生物傳感器及其應用

1、第七章第七章 生物傳感器及其在食品工業(yè)中應用生物傳感器及其在食品工業(yè)中應用 第一節(jié)第一節(jié) 生物傳感器原理以及生物敏感材料生物傳感器原理以及生物敏感材料 的固定化和成膜技術的固定化和成膜技術 第二節(jié)第二節(jié) 生物傳感器在食品工業(yè)中的應用生物傳感器在食品工業(yè)中的應用第七章第七章 生物傳感器及其在食品工業(yè)中應用生物傳感器及其在食品工業(yè)中應用一、生物傳感器基本概念一、生物傳感器基本概念1、傳感器（、傳感器（sensor transducersensor transducer）：）：是一種能是一種能把一種信號轉換成另一種信號以實現(xiàn)信號檢測把一種信號轉換成另一種信號以實現(xiàn)信號檢測的元器件。的元器件。 被轉換

2、的信號通常包括磁、力、熱、電、被轉換的信號通常包括磁、力、熱、電、光和化學等信號，這些信號可以轉換成聲、光、光和化學等信號，這些信號可以轉換成聲、光、電等信號以便分析和檢測。電等信號以便分析和檢測。 第一節(jié)、第一節(jié)、生物傳感器原理以及生物敏感材料的生物傳感器原理以及生物敏感材料的固定化和成膜技術固定化和成膜技術生物傳感器（生物傳感器（BiosensorBiosensor）: :是由固定化并具有是由固定化并具有化學分子識別功能的生物材料、換能器件及信化學分子識別功能的生物材料、換能器件及信號放大裝置構成的分析工具或系統(tǒng)。號放大裝置構成的分析工具或系統(tǒng)。 生物傳感器是因為生物傳感器是因為其敏感元件

3、來自于生物其敏感元件來自于生物而得名。生物傳感器選擇性的好壞完全取決于而得名。生物傳感器選擇性的好壞完全取決于它的敏感元件，而其它性能則和它的整體組成它的敏感元件，而其它性能則和它的整體組成有關。有關。2 2、生物傳感器的定義、生物傳感器的定義1、生物傳感器的基本組成、生物傳感器的基本組成 由生物敏感元件、換能器和信號處理放大裝由生物敏感元件、換能器和信號處理放大裝置構成置構成生物敏感元件：生物敏感元件：又稱分子識別元件，它是酶又稱分子識別元件，它是酶、抗原（體）和微生物細胞等具有分子識別能、抗原（體）和微生物細胞等具有分子識別能力的生物分子經(jīng)固定化后形成的一種膜結構，力的生物分子經(jīng)固定化后形

4、成的一種膜結構，對被測定的物質有選擇性的分子識別能力。對被測定的物質有選擇性的分子識別能力。 二、生物傳感器的基本組成和分類二、生物傳感器的基本組成和分類 生物傳感器生物傳感器的基本組成的基本組成ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.ThemeGallery is a De

5、sign Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.生物敏生物敏感元件感元件 換能器換能器二、生物傳感器的基本組成和分類二、生物傳感器的基本組成和分類信號處信號處理放大理放大裝置裝置換能器：換能器：又稱為轉換器，它能將識別元件上進行又稱為轉換器，它能將識別元件上進行的生化反應中消耗或生成的化學物質，或產(chǎn)生的光的生化反應中消耗或生成的化學物質，或產(chǎn)生的光或熱等轉換為電信號，并且在一定條件下，產(chǎn)生的或熱等轉換為電信號，并且在一定條件下，產(chǎn)生的電信號強度和反應中物質的變化量或（和）光、熱電信號強度和反應中物質的

6、變化量或（和）光、熱等的強度呈現(xiàn)一定的比例關系，從本質講它就是一等的強度呈現(xiàn)一定的比例關系，從本質講它就是一種化學傳感器。種化學傳感器。信號處理放大裝置：信號處理放大裝置：它能將換能器產(chǎn)生的電信號它能將換能器產(chǎn)生的電信號進行處理、放大和輸出。進行處理、放大和輸出。（1 1）依據(jù)生物傳感器中分子識別元件的敏感性物質）依據(jù)生物傳感器中分子識別元件的敏感性物質分類分類2、生物傳感器的分類、生物傳感器的分類（2 2）依據(jù)生物傳感器的信號轉換器分類）依據(jù)生物傳感器的信號轉換器分類 通過生物的分子識別作用，生物傳感器通過生物的分子識別作用，生物傳感器中的生物敏感材料和生物樣品中的待測物質特中的生物敏感材料

7、和生物樣品中的待測物質特異性結合，并進行生物化學反應，產(chǎn)生離子、異性結合，并進行生物化學反應，產(chǎn)生離子、質子和質量變化等信號，信號的大小在一定條質子和質量變化等信號，信號的大小在一定條件下和樣品中被測物質的量存在一定的關系，件下和樣品中被測物質的量存在一定的關系，這些信號經(jīng)換能器轉換成電信號，電信號再經(jīng)這些信號經(jīng)換能器轉換成電信號，電信號再經(jīng)信號分析處理系統(tǒng)處理后輸出，反映出樣品中信號分析處理系統(tǒng)處理后輸出，反映出樣品中被測物質的量。被測物質的量。 三、生物傳感器工作原理三、生物傳感器工作原理常見的生物反應有四類：常見的生物反應有四類：酶促反應酶促反應免疫學反應免疫學反應微生物反應微生物反應生

8、物反應中發(fā)生的物理量變化生物反應中發(fā)生的物理量變化1、生物傳感器的反應基礎、生物傳感器的反應基礎Click to add title in here Click to add title in here Click to add title in here Click to add title in here 4123ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.1 1、生物傳感器的反應基礎、生物傳感器的反應基礎b常見的反應有四類 免疫學反應免疫學反應 412

9、3y is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.酶促反應酶促反應微生物反應微生物反應生物反應中發(fā)生的物理量變化生物反應中發(fā)生的物理量變化 由于敏感物質經(jīng)固定化，故可重復使用；由于敏感物質經(jīng)固定化，故可重復使用； 樣品無需預處理，可直接分析；樣品無需預處理，可直接分析； 響應快，樣品用量微；響應快，樣品用量微； 分析操作簡單；分析操作簡單； 除緩沖液外無需添加試劑；除緩沖液外無需添加試劑； 不要求樣品的清晰度；不要求樣品的清晰度； 可連續(xù)分析，聯(lián)機操作，易于實現(xiàn)自動化測量；可連續(xù)分析

10、，聯(lián)機操作，易于實現(xiàn)自動化測量； 傳感器成本遠低于大型的分析儀器。傳感器成本遠低于大型的分析儀器。2、生物傳感器的特點、生物傳感器的特點四四 、敏感膜的成膜技術和活性物質的固定化技術、敏感膜的成膜技術和活性物質的固定化技術 敏感膜由生物活性物質經(jīng)固定化后形成。敏感膜由生物活性物質經(jīng)固定化后形成。1、傳感器的敏感膜必需具備的性質、傳感器的敏感膜必需具備的性質 可重復使用；可重復使用； 具有分子識別功能，能直接進行底物分析；具有分子識別功能，能直接進行底物分析； 樣品量要求少；樣品量要求少； 除了緩沖溶液以外，一般無需添加其它試劑；除了緩沖溶液以外，一般無需添加其它試劑； 對樣品的濁度和顏色無要求

11、；對樣品的濁度和顏色無要求； 分析操作簡單，可連續(xù)自動測定。分析操作簡單，可連續(xù)自動測定。2、活性物質的固定化技術、活性物質的固定化技術一般將敏感生物材料固定在一人造膜內或其表面，一般將敏感生物材料固定在一人造膜內或其表面，通常有以下通常有以下幾種方法：幾種方法：夾心法、吸附法、包埋法、交聯(lián)法、共價結合法夾心法、吸附法、包埋法、交聯(lián)法、共價結合法、微囊法、半導體工藝固定化法等。、微囊法、半導體工藝固定化法等。 TextTextTextTextText4. Description of the business5. Description of the business1. Descriptio

12、n of the business2. Description of the business3. Description of the businessThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.將生物材料封閉在雙層濾膜之間。將生物材料封閉在雙層濾膜之間。微生物細胞敏感膜制備：微生物細胞敏感膜制備： 將微生物培養(yǎng)物離心、洗滌、重新懸浮在蒸餾將微生物培養(yǎng)物離心、洗滌、重新懸浮在蒸餾水或緩沖溶液中；水或緩沖溶液中； 測定菌懸液的光密度，確定菌體濃度；測定菌懸液

13、的光密度，確定菌體濃度； 取一定量的菌懸液滴于微孔濾膜上；取一定量的菌懸液滴于微孔濾膜上； 用合適的沙芯漏斗將水輕輕抽干，使菌體成一用合適的沙芯漏斗將水輕輕抽干，使菌體成一薄層均勻附著于膜表面；薄層均勻附著于膜表面；夾心法夾心法 在菌體層上覆蓋一層氣透膜或微孔濾膜，讓微在菌體層上覆蓋一層氣透膜或微孔濾膜，讓微生物夾在兩層膜之間，邊緣用橡膠圈或膠水密封，生物夾在兩層膜之間，邊緣用橡膠圈或膠水密封，以防止微生物細胞泄露。以防止微生物細胞泄露。這種方法的優(yōu)點是操作簡單，不需要任何化這種方法的優(yōu)點是操作簡單，不需要任何化學處理，固定化生物量大，響應速度快，重現(xiàn)較學處理，固定化生物量大，響應速度快，重現(xiàn)

14、較好，尤其適用于微生物和組織膜制作。好，尤其適用于微生物和組織膜制作。第二節(jié)第二節(jié) 生物傳感器在食品工業(yè)中的應用生物傳感器在食品工業(yè)中的應用一、檢測食品鮮度一、檢測食品鮮度（一）魚鮮度傳感器（一）魚鮮度傳感器魚、貝類水產(chǎn)品的鮮度是評價其質量的重要指魚、貝類水產(chǎn)品的鮮度是評價其質量的重要指標。魚死后體內標。魚死后體內ATPATP經(jīng)酶解依次形成經(jīng)酶解依次形成ADPADP、AMPAMP、IMPIMP、肌苷、次黃嘌呤和尿酸。因此有人提肌苷、次黃嘌呤和尿酸。因此有人提出用出用K K值表示鮮度：值表示鮮度： 肌苷肌苷+ +次黃嘌呤次黃嘌呤K K(%)=(%)= ATP +ADP+AMP+IMP+ATP +

15、ADP+AMP+IMP+肌苷肌苷+ +次黃嘌呤次黃嘌呤+ +尿酸尿酸ATP、ADP和和AMP已分解殆盡，所以魚的鮮度主要取決于以已分解殆盡，所以魚的鮮度主要取決于以下三個步驟：即下三個步驟：即IMP 肌苷肌苷 次黃嘌呤次黃嘌呤 尿酸。尿酸。因此因此K值可簡化為值可簡化為Ki： 肌苷肌苷 + 次黃嘌呤次黃嘌呤Ki= 100% IMP + 肌苷肌苷 + 次黃嘌呤次黃嘌呤K Ki i值越小，魚越新鮮。值越小，魚越新鮮。采用催化上述三步驟的三種酶即采用催化上述三步驟的三種酶即5-核苷酸酶、核苷酸酶、核苷磷酸化酶、黃嘌呤氧化酶固定化后制成酶核苷磷酸化酶、黃嘌呤氧化酶固定化后制成酶膜與氧電極構成了測定魚肉

16、的鮮度計。電極工膜與氧電極構成了測定魚肉的鮮度計。電極工作原理是以次黃嘌呤和黃嘌呤氧化酶反應所消作原理是以次黃嘌呤和黃嘌呤氧化酶反應所消耗的氧量所對應的氧電極的電流改變值為基礎耗的氧量所對應的氧電極的電流改變值為基礎。 肉類在腐敗過程中會產(chǎn)生各種胺類，故測定肉類在腐敗過程中會產(chǎn)生各種胺類，故測定胺類也能反應肉類的新鮮程度。胺類也能反應肉類的新鮮程度。Chemnititus等人用腐胺氧化酶與過氧化氫等人用腐胺氧化酶與過氧化氫電極構成多胺生物傳感器，測定魚肉在貯藏過程電極構成多胺生物傳感器，測定魚肉在貯藏過程中的鮮度，響應時間中的鮮度，響應時間40s,，測定腐胺線性范圍為，測定腐胺線性范圍為0.0

17、310-63 10-6mol/L。（二）肉鮮度傳感器（二）肉鮮度傳感器Kress等人開發(fā)了一種快速測定肉類鮮度的等人開發(fā)了一種快速測定肉類鮮度的匕首型生物傳感器，其探頭可現(xiàn)場刺入食品表匕首型生物傳感器，其探頭可現(xiàn)場刺入食品表面面24mm深處，通過測定葡萄糖濃度評價肉類深處，通過測定葡萄糖濃度評價肉類食品的新鮮度。食品的新鮮度。（三）牛乳鮮度傳感器（三）牛乳鮮度傳感器 牛乳鮮度可以通過乳中的菌數(shù)或乳酸含量牛乳鮮度可以通過乳中的菌數(shù)或乳酸含量來判斷，牛乳鮮度傳感器實際上就是一個菌數(shù)來判斷，牛乳鮮度傳感器實際上就是一個菌數(shù)測定儀或乳酸測定儀。另外也可通過測定短鏈測定儀或乳酸測定儀。另外也可通過測定短

18、鏈脂肪酸含量判斷乳及乳制品的鮮度。脂肪酸含量判斷乳及乳制品的鮮度。 二、檢測食品滋味及熟度二、檢測食品滋味及熟度 日本農(nóng)林水產(chǎn)省研制出一種傳感器，可日本農(nóng)林水產(chǎn)省研制出一種傳感器，可“品嘗品嘗”肉湯的風味，用于肉湯生產(chǎn)過程的質量控制肉湯的風味，用于肉湯生產(chǎn)過程的質量控制。 利用動物味覺或嗅覺器官中化學識別分子研制利用動物味覺或嗅覺器官中化學識別分子研制味覺傳感器或研制仿生味覺傳感器。味覺傳感器或研制仿生味覺傳感器。 BussolatiBussolati用從牛鼻粘膜中分離出的一種氣用從牛鼻粘膜中分離出的一種氣味結合蛋白作為敏感材料，成功地對香味進行味結合蛋白作為敏感材料，成功地對香味進行了測定，可望實現(xiàn)對食品中香味物質進行快速了測定，可望實現(xiàn)對食品中香味物質進行快速客觀的評定?？陀^的評定。三、在食品分析中的應用三、在食品分析中的應用（一）檢測蛋白質和氨基（一）檢測蛋白質和氨基酸酸（二）測定糖含量（二）測定糖含量（三）測定食品中醇類（三）測定食品中醇類（四）測定有機酸（四）測定有機酸（一）食品中微生物的檢測（一）食品中微生物的檢測 如腐敗菌的檢測：如腐敗菌的檢測： 病原菌的檢測：沙門氏菌、致病性大腸桿菌病原菌的檢測：沙門氏菌、致病性大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、蠟樣芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌、蠟樣芽孢