北邮传感器大作业

鱼类鲜度测量传感器设计————低成本高灵敏度多功能酶电极鱼类鲜度传感器设计学院：电子工程学院专业：电子信息科学与技术班级：学号：班内序号：姓名：日期：2013.6.8目录1 【社会需求】 (3)2 【历史和现状】 (3)2.1 感官评价 (4)2.2 微生物检验 (4)2.3 化学检验 (4)2.4 僵硬指数 (5)2.5 鲜度指示蛋白评价 (5)3 【传感器原理】 (5)3.1 酶电极工作原理 (5)3.2 鲜度测量原理 (7)4 【测量电路】 (9)4.1直接采用高精度的安培表测量电流，测量电路如图所示： (9)4.2 【误差来源】 (9)5 【改进电路（有一定的温度补偿）】（更优化的补偿见参数说明，但是补偿条件麻烦，所以在改进电路中不采用） (11)5.1采用反馈式皮安表，测量电路如图所示： (11)6 【参数及温度补偿说明】 (12)7 【传感器命名】 (12)8 【应用前景】 (13)9 【设计总结】 (13)10 【参考文献】 (14)1 【社会需求】随着人们生活水平的提高，物质逐渐富裕，人们的注意力开始渐渐转向食品健康方面，尤其是食品质量以及安全问题越来越成为人们生活中的重点关注问题。

近几年发生的食品安全问题：如三鹿的三聚氰胺、双汇瘦肉精等，更是把食品安全问题推到了分口浪尖上，这关乎民生的食品安全问题也成为了国家近年来不断大力监督，大力投资的方面。

我国是水产品生产和贸易大国，因此在食品质量问题中，水产品的质量问题是其中的关键一部分，由于水产品富含营养物质和水分, 肌肉组织脆弱, 内源性蛋白酶活跃, 自溶速度快, 水产品易在物理、化学、微生物等方面发生变化, 使产品失去鲜度, 最终导致腐败。

鲜度对水产品的品质及原料的加工适性有着巨大的影响, 鲜度高低直接决定了产品的最终价值。

随着生活水平的提高, 人们对于食用水产品的鲜度要求也越来越高, 因此其鲜度识别对水产食品安全、运输仓储及加工过程有着重要意义。

如何快速、客观评价水产品鲜度, 以满足水产品贸易的发展, 已成为水产品加工业急需解决的课题。

2 【历史和现状】在传统的水厂品鲜度的评价方法中，主要有感官评价、微生物检验、化学检验、僵硬指数和鲜度指示蛋白评价这5种方法，各有各的优缺点。

2.1 感官评价感官评价是通过视觉、嗅觉、味觉和听觉而感知到的食品及其他物质的特征或者性质的一种科学方法。

感官鉴别水产品及其制品的质量优劣时, 主要是通过人的视觉、嗅觉和触觉对水产品的体表形态, 即鲜活程度、色泽、气味、肉质的弹性等感官指标来进行综合评价。

优点：该法快捷、方便、实用, 其结果接近消费者的判定标准, 可以有效分级和评价水产品鲜度。

传统的感官评价法应用范围最广, 能及时提供鱼肉品质信息。

缺点：需要专业培训的测评小组, 易受测评人员身体和心理状况影响, 具有较强的主观性。

2.2 微生物检验微生物是引起多数水产品腐败的主要因素, 细菌的菌落总数( TVC )可以有效地判定各类水产品的新鲜度。

许多国家从细菌菌落总数的角度制定了水产品新鲜度标准, 可以较为准确的检测水产品新鲜度. 刚捕获的水产品含有许多微生物, TVC 初始值通常为102 ~ 104 cfu /g。

在冷藏过程中, 耐冷的微生物可以选择性生长。

这些适合生存和繁殖并产生腐败臭味和异味代谢产物的菌群, 就是该水产品的特定腐败菌( specific spoilage organ ism, SSO )。

特定腐败菌在贮藏中生长比其他微生物快, 并且腐败活性强。

优点：微生物检验利用微生物数量可有效说明水产品新鲜程度。

缺点：存在耗时、需要专门的设备和专业人员来操作等缺点。

2.3 化学检验挥发性物质是判定水产品鲜度的重要参数。

水产品在腐败过程中, 由于各种微生物的污染和作用发生变质或者由于自身酶的分解作用引起酸臭性发酵, 都会产生含氮、胺、氨、醇类和含硫等挥发性物质。

选取有效的挥发性化合物测定方法可以用来判别水产品的鲜度和腐败阶段. 根据水产品储藏过程中挥发性物质的来源可以将其分为3类：（1)新鲜水产品的气味, 主要为C6 - C9的羟基和羰基化合物;（2)微生物引起水产品腐败的气味, 通常为胺类、挥发性含硫化合物、挥发性低级脂肪酸等, 主要包括乙醇、3-甲基- 1-丁醇、乙酸乙酯、氨、三甲胺等挥发性物质;（3)水产品氧化产生的气味, 如: 己醛、2, 4, 7-癸三烯醛、2, 4- 庚二烯醛等。

这些挥发性的化合物可以作为水产品的鲜度指示物。

优点：检测准确，精确度高，判断方便。

缺点：需要通过复杂的技术和手段对以上化学物质进行提取和分离，耗费的人力物力和财力大。

2.4 僵硬指数通过测定鱼体尾部下垂程度与开始的数值相比较, 所得到的鱼体僵硬指数测定方法, 可评价鱼类的鲜度。

该法方便快捷,又具科学性。

僵硬指数R 的测定方法先测出鱼体长的中点,将鱼体放在水平板上, 使鱼体长的前1 /2放在平板上, 后1 /2自然下垂. 测定水平板表面水平延长线至鱼尾根部(不包括尾鳍)的垂直距离L 和L’。

L 是鱼体刚死后的垂下值, L’是鱼体各时间的垂下值。

将L 和L’带入下式计算即得僵硬指数R = ( L – L’) *100% , 鱼体僵硬初期、僵硬期、解硬期, 均可用僵硬指数R 进行判定。

僵硬指数作为判断鱼体新鲜度指标在僵硬初期、僵硬期和解僵期均适用。

优点：方便快捷,又具科学性，易于操作。

缺点：鱼种及保藏温度不同, 僵硬指数R 变化大不相同,难以有一个统一判定和划分新鲜度的标准。

2.5 鲜度指示蛋白评价无论从细胞水平还是从组织水平, 蛋白质是水产品肌肉的基本组成成分。

同时,水产品的腐败变质多是由于蛋白质的降解引起的。

因此,水产品的鲜度等品质变化与蛋白质存在必然的关联优点：灵敏度高，精确度高。

缺点：技术手段过于专业复杂，要对蛋白质进行提纯，费时费力，并且需要有专业的设备仪器。

现有鲜度检验方法虽有其优点, 但存在主观、片面、耗时等缺陷, 如何快速、客观评价水产品鲜度已成为水产品加工业亟待解决的课题。

但随着电化学生物传感器的发展，现在，能够使用快速、准确客观地对鱼类的新鲜度进行评估和检测。

3 【传感器原理】3.1 酶电极工作原理酶电极是由固化酶和基础电极组成，由于本次实验是通过测量使用电化学生物传感器通过测量O2，间接测量鱼类的鲜度指标，所以采用的是电流型电极，产生氧依赖性电流。

电流型电极的基本构成包括铂阴极或金阴极和Ag/AgCl阳极。

电极与电路整合以达到两个目的：○1在阳极和阴极间施加一定极化电压（0.6 –0.7 V）；○2测定通过阴极的电流。

本传感器使用的是Clark氧电极，结构如图所示：阴极在基质溶液中带有电子。

由于在电极上施加电压，当氧扩散至阴极时能被还原成过氧化氢，O2+2H++2e>H2O2并以阴极铂丝为中心形成扩散层，这种扩散电流与试样溶液中氧分压成线性关系。

扩散电流的形成使氧在阴极周围下降，这是因为惦记上氧消耗的速率超出氧从外部溶液中扩散的速率，一旦形成扩散层，氧扩散速率就变成为氧在电极上反应的限制因素，此时，可以用Flick法则表示：dO2 dt =−Ddcdx式中，dO2dt 为单位时间氧穿过扩散层的量；D为氧在液相中的扩散系数；dcdx为扩散层的浓度梯度。

由于到达电极的氧将产生电流：i=k Ddc dxdcdx显然取决于反应液中的氧浓度，所以：i=kD[O2]即电极电流直接与基质溶液中的氧浓度成正比。

施加给电极的电压能影响氧电流，将电压对电流作图称为伏-安图（V-A），曲线a表明，被扩散限制的电流在低电压区达到“平台”（X-Y区），在较高电压区，由于阴极质子层积作用，电流迅速增加，因此，电极的正常工作电压应该在X-Y区，此时电压的波动对电流的影响较小。

3.2 鲜度测量原理大量研究表明，生物体死后体内高能化合物ATP迅速按顺序水解：ATP→ADP(腺苷二磷酸)→AMP(5’-腺苷单磷酸)→IMP（5’-次黄苷酸）→HxR(次黄苷)→Hx（次黄嘌呤）→尿酸。

因此，迅速测出这些化合物浓度，经过综合判断，就能推算出鱼肉的鲜度。

在日本，水产品鲜度是按下列式子定量计算:K=(HxR)+(Hx)(ATP)+(ADP)+(AMP)+(IMP)+(HxR)+(Hx)×100 （1）把这些核酸类化合物的量在鱼肉中的变化做了仔细的追踪实验，发现大多是鱼死后5到10小时硬直，ATP、ADP和AMP、在整个鱼肉中已经不存在，所以提出了新的简化鲜度指标K1：K1=(HxR)+(Hx)(IMP)+(HxR)+(Hx)×100 （2）能够与这3中成分作用的酶是黄嘌呤氧化酶、核苷磷酸化酶和5’-核苷酸酶，这些酶分别催化的反应是：IMP 5′−核苷酸酶>HxR+Pi （3）HxR+H3PO4核苷磷酸化酶>Hx+1−磷酸核糖（4）Hx+O2黄嘌呤氧化酶>黄嘌呤（5）将这三种酶固化在Clark氧电极上，与阴离子交换树脂小型柱组合成传感器系统。

载流缓冲液（Tri-HCL）流速控制为1.5 ml/min，当电极输出电流值恒定后，注入Hx、HxR和IMP或注入鱼肉提取液，由于缓冲液中没有磷酸，酶膜中按反应式（4）进行的反应所需要的磷酸只能来自反应式（3）脱掉的磷酸，所以此时传感器响应值∆I1代表Hx和IMP的浓度之和。

接着把吸附有式样的柱查到式样注入口，加入低离子强度磷酸缓冲液（0.05mol/L，pH 7.8）,输出稳定电流后，加入高离子强度磷酸缓冲液（0.1mol/L）,Hx和HxR被洗脱，洗脱液（a）导致传感器响应∆I2。

再向柱上输入0.25mol/L磷酸缓冲液[洗脱液（b）]，记录到IMP的响应值∆I3、底物浓度（IMP、[HxP]）和[Hx]与∆I1、∆I2、∆I3之间有下列关系：∆I1=K11[Hx]+K12[HxR]+K13[IMP]（6）∆I2=K21[Hx]+K22[HxR]+K23[IMP]（7）∆I3=K31[Hx]+K32[HxR]+K33[IMP]（8）式中，K ij (i,j=1,2,3)是各种底物在上述三种测试条件下的标定曲线斜率。

显然K12、K31和K33皆为0。

式（6）、（7）、（8）可以改写成以下矩阵形式：(∆I1∆I2∆I3)=(K11K12K13K21K22K23K31K32K33)([Hx][HxR][IMP])（9）令d=(∆I1∆I2∆I3)K=(K11K12K13K21K22K23K31K32K33)c=([Hx][HxR][IMP])（10）则d=Kc（11）或c=K−1d（12）解行列式求出K，便能明确响应值与各底物浓度c的关系，再根据式（2）算出鲜度指标K1。

由K1值便是的鲜度如下：K1<10非常新鲜（可作为高级生鱼片）K1<40新鲜（可作为生鱼片）K1>40不新鲜（作为普通烹饪）为了减少实验操作的计算上的复杂性，可以将传感器与单片机、计算机或嵌入式系统相连接，用CPU处理传感器输出信号，将鲜度以图像的形式表示出来(以鲈鱼为例)：IMP IMP IMP4 【测量电路】4.1直接采用高精度的安培表测量电流，测量电路如图所示：A从上式分析中可以看出，由于本身酶电极输出的电流就很小（为nA级别），而直接用安培表测量电流，会产生3个误差项，所以如果需要更加精确的测量，就必须改进测量电路。