生物传感器在食品微生物检验中的应用

生物传感器在食品微生物检验中的应用第1页/共26页计算机大脑传感器感觉器官第2页/共26页一、生物传感器概述能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转化、转换元件组成。传感器：生物传感器的概念敏感元件：指传感器中能直接感受或相应被测量的部分。转换元件：指将敏感元件感受或响应的被测量转换成适应于传输或测量的电信号部分。第3页/共26页由生物识别元件和信号转换器组成，能够选择性地对样品中的待测物发出响应，通过生物识别系统和电化学或其他传感器把待测物质的浓度转为电信号，根据电信号大小定量测出待测物质的浓度。生物传感器是应用生物活性材料（如酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等）与物理或化学换能器有机结合的一门交叉学科，是物质在分子水平的快速、微量分析方法。有共同的结构：一种或数种相关生物活性材料及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器。生物传感器（Biosensor）：第4页/共26页二、生物传感器的发展史1962年，Clark利用酶法和离子选择电极（ISE）技术，构成了“酶电极”的雏形；1967年，Updike将葡萄糖氧化酶固化在Clark氧电极表面，这种酶电极能反复用于血糖测定；第一代生物传感器：60年代初～70年代中第二代生物传感器：70年代后期～80年代初相继出现微生物传感器、组织传感器、细胞传感器和受体传感器；第5页/共26页根据生物学反应中产生的各种信息（如光电效应、场效应、热效应、质量变化和光效应等）来设计各种更精密、灵敏的检测装置。第三代生物传感器：80年代中期～90年代第6页/共26页三、生物传感器的特点经济、简便：一般不需要进行样品预处理，测定时一般不需要另外添加其他试剂；专一性强；体积小便于携带，可实验连续在线检测和现场检测；操作系统比较简单，容易实现自动分析，准确度高；样品用量小，响应快，可反复使用；得到的信息量大，可用于指导生产。优点：第7页/共26页敏感膜上生物分子的固定量以及固定分子的活性很难控制，导致传感器使用的一致性、可靠性差，测量精密度低；生物分子的活性保持受许多因素影响，导致传感器使用寿命不长；生物敏感膜的制备工艺复杂，成品率不高，难以批量生产；测定环境要求严格。缺点：第8页/共26页四、生物传感器的分类：1、按工作原理分：第9页/共26页2、按所用的生物活性物质分：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核酸生物传感器等第10页/共26页3、按信号转换器类型：生物传感器的信号转换器类型电化学式光学式其他电位式电流式电导式光导纤维光电子元件表面声波压电晶体热敏件平面波导表面等离子体共振传感聚合物修饰电极金属电极离子选择性电极传感有机盐修饰电极场效应晶体管气敏电极贵金属电极碳素或半导体电极第11页/共26页根据生物传感器信号转换的途径，分为：（一）生物或化学转变成电信号（二）热变化转变成电信号（三）光效应转变成电信号（四）直接产生电信号（五）质量信号转换成频率信号五、生物传感器的工作原理被测物固定化酶等光检测器电信号hn第12页/共26页一、酶生物传感器六、生物传感器在食品分析中的应用固定化酶可与各种转换器组合成酶传感器，用来检测对应的底物。我们把固定化酶与电化学电极组合而成的电化学酶传感器又称为酶电极，是利用吸附、共价、交联、包埋等方法将酶固定化，然后与电化学检测器件复合而成。用于固定酶电极的电化学器件测电流：O2、H2O2、H2电极测电位：H+、CO2、NH3电极等第13页/共26页酶传感器在食品领域的应用：（一）酶传感器在食品营养成分分析过程中的应用葡萄糖＋O2-葡萄糖酸内酯＋H2O2（二）生物传感器在食品安全监督方面的应用

掺假鉴定农药及其残留、重金属、硝酸盐等有害物质检测

GOD第14页/共26页抗原是一种进入机体后能刺激机体产生免疫反应的物质。当抗原进入机体后刺激B细胞产生抗体。抗原和抗体可以特异性地结合。

免疫传感器是利用生物体内抗原与抗体专一性结合并导致电化学变化而设计的，分为:二、免疫传感器非标记免疫传感器标记免疫传感器第15页/共26页几种新型免疫传感器及其在食品分析中的应用：（一）酶免疫传感器（二）光寻址电位传感器（三）受体免疫传感器（四）光学免疫传感器（五）压电免疫传感器（六）免疫芯片

生物芯片指包被在固相载体上的高密度DNA、抗原、细胞、组织的微点阵，主要包括芯片实验室、基因芯片、蛋白质芯片等。如果在固相载体上包被抗原、抗体的微点阵，就构成免疫芯片。第16页/共26页

微生物传感器是由载体结合的微生物细胞和电化学器件组成，目前已开发了两种传感器，一种是以微生物呼吸活性为指标的呼吸型传感器，一种是以微生物的代谢产物为指标的电极活性物质测定型传感器。三、微生物传感器第17页/共26页在各种生物传感器中，微生物传感器最适合发酵工业的测定。微生物传感器可以对食品中的成分和毒物进行检测：原材料及代谢产物的测定微生物细胞总数的测定代谢实验的鉴定食品中毒素的检测第18页/共26页组织传感器的基本原理与酶传感器相同，是把动植物组织薄片的生物催化层与基础电极相结合，可看成是酶传感器的衍生形式。优点：原料易得、成本低廉、灵敏度高、稳定性强、制作简单、使用方便。四、组织传感器组织传感器动物组织传感器植物组织传感器第19页/共26页DNA生物传感器是一种能将目的DNA得存在转变为可检测得电、光、声、波等信号的传感装置。其原理是在电极上固定一条有十几到上千个核苷酸的单链DNA（ssDNA），通过DNA分子杂交，对另一条含有互补碱基序列的DNA进行识别，结合成双链DNA（dsDNA）。（一）DNA修饰电极制作传感器（二）光学DNA生物传感器

光纤DNA生物传感器光渐消逝波DNA传感器表面等离子体共振DNA生物传感器（三）压电晶体DNA传感器五、DNA杂交传感器第20页/共26页由细胞器组成的传感器可用来测定用单一酶组成的传感器所不能测定的物质。六、细胞器传感器线粒体传感器微粒体传感器叶绿体传感器磁粒体传感器溶酶体传感器辅酶I传感器谷胺酰胺传感器第21页/共26页仿生型生物传感器七、仿生型生物传感器人工酶仿生生物传感器脂质膜开关传感器第22页/共26页分子印迹技术（molecularimprintingtechnique,MIT）是指制备对某一特定的目标分子（模板分子、印迹分子或烙印分子）具有特异选择性的聚合物的过程。设计分子印记传感器的一个重要方面是找到适当的方法解决聚合物与转换器间的界面问题。MIP传感器在食品分析、医药和药理研究及战地和城市环境化学和生化试剂的快速检测方面由很好的应用前景