生物传感器在食品微生物检验中应用

计算机大脑传感器感觉器官第一页，共28页。第一节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：一、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。第二页，共28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。一、生物传感器的概念生物传感器（Biosensor）：第三页，共28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；第四页，共28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。二、生物传感器的发展史第三代生物传感器：80年代中期～90年代第五页，共28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：第六页，共28页。三、生物传感器的特点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：第七页，共28页。第二节生物传感器的分类、工作原理及活性物质固定化一、生物传感器的分类：按工作原理分：第八页，共28页。一、生物传感器的分类：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九页，共28页。按信号转换器类型：一、生物传感器的分类：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十页，共28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二、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第十一页，共28页。三、生物传感器活性物质的固定化生物传感层固定化方法交联法共价结合法载体结合法吸附法包埋法凝胶法LB膜法双层脂膜法支持液膜法（不使用载体的共价结合法）第十二页，共28页。一、酶生物传感器第三节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电极等第十三页，共28页。酶传感器及特性一、酶生物传感器测定物酶基础电极寿命/d测定范围/mol.L-1腺苷腺苷脱氨酸酶NH3910~3.2×103乙酰胆碱乙酰胆碱脂酶Pt2110～103单胺类单胺氧化酶O2910～100草酸草酸脱氢酶CO2H2O230101202×10－4～10－2乳酸盐乳酸单氧化酶Ag/AgCl5510－5～6×10－4青霉素青霉素酶pH2110－2～10－3苦杏仁苷b－葡聚糖苷酶氰电极71～103第十四页，共28页。酶传感器在食品领域的应用：一、酶生物传感器（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第十五页，共28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十六页，共28页。二、免疫传感器

免疫传感器及其特性第十七页，共28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

基于决定选择性的免疫化学亲和性和决定灵敏度的标记酶的化学放大作用制作的一种免疫传感器。（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。二、免疫传感器第十八页，共28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、微生物传感器第十九页，共28页。微生物传感器及其特性第二十页，共28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三、微生物传感器第二十一页，共28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二十二页，共28页。各种组织传感器及其特性第二十三页，共28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杂交传感器第二十四页，共28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二十五页，共28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二十六页，共28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