食品品质无损检测新技术_6(1)

1第六章其它快速检测新技术第一节气味（电子鼻）传感器的检测技术第二节生物传感器检测技术2第六章其它快速检测技术第一节气味（电子鼻）传感器的检测技术一、概述烟、酒、饮料等多种食品的质量，目前大多依靠人的感官来评定。对香味的分辨，更离不开人的感官。嗅觉在其中起着重要作用。虽然与其它动物相比，人类感觉器官中嗅觉是最不灵敏的。人工感官鉴别工作通常需要训练有素、经验丰富的人员来完成。电子鼻能识别和检测复杂的嗅味和挥发性成分。电子鼻是指由多个性能彼此重叠的气敏传感器和适当的模式分类方法组成的具有识别单一和复杂气味能力的装置。3第六章其它快速检测技术第一节气味（电子鼻）传感器的检测技术二、电子鼻的发展历程1964年根据气味在电极上发生氧化还原反应的原理创建了第一个电子鼻。智能化学传感器阵列的概念近20年才出现在英国Warwick大学的Persaud等人和日本日立公司的Ikegami等人的文章中。1982年，英国学者用3个气体传感器模拟哺乳动物嗅觉系统对戊基醋酸酯、乙醇、戊酸、柠檬油等挥发气进行了类别分析。人类对化学传感器的探索最早可追溯到19世纪末。20世纪中，化学传感器理论和应用均取得了长足进展。1961年，Moncrieff制成了一种机械式的气味检测装置。1967年，日本将金属氧化物半导体(SnO2)气体传感器商品化。4第六章其它快速检测技术第一节气味（电子鼻）传感器的检测技术三、电子鼻工作原理电子鼻的工作原理是建立在模拟人的嗅觉形成过程基础上的。人的嗅觉系统由嗅觉细胞、嗅觉神经网络和大脑组成。嗅感是挥发性物质释放出气体进入鼻腔，被嗅觉小胞中的嗅细胞吸附到表面上，呈负电性的嗅细胞表面的部分电荷发生改变，产生电流，使神经末梢接受刺激而兴奋，最后，兴奋信号传到大脑的嗅区皮层产生嗅感。人的嗅感产生过程框图5第六章其它快速检测技术第一节气味（电子鼻）传感器的检测技术四、电子鼻的基本组成电子鼻系统主要由气敏传感器阵列、信号处理单元和模式识别单元三大部分组成。图给出了人工嗅觉系统的结构框图。电子鼻的系统组成6第六章其它快速检测技术第一节气味（电子鼻）传感器的检测技术1．气敏传感器阵列气敏传感器阵列可以由多个分立气敏传感器元件组成，也可以采用集成工艺制作专门的传感器阵列。气敏传感器有金属氧化物半导体传感器、声表面波传感器、导电有机聚合物膜传感器、石英晶体谐振传感器、电化学传感器、红外光电传感器及L-B膜传感器等类型。生物嗅觉系统中的单个嗅觉受体细胞的性能并不高，但是，生物嗅觉系统的整体性能却令人惊叹不已。因此，不必刻意追求单个气敏传感器的性能。采用集成化嗅觉传感器阵列装置已成发展趋势。7第六章其它快速检测技术第一节气味（电子鼻）传感器的检测技术2.信号处理单元信号处理单元由A/D转换、数据预处理与处理器组成。由传感器产生的电信号经电子线路放大及A/D转换为数字信号。被测嗅觉的强度既可采用每个传感器输出的绝对电压、电阻或电导等信号来表示，也可用相对信号值，如归一化的电阻或电导值，即它们的变化率来比较嗅味的性质。传感器阵列输出的信号经由信号处理单元抽取出有效特征参数，以便进行模式识别。8第六章其它快速检测技术第一节气味（电子鼻）传感器的检测技术3.模式识别单元模式识别单元相当于生物的大脑。它运用一定的算法完成气味、气体的定性、定量辨识。目前常用的模式识别方法有统计方法（主要有主成分分析法（PCA）、偏最小二乘法（PLS）、聚类分析法（CA）等）、人工神经网络（ANN）方法以及模糊识别方法等等。9第六章其它快速检测技术第一节气味（电子鼻）传感器的检测技术五、电子鼻的应用名称传感器阵列类型主要应用生产厂商气味监测仪金属氧化物半导体测一般可燃气体美国公司智能鼻Fox2000金属氧化物半导体测一般可燃气体法国香味扫描仪导电聚合物测食品、化妆品法国鼻子聚合物传感器监测啤酒英国口腔监测仪金属氧化物测呼吸新鲜度日本10第六章其它快速检测技术第一节气味（电子鼻）传感器的检测技术六、电子鼻发展前景存在问题:(1)有些传感器对测试条件要求苛刻，必须严加控制，或者加以监测并进行参数补偿；(2)传感器本身的稳定性差，因而易于中毒；(3)阵列的校正和训练数据无法通用。研究方向：(1)能对微量分子瞬时敏感的不受环境影响或能对环境变化进行自适应补偿的传感器阵列装置；(2)能对信号进行处理的高精度处理器，将信号与噪声分离；(3)能将人的感官感受相一致的感官评定指标的模式识别方法。11第六章其它快速检测技术第二节生物传感器检测技术按检测对象可以分成两大类：物理传感器和化学传感器。物理传感器是检测力、热、光、电、磁等物理量的传感器;化学传感器则是能检测化学量的传感器。从20世纪60年代起，化学传感器领域又增加了一个新的分支——生物传感器。有人把生物传感器和物理传感器及化学传感器并列起来，看作是传感器的第3个类别。12第六章其它快速检测技术第二节生物传感器检测技术一、生物传感器的一般知识1.生物传感器的定义用固定化的生物体成分（酶、抗体、抗原、激素）或生物体本身（细胞、细胞器、组织）作为敏感元件的传感器称为生物传感器。生物传感器既不是指专用于生物领域的传感器，也不是指被测量对象必须是生物量的传感器（尽管用它也能测定生物量），而是基于它的敏感材料来自生物体。13第六章其它快速检测技术第二节生物传感器检测技术2.生物传感器的组成在生物传感器中除敏感元件之外还有信号转换器件，常用的信号转换器有电化学电极、离子敏场效应晶体管、热敏电阻及微光管等。生物传感器的组成可形象地如图所示。生物传感器的基本构成示意图14第六章其它快速检测技术第二节生物传感器检测技术生物传感器的工作原理（2）将热变化转化成电信号大部分生物传感器均属于这种类型。以酶传感器为例，酶催化特定底物发生反应，从而使特定生成物的量有所增减。用能把这类物质的量的改变转换为电信号的装置和固定化酶耦合，即组成酶传感器。固定化的生物材料与相应的被测物作用时常伴随有热的变化。将热变化转变成电信号的生物传感器（1）将化学信号变化转换成电信号15第六章其它快速检测技术第二节生物传感器检测技术生物传感器的工作原理（3）将光信号转变为电信号（4）直接产生电信号方式有些酶，例如过氧化氢酶，能催化过氧化氢/鲁米诺体系发光，如设法将过氧化氢酶膜附着在光纤或光敏二极管的前端，再和光电流测定装置相连，即可测定过氧化氢含量。前3种原理的生物传感器都是化学或物理变化再通过信号转换器转变为电信号进行测量，统称为间接测量方式。酶反应伴随的电子转移、微生物细胞的氧化直接在电极表面上发生，根据所得到的电流量即可得底物浓度。这就是直接测量方式。16第六章其它快速检测技术第二节生物传感器检测技术3.生物传感器的分类（1）根据传感器输出信号的产生方式分类产生传感器输出信号的方式有两类。一类是被测物与分子识别元件上敏感物质具有生物亲合作用，这类传感器称为亲合生物传感器；一类是底物与分子识别元件上的敏感物质相作用并生成产物，信号转换器将底物的消耗或产物的增加转变为输出信号，这类传感器称为代谢型或催化型生物传感器，受体底物SRRS生物体受体底物PSRRS17第六章其它快速检测技术第二节生物传感器检测技术（2）根据传感器中分子识别元件上的敏感物质分类根据所用的敏感物质将生物传感器分为酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等。（3）根据传感器的信号转换器分类生物传感器的信号转换器有：电化学电极、离子敏场效应晶体管、热敏电阻、光电转换器、SAW装置等。据此又将生物传感器分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测光型生物传感器、测声型生物传感器等。18第六章其它快速检测技术第二节生物传感器检测技术3.生物传感器的分类按敏感材料分类分子识别部分信号转换部分按信号转换器分类酶传感器微生物传感器免疫传感器细胞器物传感器组织传感器酶电化学测定装置微生物场效应晶体管抗体或抗原光纤和光敏二极管细胞器热敏电阻动、植物组织SAW装置电化学生物传感器半导体生物传感器测光型生物传感器测热型生物传感器测声型生物传感器生物传感器的分类19第六章其它快速检测技术第二节生物传感器检测技术4.生物传感器的特点（A）生物传感器是由选择性好的生物体材料构成的分子识别元件，因此一般不需要进行样品的预处理，它利用优异的选择性把样品中被测组分的分离和检测统一为一体，测定时一般不需另加其它试剂。(B)生物传感器由于它的体积小，可以实现连续在线检测。(C)生物传感器的响应快、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。(D)生物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。20第六章其它快速检测技术第二节生物传感器检测技术二、生物传感器在食品与农产品加工中的应用1.生物传感器在食品检验中的应用（1）食品鲜度的测定（A）鱼鲜度传感器（B）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。（C）牛乳鲜度传感器牛乳放置过程中，受细菌作用而产生乳酸，因此乳酸含量可表示牛乳的新鲜度。此外也可从牛乳放置过程由于脂分解作用产生的短链脂肪酸的含量来判断牛乳及其制品的新鲜度，这类传感器也已开发出来了。21第六章其它快速检测技术第二节生物传感器检测技术2.生物传感器在食品卫生检测中的应用（1）食品中细菌和病原菌的测定食品中微生物的检测一直用平皿计数法，方法繁琐耗时。1979年等开发了非染料偶合的燃料电池型微生物电极系统,该电极基于微生物在呼吸代谢过程中产生电子，在阳极上放电，放电产生的电流大小可反映测定液中微生物的浓度。采用光纤传感器可直接放入生长溶液的培养瓶中，通过测定微生物代谢过程中的副产物二氧化碳浓度来估算细菌数量。采用酶联电流型免疫传感器可测到食品中低数量的沙门氏菌。免疫传感器也成功地测定了污染食品的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和鼠伤寒沙门氏菌。22第六章其它快速检测技术第二节生物传感器检测技术（2）检测食品中毒素有人采用光纤传感器测定了食品中的肉毒杆菌毒素A，检测下限可达5mg／mL，lmin内可完成测定。（3）检测食品中残留农药采用电导型生物传感器对食品中有机磷农药：甲基马拉松、乙基马拉松、敌百虫、二乙丙基磷酸进行了测定，检出下限分别为5×10-7、1×10-8、5×10-7、5×10-11mol／L。磺胺可进入动物来源的食品，对人体健康产生不良影响。采用免疫传感器测定了牛奶中硫胺二甲嘧啶，检出限低于1×10-9，平均相对标准差为2%。23第六章其它快速检测技术第二节生物传感器检测技术（4）检测食品中添加剂亚硫酸盐通常用于食品工业。除具有漂白作用外，还有防止食品氧化和微生物生长的作用。采用导电介体四氰基对醌二甲烷、四硫富瓦烯和亚硫酸盐氧化酶顺序沉积在玻璃碳电极敏感面上，结合FIA制成测定亚硫酸盐的传感器，检出限为5μmmol／L，电极在20s可达最大反应的90%。生物传感器在食品与农产品抗氧化剂测定中已有不少报道。例如用菠菜叶或牛蒡植物叶与氧电极构成的植物组织电极可用于食品中儿茶酚的测定，测定范围可高至1500mg／L。24第六章其它快速检测技术第二节生物传感器检测技术3.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。由于发酵工业是大规模的生产，微生物传感器具有的成本低、设备简单的特点，占了极大的优势。微生物传感器可用于原材料如糖蜜、乙酸等的测量，代谢产物如头孢霉素、谷氨酸、甲酸、甲烷、醇类、青霉素、乳酸等的测量。测量的装置用适合的微生物电极与氧电极组成，利用微生物的同化作用耗氧，测量氧电极电流的变化量来测量氧气的减少量。除在上述几个方面外，还广泛应用于军事和医学领域。军事上使用最多的是乙酰胆碱酯酶传感器，可以检测出沙林，该方法至今仍被应用于神经性毒剂毒包和报警器中。