第七章--食品无损检测：生物传感器检测

食品物性与无损检测潘磊庆南京农业大学食品科技学院2020年3月3日星期二南京农业大学食品科技学院2第七章生物传感器检测传感器按检测对象分：物理传感器：检测力、热、光、电、磁等物理量化学传感器：检测化学量。包括：能检测离子的化学传感器；电子鼻检测的气体传感器；生物传感器。2020年3月3日星期二南京农业大学食品科技学院3转换器敏感元件待测物生物传感器的模型是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术。应用领域：环境监测、食品分析、生物医学2020年3月3日星期二南京农业大学食品科技学院4一、概述1.定义用固定化生物成分或生物体作为敏感元件的传感器称为生物传感器（biosensor）。利用生物活性物质具有的分子识别功能，专一、灵敏。2020年3月3日星期二南京农业大学食品科技学院5敏感元件：酶、抗体、核酸、细胞等。转换器：电化学电极、光学检测元件、场效应晶体管、压电石英晶体、表面等离子共振。酶(Enzyme)抗体(Antibody)DNA2020年3月3日星期二南京农业大学食品科技学院6工作原理1）将化学信号变为电信号2）将热变化转化为电信号3）将光信号转化为电信号4）直接产生电信号2.分类根据输出信号产生的方式生物亲和型、代谢型、催化型根据生物分子识别元件上的敏感物质酶传感器、组织传感器、微生物传感器、免疫传感器、基因传感器等根据信号转化器电化学生物传感器、半导体生物传感器等其他分类被测对象、大小、功能2020年3月3日星期二南京农业大学食品科技学院82020年3月3日星期二南京农业大学食品科技学院92020年3月3日星期二南京农业大学食品科技学院103.生物传感器的特点高选择性。生物传感器是由选择性好的主体材料构成的分子一识别元件，因此，一般不需进行样品的预处理。测定时一般不需另加其它试剂。体积小、可以实现连续在位监测。响应快、样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反复多次使用。传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，因而便于推广普及。2020年3月3日星期二南京农业大学食品科技学院11二、酶电极和酶传感器1.概述：酶可以选择性的快速辨别特定的底物，并在较温和的条件下对底物的反应起催化作用。2.酶及酶促反应酶：由生物体产生的具有催化能力的蛋白质特性：高效106-13；条件温和；高度专一；具有调节能力；容易变性和失活2020年3月3日星期二南京农业大学食品科技学院12酶（Enzyme）酶的专一性：锁和钥匙的关系。这种关系在生物大分子的相互作用中具有普遍性，对底物选择性地结合，避免其它物质干扰。5.酶电极及酶传感器实例生物分子识别元件：葡萄糖氧化酶膜可用的测量量：O2的减少量，葡萄糖酸或H2O2的产生量信号转换元件：氧电极，pH电极及H2O2电极22712622612622OHOHCOOHOHC葡萄糖氧化酶（1）葡萄糖氧化酶电极一种葡萄糖传感器-Glucowatch•Glucosepulledthroughtheskinbychargedmolecules•Theionsmigratetotheanode(+)andcathode(-)•Glucosereactswithglucoseoxidasetoformhydrogenperoxide•ThereactionproducesanelectrochemicalmeasuredbytheAutoSensor生物分子识别元件：乙醇氧化酶膜信号转换元件：氧电极OHCHOCHOOHHC23252乙醇氧化酶（2）乙醇传感器dCHOCHOxOHHCRe352乙醇脱氢酶生物分子识别元件：乙醇脱氢酶膜信号转换元件：Ox电子传递介质（二茂铁、四硫富瓦烯）15秒，10-6-10-4mol/L生物分子识别元件：丙酮酸氧化酶信号转换元件：氧电极，H2O2电极及pH、CO2电极2LLGPT酮戊二酸丙氨酸谷氨酸丙酮酸（3）谷丙转氨酶(GPT)传感器342222+CO+HPOOHO丙酮酸氧化酶丙酮酸乙酰磷酸乙酸三、组织电极以动植物组织薄片材料作为生物敏感膜的生物传感器.特点：酶处于天然、理想状态，稳定、功效高寿命一般较长有些没有了解的反应途径或无条件拟合的体系，可直接用组织代替组织可直接成膜，便于固定，成本低组织酶源广商品化难以实现实例1:猪肾组织L-谷氨酰胺电极23HONH谷氨酰胺水解酶谷氨酰胺谷氨酸1979，Rechnitz,6.0×10-5-6.7×10-3mol/L6min28天实例2:花椰菜膜L-抗坏血酸组织电极电极制作：组织糊+牛血清白蛋白+戊二醛+尼龙网+氧电极工作条件：底液、pH、温度影响因素：组织、固定化、工作条件22OHO抗坏血酸氧化酶L-抗坏血酸脱氢抗坏血酸+四、微生物传感器1.特点适合发酵体系微生物的菌株价格低其细胞内酶的活性因细胞增殖而再生,寿命长适合完成需要辅助因子的复杂连续反应干扰较酶传感器严重2.微生物传感器的分类按工作原理：（1）用微生物体内酶的生物活性类似酶传感器（2）利用微生物对有机物的同化作用（a）呼吸机能型微生物传感器（b）代谢机能型微生物传感器4.实例1：葡萄糖微生物电极Pseudomonasfluorescence菌种有氧30°C,20小时培养6000n/min离心、0.1g湿细胞+1.8g胶原纤维，混匀，滴于四氟乙烯膜上，室温晾干,浸于戊二醛中1分钟，4°C干燥，装在氧电极外套上.测定原理及过程：响应参数和条件：35°C,pH7,10-4~10-5mol/L,30D底物葡萄糖果糖半乳糖蔗糖麦芽糖甘氨酸谷氨酸相对值100494040实例2：BOD微生物传感器BOD概念:生化需氧量传感器原理：细菌在同化有机物时，消耗氧，其程度与同化作用的强弱，即有机物的浓度成正比。五、免疫传感器免疫传分析特点：利用抗原、抗体所具有的高灵敏度、高选择性的结合做为分子识别手段进行分析。免疫传感器分类：非标记免疫传感器和标记免疫传感器两类1非标记免疫传感器原理：抗体与抗原（蛋白质）的结合有高度选择性，当两者结合时，蛋白质分子发生各种性质变化，如携带的大量电荷会产生电位变化，继而引起事先固定了抗原或抗体的各种转换元件电化学及物理参数的改变。优点：仪器要求简单、操作容易、不需要额外试剂缺点：灵敏度较低、样品需要量大、非特异性吸附造成假阳性标记免疫传感器优点：灵敏度高、选择性好，可做为常规方法使用缺点：需要标记物，操作较复杂七、生物芯片引言传感器阵列和生物微阵列传感器基因传感器和基因芯片生物芯片生物芯片是生物传感器的阵列和集成化。生物芯片是指包被在硅片、尼龙膜等固相支持物上的高密度的组织、细胞、蛋白质、核酸、糖类以及其它生物组分的微点阵。芯片与标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号即可实现对生物样品的分析。生物芯片的类型常见的生物芯片主要有:•基因芯片;•蛋白质芯片;•组织芯片。世界著名生物芯片公司:Affymetrix(SantaClara,California)其他:BraxGenomicsLimited(Cambridge,UK)，Hyseq(Sunnyvale,California)，IncytePharmaceuticals(PaloAlto,Cali-fornia)等等。基因芯片基因芯片又称寡核苷酸探针微阵列。将系列DNA片段固定在载体上（硅片、尼龙膜）。可同时进行数百次常规测试。大量探针分子固定于支持物上后，利用DNA双链的互补碱基之间的氢键作用，与标记的样品分子进行杂交，然后用精密扫描仪或摄像纪录，通过计算机软件分析处理，得到有价值的生物信息。在基因芯片制备过程中，使用了半导体领域的微加工技术（如右图中的光刻技术）。基因芯片可同时对大量核酸分子进行检测分析，已应用于生物医学、生物分子学、人类基因组研究和医学临床诊断领域。蛋白质芯片蛋白质芯片主要是蛋白质如抗原或抗体在载体上的有序排列，依据蛋白质分子、蛋白质与核酸相互作用的原理进行杂交、检测和分析。如：组织芯片组织芯片与基因芯片、蛋白质芯片及细胞芯片等一样，属于一种特殊、新型的生物芯片，是一种新型的高通量、多样本的研究工具。它将数十个甚至上千个不同个体的组织标本集成在一张固相载体上，为医学分子生物学提供了一种高通量、大样本以及快速的分子水平的分析工具。2020年3月3日星期二南京农业大学食品科技学院53生物传感器在农产品检测中的应用1．生物传感器在食品检验中的应用(1)食品鲜度的测定肉的鲜度的快速测定，对于食品制作及评价肉类及其制品的质量十分重要。①鱼鲜度传感器。鱼鲜度传感器在日本、加拿大等国广泛用于鱼类鲜度的测定。②肉鲜度传感器。肉类在腐败过程中会产生各种胺类，故胺类测定也能反映肉类的新鲜度。③牛乳鲜度传感器。牛乳鲜度传感器最早由高桥福辛发明，实际上是一个菌数测定仪。(2)食品与农产品的滋味及熟度的测定2020年3月3日星期二南京农业大学食品科技学院542．生物传感器在食品卫生检测中的应用生物传感器在食品卫生检测中主要有以下应用：(1)食品中细菌和病原菌的测定(2)检测食品中毒素(3)检测食品中残留农药(4)检测食品中添加剂2020年3月3日星期二南京农业大学食品科技学院553．生物传感器在发酵工业中的应用各种生物传感器中微生物传感器最适合发酵工业中的测量。2020年3月3日星期二南京农业大学食品科技学院564．生物传感器在食品工业中的应用展望生物传感器在食品工业中的应用前景，主要有以下几个方面：①从实验室走向商品化的进程。②在食品检测中的应用将会进一步拓宽。③由单一功能的生物传感器向多功能生物传感器发展。④和其他精密分析仪器相结合，互补长短。⑤生物传感器向微型化、集成化，智能化方向发展。2020年3月3日星期二南京农业大学食品科技学院57