（食品科学专业论文）微喷涂生物传感器——一类新型传感器构建技术研究.pdf

浙江工商大学硕士学位论文 微喷涂生物传感器 一类新型传感器构建技术研究 摘要 食品是人类赖以生存和发展的物质基础，而食品安全问题是关 系到人体健康和国计民生的重大问题。评价一种食品是否安全，就 是要依靠一定的检测手段提供科学依据，确定食品中的有毒有害物 质的含量和毒性，通过风险评估来考虑其是否对人体造成实际的危 害。传统的检测手段所需时间长，需要昂贵的设备，操作复杂，因 此发展新型、快捷、经济、准确的快速检测手段，是食品安全的一 项重要研究内容。 目前应用较广泛的食品安全快速检测手段主要有荧光分析、快 速检测试剂盒、快速检测试纸条、生物传感器等。生物传感器具有 体积小、成本低、灵敏度高、选择性好、抗干扰能力强、响应快等 优点，近年来成为研究热点之一。本论文主要是研究利用微喷涂技 术构建一类新型的生物传感器，论文主要围绕以下几个方面开展了 一些工作： 1 微喷涂技术条件的优化 本研究是利用微喷涂技术进行传感器的制备，在制备过程中喷 涂针头的堵塞和导电线路的不完整性将直接影响到传感器的电化学 浙江工商大学硕士学位论文 性能。研究了银浆材料的流变学性质、喷涂针头的内径大小、喷涂 压力、等待延滞时间、喷涂针头和基底材料的间距对所制备传感器 性能的影响。最后选用的微喷涂参数为：银浆的粘度8 0 0 0 c p s - 一 9 0 0 0 c p s ；喷涂针头内径为0 1 5 m m ；延滞时间5 0 m s - - 一3 0 0 m s ；喷涂 压力2 0k p a ；喷涂针头和基底材料间距为0 1 m m ；z 轴回复高度 0 2 m m 0 5 m m 。 2 微喷涂传感器的构建及性能表征 在电脑上利用a u t o c a d ，p h o t o s h o p 等作图软件对传感器的图案 进行设计之后，编写好相应的程序，输入到系统中，然后制备三电 极系统的传感器，利用银浆制备成导电线路，a g a g c i 作为参比电极， 并在工作电极和辅助电极的表面用导电高分子材料p e d o t p s s ( 3 , 4 一e t h y l e n e d i o x y t h i o p h e n e p o l y s t y r e n es u l f o n i ca c i d ) 进行修饰。用实 体显微镜和原子力显微镜表征了传感器的表面形态特征，实验结果 表明传感器表面形态良好。在lm m o l l 的硫堇溶液中用循环伏安法 对传感器进行了电化学表征j 记录传感器的氧化峰电位e p a 、氧化峰 电流i p a 和半波电位e p 们，采用e p a 、e p a 2 、i p a 和电荷传递系数0 t 作为 评估电极一致性的指标。结果显示传感器具有较好的电化学性能、 稳定性、批量一致性。 3 微喷涂葡萄糖氧化酶传感器 在本研究中，我们在制备了空白的三电极传感器之后，用微喷 涂技术在工作电极的表面滴涂上p e d o t p s s 导电高分子材料，将葡 萄糖氧化酶( g l u c o s eo x i d a s e ，g o d ) 署i 电子媒介体铁氰化钾溶解于羧 浙江工商大学硕士学位论文 甲基纤维素( c a r b o x y m e t h y lc e l l u l o s e ，c m c ) 溶液中，然后直接滴 涂在工作电极上面，自然晾干，形成生物敏感膜，制备成微喷涂葡 萄糖氧化酶传感器。实验结果表明我们用微喷涂技术构建的葡萄糖 氧化酶传感器检测葡萄糖溶液具有良好的响应，在0 5 m g l 5 0 m g l 葡萄糖浓度范围内有较好的线性相关度，线性相关系数达到 了0 9 8 9 4 ，传感器的一致性和稳定性良好。 4 微喷涂辣根过氧化物酶传感器 在本实验中为了检验所制备传感器的性能，我们又制备了用辣 根过氧化物酶( h o r s e r a d i s hp e r o x i d a s e ，h r p ) 进行修饰的生物传感器， 用来检测h 2 0 2 。在实验中，我们在先用高分子导电材料p e d o t p s s 成膜修饰到空白电极上面，然后在导电高分子薄膜之上修饰辣根过 氧化物酶，自然晾干之后，整个工作电极用具有选择性的醋酸纤维 素半透膜进行封装。经电化学检测之后，实验结果显示，我们制备 的微喷涂辣根过氧化物酶传感器对h 2 0 2 具有非常良好的灵敏性，在 o 5 - 5 0 m m o l l 浓度范围内的有较好的线性相关度，线性相关系数达 到了0 9 8 5 1 。传感器的稳定型非常好。 关键词：生物传感器；微喷涂技术；葡萄糖氧化酶；辣根过氧化物 酶；食品安全 1 i i 浙江工商大学硕士学位论文 m i c r o d i s p e n s i n gb i o s e n s o r s t u d yo nf a b r i c a t i o nt e c h n i q u e o fan e wt y p e o fs e n s o r a b s t r a c t f o o di se s s e n t i a lf o rh u m a n ss u r v i v a la n dd e v e l o p m e n t f o o d s a f e t yi sr e l a t e dt ot h ep e o p l e sh e a l t ha n dt h en a t i o n a li n t e r e s ta n dt h e p e o p l e sl i v e l i h o o d o n eu r g e n ta n di m p o r t a n tw o r ki nt h i sf i e l di s t o d e v e l o par a p i dd e t e c t i o nt e c h n i q u ew i t ht h ef e a t u r e so fc o n v e n i e n c e ， i n e x p e n s i v e n e s s a n d p r e c i s i o n b e c a u s et h et r a d i t i o n a ld e t e c t i o n t e c h n i q u e sn e e de x p e n s i v ee q u i p m e n ta n d a r e t i m e c o n s u m i n ga n d o p e r a t e dd if f i c u l t l y a tp r e s e n tt h em o s tw i d e l yu s e dr a p i dd e t e c t i o nt e c h n i q u e si nf o o d s a f e t y i n c l u d e f l u o r o p h o t o m e t e r , r a p i dd e t e c t i o nk i t ，r a p i d d e t e c t i o n p a p e r , b i o s e n s o r , a n ds oo n t h eb i o s e n s o ri sa t t r a c t i n gm o r ea n dm o r e c o n c e r na sar a p i dd e t e c t i o nt e c h n i q u ef o ri t se x c e l l e n ta d v a n t a g e ss u c h a ss m a l lb u l k ，l o wc o s t ，h i g hs e n s i t i v i t y , g o o ds e l e c t i v i t y , a n dr a p i d r e s p o n d i n ga b il i t y t h er e s e a r c hw o r kc a r r i e do u ti nt h i sp a p e rw o u l db e i v 浙江工商大学硕士学位论文 d e s c r i b e da sf o l l o w s ： 1o p t i m i z i n go fm i c r o d i s p e n s i n gp a r a m e t e r s i nt h i sw o r kw ef a b r i c a t e ds e n s o r sw i t ht h eh e l po f m i c r o d i s p e n s e r t h eb l o c k a g eo ft h en e e d l ei nf a b r i c a t i n gp r o c e s sa n dt h eb r e a k a g eo ft h e s i l v e rc o n d u c t i n gc i r c u i tc o u l da f f e c tt h es e n s o r s p e r f o r m a n c e u n d e rt h i s r e s e a r c ho nm i c r o - d i s p e n s i n gc o n d i t i o n ，t h eo p t i m a l p a r a m e t e r sw e r e d e t e r m i n e da sf o 1 l o w s ：s i l v e rp a s t ev i s c o s i t y8 0 0 0 - 9 0 0 0 c p s ，t h ei n n e r d i a m e t e ro ft h en e e d l eo 15 m m ，d w e l lt i m e 5 0 - 3 0 0 m s ，d i s p e n s i n g p r e s s u r e2 0 k p a ，t h ed i s t a n c eb e t w e e nn e e d l ea n db a s e p l a t e0 1m m ，a n dz a x e sr e t u md i s t a n c e0 2 - 4 ) 5 m m 2t h ef a b r i c a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no fm i c r o d i s p e n s i n gs e n s o r o nt h eb a s i so fat h r e e - e l e c t r o d es t r u c t u r ed e s i g n e do nc o m p u t e r w i t ht h eh e l po fs o f t w a r ea u t o c a da n dp h o t o s h o p ，w ef a b r i c a t e da b i o s e n s o ru s i n gm i c r o - d i s p e n s e ra f t e rw r i t i n gap r o g r a m m ei n t ot h e m i c r o d i s p e n s e rs y s t e m t h i ss e n s o r , u s i n gs i l v e rc o n d u c t i n gc i r c u i t ， c o m p r i s e daa g a g c lr e f e r e n c ee l e c t r o d e ，aw o r k i n ge l e c t r o d ea n da c o u n t e re l e c t r o d e t h ew o r k i n ga n dc o u n t e re l e c t r o d e sw e r em o d i f i e d w i t ht h e c o n d u c t i n gp o l y m e r b l e n d p o l y ( 3 ，4 一e t h y l e n e d i o x y t h i o p h e n e p o l y s t y 7 r e n es u l f o n i ca c i d ) ( p e d o t p s s ) t h es e n s o rw a sc h a r a c t e r i z e db ys t e r e o m i c r o s c o p e ，a f ma n dc h e m i c a l m e t h o db a s e do nc y c l i cv o l t a m m e t r yi nlm m o l lt h i o n i n es o l u t i o nb y r e c o r d i n gt h ep o t e n t i a lo fa n o d i cp e a k ，c u r r e n to fa n o d i cp e a k ，a n d v 浙江工商大学硕士学位论文 h a l f - w a v ep o t e n t i a l t h er e p r o d u c i b i l i t yo ft h es e n s o rw a sa s s e s s e db y t h e s et h r e ec h e m i c a li n d i c a t o r sa sw e l la se l e c t r o nt r a n s f e rc o e m c i e n t e x p e r i m e n t a l r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h es e n s o r sd e m o n s t r a t e dg o o d e l e c t r o c h e m i c a lp e r f o r m a n c ea n dr e p r o d u c i b il i t y 3m i c r o d i s p e n s i n gg o db i o s e n s o r t h ep r o t o t y p eo fm i c r o d i s p e n s i n gg o db i o s e n s o rw a sr e a l i z e db y d i s p e n s e ro nt h eb a s eo fe l e c t r o d em o d i f i e dw i t ht h ec o n d u c t i n gp o l y m e r ( p e d o t p s s ) ，u s i n gc a r b o x y m e t h y lc e l l u l o s e ( c m c ) s o l u t i o nw h i c h c o n t a i n e d g l u c o s eo x i d a s e ( g o d ) a n d p o t a s s i u mf e r r i c y a n i d e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h em i c r o - d i s p e n s i n gg o db i o s e n s o r h a dag o o dr e s p o n s et og l u c o s ew i t ha na c c e p t a b l el i n e a rc o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n to f0 9 8 9 4i nt h er a n g eo f0 5 - 5 0 m g l t h es e n s o rh a d a c c e p t a b l er e p r o d u c i b i l i t y , s t a b i l i t ya n da c c u r a c y 4m i c r o d i s p e n s i n gh r pb i o s e n s o r w ef a b r i c a t e dt h e m i c r o d i s p e n s i n g h r ps e n s o rt ot e s tt h e p e r f o r m a n c e o ft h es e n s o ni n t h i s e x p e r i m e n t ，t h ep r o t o t y p e o f m i c r o d i s p e n s i n gh r pb i o s e n s o rw a s r e a l i z e d b yd i s p e n s i n g t h e h o r s e r a d i s hp e r o x i d a s e ( h r p ) o nt h eb a r es e n s o rc o a t e dw i t ht h e p e d o t p s sf i l m a st h ef i n a ls e n s o rc o n s t r u c t i o ns t e p ，i no r d e rt o p r e v e n td i s s o l u t i o no ft h ee n z y m ea n dt h ep e d o t p s s f i l mi nt h e a q u e o u se n v i r o n m e n t ，t h ed e v i c ew a se n c a p s u l a t e dw i t haw a t e r - r e s i s t a n t s e m i - p e r m e a b l em e m b r a n eo fc e l l u l o s ea c e t a t e t h em e m b r a n ew a s v l 浙江工商大学硕士学位论文 m a d eu pb yd i p c o a t i n gt h ea c t i v ea r e ai nas o l u t i o no fc e l l u l o s ea c e t a t e i na c e t o n e ：t h f6 0 ：4 0 u n d e rt h ee l e c t r o c h e m i c a l d e t e c t i o n ，t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h em i c r o d i s p e n s i n gh r pb i o s e n s o r h a dag o o dr e s p o n s et oh 2 0 2a n da na c c e p t a b l el i n e a rc o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n to f0 9 8 5li nt h er a n g eo fo 5 - 5 0m m o l l t h es e n s o rh a d g o o dr e p r o d u c i b i l i t y , s t a b i l i t ya n da c c u r a c y k e y w o r d s ：b i o s e n s o r ；d i s p e n s e r ；g l u c o s eo x i d a s e ( g o d ) ； h o r s e r a d i s hp e r o x i d a s e ( h r p ) ；f o o ds a f e t y v i i 浙江工商大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得浙江工商大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 签名： 日期：夕澎年岁月夕日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解浙江工商大学有关保留、使用学位论文 的规定：浙江工商大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 坪 导师签名： 日期：矽 v ! i i 物 矿 l 2 - 年乡，l 夕日 浙江工商大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 食品安全的定义和主要食品安全问题 1 1 1 食品安全的定义 世界卫生组织( w h o ) ，在1 9 9 6 年将食品安全定义为“对食品按其原定用途进 行制作和食用时不会使消费者受到伤害的一种担保”【i 】。按照f a o w h o 的最新 定义，食品安全是指食品及其相关产品不存在对人体健康现实的或潜在的侵害的 种状态，也指为确保此种状态所采取的各种管理方法和措施f 2 1 。从目前的研究 情况来看，在食品安全概念的理解上，国际社会基本的共识是，食品安全是个综 合概念，涉及到食品卫生、食品质量、食品营养和食物种植、养殖、加工、包装、 贮藏、运输、销售、消费等诸多方面。 1 1 2 主要食品安全问题 2 0 世纪9 0 年代以来，欧洲一些国家的食品安全问题一波未平，一波又起。 先是英国爆发疯牛病和口蹄疫，并迅速席卷欧洲，传入拉美、海湾地区和亚洲； 后有比利时二嗯英污染奶制品、肉制品和家禽。2 1 世纪之初，英国、泰国、越 南等国又爆发了口蹄疫、禽流感。农药、兽药残留及化学污染物造成广泛的污 染，对人体健康具有长期和潜在的健康危害。由于食物污染，日本人不敢吃生 鱼片，l i n 时人不敢吃鸡、鸭、鹅，英国人不敢吃牛肉。每年，发展中国家因 食品安全问题有3 0 0 万人死亡，发达国家有3 0 的人口受到食源性疾病困扰。 另一个备受关注的问题是转基因食品安全性。全球转基因作物已达4 0 0 0 万吨， 由于转基因食物是把一种外源的基因转移到生物体中，可能对人类健康存在潜 在威胁。我国的食品安全闷题也非常严重，各种各样的食品安全事件层出不穷。 2 0 0 6 年广t 1 i 管圆线虫污染的福寿螺致病事件；2 0 0 6 年8 月2 日晚，浙江台州市 卫生局查处了含有剧毒的“六六六”和“滴滴涕”的毒猪油原料3 8 6 0 0 公斤、 成品油5 3 0 0 公斤；苏丹红”红心咸鸭蛋事件；“瞌药的多宝鱼事件等等0 1 。 影响食品质量安全的因素非常多，食品原料、生产工艺、添加剂、储藏运输等 浙江工商大学硕士学位论文 会引起安全问题，目前主要的食品质量安全问题有： 1 1 2 1 微生物污染的食源性疾病问题十分突出 病源微生物污染又称生物性污染( 包括寄生虫和昆虫的污染) ，主要是由于食 品生产加工过程、原料和操作场所不规范而导致。生物性污染主要有来自细菌大 量繁殖污染食品所致的感染型中毒和细菌繁殖产生菌毒素引起的毒素中毒型两 种。我国生物性食物中毒事件中，常见的重要致病菌和食物为：沙门氏菌( 禽、 畜肉) 、副溶血性弧菌( 水产品) 、蜡样芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌( 剩饭) 、 肉毒杆梭菌( 发酵制品、肉制品) 、李斯特单核细胞增生菌( 乳制品) 、椰酵假 单细胞菌( 银耳) 和肉制品大肠杆菌等【9 l 。国家食源性疾病监测网分析了1 3 个监 测地区在1 9 9 2 - - 2 0 0 1 年期间食源性疾病暴发上报资料后得出，十年间共上手1 5 7 7 0 件食源性疾病暴发事件，涉及患者人数达1 6 2 9 9 5 人。微生物引起的食源性疾病事 件和涉及人数最多，分别占总体的3 8 5 和5 0 9 ；其中副溶血性弧菌( 3 1 1 ) 是 主要的病因物质【1 2 1 。由于缺乏快速诊断及溯源技术，食源性疾病漏报率极高，据 w h o 估计，发展中国家食源性疾病漏报率高达9 5 以上l ”l 。我国每年向卫生部 上报的数千人食物中毒事件中，大部分是由于致病微生物引起的。如2 0 世纪8 0 年代在上海因食用毛蚶引起食源性甲型肝炎的大爆发，累及3 0 万人；2 0 0 1 年在江 苏、安徽等地爆发的肠出血性大肠杆菌食物中毒，造成1 7 7 人死亡，中毒人数超 过2 万人：1 9 9 9 年在宁夏发生的沙门氏菌污染肉品引起的食物中毒，发病人数上 千人【9 1 。我国目前掌握的食物中毒数据也可能仅为我国实际发生的食源性疾病的 “冰山一角”1 1 4 j 。 1 1 2 2 农残药残问题严重 为了提高粮食产量，减少农作物病虫害引起的损失，使用农药和化肥仍是必 不可少的手段之一。但目前使用中的大多数农药未能摆脱急性毒性、慢性毒性、 累积性残留毒性的困境。有些地方由于盲目、片面地追求经济效益，大量使用农 药化肥甚至销售农药残留大大超标的食品，严重影响了人的身心健康。目前主要 有两个方面的问题：一是化肥、农药等对人体有害的物质残留于农产品中，二是 抗生素、激素和其他有害物质残留于禽、畜、水产品体内。一些地方在种植中滥 用激素类农药以保收成，在养殖中乱用激素和其他药物以增加产量却使农畜产品 受到污染；我国是世界上化肥、农药施用量最大的国家。氮肥( 纯氮) 年使用量 2 浙江工商大学硕士学位论文 2 5 0 0 多万吨，农药超过1 3 0 万吨，化肥和农药的单位面积用量分别为世界平均水 平的3 倍和2 倍【巧l 。我国目前使用的农药仍然以杀虫剂为主，其占总用量的6 8 ， 其中有机磷杀虫剂占整个杀虫剂用量的7 0 以上；杀菌剂和除草剂占总用量的 1 8 7 和1 2 5 。用于“催熟”水果等的植物生长调节剂可能具有雌激素样活性， 通过食物链进入人体后，会造成女性性早熟，男性性特征不明显等身体发育不正 常现象。不少复配农药以商业名称流通，农民有时误用，这些都会造成农药残留 超标事件1 1 0 】。兽药问题也日益突出，主要表现为人为加入化学物质，如抗生素、 磺胺药、激素等，甚至非法使用违禁药物，屡屡发生的“瘦肉精”事件是典型的 例子。据报道，2 0 0 7 年3 月广东东莞就连续发生两起因食用含瘦肉精猪肺的中毒 事件。 1 1 2 3 重金属污染 重金属污染，即在食品产品中含有超标超量的对人体健康有严重危害的重金 属物质，通过饮食进入人体产生危害。食品中的有毒重金属元素，一部分来自于 农作物吸收了环境中的重金属元素并富集，这主要是因为环境污染引起的，另一 部分则来自于食品生产加工、贮藏运输过程中出现的污染。重金属元素可通过食 物链经生物富集，浓度提高千万倍，最后进入人体造成危害。进入人体的重金属 要经过一段时间的秋累才显示出毒性，往往不易被人们所察觉，具有很大的潜在 危害性。污染食品的重金属元素主要有：汞、镉、铬、铅、砷、锌、锡等1 1 5 】。日 常生活食物、饮料中每天摄入铬 量约3 0 0 m g 。对目前国内蔬菜中重金属污染的资 料进行研究分析表明，蔬菜中的p b 污染问题非常突出【m 】。重金属污染对人体的 危害相当严重，例如镉主要是采矿业、冶金、市政污水污泥和堆肥农用、磷肥施 用、燃料燃烧和废弃物焚烧导致土壤镉含量上升1 1 7 , 1 s l ，长期低水平镉膳食暴露会 造成肾皮层中镉累积，随后产生肾毒性。因此世界各国对重金属污染都有风险评 估体系1 1 9 2 6 1 。 1 1 2 4 食品添加剂的违法使用 一是超量使用食品添加剂。国家有关部门认定的可供食品加工用的添加剂品 种及其用量和在产品中的残留限量，超量使用可能对人体造成危害。经质量技术 监督部门检测，曾有在面粉中超限量添加增白剂“过氧化苯甲酰”；在腌菜中超 标量多倍使用苯甲酸；在饮料中成倍超标使用的化学合成甜味剂等等。 浙江工商大学硕士学位论文 二是在食品加工制造过程中滥用非食品加工用化学添加物，非法使用和添加 超出食品法规允许使用范围的化学物质( 其中绝大部分对人体身体有害) 。例如： 为使馒头、包子增白使用二氧化硫；为使大米、饼干增亮使用矿物油；用甲醛浸 泡海产品使之增韧、增亮，延长保存期；为改善米粉、腐竹口感使用“吊白块 ( 一种化工原料，学名甲醛次硫酸氢钠) 等等。 1 1 2 5 食品加工新技术工艺和新的食品资源的安全性问题 食品新技术、新资源( 如转基因食品、酶制剂和新的食品包装材料) 应用给 食品安全带来新的挑战犯刀。近十年来，以基因工程技术为代表的现代生物技术， 已经在农业和食品领域显现出极大的生产和市场潜力，丰厚的利润和高额投资使 现代生物技术的快速发展成为不可阻挡的趋势1 2 8 l 。生物安全所致的食品安全成为 国际社会关注的焦点。而用传统的毒理学试验方法和危险评价程序评价转基因食 品的安全性存在的诸多困难，就目前的研究结果来看，还不能肯定转基因食品能 对人体健康产生潜在危害，从国内外转基因生物的研究【2 9 】来看，转基因食品具有 潜在危险：可能损害人类的免疫系统；可能产生过敏综合症 3 0 , 3 i 】；可能对人体有 毒性；对环境和生态系统有害；对人类和人体存在未知的危害。 新的食品加工工艺也可能带来安全问题。辐照杀菌技术是一种冷杀菌技术， 对食品的色、香、味的破坏非常小，但是根据美国f d a 对辐照食品的安全评价得 出的结论是剂量小于1 k g y 的辐射处理不会产生毒性作用，但剂量超过l k g y 时， 就没有足够的资料说明辐照食品是安全的。微波食品的安全性也备受关注，食品 在微波处理过程中，导致了食品中的物质的分子结构发生变化，产生了人体不能 识别的分子，有可能对人体产生毒害作用。 1 2 食品质量安全的主要检测手段 最近几年来，食品质量安全的检测手段越来越多，食品质量安全仪器分析方 法的发展也十分迅速，一些先进技术和检测设备应用到食品分析领域中，成为现 代食品分析的重要支柱。所谓仪器分析是指借用精密仪器测量物质的某些理化性 质以确定其化学组成、含量及化学结构的一类分析方法，尤其适用于微量或痕量 组分的测定，然后判断这些组分的安全性【3 2 1 。目前在食品分析检测中基本采用仪 器分析的方法代替手工操作的传统方法，气相色谱仪、高效液相色谱仪、氨基酸 自动分析仪、原子吸收分光光度计及可进行光谱扫描的紫外可见分光光度 4 浙江工商大学硕士学位论文 计、荧光分光光度计等均得到了普遍应用。同时由于计算机技术的引入，使仪器 分析的快速、灵敏、准确等特点更加明显，多种技术的结合与联用使仪器分析应 用更加广泛，有力推动了食品仪器分析的发展，使得食品分析正处在一个崭新的 发展时代。现代分析仪器的种类十分庞杂，应用的原理不尽相同，而根据仪器的 工作原理以及应用范围，可划分为：电化学分析仪器、光学式分析仪器、射线式 分析仪器、色谱类分析仪器、离子光学式分析仪器、磁学式分析仪器、热学式分 析仪器、电子光学物性测定仪器及其它专用型和多用型仪器【3 2 , 3 3 】。 1 21 目前主要的食品质量安全仪器分析检测手段 1 2 1 1 电化学分析法 电化学分析方法是最近几年应用到食品分析领域中的，其主要工作原理是在 电极上面加上一定的电压使得待检测样品中的成分发生化学反应，从而采集到该 样品的信息。目前国际上研究比较热门的电子舌和电子鼻技术，也正是基于电化 学原理的f 3 4 1 。目前电子舌和电子鼻主要应用在饮料质量的判别归类分析1 3 5 i ；微 生物的检测3 6 1 ；对五种基本味觉：酸、甜、苦、辣、咸进行有效的识别【3 7 i ；对 白酒【3 8 3 9 1 、啤酒、咖啡、茶、果汁、矿泉水和软饮料【4 0 1 的质量品质和安全性进 行评价。其他的许多生物芯片和生物传感器技术也是基于电化学原理的检测分析 技术。 1 。2 。1 2 色谱分析技术 ( 1 ) 气相色谱法：气相色谱是2 0 世纪5 0 - 6 0 年代发展起来的一种高效、快 速分析方法。一般根据该法所用色谱柱的形式，可将其分为毛细管气相色谱和填 充气相色谱两种类型。在食品分析检测中，凡在气相色谱仪操作许可的温度下， 能直接或间接气化的有机物质，均可采用气相色谱仪进行分析测定，如蛋白质、 氨基酸、核酸、糖类、脂肪酸、残留农药等。近年来对气相色谱改进性测定，如 采用顶空气柏色谱法测定食品添加剂磷酸中氟含量，其方法处理简便，灵敏度高， 与国家标准分析方法测得结果一致，准确度、精密度能够满足常规分析要求1 4 。 n a t a l i af u 等人就用气相色谱技术测定鱼肉里面的有机氯农药残留4 2 j ；g a i ls 等人 运用气相色谱技术检测茶叶中的有机氯农药残留1 4 3 】。 ( 2 ) 离子色谱法：离子色谱法( i o nc h r o m a t o g r a p h y ，i c ) 是1 9 7 5 年s m a l l 5 浙江工商大学硕士学位论文 等人首次提出并建立的，它是一种新型液相色谱分析技术。i c 技术具有快速、简 便、灵敏、选择性好，自问世以来其应用范围已经涉及到环境、制药、化工、材 料等各个方面，可以检测有机离子、无机离子、有机化合物等2 0 0 多种【4 4 l 在食品 分析检测中应用日益广泛，所分析的样品几乎涉及食品工业分析的各个领域，如 水、啤酒、奶制品、肉制品等【4 4 1 。比如检测食品中的亚硝酸盐【4 5 1 、亚硫酸盐f 4 6 】、 苯甲酸和山梨酸 4 7 , 4 8 1 、人工甜味剂等的测定。 ( 3 ) 液相色谱及高效液相色谱法：通常所说的柱层析、薄层层析或纸层析 就是经典的液相色谱。而高效液相色谱( h i g hp r e s s u r el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y ， h p l c ) 是以经典的液相色谱为基础，以高压下的液体为流动相的色谱过程，其所 用固定相颗粒度小( 5 - - - 1 0p m ) 、传质快、柱效高。高效液相色谱法是食品分析 的重要手段，特别是在食品组分分析( 如维生素分析等) 及部分外来物的分析中， 有着其它方法不可替代的作用。同时近年来很多新型专用的高效液相色谱仪不断 问世，如氨基酸分析仪、糖分析仪等，分别在检测食品中的污染物、营养成分、 添加剂、毒素等方面得以充分应用。d mh o l s t e g e 等利用液相色谱技术检测出美 国f d a 所规定的牛奶中p 内酰胺类抗生允许检出量5 n g m l 和安全使用量 2 5 n g m l 4 9 1 ；c kf a g e r q u i s t 等利用弥散固相萃取柱( s p e r s i v e s p e ) 采用液质联用 技术测定牛组织中p 内酰胺类抗生素的残留【5 0 l 。 1 2 1 3 ，核磁共振分析法 在鉴定有机化合物的结构中，核磁共振谱是一个很有价值的工具，这项技术 能够提供分子中不同类型氢原子的信息。核磁共振最早用在食品行业中是在7 0 年代，主要用于食品产品中水分的测定。现在应用的范围在逐渐扩大，食品行业 中可以对油脂、水分以及利用体系中不同质子的驰豫时间不同来研究淀粉的糊 化、回生或玻璃化转化。比如测定聚合物( 麦芽糖糊精、面包、脆点心) 在玻璃 化转变过程的温度的影响眵h 嘲，可以为食品加工工艺提供理论参考；研究亲水凝 胶的数量、质量、结构和持水性等问题，可以解决食品中的如何防止凝胶的脱水 收缩、解决口感沙质等问题3 1 ；在乳制品中可以用于乳制品的定量和定性分析， 检测生物活性反应，进行同位素分析，研究如脂肪和水结构的物理状态，以及蛋 白质的凝聚等；研究淀粉的结构和性质，有利于改善淀粉食品的质量和稳定性拍引； 另一方面，还可以利用其分析粉状食品结块的机理，研究食品的结块与玻璃态转 6 浙江工商大学硕士学位论文 变温度、化学组成之间的关系，为延长食品的保质期提供理论基础。 1 2 1 4 质谱分析法 质谱仪是用一束电子流轰击被研究的物质，把形成的正离子碎片的图谱定量 地记录下来，这种记录就是质谱图。而质谱分析法就是利用质谱图对被测物质进 行组分的检测与鉴定。在食品分析中能够定性或定量地检测出食品中挥发性成 分、糖类组成、氨基酸( 蛋白质) 、香味成分及有毒有害物质等成分5 5 1 。液质联 用技术在食品安全检测中的应用也越来越多，动物性食品中的兽药残留，比如盐 酸克伦特罗( c l e n b u t e r 0 1 ) 、沙丁胺醇( s a l b u t a m 0 1 ) 、磺胺二甲嘧啶、磺胺类药物、 硝基吠喃类药物等陋6 0 1 。 1 2 1 5 光谱分析法 分光光度法是食品分析中应用最广最多的方法之一，其中涉及可见、紫外j 原子吸收等分光光度技术。 ( 1 ) 紫外一可见分光光度法：物质吸收波长范围在2 0 0 n m 一- - 7 6 0 n m 区间的电 磁辐射能而产生的分子吸收光谱称为该物质的紫外一可见吸收光谱。利用该波段 的光谱进行食品中的某些指标的测定，其方法灵敏度高、选择性好、方法灵活、 适用面广，如利用紫外分光光度法可以测定食品添加剂中苯甲酸伸：测定食品中 的番茄红素m 副等。 ( 2 ) 原子吸收分光光度法：原子吸收光谱主要是用于准确测定食品中痕量 的矿物质、常规的金属元素、稀有的金属元素等。例如用原子吸收分光光度法测 定婴幼儿食品中的各种营养元素1 6 3 】；测定食品中的各种微量元素，如c u 、z n 、 f e 等1 6 4 1 。 ( 3 ) 荧光分光光度法：荧光分光光度法也是一种痕量分析方法，在食品中 主要用于检测微量元素。以a f s 2 2 0 1 型双道原子荧光光谱仪为例，在对食品中 的铅进行原子荧光法测定时，检出限为0 3i lg l ，线性范围1 0 0ug l - - - 5 0 0l ag l ， 回收率8 7 - - - 9 8 。而对食品中的硒用荧光法进行相关性研究测定时，发现变异 系数为0 6 3 - - - 0 6 6 ，平均回收率为9 5 1 。 ( 4 ) 近红外光谱分析法：近红外光谱( n e a ri n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ，n i r ) 分析 技术是一门发展迅速的高新技术，在食品工业、制药工业和临床医学等领域都有 着广泛的应用。近红外光是指介于可见光和中红外光之间的电磁波，波长范围是 7 浙江工商大学硕士学位论文 7 0 0 n m 2 5 0 0a m ，一般有机物在该区的近红外光谱吸收主要是含氢基团( o h ， c h ，- n h ，s h ) 等的倍频和合频吸收。目前近红外光谱分析技术在食品工业中 的应用越来越广泛：n o i s 首先将近红外光谱分析技术应用到农业领域，在相继 测试了谷物中的水分、粗蛋白和脂肪后，该项技术在谷物领域中得到了快速发展， 并且取得了较大成果1 6 5 l ：近红外技术也可以用在水果病虫害和新鲜度上的检测识 别1 6 6 , 6 7 1 ；在检测不同的动物来源肉( 鸡肉、牛肉、猪肉、羊肉等) 也有很好的应 用【6 8 1 ；运用近红外技术还可以检测叶类菜中有机磷农药的残1 6 9 1 和生菜中中硝 酸盐的含量1 7 0 】；在转基因食品【7 1 1 和食品掺假f 7 2 1 的检测中也有很好的应用。 1 3 食品安全快速检测的必要性及现状 “民以食为天，食以安为先”，随着人民生活水平的不断提高，食品安全也 越来越被重视。传统的国标检测方法虽然准确，但是耗时、检测方法繁琐；仪 器分析检测方法一般都需要昂贵的检测分析仪器，样品的前处理麻烦，所需要 的时间也较长，增加了检测成本。如何采用最快捷、最经济、最准确的检验方 法，是食品安全的一项重要研究内容。就目前的发展趋势看食品安全检测方法 首先要体现快速，因为食品在生产、储存、运输、销售等各个环节，都有可能 受到污染，都需要控制安全质量。食品安全需要快速检测技术【7 3 1 ，食品安全快 速检测技术是食品安全的有力保障。食品安全快速检测技术可以用于现场、在 线检测，疫情诊断等，为及早采取防控措施提供科学依据。随着科学技术的不 断发展，检测手段与方法越来越多样化，检测仪器越来越灵敏，检测限也越来 越低。然而，探索快速、经济、灵敏和准确的检测方法仍然是食品安全的重要 研究内容。食品生产经营企业、质控人员、进出口商检、政府管理部门都迫切 需要准确、省时、省力和经济的快速检测方法f 7 4 】。 目前食品质量与安全的快速检测技术主要有：快速检测试剂盒、快速检测 试纸条、p c r 技术、e l i s a 技术、仪器分析技术、生物传感器技术等等。 1 4 生物传感器在食品安全快速检测中的应用 生物传感器是将生物识别元件和信号转换元件紧密结合，从而检测目标化 8 浙江工商大学硕士学位论文 合物的分析装置呻1 。其中生物传感器中的生物识别元件有酶、抗原( 抗体) 、微 生物、细胞、动植物组织、基因等；生物传感器的信号转换元件则包括电化学电 极、半导体、光学元件( 如光纤、表面等离子共振) 、热敏元件、压电装置( 如石 英晶体微天平、表面声波) 等。不同的生物识别元件和信号转换元件组成了不同 的生物传感器，它们的命名也因此而得来。其基本原理为：待测物质和识别元件 特异性结合，发生生物化学反应，产生的信号经过放大转换成可以直接识别的声 学、光学、电信号，从而达到分析检测的目的。生物传感器在食品安全快速检测 方面的应用越来越广泛，在这方面的研究也越来越受到重视。生物传感器快速检 测技术主要有如下优