食品品質(zhì)無損檢測新技術(shù)6課件

1、食品品質(zhì)無損檢測新技術(shù)_62022/7/29食品品質(zhì)無損檢測新技術(shù)6第1頁，共24頁。第六章 其它快速檢測技術(shù)第一節(jié) 氣味（電子鼻）傳感器的檢測技術(shù) 一、概述 煙、酒、飲料等多種食品的質(zhì)量，目前大多依靠人的感官來評定。對香味的分辨，更離不開人的感官。嗅覺在其中起著重要作用。雖然與其它動物相比，人類感覺器官中嗅覺是最不靈敏的。人工感官鑒別工作通常需要訓(xùn)練有素、經(jīng)驗豐富的人員來完成。 電子鼻能識別和檢測復(fù)雜的嗅味和揮發(fā)性成分。電子鼻是指由多個性能彼此重疊的氣敏傳感器和適當(dāng)?shù)哪Ｊ椒诸惙椒ńM成的具有識別單一和復(fù)雜氣味能力的裝置。 2食品品質(zhì)無損檢測新技術(shù)6第2頁，共24頁。第六章 其它快速檢測技術(shù) 第

2、一節(jié) 氣味（電子鼻）傳感器的檢測技術(shù)二、電子鼻的發(fā)展歷程 1964年根據(jù)氣味在電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)的原理創(chuàng)建了第一個電子鼻。 智能化學(xué)傳感器陣列的概念近20年才出現(xiàn)在英國Warwick大學(xué)的Persaud等人和日本日立公司的Ikegami等人的文章中。 1982年，英國學(xué)者用3個氣體傳感器模擬哺乳動物嗅覺系統(tǒng)對戊基醋酸酯、乙醇、戊酸、檸檬油等揮發(fā)氣進(jìn)行了類別分析。 人類對化學(xué)傳感器的探索最早可追溯到19世紀(jì)末。 20世紀(jì)中，化學(xué)傳感器理論和應(yīng)用均取得了長足進(jìn)展。 1961年，Moncrieff制成了一種機械式的氣味檢測裝置。 1967年，日本將金屬氧化物半導(dǎo)體(SnO2)氣體傳感器商品化。

3、3食品品質(zhì)無損檢測新技術(shù)6第3頁，共24頁。第六章 其它快速檢測技術(shù) 第一節(jié) 氣味（電子鼻）傳感器的檢測技術(shù)三、電子鼻工作原理 電子鼻的工作原理是建立在模擬人的嗅覺形成過程基礎(chǔ)上的。人的嗅覺系統(tǒng)由嗅覺細(xì)胞、嗅覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和大腦組成。嗅感是揮發(fā)性物質(zhì)釋放出氣體進(jìn)入鼻腔，被嗅覺小胞中的嗅細(xì)胞吸附到表面上，呈負(fù)電性的嗅細(xì)胞表面的部分電荷發(fā)生改變，產(chǎn)生電流，使神經(jīng)末梢接受刺激而興奮，最后，興奮信號傳到大腦的嗅區(qū)皮層產(chǎn)生嗅感。 人的嗅感產(chǎn)生過程框圖4食品品質(zhì)無損檢測新技術(shù)6第4頁，共24頁。第六章 其它快速檢測技術(shù) 第一節(jié) 氣味（電子鼻）傳感器的檢測技術(shù)四、電子鼻的基本組成 電子鼻系統(tǒng)主要由氣敏傳感器陣列

4、、信號處理單元和模式識別單元三大部分組成。圖給出了人工嗅覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。 電子鼻的系統(tǒng)組成5食品品質(zhì)無損檢測新技術(shù)6第5頁，共24頁。第六章 其它快速檢測技術(shù) 第一節(jié) 氣味（電子鼻）傳感器的檢測技術(shù)1氣敏傳感器陣列 氣敏傳感器陣列可以由多個分立氣敏傳感器元件組成，也可以采用集成工藝制作專門的傳感器陣列。 氣敏傳感器有金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器、聲表面波傳感器、導(dǎo)電有機聚合物膜傳感器、石英晶體諧振傳感器、電化學(xué)傳感器、紅外光電傳感器及L-B膜傳感器等類型。 生物嗅覺系統(tǒng)中的單個嗅覺受體細(xì)胞的性能并不高，但是，生物嗅覺系統(tǒng)的整體性能卻令人驚嘆不已。因此，不必刻意追求單個氣敏傳感器的性能。采用集成化嗅

5、覺傳感器陣列裝置已成發(fā)展趨勢。 6食品品質(zhì)無損檢測新技術(shù)6第6頁，共24頁。第六章 其它快速檢測技術(shù) 第一節(jié) 氣味（電子鼻）傳感器的檢測技術(shù)2. 信號處理單元 信號處理單元由A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)預(yù)處理與處理器組成。由傳感器產(chǎn)生的電信號經(jīng)電子線路放大及A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。被測嗅覺的強度既可采用每個傳感器輸出的絕對電壓、電阻或電導(dǎo)等信號來表示，也可用相對信號值，如歸一化的電阻或電導(dǎo)值，即它們的變化率來比較嗅味的性質(zhì)。傳感器陣列輸出的信號經(jīng)由信號處理單元抽取出有效特征參數(shù)，以便進(jìn)行模式識別。 7食品品質(zhì)無損檢測新技術(shù)6第7頁，共24頁。第六章 其它快速檢測技術(shù) 第一節(jié) 氣味（電子鼻）傳感器的檢測技術(shù)3

6、. 模式識別單元 模式識別單元相當(dāng)于生物的大腦。它運用一定的算法完成氣味、氣體的定性、定量辨識。目前常用的模式識別方法有統(tǒng)計方法（主要有主成分分析法（PCA）、偏最小二乘法（PLS）、聚類分析法（CA）等）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）方法以及模糊識別方法等等。 8食品品質(zhì)無損檢測新技術(shù)6第8頁，共24頁。第六章 其它快速檢測技術(shù) 第一節(jié) 氣味（電子鼻）傳感器的檢測技術(shù)五、電子鼻的應(yīng)用 名 稱傳感器陣列類型主要應(yīng)用生產(chǎn)廠商氣味監(jiān)測儀金屬氧化物半導(dǎo)體測一般可燃?xì)怏w美國公司智能鼻Fox2000金屬氧化物半導(dǎo)體測一般可燃?xì)怏w法國香味掃描儀導(dǎo)電聚合物測食品、化妝品法國 鼻子聚合物傳感器監(jiān)測啤酒英國口腔監(jiān)測儀

7、金屬氧化物測呼吸新鮮度日本9食品品質(zhì)無損檢測新技術(shù)6第9頁，共24頁。第六章 其它快速檢測技術(shù) 第一節(jié) 氣味（電子鼻）傳感器的檢測技術(shù)六、電子鼻發(fā)展前景 存在問題:(1)有些傳感器對測試條件要求苛刻，必須嚴(yán)加控制，或者加以監(jiān)測并進(jìn)行參數(shù)補償；(2)傳感器本身的穩(wěn)定性差，因而易于中毒；(3)陣列的校正和訓(xùn)練數(shù)據(jù)無法通用。 研究方向：能對微量分子瞬時敏感的不受環(huán)境影響或能對環(huán)境變化進(jìn)行自適應(yīng)補償?shù)膫鞲衅麝嚵醒b置；能對信號進(jìn)行處理的高精度處理器，將信號與噪聲分離；能將人的感官感受相一致的感官評定指標(biāo)的模式識別方法。 10食品品質(zhì)無損檢測新技術(shù)6第10頁，共24頁。第六章 其它快速檢測技術(shù)第二節(jié) 生物

8、傳感器檢測技術(shù) 按檢測對象可以分成兩大類：物理傳感器和化學(xué)傳感器。物理傳感器是檢測力、熱、光、電、磁等物理量的傳感器;化學(xué)傳感器則是能檢測化學(xué)量的傳感器。 從20世紀(jì)60年代起，化學(xué)傳感器領(lǐng)域又增加了一個新的分支生物傳感器。 有人把生物傳感器和物理傳感器及化學(xué)傳感器并列起來，看作是傳感器的第3個類別。 11食品品質(zhì)無損檢測新技術(shù)6第11頁，共24頁。第六章 其它快速檢測技術(shù) 第二節(jié) 生物傳感器檢測技術(shù) 一、生物傳感器的一般知識 1. 生物傳感器的定義 用固定化的生物體成分（酶、抗體、抗原、激素）或生物體本身（細(xì)胞、細(xì)胞器、組織）作為敏感元件的傳感器稱為生物傳感器。生物傳感器既不是指專用于生物領(lǐng)

9、域的傳感器，也不是指被測量對象必須是生物量的傳感器（盡管用它也能測定生物量），而是基于它的敏感材料來自生物體。 12食品品質(zhì)無損檢測新技術(shù)6第12頁，共24頁。第六章 其它快速檢測技術(shù) 第二節(jié) 生物傳感器檢測技術(shù) 2. 生物傳感器的組成 在生物傳感器中除敏感元件之外還有信號轉(zhuǎn)換器件，常用的信號轉(zhuǎn)換器有電化學(xué)電極、離子敏場效應(yīng)晶體管、熱敏電阻及微光管等。生物傳感器的組成可形象地如圖所示。 生物傳感器的基本構(gòu)成示意圖13食品品質(zhì)無損檢測新技術(shù)6第13頁，共24頁。第六章 其它快速檢測技術(shù) 第二節(jié) 生物傳感器檢測技術(shù) 生物傳感器的工作原理 （2）將熱變化轉(zhuǎn)化成電信號 大部分生物傳感器均屬于這種類型。

10、以酶傳感器為例，酶催化特定底物發(fā)生反應(yīng)，從而使特定生成物的量有所增減。用能把這類物質(zhì)的量的改變轉(zhuǎn)換為電信號的裝置和固定化酶耦合，即組成酶傳感器。 固定化的生物材料與相應(yīng)的被測物作用時常伴隨有熱的變化。 將熱變化轉(zhuǎn)變成電信號的生物傳感器（1）將化學(xué)信號變化轉(zhuǎn)換成電信號 14食品品質(zhì)無損檢測新技術(shù)6第14頁，共24頁。第六章 其它快速檢測技術(shù) 第二節(jié) 生物傳感器檢測技術(shù) 生物傳感器的工作原理 （3）將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺?）直接產(chǎn)生電信號方式 有些酶，例如過氧化氫酶，能催化過氧化氫/魯米諾體系發(fā)光，如設(shè)法將過氧化氫酶膜附著在光纖或光敏二極管的前端，再和光電流測定裝置相連，即可測定過氧化氫含量。 前

11、3種原理的生物傳感器都是化學(xué)或物理變化再通過信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栠M(jìn)行測量，統(tǒng)稱為間接測量方式。 酶反應(yīng)伴隨的電子轉(zhuǎn)移、微生物細(xì)胞的氧化直接在電極表面上發(fā)生，根據(jù)所得到的電流量即可得底物濃度。這就是直接測量方式。15食品品質(zhì)無損檢測新技術(shù)6第15頁，共24頁。第六章 其它快速檢測技術(shù) 第二節(jié) 生物傳感器檢測技術(shù) 3. 生物傳感器的分類 （1）根據(jù)傳感器輸出信號的產(chǎn)生方式分類 產(chǎn)生傳感器輸出信號的方式有兩類。一類是被測物與分子識別元件上敏感物質(zhì)具有生物親合作用，這類傳感器稱為親合生物傳感器；一類是底物與分子識別元件上的敏感物質(zhì)相作用并生成產(chǎn)物，信號轉(zhuǎn)換器將底物的消耗或產(chǎn)物的增加轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲂盘枺@

12、類傳感器稱為代謝型或催化型生物傳感器， 16食品品質(zhì)無損檢測新技術(shù)6第16頁，共24頁。第六章 其它快速檢測技術(shù) 第二節(jié) 生物傳感器檢測技術(shù) （2）根據(jù)傳感器中分子識別元件上的敏感物質(zhì)分類 根據(jù)所用的敏感物質(zhì)將生物傳感器分為酶傳感器、微生物傳感器、組織傳感器、細(xì)胞器傳感器、免疫傳感器等。 （3）根據(jù)傳感器的信號轉(zhuǎn)換器分類 生物傳感器的信號轉(zhuǎn)換器有：電化學(xué)電極、離子敏場效應(yīng)晶體管、熱敏電阻、光電轉(zhuǎn)換器、SAW裝置等。據(jù)此又將生物傳感器分為電化學(xué)生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器、測熱型生物傳感器、測光型生物傳感器、測聲型生物傳感器等。 17食品品質(zhì)無損檢測新技術(shù)6第17頁，共24頁。第六章 其它快速檢

13、測技術(shù) 第二節(jié) 生物傳感器檢測技術(shù) 3. 生物傳感器的分類 按敏感材料分類分子識別部分信號轉(zhuǎn)換部分按信號轉(zhuǎn)換器分類酶傳感器微生物傳感器免疫傳感器細(xì)胞器物傳感器組織傳感器酶 電化學(xué)測定裝置微生物 場效應(yīng)晶體管抗體或抗原 光纖和光敏二極管細(xì)胞器 熱敏電阻動、植物組織 SAW裝置電化學(xué)生物傳感器半導(dǎo)體生物傳感器測光型生物傳感器測熱型生物傳感器測聲型生物傳感器生物傳感器的分類18食品品質(zhì)無損檢測新技術(shù)6第18頁，共24頁。第六章 其它快速檢測技術(shù) 第二節(jié) 生物傳感器檢測技術(shù) 4. 生物傳感器的特點 （A） 生物傳感器是由選擇性好的生物體材料構(gòu)成的分子識別元件，因此一般不需要進(jìn)行樣品的預(yù)處理，它利用優(yōu)異

14、的選擇性把樣品中被測組分的分離和檢測統(tǒng)一為一體，測定時一般不需另加其它試劑。 (B) 生物傳感器由于它的體積小，可以實現(xiàn)連續(xù)在線檢測。 (C) 生物傳感器的響應(yīng)快、樣品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反復(fù)多次使用。 (D) 生物傳感器連同測定儀的成本遠(yuǎn)低于大型的分析儀器，因而便于推廣普及。 19食品品質(zhì)無損檢測新技術(shù)6第19頁，共24頁。第六章 其它快速檢測技術(shù) 第二節(jié) 生物傳感器檢測技術(shù) 二、生物傳感器在食品與農(nóng)產(chǎn)品加工中的應(yīng)用 1. 生物傳感器在食品檢驗中的應(yīng)用 （1）食品鮮度的測定 （A）魚鮮度傳感器 （B）肉鮮度傳感器 肉類在腐敗過程中會產(chǎn)生各種胺類，故胺類測定也能反映肉類的新鮮

15、度。 （C）牛乳鮮度傳感器 牛乳放置過程中，受細(xì)菌作用而產(chǎn)生乳酸，因此乳酸含量可表示牛乳的新鮮度。此外也可從牛乳放置過程由于脂分解作用產(chǎn)生的短鏈脂肪酸的含量來判斷牛乳及其制品的新鮮度，這類傳感器也已開發(fā)出來了。 20食品品質(zhì)無損檢測新技術(shù)6第20頁，共24頁。第六章 其它快速檢測技術(shù) 第二節(jié) 生物傳感器檢測技術(shù) 2.生物傳感器在食品衛(wèi)生檢測中的應(yīng)用 （1）食品中細(xì)菌和病原菌的測定 食品中微生物的檢測一直用平皿計數(shù)法，方法繁瑣耗時。1979年等開發(fā)了非染料偶合的燃料電池型微生物電極系統(tǒng), 該電極基于微生物在呼吸代謝過程中產(chǎn)生電子，在陽極上放電，放電產(chǎn)生的電流大小可反映測定液中微生物的濃度。 采用

16、光纖傳感器可直接放入生長溶液的培養(yǎng)瓶中，通過測定微生物代謝過程中的副產(chǎn)物二氧化碳濃度來估算細(xì)菌數(shù)量。采用酶聯(lián)電流型免疫傳感器可測到食品中低數(shù)量的沙門氏菌。 免疫傳感器也成功地測定了污染食品的大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和鼠傷寒沙門氏菌。 21食品品質(zhì)無損檢測新技術(shù)6第21頁，共24頁。第六章 其它快速檢測技術(shù) 第二節(jié) 生物傳感器檢測技術(shù) （2）檢測食品中毒素 有人采用光纖傳感器測定了食品中的肉毒桿菌毒素A，檢測下限可達(dá)5mgmL，lmin內(nèi)可完成測定。 （3）檢測食品中殘留農(nóng)藥 采用電導(dǎo)型生物傳感器對食品中有機磷農(nóng)藥：甲基馬拉松、乙基馬拉松、敵百蟲、二乙丙基磷酸進(jìn)行了測定，檢出下限分別為510-7、110-8、510-7、510-11molL。 磺胺可進(jìn)入動物來源的食品，對人體健康產(chǎn)生不良影響。采用免疫傳感器測定了牛奶中硫胺二甲嘧啶，檢出限低于110-9，平均相對標(biāo)準(zhǔn)差為2%。 22食品品質(zhì)無損檢測新技術(shù)6第22頁，共24頁。第六章 其它快速檢測技術(shù) 第二節(jié) 生物傳感器檢測技術(shù) （4）檢測食品中添加劑 亞硫酸鹽通常用于食品工業(yè)。除具有漂白作用外，還有防止食品氧化和微生