食品安全與生物傳感器

關(guān)于食品安全與生物傳感器第1頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日計(jì)算機(jī)大腦傳感器感覺器官第2頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日AppleWatch

第3頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日蘋果官方近日公布了其內(nèi)置心率傳感器的工作原理。蘋果的技術(shù)支持文檔顯示，AppleWatch的心率測量周期是每10分鐘測量一次，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在健康A(chǔ)pp中。這些檢測信息，再結(jié)合收集到的其他數(shù)據(jù)，計(jì)算佩戴者的卡路里消耗量。第4頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日AppleWatch利用LED綠光和紅外光，以及兩種光傳感器來檢測心率。當(dāng)其處于15攝氏度以下的低溫時(shí)，通過測量綠光的吸收狀況來獲取更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。而高溫環(huán)境下，比如用戶正在健身房里揮汗如雨時(shí)，皮膚表面水分增加，由于更多綠光已經(jīng)被吸收掉，要檢測皮下反射的綠光就比較困難，這時(shí)AppleWatch就轉(zhuǎn)換到紅外光模式。這種用于血流檢測的光學(xué)技術(shù)，專業(yè)上稱為“光電容積脈搏波描記法（photoplethysmography）”，簡稱PPG。綠光PPG跟EKG（心電圖）獲取的數(shù)據(jù)更接近。第5頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日下圖顯示的是PPG測量結(jié)果和EKG、血壓數(shù)據(jù)的對(duì)比情況?？梢钥闯鯬PG技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，以及跟EKG數(shù)據(jù)更為匹配：第6頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日心臟平均每分鐘跳（bpm）72下。運(yùn)動(dòng)過程中，肌肉需要更多氧氣，心跳會(huì)加速來滿足氧氣供應(yīng)；健身時(shí)，AppleWatch的心率感應(yīng)器將心率數(shù)據(jù)顯示在手腕的屏幕上，用戶可以隨時(shí)隨地用HeartRateGlance查看。AppleWatch的綠光模式每分鐘檢測一次，而紅外光模式每十分鐘檢測一次，收集用戶的心率和脈沖等數(shù)據(jù)。信息和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在健康應(yīng)用中，幫助計(jì)算用戶消耗的卡路里數(shù)量，還可以反映運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度以及運(yùn)動(dòng)過程中的心率變化。第7頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日AppleWatch是如何檢測心率的？“光電容積脈搏波描記法（photoplethysmography）”的英文單詞讀起來難，但原理卻簡單：血液是紅色的，反射紅光，吸收綠光。AppleWatch結(jié)合綠色LED光跟感光光電二極管，檢測特定時(shí)間手腕處流通的血液量。心臟跳動(dòng)的一瞬，手腕處流通的血液量增加，吸收更多綠光；而心跳間隙，吸收的綠光就少一些。AppleWatch上LED光每秒閃動(dòng)數(shù)百次，計(jì)算出每分鐘的心跳次數(shù)，也就是心率。AppleWatch心率傳感器的紅外光模式每十分鐘檢測一次心率。倘若紅外系統(tǒng)無法讀取足夠數(shù)據(jù)的話，AppleWatch就會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到綠光模式。心率傳感器還通過提高LED亮度和采樣率來應(yīng)對(duì)信號(hào)不足的情況。第8頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日第一節(jié)概述食品的質(zhì)量和安全性是影響人們健康的重要因素，為保證食品質(zhì)量及對(duì)加工過程進(jìn)行人為的控制，需要建立合適的分析方法。傳統(tǒng)的分析方法有物理法、化學(xué)法及儀器分析法，這些方法都存在著樣品預(yù)處理步驟復(fù)雜、分析時(shí)間長、設(shè)備龐大、不能現(xiàn)場測定等缺點(diǎn)。因此，運(yùn)用新的原理和方法開發(fā)準(zhǔn)確安全的快速檢測新技術(shù)是目前急需解決的問題。生物傳感器具有選擇性好、靈敏度高、分析速度快等優(yōu)點(diǎn)，并且可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)測定和在線分析，因此，其被廣泛應(yīng)用于食品安全檢測領(lǐng)域。第9頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日

第二節(jié)生物傳感器1生物傳感器的基本概念

生物傳感器通常是指由一種生物敏感部件和轉(zhuǎn)化器緊密結(jié)合,對(duì)特定種類化學(xué)物質(zhì)或生物活性物質(zhì)具有選擇性和可逆響應(yīng)的分析裝置。

它是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進(jìn)的檢測與監(jiān)控方法,也是對(duì)食品質(zhì)量在分子水平上進(jìn)行快速和微量分析的方法。第10頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日２生物傳感器工作原理

待測物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入固定生物膜敏感層，經(jīng)分子識(shí)別而發(fā)生生物學(xué)作用，產(chǎn)生的信息如光、熱、音等被相應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換器變?yōu)榭啥亢吞幚淼碾娦盘?hào)，再經(jīng)二次儀表放大并輸出，以電極測定其電流值或電壓值，從而換算出被測物質(zhì)的量或濃度。第11頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日第12頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日3、生物傳感器與其他傳感器的最大區(qū)別：生物傳感器的信號(hào)檢測以生物活性物質(zhì)作為敏感元件，具有特異識(shí)別分子的能力。與傳統(tǒng)的分析方法相比，這種新的檢測裝置具備以下特點(diǎn)：(1)體積小、響應(yīng)快、準(zhǔn)確度高，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線檢測；(2)一般不需進(jìn)行樣品的預(yù)處理，可將樣品中被測組分的分離和檢測統(tǒng)一為一體，使整個(gè)測定過程簡便迅速，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析；(3)可進(jìn)行活體分析；(4)生物傳感器連同測定儀的成本遠(yuǎn)低于大型分析儀器，便于推廣普及。第13頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日4、生物傳感器發(fā)展歷程開端于

20世紀(jì)

60年代。1962年克拉克等人報(bào)道了用葡萄糖氧化酶與氧電極組合檢測葡萄糖的結(jié)果,可認(rèn)為是最早提出了生物傳感器(酶傳感器)的原理。1967年Updike等人實(shí)現(xiàn)了酶的固定化技術(shù),研制成功酶電極

,這被認(rèn)為是世界上第一個(gè)生物傳感器。

第14頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日20世紀(jì)70年代中期后,生物傳感器技術(shù)的成功主要集中在對(duì)生物活性物質(zhì)的探索、活性物質(zhì)的固定化技術(shù)、生物電信息的轉(zhuǎn)換以及生物傳感器等研究

,并獲得了較快的進(jìn)展。1977年,鈐木周一等發(fā)表了關(guān)于對(duì)生化需氧量(BOD)進(jìn)行快速測定的微生物傳感器的報(bào)告

,

正式提出了對(duì)生物傳感器的命名。第15頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日

5.1將化學(xué)變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)

如酶傳感器,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(hào)的裝置和固定化酶耦合,即組成酶傳感器,常用轉(zhuǎn)換裝置有氧電極、過氧化氫。第16頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日第17頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日氨氣檢測儀檢測原理一般包括電化學(xué)或半導(dǎo)體原理傳感器。采樣方式分為泵吸式和擴(kuò)散式，氨氣檢測儀主要有采樣、檢測、指示及報(bào)警等部分組成，當(dāng)環(huán)境中的氨氣擴(kuò)散或抽吸達(dá)到傳感器時(shí)，傳感器將氨氣濃度大小轉(zhuǎn)換為一定大小的電信號(hào)，再由顯示器將濃度值顯示出來。第18頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日

5.2將熱變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)

固定化的生物材料與相應(yīng)的被測物作用時(shí)常伴有熱的變化。例如大多數(shù)酶反應(yīng)的熱焓變化量在25-100kJ/mol的范圍。這類生物傳感器的工作原理是把反應(yīng)的熱效應(yīng)借熱敏電阻轉(zhuǎn)換為阻值的變化,后者通過有放大器的電橋輸入到記錄儀中。第19頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日第20頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日數(shù)顯溫度計(jì)采用溫度敏感元件也就是溫度傳感器（如鉑電阻，熱電偶，半導(dǎo)體，熱敏電阻等），將溫度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化，如電壓和電流的變化，溫度變化和電信號(hào)的變化有一定的關(guān)系，如線性關(guān)系，一定的曲線關(guān)系等，這個(gè)電信號(hào)可以使用模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路即AD轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)再送給處理單元，如單片機(jī)或者PC機(jī)等，處理單元經(jīng)過內(nèi)部的軟件計(jì)算將這個(gè)數(shù)字信號(hào)和溫度聯(lián)系起來，成為可以顯示出來的溫度數(shù)值，如25.0攝氏度，然后通過顯示單元，如LED,LCD或者電腦屏幕等顯示出來給人觀察。這樣就完成了數(shù)字溫度計(jì)的基本測溫功能第21頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日5.３將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)

例如，過氧化氫酶,能催化過氧化氫/魯米諾體系發(fā)光,因此如設(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.

還有很多細(xì)菌能與特定底物發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生熒光.也可以用這種方法測定底物濃度.第22頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日BenthoTorch底棲藻類便攜式檢測儀

對(duì)底棲藻類熒光測試的儀器

第23頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日利用藻類細(xì)胞內(nèi)的熒光:細(xì)胞色素被不同顏色（波長）的LED光源所激發(fā)并發(fā)出紅色的熒光，而這種光是自然界中高度敏感的光源。葉綠素?zé)晒獾墓鈴?qiáng)度被用來區(qū)別不同的藻類例如葉綠素a，并分別命名為綠藻，藍(lán)藻（藍(lán)細(xì)菌）以及硅藻。這種計(jì)算是通過內(nèi)部優(yōu)化的算法進(jìn)行的。計(jì)算結(jié)果會(huì)顯示在顯示屏上并存儲(chǔ)于內(nèi)部內(nèi)存中。自帶的USB接口能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X。電腦軟件是免費(fèi)提供的。第24頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日

都是將分子識(shí)別元件中的生物敏感物質(zhì)與待測物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),將反應(yīng)后所產(chǎn)生的化學(xué)或物理變化再通過信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)進(jìn)行測量,這種方式統(tǒng)稱為間接測量方式.上述三類傳感器原理的共同點(diǎn)第25頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日

5.4直接產(chǎn)生電信號(hào)方式

這種方式可以使酶反應(yīng)伴隨的電子轉(zhuǎn)移、微生物細(xì)胞的氧化直接(或通過電子遞體的作用)在電極表面上發(fā)生。根據(jù)所得的電流量即可得底物濃度。第26頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日6生物傳感器分類6.1根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的產(chǎn)生方式,可分為生物親合型生物傳感器、代謝型或催化型生物傳感器等

6.2根據(jù)生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換器可分為電化學(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

6.3根據(jù)生物傳感器中生物分子識(shí)別元件上的敏感材料可分為酶傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、基因傳感器、細(xì)胞及細(xì)胞器傳感器。第27頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日生物傳感器的分類：按工作原理分：第28頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日按所用的生物活性物質(zhì)分：

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核酸生物傳感器等第29頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日按信號(hào)轉(zhuǎn)換器類型：生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換器類型電化學(xué)式光學(xué)式其他電位式電流式電導(dǎo)式光導(dǎo)纖維光電子元件表面聲波壓電晶體熱敏件平面波導(dǎo)表面等離子體共振傳感聚合物修飾電極金屬電極離子選擇性電極傳感有機(jī)鹽修飾電極場效應(yīng)晶體管氣敏電極貴金屬電極碳素或半導(dǎo)體電極第30頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日

每一類名稱又都包含許多種具體的生物傳感器例如，酶電極類:根據(jù)所用酶的不同就有幾十種，如葡萄糖電極、尿素電極、尿酸電極、膽固醇電極、乳酸電極、丙酮酸電極等等．葡萄糖電極也并非只有一種，有用pH電極或碘離子電極作為轉(zhuǎn)換器的電位型葡萄糖電極，有用氧電極或過氧化氫電極作為轉(zhuǎn)換器的電流型葡萄糖電極等．實(shí)際上還可再細(xì)分。第31頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日第32頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日

被測物質(zhì)與分子識(shí)別元件上的敏感物質(zhì)具有生物親合作用，即二者能特異地相結(jié)合，同時(shí)引起敏感材料的分子結(jié)構(gòu)和/或固定介質(zhì)發(fā)生變化。例如：電荷、溫度、光學(xué)性質(zhì)等的變化。反應(yīng)式可表示為：

S（底物）+R（受體）=SR生物親合型傳感器第33頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日底物（被測物）與分子識(shí)別元件上的敏感物質(zhì)相作用并生成產(chǎn)物，信號(hào)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?hào)，這類傳感器稱為代謝型傳感器，其反應(yīng)形式可表示為

S（底物）＋R（受體）=SR→P（生成物）

代謝型傳感器第34頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日第35頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日7生物傳感器組成部分一是生物分子識(shí)別元件(感受器),是具有分子識(shí)別能力的生物活性物質(zhì)(如組織切片、細(xì)胞、細(xì)胞器、細(xì)胞膜、酶、抗體、核酸、有機(jī)物分子等);二是信號(hào)轉(zhuǎn)換器(換能器),主要有電化學(xué)電極(如電位、電流的測量)、光學(xué)檢測元件、熱敏電阻、場效應(yīng)晶體管、壓電石英晶體及表面等離子共振器件等，當(dāng)待測物與分子識(shí)別元件特異性結(jié)合后,所產(chǎn)生的復(fù)合物(或光、熱等)通過信號(hào)轉(zhuǎn)換器變?yōu)榭梢暂敵龅碾娦盘?hào)、光信號(hào)等,從而達(dá)到分析檢測的目的。第36頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日（一）生物識(shí)別元件

它是酶、抗原(體)、細(xì)胞器、組織切片和微生物細(xì)胞等生物分子經(jīng)固定化后形成的一種膜結(jié)構(gòu)，對(duì)被測定的物質(zhì)有選擇性的分子識(shí)別能力.第37頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日（二）換能器它能將識(shí)別元件上進(jìn)行的生化反應(yīng)中消耗或生成的化學(xué)物質(zhì)，或產(chǎn)生的光或熱等轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，在一定條件下，產(chǎn)生的電信號(hào)強(qiáng)度和反應(yīng)中物質(zhì)的變化量或光、熱等的強(qiáng)度呈現(xiàn)一定的比例關(guān)系。第38頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日換能器(信號(hào)轉(zhuǎn)換器)將分子識(shí)別元件進(jìn)行識(shí)別時(shí)所產(chǎn)生的化學(xué)的或物理的變化轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)．生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換器已有許多種，其中到目前為止用得最多的且比較成熟的是電化學(xué)電極，用它組成的生物傳感器稱為電化學(xué)生物傳感器．第39頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日（三）信號(hào)處理放大裝置

主要負(fù)責(zé)信號(hào)的分析處理和放大輸出。它能將換能器產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行處理、放大和輸出。第40頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日第41頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日手掌型葡萄糖(glucose)分析儀第42頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日

6.2傳感器類型

(1)酶傳感器(EnzymeSensor)第43頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日

酶的活力單位（酶單位）標(biāo)準(zhǔn)酶單位

國際生物化學(xué)協(xié)會(huì)酶委員會(huì)規(guī)定了酶單位的標(biāo)準(zhǔn)形式為：一個(gè)酶單位（U）是在特定的條件下lmin內(nèi)催化形成1μmol產(chǎn)物的酶量（或轉(zhuǎn)化1mo1底物的酶量）．特定條件一般是指選定的條件，如溫度為25℃，30℃，37℃，最適pH,底物為飽和溶液．第44頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日

酶傳感器它將活性物質(zhì)酶覆蓋在電極表面,酶與被測的有機(jī)物或無機(jī)物反應(yīng),形成一種能被電極響應(yīng)的物質(zhì)。1967年Updick和Hicks將固定化的葡萄糖氧化酶膜結(jié)合在氧電極上,做成了第一支葡萄糖電極；此后,這類酶傳感器通常是通過檢測產(chǎn)物H2O2的濃度變化或氧的消耗量來檢測底物。第45頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日(1)溶解氧的變化可能引起電極響應(yīng)的波動(dòng);(2)由于氧的溶解度有限,當(dāng)溶解氧貧乏時(shí),響應(yīng)電流明顯下降而影響檢測限;(3)傳感器響應(yīng)性能受溶液pH值和溫度影響較大葡萄糖電極缺點(diǎn):第46頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日依據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換器的類型,酶傳感器大致可分為酶電極(主要包括離子選擇電極、氣敏電極、氧化還原電極等電化學(xué)電極)、酶場效應(yīng)晶體管傳感器(FET-酶)和酶熱敏電阻傳感器等第47頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日(2)組織傳感器(TissueSensor)組織傳感器是以動(dòng)植物組織薄片中的生物催化層與基礎(chǔ)敏感膜電極結(jié)合而成,該催化層以酶為基礎(chǔ),基本原理與酶傳感器相同.與酶傳感器比較，組織傳感器具有如下優(yōu)點(diǎn)：1.酶活性較離析酶高.2.酶的穩(wěn)定性增大.3.材料易于獲得.第48頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日動(dòng)物肝組織中含有豐富的H2O2酶，可與氧電極組成測定H2O2及其它過氧化物的組織電極．1981年Mascini等研究了數(shù)種哺乳動(dòng)物和其它動(dòng)物（鳥、魚、龜）的肝組織電極，翌年，報(bào)道了基于牛肝組織的H2O2電極．

肝組織電極第49頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日

若向溶液中通以氮?dú)猓越档脱醯娜芙舛?，減少空氣平衡溶液中氧的殘余電流（約10μA）至十分之幾微安，檢測下限可降低至1X10-5mol／L，相關(guān)系數(shù)R=0.997(n＝9)第50頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日

植物組織膜電極結(jié)構(gòu)圖解

b一果皮,c-中果皮,d-內(nèi)果皮1-中果皮組織薄片2-固定化骨架3-透氣健,4-墊圈5-內(nèi)電解質(zhì)6-復(fù)合PH電極7-塑料電極體二氧化碳?xì)饷綦姌O結(jié)構(gòu)第51頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日(3)微生物傳感器微生物傳感器分為兩類：一類是利用微生物在同化底物時(shí)消耗氧的呼吸作用；另一類是利用不同的微生物含有不同的酶。第52頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日裝置：由適合的微生物電極與氧電極組成。原理：利用微生物的同化作用耗氧,通過測量氧電極電流的變化量來測量氧氣的減少量,從而達(dá)到測量底物濃度的目的.第53頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日例如,熒光假單胞菌,能同化葡萄糖；蕓苔絲孢酵母可同化乙醇,因此可分別用來制備葡萄糖和乙醇傳感器，這兩種細(xì)菌在同化底物時(shí),均消耗溶液中的氧,因此可用氧電極來測定基于不同類型的信號(hào)轉(zhuǎn)換器,常見的微生物傳感器有電化學(xué)型、光學(xué)型、熱敏電阻型、壓電高頻阻抗型和燃料電池型，第54頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日第55頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日(4)核酸傳感器依據(jù)生物體內(nèi)核苷酸順序相對(duì)穩(wěn)定,核苷酸堿基順序互補(bǔ)的原理而設(shè)計(jì)出核酸探針傳感器,即基因傳感器?；騻鞲衅饕话阌?0~30個(gè)核苷酸的單鏈核酸分子,能夠?qū)Ｒ坏嘏c特定靶序列進(jìn)行雜交從而檢測出特定的目標(biāo)核酸分子。根據(jù)換能器種類不同可分為電化學(xué)型、光學(xué)型、壓電免疫傳感器及表面等離子體共振型基因傳感器，這種傳感器可用于檢測食品中的病原體,為食品中病原體的鑒定提供了新的手段。第56頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日7生物傳感器的應(yīng)用在食品分析中的應(yīng)用在發(fā)酵工程中的應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用在軍事上的應(yīng)用第57頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日7.1在食品分析的應(yīng)用食品成分分析食品添加劑的分析農(nóng)藥和抗生素殘留量分析微生物和生物毒素的檢驗(yàn)食品鮮度的檢測第58頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日一、酶生物傳感器六、生物傳感器在食品分析中的應(yīng)用固定化酶可與各種轉(zhuǎn)換器組合成酶傳感器，用來檢測對(duì)應(yīng)的底物。我們把固定化酶與電化學(xué)電極組合而成的電化學(xué)酶傳感器又稱為酶電極，是利用吸附、共價(jià)、交聯(lián)、包埋等方法將酶固定化，然后與電化學(xué)檢測器件復(fù)合而成。用于固定酶電極的電化學(xué)器件測電流：O2、H2O2、H2電極測電位：H+、CO2、NH3電極等第59頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日酶傳感器在食品領(lǐng)域的應(yīng)用：（一）酶傳感器在食品營養(yǎng)成分分析過程中的應(yīng)用葡萄糖＋O2-葡萄糖酸內(nèi)酯＋H2O2（二）生物傳感器在食品安全監(jiān)督方面的應(yīng)用

摻假鑒定農(nóng)藥及其殘留、重金屬、硝酸鹽等有害物質(zhì)檢測

GOD第60頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日

抗原是一種進(jìn)入機(jī)體后能刺激機(jī)體產(chǎn)生免疫反應(yīng)的物質(zhì)。當(dāng)抗原進(jìn)入機(jī)體后刺激B細(xì)胞產(chǎn)生抗體?？乖涂贵w可以特異性地結(jié)合。免疫傳感器是利用生物體內(nèi)抗原與抗體專一性結(jié)合并導(dǎo)致電化學(xué)變化而設(shè)計(jì)的，分為:二、免疫傳感器非標(biāo)記免疫傳感器標(biāo)記免疫傳感器第61頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日幾種新型免疫傳感器及其在食品分析中的應(yīng)用：（一）酶免疫傳感器（二）光尋址電位傳感器（三）受體免疫傳感器（四）光學(xué)免疫傳感器（五）壓電免疫傳感器（六）免疫芯片

生物芯片指包被在固相載體上的高密度DNA、抗原、細(xì)胞、組織的微點(diǎn)陣，主要包括芯片實(shí)驗(yàn)室、基因芯片、蛋白質(zhì)芯片等。如果在固相載體上包被抗原、抗體的微點(diǎn)陣，就構(gòu)成免疫芯片。第62頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日

微生物傳感器是由載體結(jié)合的微生物細(xì)胞和電化學(xué)器件組成，目前已開發(fā)了兩種傳感器，一種是以微生物呼吸活性為指標(biāo)的呼吸型傳感器，一種是以微生物的代謝產(chǎn)物為指標(biāo)的電極活性物質(zhì)測定型傳感器。三、微生物傳感器第63頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日在各種生物傳感器中，微生物傳感器最適合發(fā)酵工業(yè)的測定。微生物傳感器可以對(duì)食品中的成分和毒物進(jìn)行檢測：

原材料及代謝產(chǎn)物的測定微生物細(xì)胞總數(shù)的測定代謝實(shí)驗(yàn)的鑒定食品中毒素的檢測第64頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日組織傳感器的基本原理與酶傳感器相同，是把動(dòng)植物組織薄片的生物催化層與基礎(chǔ)電極相結(jié)合，可看成是酶傳感器的衍生形式。優(yōu)點(diǎn)：原料易得、成本低廉、靈敏度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、制作簡單、使用方便。四、組織傳感器組織傳感器動(dòng)物組織傳感器植物組織傳感器第65頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日DNA生物傳感器是一種能將目的DNA得存在轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓹z測得電、光、聲、波等信號(hào)的傳感裝置。其原理是在電極上固定一條有十幾到上千個(gè)核苷酸的單鏈DNA（ssDNA），通過DNA分子雜交，對(duì)另一條含有互補(bǔ)堿基序列的DNA進(jìn)行識(shí)別，結(jié)合成雙鏈DNA（dsDNA）。（一）DNA修飾電極制作傳感器（二）光學(xué)DNA生物傳感器

光纖DNA生物傳感器光漸消逝波DNA傳感器表面等離子體共振DNA生物傳感器（三）壓電晶體DNA傳感器五、DNA雜交傳感器第66頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日由細(xì)胞器組成的傳感器可用來測定用單一酶組成的傳感器所不能測定的物質(zhì)。六、細(xì)胞器傳感器線粒體傳感器微粒體傳感器葉綠體傳感器磁粒體傳感器溶酶體傳感器輔酶I傳感器谷胺酰胺傳感器第67頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日仿生型生物傳感器七、仿生型生物傳感器人工酶仿生生物傳感器脂質(zhì)膜開關(guān)傳感器第68頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日分子印跡技術(shù)（molecularimprintingtechnique,MIT）是指制備對(duì)某一特定的目標(biāo)分子（模板分子、印跡分子或烙印分子）具有特異選擇性的聚合物的過程。設(shè)計(jì)分子印記傳感器的一個(gè)重要方面是找到適當(dāng)?shù)姆椒ń鉀Q聚合物與轉(zhuǎn)換器間的界面問題。MIP傳感器在食品分析、醫(yī)藥和藥理研究及戰(zhàn)地和城市環(huán)境化學(xué)和生化試劑的快速檢測方面由很好的應(yīng)用前景。八、分子印跡生物傳感器第69頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日生物傳感器的發(fā)展趨勢(shì)向商品化方面發(fā)展生物傳感器系統(tǒng)的研究趨勢(shì)正向筆式、卡片式和有存儲(chǔ)記憶功能的生物傳感器方向發(fā)展。第70頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日第71頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日第72頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日第73頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日（一）食品鮮度的測定

1、魚鮮度傳感器魚鮮度傳感器在日本、拿大等國廣泛用于魚類鮮度的測定。魚死后體內(nèi)ATP經(jīng)酶解依次形成ADP、AMP、IMP、肌苷、次黃嘌呤和尿酸、鮮度可用K值表示：第74頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日K=肌苷+次黃嘌呤/(ATP+ADP+AMP+IMP+肌苷+次黃嘌呤+尿酸)當(dāng)K＜20時(shí)，魚極新鮮，可供生食。K在20～40之問為新鮮，必須熟食。K大于40，不新鮮，不宜食用，這與嗅覺檢驗(yàn)結(jié)果相一致。第75頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日

由于大多數(shù)魚死后5～20h，ATP，ADP

和AMP已分解盡，超過24h，鮮度主要取決于IMP-肌苷-次黃嘌呤-尿酸?；诖?，Karube等催化將這3個(gè)步驟的三種酶（5’－核苷酸酶、核苷磷酸化酶、黃嘌呤氧化酶）固定在氧電極上，制成魚鮮度測定儀。第76頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日2.肉鮮度傳感器

肉類在腐敗過程中會(huì)產(chǎn)生各種胺類，故胺類測定也能反映肉類的新鮮程度。用腐胺氧化酶與過氧化氫電極構(gòu)成多胺生物傳感器，測定肉在貯藏過程中的鮮度，反應(yīng)時(shí)間40s，測定腐胺線性范圍為0.03～3×10-4mol／L。用單胺氧化酶膜和氧電極組成的酶傳感器測定可以豬肉新鮮度，響應(yīng)時(shí)間為4min，單胺測定線性范圍為50～20×10-4mol／L。第77頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日3.食品添加劑的分析過量的食品添加劑通常會(huì)對(duì)人體造成危害，因此對(duì)食品中添加劑含量進(jìn)行分析和監(jiān)測是非常必要的。亞硫酸鹽是常用的食品防腐劑和漂白劑，但是亞硫酸鹽容易引起哮喘，因此美國FDA規(guī)定了其在新鮮水果和蔬菜等食品中的含量不得超過1×10-6mol/L。第78頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日Groom等人將亞硫酸氧化酶固定于玻璃電極上，制成了測定亞硫酸鹽的生物傳感器，其靈敏度（檢出下限）達(dá)到5nmol/L，線形范圍為0-5mmol/L，電極在3mol/L的硫酸鹽溶液中4oC保存2個(gè)月活性不變。第79頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日天冬酰苯丙氨酸甲酯，又稱甜味素，是人工合成的低熱量甜味劑。Guilbault等將天冬氨酸酶固定于氨電極上，制成生物傳感器，其檢測線性范圍為0.4-0.8mmol/L。第80頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日4.污染微生物的檢測

1）腐敗菌的檢測Matssunage等人開發(fā)出一種基于微生物在代謝過程中能產(chǎn)生電子，電子直接在陽極上放電產(chǎn)生電流，通過測定電流大小從而測定微生物濃度的傳感器。用該傳感器能很好地檢測釀酒酵母和乳酸菌等微生物的數(shù)量第81頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日2

病原菌的檢測

常見的污染食品的病原菌有沙門氏菌、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、李斯特氏菌、產(chǎn)氣莢膜梭菌和蠟樣芽孢桿菌等。采用生物傳感器則能迅速地測定它們的數(shù)量。用來測定病原菌的生物傳感器主要是光纖生物傳感器、免疫生物傳感器和DNA生物傳感器。第82頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日發(fā)酵罐主機(jī)計(jì)算機(jī)

7.2在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用

-為發(fā)酵自動(dòng)控制提供了新的基礎(chǔ)平臺(tái)第83頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日1)、發(fā)酵中葡萄糖測定

過去用操作繁瑣時(shí)間長的還原糖方法只能近似地估計(jì)葡萄糖的變化?，F(xiàn)在提供了快速而準(zhǔn)確的固定化酶的測定方法，發(fā)酵中可根據(jù)糖消耗確定微生物的生長速率，觀察是否染菌，隨時(shí)與產(chǎn)物的產(chǎn)生一起估算轉(zhuǎn)化率，確定補(bǔ)料效果和及時(shí)判斷發(fā)酵結(jié)束的時(shí)間。發(fā)酵過程或設(shè)備異?，F(xiàn)象通過葡萄糖分析得到及時(shí)預(yù)報(bào)。第84頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日2)、谷氨酸發(fā)酵液的分析在谷氨酸發(fā)酵中，隨時(shí)跟蹤目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)生?？焖佾@得主控參數(shù)的變化信息，使時(shí)間縮短了幾十倍。在發(fā)酵前期及時(shí)知道產(chǎn)酸出現(xiàn)時(shí)間在發(fā)酵中期可根據(jù)谷氨酸產(chǎn)生速率，預(yù)知最終的產(chǎn)量，并獲得補(bǔ)氨是否均勻的信息在發(fā)酵后期，可根據(jù)谷氨酸產(chǎn)生速率變慢情況確定放罐時(shí)間和今后配料的調(diào)整第85頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日在我國發(fā)酵工廠普及應(yīng)用的谷氨酸-葡萄糖雙功能分析儀工廠發(fā)酵車間化驗(yàn)員正在分析樣品第86頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日3、乳酸傳感器在發(fā)酵上的應(yīng)用

乳酸測定是生物傳感器出現(xiàn)后新增加的控制參數(shù)。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)它的控制是獲得發(fā)酵高產(chǎn)的關(guān)鍵。乳酸是需氧發(fā)酵產(chǎn)物轉(zhuǎn)化過程中的中間產(chǎn)物，是過程控制的敏感參數(shù)，與生物素的加入量、補(bǔ)糖、活菌數(shù)、菌活力、空氣補(bǔ)給等控制直接相關(guān)。發(fā)酵旺盛期，乳酸必然產(chǎn)生，適度的乳酸濃度是高產(chǎn)罐的重要指示。此時(shí)單純地通過通風(fēng)是達(dá)不到乳酸下降的目的，反而引起能源的浪費(fèi)及減產(chǎn)。發(fā)酵后期、放罐前應(yīng)控制乳酸下降，才能達(dá)到高產(chǎn)。第87頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日①是體育上耐力項(xiàng)目科學(xué)訓(xùn)練的常用設(shè)備②已在抗疲勞保健食品檢測中普及應(yīng)用，許多省級(jí)衛(wèi)生防疫站成功地用這項(xiàng)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在同一小實(shí)驗(yàn)動(dòng)物體內(nèi)多次采血檢測，簡化了分析化驗(yàn)工作量③是發(fā)酵控制的有效新指標(biāo)④是新型可降解塑料聚L-乳酸前體生產(chǎn)過程控制的主控參數(shù)乳酸傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀第88頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日BSXinsight運(yùn)動(dòng)傳感器開售可檢測乳酸水平

第89頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日人體在鍛煉是所產(chǎn)生的乳酸被認(rèn)為是測量運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的最準(zhǔn)確方式，但是，乳酸水平檢測只能依靠血液檢測和大型設(shè)備實(shí)現(xiàn)。不過現(xiàn)在，創(chuàng)業(yè)公司BSXinsight所推出的可穿戴傳感器可讓用戶隨時(shí)獲得相關(guān)的信息。BSXinsight的設(shè)備需要被佩戴在小腿上，其內(nèi)側(cè)的傳感器能夠依靠光學(xué)技術(shù)讀取出血液中的血氧水平，并以此計(jì)算出乳酸水平。這款設(shè)備可以通過藍(lán)牙與智能手機(jī)或ANT+心率監(jiān)控儀相連，讓用戶查看到相關(guān)的數(shù)據(jù)，并獲得準(zhǔn)確的鍛煉分析。此外，BSXinsight所提供的桌面底座也可進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行充電。第90頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日BSXinsight的這款可穿戴傳感器此前已經(jīng)在眾籌平臺(tái)Kickstarter上取得了成功，并于日前開始發(fā)貨。該設(shè)備共有三個(gè)不同的版本，適用于跑步、騎行和綜合運(yùn)動(dòng)，售價(jià)分別是299.99/369.99/419.99美元（約合人民幣1860/2293/2603元）。第91頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日水質(zhì)分析：一個(gè)典型應(yīng)用是測定生化需氧量（BOD），傳統(tǒng)方法測BOD需5天，且操作復(fù)雜。1977年Karube等首次報(bào)道了BOD微生物傳感器，只需15分鐘即能測出結(jié)果,連續(xù)使用壽命達(dá)17天；

廢氣或環(huán)境大氣的監(jiān)測

：可用于測定空氣中SO2、NOX、CO2、NH3、CH4等的含量；農(nóng)藥和抗生素殘留量的分析

：用乙酰膽堿酯酶和丁酰膽堿酯酶為敏感材料制作的離子敏場效應(yīng)晶體管酶傳感器可用于蔬菜等樣品中有機(jī)磷農(nóng)藥DDVP和伏殺磷等的測定3)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用第92頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日第93頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日SBA-70型血糖乳酸自動(dòng)分析儀第94頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日德國研發(fā)的環(huán)境廢水BOD分析儀第95頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日德國WTWCarboVis705IQ在線COD,BOD,TOC,SAC,TSS檢測儀

第96頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日傳感器概述新型光譜傳感器在直徑為60mm的傳感器內(nèi)含有一組精密的光譜分析組件，可在紫外可見波段內(nèi)精確地分析市政污水廠入口、生化池或排放口的有機(jī)污染濃度如COD、BOD、TOC、DOC、SAC，也可測試TSS總懸浮固體濃度和硝氮以及亞硝氮濃度。使用簡單，無須試劑，不需要樣品預(yù)處理。第97頁，共107頁，2023年，2月20日，星期日采用了專利的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)確保最高的測量精度、穩(wěn)定性和可靠性，無漂移傳感器保證了使用很長時(shí)間也能得到可靠的數(shù)據(jù)，無須常規(guī)維護(hù)。采用完整的全光譜長度范圍從200nm到720nm或200-390nm，比單波長或多波長原理有更好的測量結(jié)果，和對(duì)干擾物質(zhì)如濁度有最優(yōu)的補(bǔ)償。內(nèi)置先進(jìn)的超聲波清洗系統(tǒng)減少了手動(dòng)視窗清洗時(shí)間，對(duì)于