生物傳感器在食品微生物檢驗中的應(yīng)用

1、在食品微生物檢驗中的應(yīng)用在食品微生物檢驗中的應(yīng)用生生 物物 傳傳 感感 器器計算機(jī)計算機(jī)大腦大腦傳感器傳感器感覺器官感覺器官第一節(jié)第一節(jié) 生物傳感器概述生物傳感器概述 能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由通常由敏感元件敏感元件和和轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)換元件組組成。成。傳感器傳感器：一、生物傳感器的概念一、生物傳感器的概念敏感元件：敏感元件：指傳感器中能直接感受或相應(yīng)被測指傳感器中能直接感受或相應(yīng)被測量的部分。量的部分。轉(zhuǎn)換元件：轉(zhuǎn)換元件：指將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量指將敏感元件感受或響應(yīng)的

2、被測量轉(zhuǎn)換成適應(yīng)于傳輸或測量的電信號轉(zhuǎn)換成適應(yīng)于傳輸或測量的電信號部分。部分。 由由生物識別元件生物識別元件和和信號轉(zhuǎn)換器信號轉(zhuǎn)換器組成，能夠選擇性組成，能夠選擇性地對樣品中的待測物發(fā)出響應(yīng)，通過生物識別系地對樣品中的待測物發(fā)出響應(yīng)，通過生物識別系統(tǒng)和電化學(xué)或其他傳感器把待測物質(zhì)的濃度轉(zhuǎn)為統(tǒng)和電化學(xué)或其他傳感器把待測物質(zhì)的濃度轉(zhuǎn)為電信號，根據(jù)電信號大小定量測出待測物質(zhì)的濃電信號，根據(jù)電信號大小定量測出待測物質(zhì)的濃度。度。 生物傳感器是應(yīng)用生物活性材料（如酶、蛋白質(zhì)、生物傳感器是應(yīng)用生物活性材料（如酶、蛋白質(zhì)、DNADNA、抗體、抗體、 抗原、生物膜等）與物理或化學(xué)換抗原、生物膜等）與物理或化學(xué)

3、換能器有機(jī)結(jié)合的一門交叉學(xué)科，是物質(zhì)在分子水能器有機(jī)結(jié)合的一門交叉學(xué)科，是物質(zhì)在分子水平的快速、微量分析方法。有共同的結(jié)構(gòu)：一種平的快速、微量分析方法。有共同的結(jié)構(gòu)：一種或數(shù)種相關(guān)生物活性材料及能把生物活性表達(dá)的或數(shù)種相關(guān)生物活性材料及能把生物活性表達(dá)的信號轉(zhuǎn)換為電信號的物理或化學(xué)換能器。信號轉(zhuǎn)換為電信號的物理或化學(xué)換能器。一、生物傳感器的概念一、生物傳感器的概念生物傳感器（生物傳感器（BiosensorBiosensor）：二、生物傳感器的發(fā)展史二、生物傳感器的發(fā)展史19621962年，年，ClarkClark利用酶法和離子選擇電極（利用酶法和離子選擇電極（ISISE E）技術(shù)，構(gòu)成了技術(shù)，

4、構(gòu)成了“酶電極酶電極”的雛形；的雛形；19671967年，年，UpdikeUpdike將葡萄糖氧化酶固化在將葡萄糖氧化酶固化在ClarkClark氧電極表面，這種酶電極能反復(fù)用于血糖氧電極表面，這種酶電極能反復(fù)用于血糖測定；測定；第一代生物傳感器：第一代生物傳感器：6060年代初年代初7070年代中年代中第二代生物傳感器：第二代生物傳感器：7070年代后期年代后期8080年代初年代初相繼出現(xiàn)微生物傳感器、組織傳感器、細(xì)胞相繼出現(xiàn)微生物傳感器、組織傳感器、細(xì)胞傳感器和受體傳感器；傳感器和受體傳感器； 根據(jù)生物學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的各種信息（如光電根據(jù)生物學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的各種信息（如光電效應(yīng)、場效應(yīng)、熱效應(yīng)

5、、質(zhì)量變化和光效應(yīng)等）效應(yīng)、場效應(yīng)、熱效應(yīng)、質(zhì)量變化和光效應(yīng)等）來設(shè)計各種更精密、靈敏的檢測裝置。來設(shè)計各種更精密、靈敏的檢測裝置。二、生物傳感器的發(fā)展史二、生物傳感器的發(fā)展史第三代生物傳感器：第三代生物傳感器：8080年代中期年代中期9090年代年代三、生物傳感器的特點三、生物傳感器的特點經(jīng)濟(jì)、簡便：一般不需要進(jìn)行樣品預(yù)處經(jīng)濟(jì)、簡便：一般不需要進(jìn)行樣品預(yù)處理，測定時一般不需要另外添加其他試?yán)?，測定時一般不需要另外添加其他試劑；劑；專一性強(qiáng)；專一性強(qiáng)；體積小便于攜帶，可實驗連續(xù)在線檢測體積小便于攜帶，可實驗連續(xù)在線檢測和現(xiàn)場檢測；和現(xiàn)場檢測；操作系統(tǒng)比較簡單，容易實現(xiàn)自動分析，操作系統(tǒng)比較簡單

6、，容易實現(xiàn)自動分析，準(zhǔn)確度高；準(zhǔn)確度高；樣品用量小，響應(yīng)快，可反復(fù)使用；樣品用量小，響應(yīng)快，可反復(fù)使用；得到的信息量大，可用于指導(dǎo)生產(chǎn)。得到的信息量大，可用于指導(dǎo)生產(chǎn)。優(yōu)點：優(yōu)點：三、生物傳感器的特點三、生物傳感器的特點敏感膜上生物分子的固定量以及固定分敏感膜上生物分子的固定量以及固定分子的活性很難控制，導(dǎo)致傳感器使用的子的活性很難控制，導(dǎo)致傳感器使用的一致性、可靠性差，測量精密度低；一致性、可靠性差，測量精密度低；生物分子的活性保持受許多因素影響，生物分子的活性保持受許多因素影響，導(dǎo)致傳感器使用壽命不長；導(dǎo)致傳感器使用壽命不長；生物敏感膜的制備工藝復(fù)雜，成品率不生物敏感膜的制備工藝復(fù)雜，成品

7、率不高，難以批量生產(chǎn)；高，難以批量生產(chǎn)；測定環(huán)境要求嚴(yán)格。測定環(huán)境要求嚴(yán)格。缺點：缺點：第二節(jié)第二節(jié) 生物傳感器的分類、工作原理生物傳感器的分類、工作原理及活性物質(zhì)固定化及活性物質(zhì)固定化一、生物傳感器的分類：一、生物傳感器的分類：電電位位式式電電流流式式電電導(dǎo)導(dǎo)式式電電化化學(xué)學(xué)式式吸吸光光式式反反光光式式磷磷光光式式熒熒光光式式發(fā)發(fā)光光式式光光學(xué)學(xué)式式生生物物傳傳感感器器按工作原理分：按工作原理分：一、生物傳感器的分類一、生物傳感器的分類：按所用的生物活性物質(zhì)分：按所用的生物活性物質(zhì)分： 酶傳感器酶傳感器 微生物傳感器微生物傳感器 組織傳感器組織傳感器 細(xì)胞器傳感器細(xì)胞器傳感器 免疫傳感器免疫

8、傳感器 核酸生物傳感器等核酸生物傳感器等按信號轉(zhuǎn)換器類型：按信號轉(zhuǎn)換器類型：一、生物傳感器的分類一、生物傳感器的分類：生物傳感器的信號轉(zhuǎn)換器類型生物傳感器的信號轉(zhuǎn)換器類型電化學(xué)式電化學(xué)式光學(xué)式光學(xué)式其他其他電位式電位式電流式電流式電導(dǎo)式電導(dǎo)式光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維光電子元件光電子元件表面聲波表面聲波壓電晶體壓電晶體熱敏件熱敏件平面波導(dǎo)平面波導(dǎo)表面等離子體共振表面等離子體共振傳感聚合物修飾電極傳感聚合物修飾電極金屬電極金屬電極離子選擇性電極離子選擇性電極傳感有機(jī)鹽修飾電極傳感有機(jī)鹽修飾電極場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管氣敏電極氣敏電極貴金屬電極貴金屬電極碳素或半導(dǎo)體電極碳素或半導(dǎo)體電極 根據(jù)生物傳感器信號轉(zhuǎn)

9、換的途徑，分為：根據(jù)生物傳感器信號轉(zhuǎn)換的途徑，分為：（一）生物或化學(xué)轉(zhuǎn)變成電信號（一）生物或化學(xué)轉(zhuǎn)變成電信號（二）熱變化轉(zhuǎn)變成電信號（二）熱變化轉(zhuǎn)變成電信號（三）光效應(yīng)轉(zhuǎn)變成電信號（三）光效應(yīng)轉(zhuǎn)變成電信號（四）直接產(chǎn)生電信號（四）直接產(chǎn)生電信號（五）質(zhì)量信號轉(zhuǎn)換成頻率信號（五）質(zhì)量信號轉(zhuǎn)換成頻率信號二、生物傳感器的工作原理二、生物傳感器的工作原理被測物被測物固定化酶等固定化酶等光檢測器光檢測器電信號電信號hn n三、生物傳感器活性物質(zhì)的固定化三、生物傳感器活性物質(zhì)的固定化生物傳感層固定化方法生物傳感層固定化方法交聯(lián)法交聯(lián)法共價結(jié)合法共價結(jié)合法載體結(jié)合法載體結(jié)合法吸附法吸附法包埋法包埋法凝膠法凝

10、膠法LBLB膜法膜法雙層脂膜法雙層脂膜法支持液膜法支持液膜法（不使用載體（不使用載體的共價結(jié)合法）的共價結(jié)合法）一、酶生物傳感器一、酶生物傳感器第三節(jié)第三節(jié) 生物傳感器在食品分析中的生物傳感器在食品分析中的應(yīng)用應(yīng)用固定化酶可與各種轉(zhuǎn)換器組合成酶傳感器，用固定化酶可與各種轉(zhuǎn)換器組合成酶傳感器，用來檢測對應(yīng)的底物。我們把固定化酶與電化學(xué)來檢測對應(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)酶傳感器又稱為電極組合而成的電化學(xué)酶傳感器又稱為酶電極酶電極，是利用吸附、共價、交聯(lián)、包埋等方法將酶固是利用吸附、共價、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。定化，然后與電化學(xué)檢測器件復(fù)

11、合而成。用于固定酶電極用于固定酶電極的電化學(xué)器件的電化學(xué)器件測電流：測電流：O O2 2、H H2 2O O2 2、H H2 2電極電極測電位：測電位：H H+ +、COCO2 2、NHNH3 3電極等電極等酶傳感器及特性酶傳感器及特性一、酶生物傳感器一、酶生物傳感器測定物測定物酶酶基礎(chǔ)電極基礎(chǔ)電極壽命壽命/d測定范圍測定范圍/mol.L-1腺苷腺苷腺苷脫氨酸酶腺苷脫氨酸酶NH39103.2103乙酰膽堿乙酰膽堿乙酰膽堿脂酶乙酰膽堿脂酶Pt2110103單胺類單胺類單胺氧化酶單胺氧化酶O2910100草酸草酸草酸脫氫酶草酸脫氫酶CO2H2O230101202104102乳酸鹽乳酸鹽乳酸單氧化酶

12、乳酸單氧化酶Ag/AgCl55105 6 104青霉素青霉素青霉素酶青霉素酶pH21102103苦杏仁苷苦杏仁苷b b葡聚糖苷葡聚糖苷酶酶氰電極氰電極71103酶傳感器在食品領(lǐng)域的應(yīng)用：酶傳感器在食品領(lǐng)域的應(yīng)用：一、酶生物傳感器一、酶生物傳感器（一）酶傳感器在食品營養(yǎng)成分分析過程中的應(yīng)用（一）酶傳感器在食品營養(yǎng)成分分析過程中的應(yīng)用 葡萄糖葡萄糖O O2 2- - 葡萄糖酸內(nèi)酯葡萄糖酸內(nèi)酯H H2 2O O2 2（二）生物傳感器在食品安全監(jiān)督方面的應(yīng)用二）生物傳感器在食品安全監(jiān)督方面的應(yīng)用 摻假鑒定摻假鑒定 農(nóng)藥及其殘留、重金屬、硝酸鹽等有害物質(zhì)檢測農(nóng)藥及其殘留、重金屬、硝酸鹽等有害物質(zhì)檢測 G

13、ODGOD 抗原抗原是一種進(jìn)入機(jī)體后能刺激機(jī)體產(chǎn)生免疫反應(yīng)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)體后刺激的物質(zhì)。當(dāng)抗原進(jìn)入機(jī)體后刺激B B細(xì)胞產(chǎn)生抗體。細(xì)胞產(chǎn)生抗體?？乖涂贵w可以特異性地結(jié)合?？乖涂贵w可以特異性地結(jié)合。 免疫傳感器免疫傳感器是利用生物體內(nèi)抗原與抗體專一性結(jié)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)計的，分為合并導(dǎo)致電化學(xué)變化而設(shè)計的，分為: :二、免疫傳感器二、免疫傳感器非標(biāo)記免疫傳感器非標(biāo)記免疫傳感器標(biāo)記免疫傳感器標(biāo)記免疫傳感器二、免疫傳感器二、免疫傳感器 免疫傳感器及其特性免疫傳感器及其特性幾種新型免疫傳感器及其在食品分析中的應(yīng)用：幾種新

14、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（一）酶免疫傳感器 基于決定選擇性的免疫化學(xué)親和性和決定靈敏度的標(biāo)記酶的基于決定選擇性的免疫化學(xué)親和性和決定靈敏度的標(biāo)記酶的化學(xué)放大作用制作的一種免疫傳感器?；瘜W(xué)放大作用制作的一種免疫傳感器。（二）光尋址電位傳感器（二）光尋址電位傳感器（三）受體免疫傳感器（三）受體免疫傳感器（四）光學(xué)免疫傳感器（四）光學(xué)免疫傳感器（五）壓電免疫傳感器（五）壓電免疫傳感器（六）免疫芯片（六）免疫芯片 生物芯片生物芯片指包被在固相載體上的高密度指包被在固相載體上的高密度DNA、抗原、細(xì)胞、抗原、細(xì)胞、組織的微點陣，主要包括芯片實驗室、基因芯片、蛋白質(zhì)芯片等。組

15、織的微點陣，主要包括芯片實驗室、基因芯片、蛋白質(zhì)芯片等。如果在固相載體上包被抗原、抗體的微點陣，就構(gòu)成如果在固相載體上包被抗原、抗體的微點陣，就構(gòu)成免疫芯片免疫芯片。二、免疫傳感器二、免疫傳感器 微生物傳感器微生物傳感器是由載體結(jié)合的微生物細(xì)胞是由載體結(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)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。物為指標(biāo)的電極活性物質(zhì)測定型傳感器。三、微生物傳感器三、微生物傳感器微生物傳感器

16、及其特性微生物傳感器及其特性在各種生物傳感器中，微生物傳感器最適合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。發(fā)酵工業(yè)的測定。微生物傳感器可以對食品中的成分和毒物進(jìn)微生物傳感器可以對食品中的成分和毒物進(jìn)行檢測：行檢測： 原材料及代謝產(chǎn)物的測定原材料及代謝產(chǎn)物的測定 微生物細(xì)胞總數(shù)的測定微生物細(xì)胞總數(shù)的測定 代謝實驗的鑒定代謝實驗的鑒定 食品中毒素的檢測食品中毒素的檢測三、微生物傳感器三、微生物傳感器組織傳感器組織傳感器的基本原理與酶傳感器相同，是把動的基本原理與酶傳感器相同，是把動植物組織薄片的生物催化層與基礎(chǔ)電極相結(jié)合，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

17、生形式?？煽闯墒敲競鞲衅鞯难苌问?。優(yōu)點：優(yōu)點：原料易得、成本低廉、靈敏度高、穩(wěn)定性原料易得、成本低廉、靈敏度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、制作簡單、使用方便。強(qiáng)、制作簡單、使用方便。四、組織傳感器四、組織傳感器組織傳感器組織傳感器動物組織傳感器動物組織傳感器植物組織傳感器植物組織傳感器各種組織傳感器及其特性各種組織傳感器及其特性DNADNA生物傳感器生物傳感器是一種能將目的是一種能將目的DNADNA得存在轉(zhuǎn)變?yōu)榈么嬖谵D(zhuǎn)變?yōu)榭蓹z測得電、光、聲、波等信號的傳感裝置?？蓹z測得電、光、聲、波等信號的傳感裝置。其原理是在電極上固定一條有十幾到上千個核其原理是在電極上固定一條有十幾到上千個核苷酸的單鏈苷酸的單鏈DNAD

18、NA（ssDNAssDNA），），通過通過DNADNA分子雜交，分子雜交，對另一條含有互補(bǔ)堿基序列的對另一條含有互補(bǔ)堿基序列的DNADNA進(jìn)行識別，進(jìn)行識別，結(jié)合成雙鏈結(jié)合成雙鏈DNADNA（dsDNAdsDNA）。）。（一）（一）DNADNA修飾電極制作傳感器修飾電極制作傳感器（二）光學(xué)（二）光學(xué)DNADNA生物傳感器生物傳感器 光纖光纖DNADNA生物傳感器生物傳感器 光漸消逝波光漸消逝波DNADNA傳感器傳感器 表面等離子體共振表面等離子體共振DNADNA生物傳感器生物傳感器（三）壓電晶體（三）壓電晶體DNADNA傳感器傳感器五、五、DNA雜交傳感器雜交傳感器由細(xì)胞器組成的傳感器可用來測定用單一酶由細(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)。組成的傳感器所不能測定的物質(zhì)。六、細(xì)胞器傳感器六、細(xì)胞器傳感器線粒體傳感器線粒體傳感器微粒體傳感器微粒體傳感器葉綠體傳感器葉綠體傳感器磁粒體