食品生物技术与食品安全检测

民以食为天，食以安为先。影响食品安全的因素：流行性疾病、病原微生物、病毒等所导致的动植物食品原料污染；不法分子违规使用食品添加剂、甚至化工原料加工食品；随着科学技术的发展，新的食品和食品原料不断出现：如转基因食品。第一页，共129页。新形势下对食品安全检测的要求发展快速检测技术，提高检测效率；针对出现的新型食品和食品添加剂，开发新型检测技术；提高检测灵敏度等。第二页，共129页。第二节食源性微生物的毒害与检测一、肠出血性大肠埃希菌：EHECO157:H7二、金黄色葡萄球菌及其肠毒素三、肉毒梭菌和肉毒毒素四、幽门螺杆菌第三页，共129页。第四页，共129页。五、食源性微生物检测方法（一）自动微生物检测系统（AMS）工作原理：以每种细菌的微量生化反应为基础，检测卡上含有多种生化反应孔。将符合一定浊度要求的菌悬液经充填机将菌悬液注入试卡内，封口后放入读数器/恒温培养箱，根据试卡各生化反应孔中的生长变化情况，由读数器按光学扫描原理，定时测定各生化介质中指示剂的显色(或烛度反应)，然后把读出信息输入电脑储存并进行分析，再和预定的值进行比较，判定反应结果，最后的鉴定报告将在显示器上自动显示,并由打印机自动打印。第五页，共129页。（二）微生物快速检测试剂盒以VIT-沙门氏菌快速检测试剂盒为例：第六页，共129页。（三）免疫学方法检测原理：抗原与相应抗体之间可发生的特异性结合反应。不同的微生物有其特异的抗原,并能激发机体产生相应的特异性抗体。在免疫检测中,可利用单克隆抗体检测微生物的特异抗原,也可利用微生物抗原检测体内产生的特异抗体,两种方法均能判断机体的感染状况。第七页，共129页。（四）分子生物学方法利用PCR技术扩增待测菌的DNA片段，通过DNA检测来检测病原菌。特别适合于人工无法培养的病原菌。第八页，共129页。第三节食品中的农药残留及其检测一、食品中农药残留状况六六六滴滴涕甲胺磷有机氯类等第九页，共129页。二、食品中农药残留检测方法（一）样品的前处理固相萃取、固相微萃取、免疫亲和色谱技术（二）几种仪器分析方法毛细管气象色谱（CGC）、LC-MS、超临界流体色谱（SFC）、毛细管电泳（CE）第十页，共129页。毛细管气象色谱示意图第十一页，共129页。毛细管电泳示意图第十二页，共129页。（三）免疫学方法酶联免疫分析法检测基本步骤：1.受检标本(测定其中的抗体或抗原)与固相载体表面的抗原或抗体起反应，并与载体结合；2.用洗涤的方法使固相载体上形成的抗原抗体复合物与液体中的其他物质分开；3.再加入酶标记的抗原或抗体,也通过反应而结合在固相载体上。此时固相上的酶量与标本中受检物质的量呈一定的比例。加入酶反应的底物后,底物被酶催化成为有色产物,产物的量与标本中受检物质的量直接相关,故可根据呈色的深浅进行定性或定量分析。第十三页，共129页。（四）免疫学方法与现代理化检测手段结合的几种新技术免疫传感器免疫流注分析技术蛋白质芯片第十四页，共129页。农药残留速测仪及卡片第十五页，共129页。第四节转基因食品安全性评价一、转基因食品的安全性问题（一）直接危害（1）转基因寄宿、受体或带菌生物感染人类、动物及植物：破坏机体免疫系统，诱发机体严重、导致生殖能力下降等。（2）转基因生物、组分或代谢物产生毒性或引起过敏反应。（3）转基因生物、组分或代谢物污染环境、食物及水源。第十六页，共129页。（二）间接危害（1）产生具有传染性或抗药性的微生物（2）将有害的基因（如致癌基因）传给人类（3）转基因植物中有关基因转移到杂草类相关植物中，产生“超级杂草”。第十七页，共129页。二、转基因食品的安全性评价（一）安全性评价必要性（二）安全性评价原则Substantialequivalence

实质等同性原则即生物技术产生的食品及食品成分，如果与传统食品在表型性质、分子特征、关键营养成分、抗营养因子、有毒物质及过敏原实质等内容上相等同，则可以认为该食品是安全的。第十八页，共129页。实质等同性原则强调了转基因食品安全性的目的，不是要了解该食品的绝对安全性，而是评价它与非转基因的同类食品比较的相对安全性。在评价时注重“个案分析”，即对转基因食品的安全性不一概而论、而是采用“实质等同”一对一地进行个案分析它们的安全性至少不低于相应的参照食品或不会增加来自食品的风险。第十九页，共129页。安全性评价的五项规则：(1)如果两者本质是相同的，用传统的安全性评价程序对转基因食品评价。(2)如果在一定范围内有差别，用集中于对产生差别的因子进行评价。第二十页，共129页。(3)如果氨基酸序列与已知蛋白毒素的氨基酸序列是同系物，则要进行毒理学实验。(4)如有蛋白质产生了抗营养作用，或营养成分发生改变，则要进行营养学评价。(5)如果两者完全不同或没有可比的传统食品，则要特别设计动物模型试验证明其无毒后，还须进行人体营养学试验。第二十一页，共129页。（三）安全性评价的主要内容1.过敏性2.毒性反应3.水平基因转移4.与生物技术改良的有关食品变化产生的任何非预期影响第二十二页，共129页。第五节转基因食品的检测方法一、除草剂活性的生物分析法完整的种子或谷粒适宜条件下培育，同时加入除草剂。观察是否发芽，并与对照相比对。发芽者为抗除草剂的种子或谷粒不发芽者为传统种子或谷粒第二十三页，共129页。二、免疫学分析法（一）蛋白质印迹法（Westen杂交）（二）酶联免疫吸附法（ELISA）（三）试纸条法（Lateralflowstrip）（四）快速检测试剂盒法第二十四页，共129页。Westernbloting示意图第二十五页，共129页。酶联免疫吸附试验

（Enzyme-LinkedImmunoabsorbentAssay,ELISA）概念：利用标记技术将酶标记到抗体（抗原）上，使待检物中相应的抗原（抗体）与酶标记抗体（抗原）发生特异性反应。在遇到相应的酶底物时，酶能高效、专一催化、分解底物，生成有颜色的产物。根据颜色的深、浅、可以判断待检物中有无特异的抗原（抗体）以及量的大小。特点：该方法可对待检样品进行定性和定量分析；同时具有微量、特异、高效、经济、简便等优点，因此是一种广泛应用于生物和医学领域的微量测定技术。

第二十六页，共129页。第二十七页，共129页。三、DNA检测法（一）PCR技术待测原料DNA抽提（CTAB法或Wizard法）PCR扩增产物的测定（直接测序法、DNA探针法等）第二十八页，共129页。1.定性PCR技术通过PCR技术扩增转基因食品中特殊的DNA序列（启动子CaMV35s、终止子NOV等），然后对扩增产物进行定性测定。特点：具有高度的特异性和敏感度。但容易出现假阴性。第二十九页，共129页。2.定量PCR技术（1）半定量PCR（2）定量竞争性PCR（3）实时荧光定量PCR第三十页，共129页。（二）PCR-ELISA（三）巢式定性PCR（四）复合扩增PCR（五）电化学发光PCR第三十一页，共129页。近年来，转基因食品的研发进展十分迅速，生产规模不断扩大，生产品种日趋增多，转基因食品在解决食品短缺、保障食物安全、促进人类健康、保护生态环境等方面无疑将产生越来越大的影响。虽然全球范围内对转基因食品安全性的争论仍持久不休，有些国际组织及国家对转基因食品仍持观望、怀疑乃至否定态度，但从发展的总体趋势来看，越来越多的国家对转基因食品的发展采取了积极扶持的态度，越来越多的消费者已逐步接受转基因食品。第三十二页，共129页。因此，如何正确地对待转基因食品不仅是一个科学问题，而且也是一个社会问题。第三十三页，共129页。内容一、转基因生物食品的基本特点二、生物技术食品安全性评价的基本内容三、转基因食品的检测技术四、生物技术食品安全管理及相关法规第三十四页，共129页。转基因食品研究和发展概述

通过植物育种、食品加工和保存等方法，可以有效改变用于食品生产的生物遗传和生理特性，培育的作物新品种在许多方面与其祖辈有了明显的差别，从而可以为人类提供安全而富有营养的食品。通过对植物、动物、食用细菌和真菌的选育，或者通过引入具有特定性状的目的基因，改变生物的性状已变得越来越容易。第三十五页，共129页。一、转基因生物食品的概况转基因食品是指用转基因生物制造、生产的食品、食品原料及食品添加物等，简称GMF(geneticallymodifiedfood)。转基因食品不仅为解决人类的食物短缺提供了有效的办法，还可以增加食品的种类、改进食品的营养成分、延长货架期、增加作物的抗虫害能力、耐严寒、抗高温、耐盐碱、抗倒伏、抗除草剂的能力等等，具有潜在的巨大的经济效益和社会效益。第三十六页，共129页。转基因食品的分类根据基因来源分类：植物源性转基因食品即利用转基因技术生产的植物性食品，主要有小麦、玉米、大豆、蔬菜、水稻、马铃薯、番茄及其加工制品等。动物源性转基因食品主要产品有肉、蛋、乳、鱼即其他水产品和蜂产品。微生物源性转基因食品用转基因技术改造微生物，以生产食用酶及生物制剂，提高酶的产量和活力，产品主要有转基因酵母、食品发酵用酶等。根据功能分类：增产与抗逆型高营养型控熟型保健型新品种型第三十七页，共129页。

转基因食品的主要优势

改进水果和蔬菜的货架期和感官质量提高食品营养价值提高蛋白质质量增加碳水化合物含量提高动物性食品的数量和质量提高作物产量研制可食疫苗及药物保护环境治疗人类疾病生产工业原料第三十八页，共129页。大规模应用转基因生物的历史中，迄今还未出现因转基因生物引起的危害事件。目前还没有充分的科学依据足以证明转基因食品安全性毫无问题。人们对目前转基因食品的担忧基本上可以归为以下三类：①转基因食品里加入的新基因在无意中对消费者造成健康威胁；②转基因作物中的新基因给食物链其他环节造成无意的不良后果；③人为强化转基因作物的生存竞争性，对自然界生物多样性的影响。第三十九页，共129页。二、生物技术食品安全性评价的基本内容2.1生物技术食品安全性问题的由来2.2转基因食品的安全性2.3转基因食品的安全评估第四十页，共129页。2.1生物技术食品安全性问题的由来1973年美国的Gordon会议：建立成为专门的委员会来管理重组DNA的研究，并制定指导性法规。1975年美国的Asilomar会议：首次正式提出转基因生物安全性问题。1990年第一届联合国粮农组织(FAO)/世界卫生组织(WHO)专家咨询会议：在安全性评价方面迈出了第一步1993年经合组织召开转基因食品安全会议，提出了《现代生物技术食品安全性评价：概念与原则》的报告，报告中的“实质等同性原则”得到了世界各国的认同。2000年1月28日通过《生物安全议定书》第四十一页，共129页。2.2转基因食品的安全性

转基因食品给人类带来了巨大的社会和经济效益，然而转基因技术与任何一项新技术一样，在实际应用中有利有弊，其中以转基因食品的安全性问题尤为突出，目前。人们所关注的转基因技术和转基因食品安全问题主要涉及两个方面：一、转基因生物的安全性；二、转基因食品对人类健康的安全性。第四十二页，共129页。转基因生物的安全性“安全性”一般指某一事件在一定的条件下所造成的危害程度和公众对风险的接受程度。正确评价转基因生物及其产品的安全性，首先应权衡利弊，研究它们对人类和环境的利与害，如果有害，则应清楚发生危害的可能性有多大，危害的程度是否在可接受水平之内。第四十三页，共129页。转基因食品的安全性转基因食品与相应的传统食品相比，至少存在两个不同点。其一，转基因食品中含有导入的外源基因；其二，由于转基因技术是一种新的生物工程技术，转基因食品自身或其因转基因技术的不完善，确实可能对人类健康造成威胁。第四十四页，共129页。潜在毒性潜在过敏性抗生素抗性食品营养成分的改变其他潜在危害第四十五页，共129页。一、潜在毒性转基因食品中导入的外源基因本身或外源基因所表达的蛋白若具有毒性，则可引起人体急性或慢性中毒；导入的外源基因可能导致原有基因中的其他基因突变或促成一些有害基因的表达，可能会近期人体致癌、致畸等反应。一些植物的天然毒素基因，如豆类中的蛋白抑制剂、木薯中的氰苷、香蕉中的胺类物质会通过转基因表达而使其毒素水平增加，从而对消费者造成危害。第四十六页，共129页。现在，很多人认为转入Bt基因的作物也有毒性。但已有实验证明，Bt毒蛋白对人畜是安全的，并且一种转Bt基因马铃薯与其对应的非转基因品种间具有实质等同性。第四十七页，共129页。二、潜在过敏性转基因技术会不可逆的增加天然植物毒素。在转基因操作中可能将供体过敏原的特性转移到受体动植物体内。另外，许多转基因植物以微生物未基因供体，这些供体是否具有过敏性尚不清楚；而且转基因食品中含有的一些过敏原（如花生、小麦、鸡蛋、牛奶、豆类等所含的蛋白质），均会激发一些易感消费者出现过敏反应。第四十八页，共129页。三、抗生素抗性转基因技术中常用抗生素抗性基因作为标记基因，致使抗生素抗药性引入到常见的作物中，可能会对环境和食用了这种作物产品的动物和人产生意想不到的作用。第四十九页，共129页。四、食品营养成分的改变外源基因可能以难以预料的方式改变食物的营养价值和不同营养素的含量，因此可能引起抗营养因子的改变，这将会导致转基因食品与传统食品的相应部分有所区别，使营养结构失衡，造成体内营养素平衡紊乱。第五十页，共129页。五、其他潜在危害转基因食品的外源基因通过食物链其他环节可能会造成不良后果。此外，由于微生物之间可能通过传导、转化、接合进行基因转移，转基因作物及转基因食品中的“有害”基因是否会逃逸到人或动物体内、环境中。增加抗药性，仍有待深入研究。第五十一页，共129页。

安全性评价的目的

①提供科学决策的依据②保障人类健康和环境安全③回答公众疑问④促进国际贸易，维护国家权益⑤促进生物技术可持续发展第五十二页，共129页。2.3转基因食品的安全评估安全分析的内容：①基因供体：来源、分类、学名、与其他物种的关系；作为食品食用的历史，有无有毒史、过敏性、传染性（微生物）、是否存在抗营养因子和生理活性物质，该供体的关键营养成分等。②基因修饰及插入DNA：介导物或基因构成；DNA成分描述，包括来源、转移方法；助催化剂活性。③受体：与供体相比的表型特征；引入基因表现水平和稳定性；新基因拷贝量；引入基因移动的可能性；引入基因的功能；插入片段的特征。第五十三页，共129页。转基因食品安全性评价原则

实质等同原则FAO/WHO专家联合评议会原则IFBC的原则UNEP技术准则国际生命科学会的等同与相似原则国际食品法典委员会评估标准第五十四页，共129页。实质等同性

1993年经济合作与发展组织（OECD）发表了《现代生物技术生产的食品安全性评价—概念与原则（SafetyEvaluationofFoodsDerivedbyModernBiotechnology-ConceptsandPrinciples）》的报告，提出“实质等同”是评价食品安全最有效的途径。概念：如果某种新食品或食品成分与已经存在的某一食品或成分在实质上相同，那么在安全性方面，前者可以与后者等同处理（即新食品与传统食品同样安全）。第五十五页，共129页。根据实质等同性概念可将基因工程食品归为以下三类：①与现有食品及食品成分具有完全实质等同性②与现有食品及成分具有实质等同性，但存在某些特定差异③与现有食品及成分无实质等同性的食品第五十六页，共129页。等同性原则在转基因食品安全性评价中的应用转基因作物非转基因作物对分子特性、基因型、表型和成分进行分析比较转基因与非转基因作物之间的异同（等同性分析）插入的基因表达的基因代谢产物全食品

表达的基因降解分析毒性分析毒性分析毒性分析致敏性分析

第五十七页，共129页。2.3转基因食品安全性评价的几个主要问题农业转基因生物及其产品的食用安全性问题概括起来主要有以下几点：过敏原毒性物质抗生素抗性标记基因重组微生物的基因转移和致病性分析转基因动物食品功能性食品及食品添加剂第五十八页，共129页。2.3.1过敏原食物过敏是免疫系统对外来物质（过敏原）的过分反应，是免疫系统与周围环境不协调的结果。通常，食物过敏原具有如下共同的特点：过敏原为具有酸性等电点的蛋白质或糖蛋白，相对分子量在10000-80000；通常能耐受食品加工、加热和烹调操作；可以抵抗肠道消化酶的作用。第五十九页，共129页。一般在下列情况下转基因食品可能产生过敏性：①所转基因编码已知的过敏蛋白；（如表达巴西坚果2S清蛋白的大豆有过敏性，这是迄今已知转基因植物未被批准商业化的唯一例子）②基因含过敏蛋白③转入蛋白与已知过敏原的氨基酸序列在免疫学上有明显的同源性④转入蛋白属某类蛋白的成员，而这类蛋白家族的某些成员是过敏原。第六十页，共129页。2.3.2毒性物质许多食品生物本身就能产生大量的毒性物质和抗营养因子，如蛋白酶抑制剂、溶血剂等以抵抗病原菌和害虫的入侵。评价的原则应该是：转基因食品不应含比其他同种可食物更高的毒素含量。目前可考虑使用的毒性物质的检测方法包括mRNA分析、基因毒性和细胞毒性分析。可采用动物饲喂试验或其他毒性测试。第六十一页，共129页。2.3.3抗生素抗性标记基因对转基因食品来说，抗生素标记基因是否会在肠道水平转移到微生物，从而影响抗生素的治疗效果，是考虑其安全性的一个极为重要的方面。在评价其安全性时应考虑下列因素：1表达产物（大多数是酶）的功效和特异性2表达蛋白的消化能力3表达蛋白的表达量4胃肠道任何必需协作因子的可利用性5人类或动物的抗生素试验第六十二页，共129页。2.3.4重组微生物的基因转移和致病性分析

如果转入基因能够加强受体微生物的生，则必须对该基因进行安全性评价，此外还应考虑重组微生物的致病性。用作食品或食品加工过程中所用的微生物必须是已知的或经过严格动物试验，证明其实无致病性的。同时还应该考虑这些重组微生物的生物学特性，如在肠道中得存活、生长和定殖，通过转化、传导或接合等交换质粒的能力。第六十三页，共129页。

转基因动物食品

哺乳动物本身的生长、发育和繁殖是安性评价的重要内容，因为引入的遗传物质产生的不良后果一般都会反映在生长发育和繁殖上。一般来说，来自健康动物和禽类新品种的食品同它们的原品种一样安全。但是，对转基因动物在饲养过程中所采用的药物、饲料添加剂等地安全应作认真评价。第六十四页，共129页。2.3.6功能性食品及食品添加剂

用转基因生物来生产功能性食品或食品添加剂具有广阔的应用前景。有些食品除某些差异外，与现有食品具有实质等同性。一些与传统食品完全等同，而一些则与传统食品完全不同。第六十五页，共129页。三、转基因食品的检测技术转基因食品检测工作中所涉及的检测目标包括三种类型：DNA、RNA和蛋白质。对于蛋白质的检测主要用血清学方法，对于DNA和RNA的检测主要采用PCR及核酸杂交的方法。第六十六页，共129页。血清学检测方法基本原理是利用抗原抗体的特异反应来实现的。血清学反应具有高度的专一性。在检测中，是利用制备的抗体检测相应的抗原。在实际工作中应用最多的有酶联免疫法(ELISA)，此法则通过酶反应将抗原抗体反应信号放大，从而提高了检测灵敏度．而且还能通过产生有颜色的底物用仪器或肉眼识别；另一种叫做试纸条法，此法主要将特异的抗体交联到试纸条上和有颜色的物质上，当纸上抗体和特异抗原结合后，再和带有颜色的特异抗体进行反应时，就有颜色反应，并且固在试纸条上，如果没有抗原，则没有颜色。第六十七页，共129页。四、生物技术食品安全管理及相关法规4.1生物技术食品安全管理的内容4.2国外生物技术食品安全管理及相关法规第六十八页，共129页。4.1生物技术食品安全管理的内容生物技术安全管理的法规体系建设主要包括：建立健全生物安全管理体制的法规体系，明确规定将生物技术的实验研究、中间试验、环境释放、商品化生产、销售、使用等方面的管理体制纳入法制轨道。建立健全生物技术的安全性评价、检测、监测的技术体系，制定能够准确评价的科学技术手段。第六十九页，共129页。建立、完善和促进生物技术健康发展的政策体系和管理机制，保证在确保国家安全的同时，大力发展生物技术，进一步发挥生物技术创新在促进经济发展，改善人类生活水平和保护生态环境等方面的积极作用。建立生物技术产品进出口管理机制，管理国内外基因工程产品的越境转移，有效地防止国外生物技术产品越境转移给国内人体健康和生态环境带来的危害。提高生物技术产品的国家管理能力，建立生物安全管理机制和机构设置，加强生物安全的监测设施建设，构建生物安全管理信息系统，增强生物安全的监督实力，培训生物安全科学技术的人力资源。第七十页，共129页。4.2国外生物技术食品安全管理及相关法规美国转基因食品的管理：由美国农业部（USDA）、环境保护局（EPA）、食品与药品管理局（FDA）等几个部门协调管理。各部门的管理范围由GMO产品最终用途而定。表1部门的管辖范围及相应的法规部门管理范围法规农业部植物有害生物、植物、牲畜联邦植物有害生物法GMO及其产品的申请内容与过程的简化GMO及其产品：受控生物体的报告程序及解除控制的申请环保局微生物、植物农药，农药的新用途，新微生物联邦食品、药品与化妆品法联邦杀虫剂、杀真菌剂、杀啮齿动物药物法毒物控制法微生物杀虫剂：试验许可与报告食品与药品管理局食品、饲料、食品添加剂、兽药、医药及医疗设备联邦食品、药品与化妆品法政策声明：从新植物品种而来的食品第七十一页，共129页。新性状或生物体管理部门管理的范围抗除草剂的粮食作物农业部环保局食品与药品管理局种植安全相应除草剂的新用途食用安全粮食作物含油量的改变农业部食品与药品管理局种植安全食用安全降解污染物的改性土壤微生物环保局对环境是否安全表2举例说明GMO及其产品的管理部门

FDA是管理绝大多数食品的法定权力机构。USDA负责肉、禽、蛋类产品对消费者的安全与健康影响的管理，EPA管理食品植物杀虫剂的使用和安全。一个产品可能涉及多个部门的管理。第七十二页，共129页。1992年，食品与药品管理局发布了对利用遗传修饰食品的安全和管理政策，解释了利用生物技术获得的植物新品种所生产的食品是如何依法管理的。1998年，食品与药品管理局所属的食品安全与应用营养中心发布了转基因植物应用抗生素标记基因的工业指南，指出对抗生素抗性基因的安全评估首先是其编码酶或蛋白质的安全性，即是否有潜在毒性或致敏性，以及因存在于食品中是否影响到相应抗生素的使用疗效。第七十三页，共129页。4.2.2国内生物技术食品安全管理及相关法规1990年颁布的《新资源食品卫生管理办法》中将转基因食品也归入新资源食品的管理范畴。我国对基因工程管理的部分内容也适用于对生物技术食品的管理。1993年颁布的《基因工程安全管理办法》、1996年农业部颁布的《农业生物基因工程安全管理实施办法》。我国从2002年3月20日起实施《农业转基因生物标识管理办法》。凡是列入标识管理目录并销售的农业转基因生物制品应当标识。第一批实施标识管理的农业转基因生物包括：大豆；玉米；油菜；棉花等作物。第七十四页，共129页。

第六节生物传感器与食品安全检测1生物传感器的基本概念生物传感器通常是指由一种生物敏感部件和转化器紧密结合,对特定种类化学物质或生物活性物质具有选择性和可逆响应的分析装置。

它是发展生物技术必不可少的一种先进的检测与监控方法,也是对食品质量在分子水平上进行快速和微量分析的方法。第七十五页，共129页。２生物传感器工作原理待测物质经扩散作用进入固定生物膜敏感层，经分子识别而发生生物学作用，产生的信息如光、热、音等被相应的信号转换器变为可定量和处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，以电极测定其电流值或电压值，从而换算出被测物质的量或浓度。第七十六页，共129页。第七十七页，共129页。

6.1将化学变化转变成电信号如酶传感器,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,常用转换装置有氧电极、过氧化氢。第七十八页，共129页。6.2将热变化转换成电信号

固定化的生物材料与相应的被测物作用时常伴有热的变化。例如大多数酶反应的热焓变化量在25-100kJ/mol的范围.这类生物传感器的工作原理是把反应的热效应借热敏电阻转换为阻值的变化,后者通过有放大器的电桥输入到记录仪中。第七十九页，共129页。

6.３将光信号转变为电信号例如，过氧化氢酶,能催化过氧化氢/鲁米诺体系发光,因此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.还有很多细菌能与特定底物发生反应,产生荧光.也可以用这种方法测定底物浓度.第八十页，共129页。上述三类传感器原理的共同点：都是将分子识别元件中的生物敏感物质与待测物发生化学反应,将反应后所产生的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,这种方式统称为间接测量方式.第八十一页，共129页。

6.4直接产生电信号方式这种方式可以使酶反应伴随的电子转移、微生物细胞的氧化直接(或通过电子递体的作用)在电极表面上发生。根据所得的电流量即可得底物浓度。第八十二页，共129页。生物传感器发展历程开端于20世纪60年代。1962年克拉克等人报道了用葡萄糖氧化酶与氧电极组合检测葡萄糖的结果,可认为是最早提出了生物传感器(酶传感器)的原理。1967年Updike等人实现了酶的固定化技术,研制成功酶电极,这被认为是世界上第一个生物传感器。

第八十三页，共129页。20世纪70年代中期后,生物传感器技术的成功主要集中在对生物活性物质的探索、活性物质的固定化技术、生物电信息的转换以及生物传感器等研究,并获得了较快的进展。1977年,钤木周一等发表了关于对生化需氧量(BOD)进行快速测定的微生物传感器的报告,正式提出了对生物传感器的命名。第八十四页，共129页。４生物传感器分类4.1根据传感器输出信号的产生方式,可分为生物亲合型生物传感器、代谢型或催化型生物传感器;*4.2根据生物传感器的信号转换器可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4.3根据生物传感器中生物分子识别元件上的敏感材料可分为酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、基因传感器、细胞及细胞器传感器。第八十五页，共129页。每一类名称又都包含许多种具体的生物传感器例如，酶电极类:根据所用酶的不同就有几十种，如葡萄糖电极、尿素电极、尿酸电极、胆固醇电极、乳酸电极、丙酮酸电极等等．葡萄糖电极也并非只有一种，有用pH电极或碘离子电极作为转换器的电位型葡萄糖电极，有用氧电极或过氧化氢电极作为转换器的电流型葡萄糖电极等．实际上还可再细分。第八十六页，共129页。第八十七页，共129页。

生物亲合型传感器被测物质与分子识别元件上的敏感物质具有生物亲合作用，即二者能特异地相结合，同时引起敏感材料的分子结构和/或固定介质发生变化。例如：电荷、温度、光学性质等的变化。反应式可表示为：

S（底物）+R（受体）=SR第八十八页，共129页。

代谢型传感器底物（被测物）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传感器，其反应形式可表示为

S（底物）＋R（受体）=SR→P（生成物）

第八十九页，共129页。第九十页，共129页。生物传感器优点：由于具有较高的选择性，因此不需对被测组分进行分离，即不用对样品进行预处理。结构简单，体积小，使用方便，特别是便携式的生物传感器，非常有利干食品质量的市场快速评价；第九十一页，共129页。可以实现连续的在线检测，使食品加工过程的质量控制变得简便；响应速度快，样品用量少；与其他大型分析仪器相比，生物传感器的制作成本低，且可反复使用。第九十二页，共129页。6生物传感器组成部分一是生物分子识别元件(感受器),是具有分子识别能力的生物活性物质(如组织切片、细胞、细胞器、细胞膜、酶、抗体、核酸、有机物分子等);二是信号转换器(换能器),主要有电化学电极(如电位、电流的测量)、光学检测元件、热敏电阻、场效应晶体管、压电石英晶体及表面等离子共振器件等，当待测物与分子识别元件特异性结合后,所产生的复合物(或光、热等)通过信号转换器变为可以输出的电信号、光信号等,从而达到分析检测的目的。第九十三页，共129页。（一）生物识别元件

它是酶、抗原(体)、细胞器、组织切片和微生物细胞等生物分子经固定化后形成的一种膜结构，对被测定的物质有选择性的分子识别能力.第九十四页，共129页。（二）换能器它能将识别元件上进行的生化反应中消耗或生成的化学物质，或产生的光或热等转换为电信号，在一定条件下，产生的电信号强度和反应中物质的变化量或光、热等的强度呈现一定的比例关系。第九十五页，共129页。换能器(信号转换器)将分子识别元件进行识别时所产生的化学的或物理的变化转换成可用信号．生物传感器的信号转换器已有许多种，其中到目前为止用得最多的且比较成熟的是电化学电极，用它组成的生物传感器称为电化学生物传感器．第九十六页，共129页。（三）信号处理放大装置

主要负责信号的分析处理和放大输出。它能将换能器产生的电信号进行处理、放大和输出。第九十七页，共129页。第九十八页，共129页。手掌型葡萄糖(glucose)分析仪第九十九页，共129页。

6.2传感器类型

(1)酶传感器(EnzymeSensor)第一百页，共129页。酶的活力单位（酶单位）标准酶单位国际生物化学协会酶委员会规定了酶单位的标准形式为：一个酶单位（U）是在特定的条件下lmin内催化形成1μmol产物的酶量（或转化1mo1底物的酶量）．特定条件一般是指选定的条件，如温度为25℃，30℃，37℃，最适pH,底物为饱和溶液．第一百零一页，共129页。

酶传感器它将活性物质酶覆盖在电极表面,酶与被测的有机物或无机物反应,形成一种能被电极响应的物质。1967年Updick和Hicks将固定化的葡萄糖氧化酶膜结合在氧电极上,做成了第一支葡萄糖电极；此后,这类酶传感器通常是通过检测产物H2O2的浓度变化或氧的消耗量来检测底物。第一百零二页，共129页。葡萄糖电极缺点:(1)溶解氧的变化可能引起电极响应的波动;(2)由于氧的溶解度有限,当溶解氧贫乏时,响应电流明显下降而影响检测限;(3)传感器响应性能受溶液pH值和温度影响较大第一百零三页，共129页。依据信号转换器的类型,酶传感器大致可分为酶电极(主要包括离子选择电极、气敏电极、氧化还原电极等电化学电极)、酶场效应晶体管传感器(FET-酶)和酶热敏电阻传感器等第一百零四页，共129页。(2)组织传感器(TissueSensor)组织传感器是以动植物组织薄片中的生物催化层与基础敏感膜电极结合而成,该催化层以酶为基础,基本原理与酶传感器相同.与酶传感器比较，组织传感器具有如下优点：1.酶活性较离析酶高.2.酶的稳定性增大.3.材料易于获得.第一百零五页，共129页。肝组织电极动物肝组织中含有丰富的H2O2酶，可与氧电极组成测定H2O2及其它过氧化物的组织电极．1981年Mascini等研究了数种哺乳动物和其它动物（鸟、鱼、龟）的肝组织电极，翌年，报道了基于牛肝组织的H2O2电极．第一百零六页，共129页。

若向溶液中通以氮气，以降低氧的溶解度，减少空气平衡溶液中氧的残余电流（约10μA）至十分之几微安，检测下限可降低至1X10-5mol／L，相关系数R=0.997(n＝9)第一百零七页，共129页。

植物组织膜电极结构图解b一果皮,c-中果皮,d-内果皮1-中果皮组织薄片2-固定化骨架3-透气健,4-垫圈5-内电解质6-复合PH电极7-塑料电极体二氧化碳气敏电极结构第一百零八页，共129页。(3)微生物传感器微生物传感器分为两类：一类是利用微生物在同化底物时消耗氧的呼吸作用；另一类是利用不同的微生物含有不同的酶。第一百零九页，共129页。装置：由适合的微生物电极与氧电极组成。原理：利用微生物的同化作用耗氧,通过测量氧电极电流的变化量来测量氧气的减少量,从而达到测量底物浓度的目的.第一百一十页，共129页。例如,荧光假单胞菌,能同化葡萄糖；芸苔丝孢酵母可同化乙醇,因此可分别用来制备葡萄糖和乙醇传感器，这两种细菌在同化底物时,均消耗溶液中的氧,因此可用氧电极来测定基于不同类型的信号转换器,常见的微生物传感器有电化学型、光学型、热敏电阻型、压电高频阻抗型和燃料电池型，第一百一十一页，共129页。第一百一十二页，共129页。(4)核酸传感器依据生物体内核苷酸顺序相对稳定,核苷酸碱基顺序互补的原理而设计出核酸探针传感器,即基因传感器。基因传感器一般有10~30个核苷酸的单链核酸分子,能够专一地与特定靶序列进行杂交从而检测出特定的目标核酸分子。根据换能器种类不同可分为电