(精品)7 传感技术及其在食品中的应用

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第七章 生物传感技术及其在食品分析中的应用,一,、,生物传感器概述,二、,SPR,生物传感器,三,、,SPR,生物传感器,在食品中的应用,第一节,SPR,生物传感器在食品中的应用,2024/10/7,【,问题,】,1.,电饭煲为什么能自动加热和保温而不会使饭烧焦？,2.,电冰箱、空调为什么可以自动控制电机的运转而保持恒温？,3.,全自动洗衣机为什么可以自动完成洗衣过程？,4.,电梯门为什么不夹人？,5.,自动门为什么会自动开启？,6.,怎样实现自动通风、自动喷水、自动报警？,这一切，都要归功于现代传感器技术的发展和应用。,2024/10/7,一,.,生物传感器概述什么是传感器,?,1.,传感器的概念：,广义上讲,传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置。,简单地说,传感器是将外界信号转换为电信号的装置。,所以传感器由敏感元器件,（,感知元件,）,和,转换器件,（将敏感元件的输出量转换成适宜传输和测量的量的器件，如电学量）两部分组成；有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器。,2024/10/7,2.,常用传感器,1).,物理传感器：,若接受的是光、声波、压力、温度等物理信息，这样的传感器称为物理传感器。,2).,化学或生物传感器：,若接受的是嗅觉、味觉，化学反应等信息，这样的传感器称为化学或生物传感器。,目前最常用的传感器有：,温度传感器,、,红外线传感器,、,生物传感器,等。,此外还有压力传感器、气体传感器、味觉传感器等。,2024/10/7,温度传感器,2024/10/7,红外线传感器,实现无接触测量,应用领域：,航空摄影、卫星遥感、家电遥控、防盗防火报警器、自动门、生物探测器,2024/10/7,我国第一种实用化的生物传感器,SBA-30,型乳酸分析仪,SBA-70,型生物传感,在线分析系统,生物传感器,用以检测和识别生物体内化学成分。,应用领域：,最典型的应用是在医疗卫生行业，医院里各种进行生化分析的仪器之中,2024/10/7,目前,人们对食品,质量和安全性的要求越来越高,为保证食品质量及对加工过程进行人为的控制,需要比较合适的分析方法。长期以来广泛应用的物理、化学、仪器等方法已不再能满足现代食品分析的需要,而生物传感器具有较好的敏感性、特异性,操作简便、响应速度快等优势,尤其是它能对许多过去难于测定的成分进行检测,并能现场在线检测,.,因此,在食品安全及品质控制现场和在线检测中发挥着越来越重要的作用。,什么是生物传感器,?,2024/10/7,一般定义：,使用固定化的生物分子,(immobilized,biomolecules,),结合换能器，用来侦测生物体内或生物体外的环境化学物质或与之起特异性相互作用后产生响应的一种装置。,Gronow,定义：,一种含有固定化生物物质,(,如酶、抗体、全细胞、细胞器或其联合体,),并与一种合适的换能器紧密结合的分析工具或系统，它可以将生化信号转化为数量化的电信号。,3,、生物传感器的定义,2024/10/7,4.,生物传感器的发展,概念（,Concept,）,-Leland Clark(1956),尿,传感器（,Urea Sensor,）,-,Guibault,&,Montalvo,(1969),葡萄糖分析器（,Glucose,Analyser,）,-Yellow Springs,Instr,.Co.(1973),酶热,调节器（,Enzyme,Thermistor,）,Mosbach,(1974),微生物电极（,Microbial Electrodes,）,Divis,(1975),光纤氧传感器（,Fibre,-Optic Oxygen Sensor,）,Lubbers&,Opitz,(1975),免疫传感器（,Immnosensor,）,Liedberg,et al.(1982),酶电极（,Enzyme Electrode,）,MediSense,Inc.(1987),BIAcore,Pharmacia,Sweden(1991),纳米传感器（,NanoSensor,）,Vo-,Dinh,(2000),2024/10/7,1,、测定水质的,BOD,分析仪、在市场上有以日本和德国为代表产品供应。,2,、采用丝网印刷和微电子技术的手掌型血糖分析器，已形成规模化生产，年销售量约为十亿美元；,3,、固定化酶传感分析仪，国外以美国的,YSI,公司和德国,BST,公司为代表，都有系列分析仪产品，它们主要用于环境监测和食品分析，国内到目前为主只有山东省科学院生物研究所的系列化产品在市场得到应用。,4,、,SPR,生物传感器，在日、美、德、瑞典等国得到了开发和初步应用。,目前，极大多数同类其它研究还都处在探索性阶段。,国内外得到应用的生物传感器主要包括,：,2024/10/7,5,、,生物传感器的特点,(1),测定范围广泛。,(2),生物传感器使用时一般不需要样品的预处理，样品中的被测组分的分离和检测同时完成，且测定时一般不需加入其它试剂。,(3),采用固定化生物活性物质作敏感基元（催化剂），价值昂贵的试剂可以重复多次使用。,(4),测定过程简单迅速。,(5),准确度和,灵敏度高。,一般相对误差不超过,1,。,(6),由于它的体积小，可以实现连续在线监测，,容易实现自动分析。,(7),专一性强，只对特定的底物起反应，而且不受颜色、浊度的影响。,(8),可进入生物体内。,(9),传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，便于推广普及。,2024/10/7,6.,生物传感器的基本原理,2024/10/7,7.,生物传感器活性物质的固定化,直接法,:,指生物活性物质通过化学方法直接固定在转换器上的一种方法,-,交联法,间接法,:,指将生物活性物质先固定在一种固体支撑体上,在安装到转换器上的一种方法,-,包埋法,载体结合法,2024/10/7,交联法,(,直接法,),是用双功能试剂,(,巯基丙酸,戊二醛等,),使生物活性物质直接共价键和到转换器上的方法,-,压电免疫传感器和,SPR,传感器,参加偶联的功能团,:-NH,2,-COOH,-SH,-OH,2024/10/7,包埋法,(,间接法,),1.,将生物活性分子包埋在凝胶的细微格子里制成固定化。,常用的凝胶有：聚丙烯酰胺、淀粉、明胶、聚乙烯醇、海藻酸钙、硅树脂,适用范围,:,宜于作用于小分子底物和产物的生物活性物质,适合于细胞器,微生物的包埋,.,2.,LB,膜型：,制作分子水平上的单层或多层纳米分子膜技术,(,Langmuir-Blodgett,，LB,膜),。,特点,:,膜厚能薄至纳米级,能制备几乎没有缺陷的单分子层膜,3.,脂质双层膜,:,人工制备的细胞膜,-,目前处于试验阶段,2024/10/7,载体结合法,(,间接法,),吸附法,:,生物活性,分子通过极性键、氢键、疏水力或,电子相互作用等吸附于不溶性载体上。,常用的载体有：多孔玻璃、活性炭、氧化铝、石英砂、纤维素酯、葡聚糖、琼脂糖、聚氯乙烯、聚苯乙烯,2.,共价结合法,:,A,将载体有关基团活化,然后与生物活性物质有关基团发生偶联反应,B,在载体上接上一双功能试剂,然后将生物活性物质偶连上去,常用的载体有：烷基化多孔玻璃、纤维素、胶原、琼脂糖、,2024/10/7,8,、生物传感器的分类,分类方式,分类依据,传感器名称,传感器输出信号,1,、被测物与分子识别元件上敏感物质具有生物亲和作用。,2,、底物（被测物）与分子识别元件上的敏感物质相作用并产生产物，信号换能器将底物的消耗或产物的增加转变为输出信号。,1,、,生物亲和性传感器,2,、代谢型或催化型传感器,分子识别元件上的敏感物质,1,、,酶与底物作用,2,、微生物代谢,3,、组织代谢,4,、细胞代谢,5,、抗原抗体反应,6,、核酸杂交,1,、酶传感器,2,、微生物传感器,3,、组织传感器,4,、细胞器传感器,5,、免疫传感器,6,、,DNA,生物传感器,信号换能器,1,、光学装置,2.,电化学电极,3,、离子敏场效应晶体管,4,、热敏电阻,5,、压电晶体,6,、光电器件,7,、声学装置,1,、,SPR,传感器,2,、,电化学传感器,3,、离子敏场效应传感器,4,、热敏电阻传感器,5,、,压电晶体传感器,6,、光电传感器,7.,声学传感器,2024/10/7,2024/10/7,9.,生物传感器在食品中的应用,酶生物传感器,葡萄糖，谷氨酸和乳酸生物传感器是我国应用的基本品种,微生物传感器,免疫传感器,组织生物传感器,DNA,传感器,2024/10/7,2024/10/7,2024/10/7,2024/10/7,2024/10/7,10.,生物传感器的发展趋势,目前，生物传感器的应用受到稳定性、重现性和使用寿命的限制和食品成分多且含量差异大等问题,使得在食品检测中实现商业化的生物传感器数量受到制约。但这类仪器具有灵敏度高、特异性强和检测快速等优点,仍是各国科学研究着重加强的一部分。,随着计算机技术、微制造技术和生物材料的不断发展,生物传感器在食品工业领域的应用将越来越广泛,它将逐步取代一些传统的检测方法,成为广泛普及的常规分析及现场测试仪器。,2024/10/7,二,.SPR,生物传感器,表面等离子体共振,(SPR),生物传感器是在无标记的条件下,实时监控两个或多个生物分子之间相互作用的一种光学技术,-,反射型光化学生物传感器,.,近,10,年来,它的可靠性已得到生命科学领域认可,.,便携式,SPR,生化分析仪,2024/10/7,SPR,的发展,1902,年，,Wood,在光学实验中首次发现了表面等离子体共振现象；,1941,年，,Fano,提出了体积等离子体的概念，认为是一种纵向波，解释了,SPR,现象；,1957,年，,Ritchie,认为表面等离子体共振发生与金属薄膜的界面有关，提出了,Ritche,理论；,1959,年，,Powell,和,Swan,通过实验证实了,Ritche,的理论；,1971,年，,Kretschmann,结构为,SPR,传感器奠定了基础；,1982,年，英国,Salford,大学,Boardman,教授出版专著“,Electromagnetic Surface Modes”,（电磁场表面波模态），标志表面等离子体理论已经完善；,1983,年,Liedberg,等人成功地研制出了第一个表面等离子体,子气体和生物传感器；,1988,年，,Benno,Rothenhausler,&Wolfgang Knoll,在,Nature,上发表“,Surface-,plasmon,microscopy”,标志着,SPR,原理在生物学中开始应用；,1993,年，,Biacore,公司研发了半自动,Biacore,X,生物分子相互作用检测系统,2024/10/7,基本概念,等离子体,:,是含有足够数量的自由带电粒子，有较大的电导率，其运动主要受电磁力支配的物质状态。等离子体由带正电的离子和带负电的电子也可能还有一些中性的原子和分子所组成。等离子体的性质不同于固体、液体和气体，常称为物质的第四态。,表面等离子体,(SP):,金属表面的自由电子,.,引发,SP,的途径,:,电子引发与,光引发,3.,表面等离子体波,(SPW):,金属表面自由电子的集体振荡,2024/10/7,基本概念,全内反射,:,是一种光学现象,发生在光从光密介质,n,1,向光疏介质,n,2,传播且入射角大于临界角的时候,.,消失波,:,在全内反射条件下,入射光的能量没有损失,但光的电场强度在界面处并不立即减小为零,而会渗入光疏介质中产生消失波,.,2024/10/7,SPR,基本原理和信号,表面等离子体子共振,(SPR),是一