食品品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)課件

第六章其它快速檢測(cè)新技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感器的檢測(cè)技術(shù)

第二節(jié)生物傳感器檢測(cè)技術(shù)

1第六章其它快速檢測(cè)新技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感器的檢測(cè)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(lái)評(píng)定。對(duì)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(dòng)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(yàn)豐富的人員來(lái)完成。電子鼻能識(shí)別和檢測(cè)復(fù)雜的嗅味和揮發(fā)性成分。電子鼻是指由多個(gè)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(shí)別單一和復(fù)雜氣味能力的裝置。2第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感器的檢第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感器的檢測(cè)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(gè)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(guó)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(guó)學(xué)者用3個(gè)氣體傳感器模擬哺乳動(dòng)物嗅覺系統(tǒng)對(duì)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(duì)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(zhǎng)足進(jìn)展。1961年，Moncrieff制成了一種機(jī)械式的氣味檢測(cè)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第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感器的檢測(cè)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(guò)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(hào)傳到大腦的嗅區(qū)皮層產(chǎn)生嗅感。人的嗅感產(chǎn)生過(guò)程框圖4第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感器的檢測(cè)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、信號(hào)處理單元和模式識(shí)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第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感器的檢測(cè)技術(shù)1．氣敏傳感器陣列

氣敏傳感器陣列可以由多個(gè)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(jī)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(gè)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(gè)氣敏傳感器的性能。采用集成化嗅覺傳感器陣列裝置已成發(fā)展趨勢(shì)。6第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感器的檢測(cè)技術(shù)2.信號(hào)處理單元信號(hào)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(hào)經(jīng)電子線路放大及A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。被測(cè)嗅覺的強(qiáng)度既可采用每個(gè)傳感器輸出的絕對(duì)電壓、電阻或電導(dǎo)等信號(hào)來(lái)表示，也可用相對(duì)信號(hào)值，如歸一化的電阻或電導(dǎo)值，即它們的變化率來(lái)比較嗅味的性質(zhì)。傳感器陣列輸出的信號(hào)經(jīng)由信號(hào)處理單元抽取出有效特征參數(shù)，以便進(jìn)行模式識(shí)別。7第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感器的檢測(cè)技術(shù)3.模式識(shí)別單元模式識(shí)別單元相當(dāng)于生物的大腦。它運(yùn)用一定的算法完成氣味、氣體的定性、定量辨識(shí)。目前常用的模式識(shí)別方法有統(tǒng)計(jì)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(shí)別方法等等。8第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感器的檢測(cè)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(cè)儀金屬氧化物半導(dǎo)體測(cè)一般可燃?xì)怏w美國(guó)公司智能鼻Fox2000金屬氧化物半導(dǎo)體測(cè)一般可燃?xì)怏w法國(guó)香味掃描儀導(dǎo)電聚合物測(cè)食品、化妝品法國(guó)鼻子聚合物傳感器監(jiān)測(cè)啤酒英國(guó)口腔監(jiān)測(cè)儀金屬氧化物測(cè)呼吸新鮮度日本9第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感器的檢測(cè)技術(shù)六、電子鼻發(fā)展前景存在問(wèn)題:(1)有些傳感器對(duì)測(cè)試條件要求苛刻，必須嚴(yán)加控制，或者加以監(jiān)測(cè)并進(jìn)行參數(shù)補(bǔ)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(wú)法通用。研究方向：能對(duì)微量分子瞬時(shí)敏感的不受環(huán)境影響或能對(duì)環(huán)境變化進(jìn)行自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)膫鞲衅麝嚵醒b置；能對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理的高精度處理器，將信號(hào)與噪聲分離；能將人的感官感受相一致的感官評(píng)定指標(biāo)的模式識(shí)別方法。10第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)

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按檢測(cè)對(duì)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(cè)力、熱、光、電、磁等物理量的傳感器;化學(xué)傳感器則是能檢測(cè)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(gè)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(lái)，看作是傳感器的第3個(gè)類別。11第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)生物傳感器檢測(cè)技術(shù)按檢第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)

生物傳感器檢測(cè)技術(shù)

一、生物傳感器的一般知識(shí)

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)域的傳感器，也不是指被測(cè)量對(duì)象必須是生物量的傳感器（盡管用它也能測(cè)定生物量），而是基于它的敏感材料來(lái)自生物體。12第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)生物傳感器檢測(cè)技術(shù)第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)

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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(hào)轉(zhuǎn)換器件，常用的信號(hào)轉(zhuǎn)換器有電化學(xué)電極、離子敏場(chǎng)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第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)生物傳感器檢測(cè)技術(shù)第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)

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生物傳感器的工作原理（2）將熱變化轉(zhuǎn)化成電信號(hào)

大部分生物傳感器均屬于這種類型。以酶?jìng)鞲衅鳛槔?，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?jìng)鞲衅鳌９潭ɑ纳锊牧吓c相應(yīng)的被測(cè)物作用時(shí)常伴隨有熱的變化。將熱變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的生物傳感器（1）將化學(xué)信號(hào)變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)

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生物傳感器的工作原理（3）將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)（4）直接產(chǎn)生電信號(hào)方式有些酶，例如過(guò)氧化氫酶，能催化過(guò)氧化氫/魯米諾體系發(fā)光，如設(shè)法將過(guò)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(cè)定裝置相連，即可測(cè)定過(guò)氧化氫含量。

前3種原理的生物傳感器都是化學(xué)或物理變化再通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)進(jìn)行測(cè)量，統(tǒng)稱為間接測(cè)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(cè)量方式。15第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)生物傳感器檢測(cè)技術(shù)第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)

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3.生物傳感器的分類（1）根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的產(chǎn)生方式分類產(chǎn)生傳感器輸出信號(hào)的方式有兩類。一類是被測(cè)物與分子識(shí)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(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或催化型生物傳感器，16第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)生物傳感器檢測(cè)技術(shù)第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)

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（2）根據(jù)傳感器中分子識(shí)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?jìng)鞲衅鳌⑽⑸飩鞲衅?、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(hào)轉(zhuǎn)換器分類生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換器有：電化學(xué)電極、離子敏場(chǎng)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(cè)熱型生物傳感器、測(cè)光型生物傳感器、測(cè)聲型生物傳感器等。17第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)生物傳感器檢測(cè)技術(shù)第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)

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3.生物傳感器的分類按敏感材料分類分子識(shí)別部分信號(hào)轉(zhuǎn)換部分按信號(hào)轉(zhuǎn)換器分類酶?jìng)鞲衅魑⑸飩鞲衅髅庖邆鞲衅骷?xì)胞器物傳感器組織傳感器酶電化學(xué)測(cè)定裝置微生物場(chǎng)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(dòng)、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(cè)光型生物傳感器測(cè)熱型生物傳感器測(cè)聲型生物傳感器生物傳感器的分類18第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)生物傳感器檢測(cè)技術(shù)第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)

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4.生物傳感器的特點(diǎn)（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(shí)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)異的選擇性把樣品中被測(cè)組分的分離和檢測(cè)統(tǒng)一為一體，測(cè)定時(shí)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(shí)現(xiàn)連續(xù)在線檢測(cè)。

(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(cè)定儀的成本遠(yuǎn)低于大型的分析儀器，因而便于推廣普及。

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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(yàn)中的應(yīng)用

（1）食品鮮度的測(cè)定（A）魚鮮度傳感器（B）肉鮮度傳感器肉類在腐敗過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各種胺類，故胺類測(cè)定也能反映肉類的新鮮度。（C）牛乳鮮度傳感器牛乳放置過(guò)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(guò)程由于脂分解作用產(chǎn)生的短鏈脂肪酸的含量來(lái)判斷牛乳及其制品的新鮮度，這類傳感器也已開發(fā)出來(lái)了。20第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)生物傳感器檢測(cè)技術(shù)第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)生物傳感器檢測(cè)技術(shù)2.生物傳感器在食品衛(wèi)生檢測(cè)中的應(yīng)用（1）食品中細(xì)菌和病原菌的測(cè)定食品中微生物的檢測(cè)一直用平皿計(jì)數(shù)法，方法繁瑣耗時(shí)。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(guò)程中產(chǎn)生電子，在陽(yáng)極上放電，放電產(chǎn)生的電流大小可反映測(cè)定液中微生物的濃度。采用光纖傳感器可直接放入生長(zhǎng)溶液的培養(yǎng)瓶中，通過(guò)測(cè)定微生物代謝過(guò)程中的副產(chǎn)物二氧化碳濃度來(lái)估算細(xì)菌數(shù)量。采用酶聯(lián)電流型免疫傳感器可測(cè)到食品中低數(shù)量的沙門氏菌。免疫傳感器也成功地測(cè)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第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)生物傳感器檢測(cè)技術(shù)第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)

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（2）檢測(cè)食品中毒素有人采用光纖傳感器測(cè)定了食品中的肉毒桿菌毒素A，檢測(cè)下限可達(dá)5mg／mL，lmin內(nèi)可完成測(cè)定。（3）檢測(cè)食品中殘留農(nóng)藥采用電導(dǎo)型生物傳感器對(duì)食品中有機(jī)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(cè)定，檢出下限分別為5×10-7、1×10-8、5×10-7、5×10-11mol／L。磺胺可進(jìn)入動(dòng)物來(lái)源的食品，對(duì)人體健康產(chǎn)生不良影響。采用免疫傳感器測(cè)定了牛奶中硫胺二甲嘧啶，檢出限低于1×10-9，平均相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為2%。

22第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)生物傳感器檢測(cè)技第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)

生物傳感器檢測(cè)技術(shù)

（4）檢測(cè)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物生長(zhǎng)的作用。采用導(dǎo)電介體四氰基對(duì)醌二甲烷、四硫富瓦烯和亞硫酸鹽氧化酶順序沉積在玻璃碳電極敏感面上，結(jié)合FIA制成測(cè)定亞硫酸鹽的傳感器，檢出限為5μmmol／L，電極在20s可達(dá)最大反應(yīng)的90%。生物傳感器在食品與農(nóng)產(chǎn)品抗氧化劑測(cè)定中已有不少報(bào)道。例如用菠菜葉或牛蒡植物葉與氧電極構(gòu)成的植物組織電極可用于食品中兒茶酚的測(cè)定，測(cè)定范圍可高至1500mg／L。23第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)生物傳感器檢測(cè)技術(shù)第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)

生物傳感器檢測(cè)技術(shù)

3.生物傳感器在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用

各種生物傳感器中微生物傳感器最適合發(fā)酵工業(yè)中的測(cè)量。由于發(fā)酵工業(yè)是大規(guī)模的生產(chǎn)，微生物傳感器具有的成本低、設(shè)備簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，占了極大的優(yōu)勢(shì)。微生物傳感器可用于原材料如糖蜜、乙酸等的測(cè)量，代謝產(chǎn)物如頭孢霉素、谷氨酸、甲酸、甲烷、醇類、青霉素、乳酸等的測(cè)量。測(cè)量的裝置用適合的微生物電極與氧電極組成，利用微生物的同化作用耗氧，測(cè)量氧電極電流的變化量來(lái)測(cè)量氧氣的減少量。除在上述幾個(gè)方面外，還廣泛應(yīng)用于軍事和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。軍事上使用最多的是乙酰膽堿酯酶?jìng)鞲衅?，可以檢測(cè)出沙林，該方法至今仍被應(yīng)用于神經(jīng)性毒劑毒包和報(bào)警器中。24第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)生物傳感器檢測(cè)技術(shù)第六章其它快速檢測(cè)新技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感器的檢測(cè)技術(shù)

第二節(jié)生物傳感器檢測(cè)技術(shù)

25第六章其它快速檢測(cè)新技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感器的檢測(cè)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(lái)評(píng)定。對(duì)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(dòng)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(yàn)豐富的人員來(lái)完成。電子鼻能識(shí)別和檢測(cè)復(fù)雜的嗅味和揮發(fā)性成分。電子鼻是指由多個(gè)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(shí)別單一和復(fù)雜氣味能力的裝置。26第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感器的檢第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感器的檢測(cè)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(gè)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(guó)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(guó)學(xué)者用3個(gè)氣體傳感器模擬哺乳動(dòng)物嗅覺系統(tǒng)對(duì)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(duì)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(zhǎng)足進(jìn)展。1961年，Moncrieff制成了一種機(jī)械式的氣味檢測(cè)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。27第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感器的檢測(cè)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(guò)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(hào)傳到大腦的嗅區(qū)皮層產(chǎn)生嗅感。人的嗅感產(chǎn)生過(guò)程框圖28第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感器的檢測(cè)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、信號(hào)處理單元和模式識(shí)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29第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感器的檢測(cè)技術(shù)1．氣敏傳感器陣列

氣敏傳感器陣列可以由多個(gè)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(jī)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(gè)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(gè)氣敏傳感器的性能。采用集成化嗅覺傳感器陣列裝置已成發(fā)展趨勢(shì)。30第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感器的檢測(cè)技術(shù)2.信號(hào)處理單元信號(hào)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(hào)經(jīng)電子線路放大及A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。被測(cè)嗅覺的強(qiáng)度既可采用每個(gè)傳感器輸出的絕對(duì)電壓、電阻或電導(dǎo)等信號(hào)來(lái)表示，也可用相對(duì)信號(hào)值，如歸一化的電阻或電導(dǎo)值，即它們的變化率來(lái)比較嗅味的性質(zhì)。傳感器陣列輸出的信號(hào)經(jīng)由信號(hào)處理單元抽取出有效特征參數(shù)，以便進(jìn)行模式識(shí)別。31第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感器的檢測(cè)技術(shù)3.模式識(shí)別單元模式識(shí)別單元相當(dāng)于生物的大腦。它運(yùn)用一定的算法完成氣味、氣體的定性、定量辨識(shí)。目前常用的模式識(shí)別方法有統(tǒng)計(jì)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(shí)別方法等等。32第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感器的檢測(cè)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(cè)儀金屬氧化物半導(dǎo)體測(cè)一般可燃?xì)怏w美國(guó)公司智能鼻Fox2000金屬氧化物半導(dǎo)體測(cè)一般可燃?xì)怏w法國(guó)香味掃描儀導(dǎo)電聚合物測(cè)食品、化妝品法國(guó)鼻子聚合物傳感器監(jiān)測(cè)啤酒英國(guó)口腔監(jiān)測(cè)儀金屬氧化物測(cè)呼吸新鮮度日本33第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感器的檢測(cè)技術(shù)六、電子鼻發(fā)展前景存在問(wèn)題:(1)有些傳感器對(duì)測(cè)試條件要求苛刻，必須嚴(yán)加控制，或者加以監(jiān)測(cè)并進(jìn)行參數(shù)補(bǔ)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(wú)法通用。研究方向：能對(duì)微量分子瞬時(shí)敏感的不受環(huán)境影響或能對(duì)環(huán)境變化進(jìn)行自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)膫鞲衅麝嚵醒b置；能對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理的高精度處理器，將信號(hào)與噪聲分離；能將人的感官感受相一致的感官評(píng)定指標(biāo)的模式識(shí)別方法。34第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)

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按檢測(cè)對(duì)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(cè)力、熱、光、電、磁等物理量的傳感器;化學(xué)傳感器則是能檢測(cè)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(gè)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(lái)，看作是傳感器的第3個(gè)類別。35第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)生物傳感器檢測(cè)技術(shù)按檢第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)

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一、生物傳感器的一般知識(shí)

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)域的傳感器，也不是指被測(cè)量對(duì)象必須是生物量的傳感器（盡管用它也能測(cè)定生物量），而是基于它的敏感材料來(lái)自生物體。36第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)生物傳感器檢測(cè)技術(shù)第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)

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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(hào)轉(zhuǎn)換器件，常用的信號(hào)轉(zhuǎn)換器有電化學(xué)電極、離子敏場(chǎng)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37第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)生物傳感器檢測(cè)技術(shù)第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)

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生物傳感器的工作原理（2）將熱變化轉(zhuǎn)化成電信號(hào)

大部分生物傳感器均屬于這種類型。以酶?jìng)鞲衅鳛槔复呋囟ǖ孜锇l(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?jìng)鞲衅?。固定化的生物材料與相應(yīng)的被測(cè)物作用時(shí)常伴隨有熱的變化。將熱變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的生物傳感器（1）將化學(xué)信號(hào)變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)

38第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)生物傳感器檢測(cè)技術(shù)第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)

生物傳感器檢測(cè)技術(shù)

生物傳感器的工作原理（3）將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)（4）直接產(chǎn)生電信號(hào)方式有些酶，例如過(guò)氧化氫酶，能催化過(guò)氧化氫/魯米諾體系發(fā)光，如設(shè)法將過(guò)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(cè)定裝置相連，即可測(cè)定過(guò)氧化氫含量。

前3種原理的生物傳感器都是化學(xué)或物理變化再通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)進(jìn)行測(cè)量，統(tǒng)稱為間接測(cè)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(cè)量方式。39第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)生物傳感器檢測(cè)技術(shù)第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)

生物傳感器檢測(cè)技術(shù)

3.生物傳感器的分類（1）根據(jù)傳感器輸出信號(hào)的產(chǎn)生方式分類產(chǎn)生傳感器輸出信號(hào)的方式有兩類。一類是被測(cè)物與分子識(shí)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(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或催化型生物傳感器，40第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)生物傳感器檢測(cè)技術(shù)第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)

生物傳感器檢測(cè)技術(shù)

（2）根據(jù)傳感器中分子識(shí)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?jìng)鞲衅?、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(hào)轉(zhuǎn)換器分類生物傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換器有：電化學(xué)電極、離子敏場(chǎng)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(cè)熱型生物傳感器、測(cè)光型生物傳感器、測(cè)聲型生物傳感器等。41第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)生物傳感器檢測(cè)技術(shù)第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)

生物傳感器檢測(cè)技術(shù)

3.生物傳感器的分類按敏感材料分類分子識(shí)別部分信號(hào)轉(zhuǎn)換部分按信號(hào)轉(zhuǎn)換器分類酶?jìng)鞲衅魑⑸飩鞲衅髅庖邆鞲衅骷?xì)胞器物傳感器組織傳感器酶電化學(xué)測(cè)定裝置微生物場(chǎng)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(dòng)、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(cè)光型生物傳感器測(cè)熱型生物傳感器測(cè)聲型生物傳感器生物傳感器的分類42第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)生物傳感器檢測(cè)技術(shù)第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)

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4.生物傳感器的特點(diǎn)（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(shí)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)異的選擇性把樣品中被測(cè)組分的分離和檢測(cè)統(tǒng)一為一體，測(cè)定時(shí)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(shí)現(xiàn)連續(xù)在線檢測(cè)。

(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(cè)定儀的成本遠(yuǎn)低于大型的分析儀器，因而便于推廣普及。

43第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)生物傳感器檢測(cè)技術(shù)第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)

生物傳感器檢測(cè)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(yàn)中的應(yīng)用

（1）食品鮮度的測(cè)定（A）魚鮮度傳感器（B）肉鮮度傳感器肉類在腐敗過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生各種胺類，故胺類測(cè)定也能反映肉類的新鮮度。（C）牛乳鮮度傳感器牛乳放置過(guò)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(guò)程由于脂分解作用產(chǎn)生的短鏈脂肪酸的含量來(lái)判斷牛乳及其制品的新鮮度，這類傳感器也已開發(fā)出來(lái)了。44第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)生物傳感器檢測(cè)技術(shù)第六章其它快速檢測(cè)技術(shù)第二節(jié)生物傳感器檢測(cè)技術(shù)2.生物傳感器在食品衛(wèi)生檢測(cè)中的應(yīng)用（1）食品中細(xì)菌和