食品品质无损检测新技术-6

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

1第六章其其它它快速检检测技术术第一节气味（电电子鼻））传感器器的检测测技术一、概述述烟、酒、、饮料等等多种食食品的质质量，目目前大多多依靠人人的感官官来评定定。对香香味的分分辨，更更离不开开人的感感官。嗅嗅觉在其其中起着着重要作作用。虽虽然与其其它动物物相比，，人类感感觉器官官中嗅觉觉是最不不灵敏的的。人工工感官鉴鉴别工作作通常需需要训练练有素、、经验丰丰富的人人员来完完成。电子鼻能能识别和和检测复复杂的嗅嗅味和挥挥发性成成分。电电子鼻是是指由多多个性能能彼此重重叠的气气敏传感感器和适适当的模模式分类类方法组组成的具具有识别别单一和和复杂气气味能力力的装置置。2第六章其其它它快速检检测技术术第第一一节气味（电电子鼻））传感器器的检测测技术二、电子子鼻的发发展历程程1964年根据气气味在电电极上发发生氧化化还原反反应的原原理创建建了第一一个电子子鼻。智能化学学传感器器阵列的的概念近近20年才出现现在英国国Warwick大学的的Persaud等人和日日本日立立公司的的Ikegami等人的文文章中。。1982年，英国国学者用用3个气体传传感器模模拟哺乳乳动物嗅嗅觉系统统对戊基基醋酸酯酯、乙醇醇、戊酸酸、柠檬檬油等挥挥发气进进行了类类别分析析。人类对化化学传感感器的探探索最早早可追溯溯到19世纪末。。20世纪中，，化学传传感器理理论和应应用均取取得了长长足进展展。1961年，Moncrieff制成了一一种机械械式的气气味检测测装置。。1967年，日本本将金属属氧化物物半导体体(SnO2)气体传感感器商品品化。3第六章其其它它快速检检测技术术第第一一节气味（电电子鼻））传感器器的检测测技术三、电子子鼻工作作原理电子鼻的的工作原原理是建建立在模模拟人的的嗅觉形形成过程程基础上上的。人人的嗅觉觉系统由由嗅觉细细胞、嗅嗅觉神经经网络和和大脑组组成。嗅嗅感是挥挥发性物物质释放放出气体体进入鼻鼻腔，被被嗅觉小小胞中的的嗅细胞胞吸附到到表面上上，呈负负电性的的嗅细胞胞表面的的部分电电荷发生生改变，，产生电电流，使使神经末末梢接受受刺激而而兴奋，，最后，，兴奋信信号传到到大脑的的嗅区皮皮层产生生嗅感。。人的嗅感产生过程框图4第六章其其它它快速检检测技术术第第一一节气味（电电子鼻））传感器器的检测测技术四、电子子鼻的基基本组成成电子鼻系系统主要要由气敏敏传感器器阵列、、信号处处理单元元和模式式识别单单元三大大部分组组成。图图给出了了人工嗅嗅觉系统统的结构构框图。。

电子鼻的系统组成5第六章其其它它快速检检测技术术第第一一节气味（电电子鼻））传感器器的检测测技术1．气敏传传感器阵阵列气敏传感感器阵列列可以由由多个分分立气敏敏传感器器元件组组成，也也可以采采用集成成工艺制制作专门门的传感感器阵列列。气敏传感感器有金金属氧化化物半导导体传感感器、声声表面波波传感器器、导电电有机聚聚合物膜膜传感器器、石英英晶体谐谐振传感感器、电电化学传传感器、、红外光光电传感感器及L-B膜传感器器等类型型。生物嗅觉觉系统中中的单个个嗅觉受受体细胞胞的性能能并不高高，但是是，生物物嗅觉系系统的整整体性能能却令人人惊叹不不已。因因此，不不必刻意意追求单单个气敏敏传感器器的性能能。采用用集成化化嗅觉传传感器阵阵列装置置已成发发展趋势势。6第六章其其它它快速检检测技术术第第一一节气味（电电子鼻））传感器器的检测测技术2.信号处理理单元信号处理理单元由由A/D转换、数数据预处处理与处处理器组组成。由由传感器器产生的的电信号号经电子子线路放放大及A/D转换为数数字信号号。被测测嗅觉的的强度既既可采用用每个传传感器输输出的绝绝对电压压、电阻阻或电导导等信号号来表示示，也可可用相对对信号值值，如归归一化的的电阻或或电导值值，即它它们的变变化率来来比较嗅嗅味的性性质。传传感器阵阵列输出出的信号号经由信信号处理理单元抽抽取出有有效特征征参数，，以便进进行模式式识别。。7第六章其其它它快速检检测技术术第第一一节气味（电电子鼻））传感器器的检测测技术3.模式识别别单元模式识别别单元相相当于生生物的大大脑。它它运用一一定的算算法完成成气味、、气体的的定性、、定量辨辨识。目目前常用用的模式式识别方方法有统统计方法法（主要要有主成成分分析析法（PCA）、偏最小二二乘法（PLS）、聚类分析析法（CA））等）、人人工神经经网络（ANN）方法以及及模糊识识别方法法等等。。8第六章其其它它快速检检测技术术第第一一节气味（电电子鼻））传感器器的检测测技术五、电子子鼻的应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9第六章其其它它快速检检测技术术第第一一节气味（电电子鼻））传感器器的检测测技术六、电子子鼻发展展前景存在问题题:(1)有些传感感器对测测试条件件要求苛苛刻，必必须严加加控制，，或者加加以监测测并进行行参数补补偿；(2)传感器本本身的稳稳定性差差，因而而易于中中毒；(3)阵列的校校正和训训练数据据无法通通用。研究方向向：能对微量量分子瞬瞬时敏感感的不受受环境影影响或能能对环境境变化进进行自适适应补偿偿的传感感器阵列列装置；；能对信号号进行处处理的高高精度处处理器，，将信号号与噪声声分离；；能将人的的感官感感受相一一致的感感官评定定指标的的模式识识别方法法。10第六章其其它它快速检检测技术术第二节生物传感感器检测测技术按检测对对象可以以分成两两大类：：物理传感感器和化学传感感器。物理传感感器是检检测力、、热、光光、电、、磁等物物理量的的传感器器;化学传感感器则是是能检测测化学量量的传感感器。从20世纪60年代起，，化学传传感器领领域又增增加了一一个新的的分支——生物传感感器。有人把生生物传感感器和物物理传感感器及化化学传感感器并列列起来，，看作是是传感器器的第3个类别。。11第六章其其它它快速检检测技术术第二节生物传感感器检测测技术一、生物物传感器器的一般般知识1.生物传感感器的定定义用固定化化的生物物体成分分（酶、、抗体、、抗原、、激素））或生物物体本身身（细胞胞、细胞胞器、组组织）作作为敏感感元件的的传感器器称为生生物传感感器。生生物传感感器既不不是指专专用于生生物领域域的传感感器，也也不是指指被测量量对象必必须是生生物量的的传感器器（尽管管用它也也能测定定生物量量），而而是基于于它的敏敏感材料料来自生生物体。。12第六章其其它它快速检检测技术术第二节生物传感感器检测测技术2.生物传感感器的组组成在生物传传感器中中除敏感感元件之之外还有有信号转转换器件件，常用用的信号号转换器器有电化化学电极极、离子子敏场效效应晶体体管、热热敏电阻阻及微光光管等。。生物传传感器的的组成可可形象地地如图所所示。

生物传感器的基本构成示意图13第六章其其它它快速检检测技术术第二节生物传感感器检测测技术生物传感感器的工工作原理理（2）将热变变化转化化成电信信号大部分生生物传感感器均属属于这种种类型。。以酶传传感器为为例，酶酶催化特特定底物物发生反反应，从从而使特特定生成成物的量量有所增增减。用用能把这这类物质质的量的的改变转转换为电电信号的的装置和和固定化化酶耦合合，即组组成酶传传感器。。固定化的的生物材材料与相相应的被被测物作作用时常常伴随有有热的变变化。将热变化转变成电信号的生物传感器（1）将化学学信号变变化转换换成电信信号14第六章其其它它快速检检测技术术第二节生物传感感器检测测技术生物传感感器的工工作原理理（3）将光信信号转变变为电信信号（4）直接产产生电信信号方式式有些酶，，例如过过氧化氢氢酶，能能催化过过氧化氢氢/鲁米诺体体系发光光，如设设法将过过氧化氢氢酶膜附附着在光光纤或光光敏二极极管的前前端，再再和光电电流测定定装置相相连，即即可测定定过氧化化氢含量量。前3种原理的的生物传传感器都都是化学学或物理理变化再再通过信信号转换换器转变变为电信信号进行行测量，，统称为为间接测测量方式式。酶反应伴伴随的电电子转移移、微生生物细胞胞的氧化化直接在在电极表表面上发发生，根根据所得得到的电电流量即即可得底底物浓度度。这就是直接测量量方式。。15第六章其其它它快速检检测技术术第二节生物传感感器检测测技术3.生物传感感器的分分类（1）根据传传感器输输出信号号的产生生方式分分类产生传感感器输出出信号的的方式有有两类。。一类是是被测物物与分子子识别元元件上敏敏感物质质具有生生物亲合合作用，这类传感感器称为为亲合生生物传感感器；一一类是底底物与分分子识别别元件上上的敏感感物质相相作用并并生成产产物，信信号转换换器将底底物的消消耗或产产物的增增加转变变为输出出信号，，这类传传感器称称为代谢谢型或催催化型生生物传感感器，16第六章其其它它快速检检测技术术第二节生物传感感器检测测技术（2）根据传传感器中中分子识识别元件件上的敏敏感物质质分类

根据所用用的敏感感物质将将生物传传感器分分为酶传传感器、、微生物物传感器器、组织织传感器器、细胞胞器传感感器、免免疫传感感器等。。（3）根据传传感器的的信号转转换器分分类生物传感感器的信信号转换换器有：：电化学学电极、、离子敏敏场效应应晶体管管、热敏敏电阻、、光电转转换器、、SAW装置等。。据此又又将生物物传感器器分为电电化学生生物传感感器、半半导体生生物传感感器、测测热型生生物传感感器、测测光型生生物传感感器、测测声型生生物传感感器等。。17第六章其其它它快速检检测技术术第二节生物传感感器检测测技术3.生物传感感器的分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18第六章其其它它快速检检测技术术第二节生物传感感器检测测技术4.生物传感感器的特特点（A）生物传感感器是由由选择性性好的生生物体材材料构成成的分子子识别元元件，因因此一般般不需要要进行样样品的预预处理，，它利用用优异的的选择性性把样品品中被测测组分的的分离和和检测统统一为一一体，测测定时一一般不需需另加其其它试剂剂。(B)生物传感感器由于于它的体体积小，，可以实实现连续续在线检检测。(C)生物传感感器的响响应快、、样品用用量少，，且由于于敏感材材料是固固定化的的，可以以反复多多次使用用。(D)生物传感感器连同同测定仪仪的成本本远低于于大型的的分析仪仪器，因因而便于于推广普普及。19第六章其其它它快速检检测技术术第二节生物传感感器检测测技术二、生物物传感器器在食品品与农产产品加工工中的应应用1.生物传感感器在食食品检验验中的应应用（1）食品鲜鲜度的测测定（A）鱼鲜度传传感器（B）肉鲜度传传感器肉类在腐腐败过程程中会产产生各种种胺类，，故胺类类测定也也能反映映肉类的的新鲜度度。（C）牛乳鲜度度传感器器牛乳放置置过程中中，受细细菌作用用而产生生乳酸，，因此乳乳酸含量量可表示示牛乳的的新鲜度度。此外外也可从从牛乳放放置过程程由于脂脂分解作作用产生生的短链链脂肪酸酸的含量量来判断断牛乳及及其制品品的新鲜鲜度，这这类传感感器也已已开发出出来了。。20第六章其其它它快速检检测技术术第第二节生生物物传感器器检测技技术2.生物传感感器在食食品卫生生检测中中的应用用（1）食品中中细菌和和病原菌菌的测定定食品中微微生物的的检测一一直用平平皿计数数法，方方法繁琐琐耗时。。1979年等开发发了非染染料偶合合的燃料料电池型型微生物物电极系系统,该电极基基于微生生物在呼呼吸代谢谢过程中中产生电电子，在在阳极上上放电，，放电产产生的电电流大小小可反映映测定液液中微生生物的浓浓度。采用光纤纤传感器器可直接接放入生生长溶液液的培养养瓶中，，通过测测定微生生物代谢谢过程中中的副产产物二氧氧化碳浓浓度来估估算细菌菌数量。。采用酶酶联电流流型免疫疫传感器器可测到到食品中中低数量量的沙门门氏菌。。免疫传感感器也成成功地测测定了污污染食品品的大肠肠杆菌、、金黄色色葡萄球球菌和鼠鼠伤寒沙沙门氏菌菌。21第六章其其它它快速检检测技术术第二节生物传感感器检测测技术（2）检测食食品中毒毒素有人采用光纤纤传感器器测定了了食品中中的肉毒毒杆菌毒毒素A，检测下限限可达5mg／／mL，lmin内可完成成测定。。（3）检测食食品中残残留农药药采用电导导型生物物传感器器对食品品中有机机磷农药药：甲基基马拉松松、乙基基马拉松松、敌百百虫、二二乙丙基基磷酸进进行了测测定，检检出下限限分别为为5×10-7、1×10-8、5×10-7、5×10-11mol／／L。磺胺可进进入动物物来源的的食品，，对人体体健康产产生不良良影响。。采用免免疫传感感器测定定了牛奶奶中硫胺胺二甲嘧嘧啶，检检出限低低于1×10-9，平均相相对标准准差为2%。22第六章其其它它快速检检测技术术第二节生物传感感器检测测技术（4）检测食食品中添添加剂亚硫酸盐盐通常用用于食品品工业。。除具有有漂白作作用外，，还有防防止食品品氧化和和微生物