用干涉儀結(jié)構(gòu)完成對光譜的調(diào)制，光電傳感器接收光強(qiáng)信號，計算機(jī)完成光強(qiáng)信號到光譜信號的變換。光譜檢測傳感技術(shù)光譜檢測傳感技術(shù)光柵光譜儀的光譜分離元件是反射光柵，其橫剖面如圖6-26所示。光譜檢測傳感技術(shù)傅里葉變換光譜儀結(jié)構(gòu)和原理邁克耳孫干涉儀光路結(jié)構(gòu)如圖6-28所示。顏色傳感器自然界中豐富多彩的色彩是由多種基本色調(diào)混合并經(jīng)視覺系統(tǒng)感知而獲得的。三原色是指色彩中不能再分解的三種基本顏色，有色彩三原色、光學(xué)三原色之分，也反映了人眼感知紅、綠、藍(lán)三種不同顏色的錐體細(xì)胞。其中，光學(xué)三原色為紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B），所對應(yīng)的波長分別是700nm、546.1nm、435.8nm，以不同的比例相加就可以產(chǎn)生多種多樣的色光。04光效應(yīng)傳感器在生物醫(yī)學(xué)測量中的應(yīng)用血氧飽和度和容積脈搏波的近紅外檢測技術(shù)足夠的氧是所有生命活動的物質(zhì)基礎(chǔ)，細(xì)胞中氧的供給通過人的呼吸運(yùn)動完成。人將空氣中的氧吸入肺泡內(nèi)，經(jīng)過氣體交換進(jìn)入血液，氧隨動脈血向全身輸送，在毛細(xì)血管處與組織進(jìn)行氣體再交換，并進(jìn)入機(jī)體組織為細(xì)胞所攝取。光效應(yīng)傳感器在生物醫(yī)學(xué)測量中的應(yīng)用紅外眼動檢測實(shí)現(xiàn)眼動檢測的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)是如何測量眼睛運(yùn)動、眼動數(shù)據(jù)的提取及分析研究。眼動儀的研究經(jīng)歷了從干擾式到非干擾式的過程。其中，觀察法、純粹的輔助記錄法、隨后的電流記錄法和電磁感應(yīng)法等都屬于干擾式眼動儀的范圍，此類眼動儀產(chǎn)生于計算機(jī)尚未普及的時代。表面等離子體共振傳感與檢測系統(tǒng)表面等離子體共振（SurfacePlasmonResonance，SPR）技術(shù)是近年來發(fā)展起來的高精度免標(biāo)記生化檢測技術(shù)。它是一種基于物理光學(xué)現(xiàn)象的生化檢測技術(shù)，以一種特殊的倏逝波為探針，探測介質(zhì)光學(xué)參數(shù)的變化過程。光效應(yīng)傳感器在生物醫(yī)學(xué)測量中的應(yīng)用SPR傳感器檢測分析方法可分為以下4種。單色光入射，改變?nèi)肷浣牵瑱z測反射光的歸一化強(qiáng)度隨入射角的變化情況，并記錄反射光強(qiáng)度最小時的入射角。復(fù)色光入射，固定入射角，對反射光的光譜進(jìn)行分析，得到反射率（或反射光強(qiáng)）隨波長的變化曲線，并記錄共振波長。入射光的角度和波長都固定，