第七章 食品无损检测：生物传感器检测

响应快、样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以反复 多次使用。 传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，因而便于推 广普及。
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二、酶电极和酶传感器
1. 概述 ：酶可以选择性的快速辨别特定的底物， 并在较温和的条件下对底物的反应起催化作用。
生物芯片的类型
常见的生物芯片主要有: • 基因芯片; • 蛋白质芯片; • 组织芯片。
世界著名生物芯片公司:Affymetrix (Santa Clara, California) 其他: Brax Genomics Limited (Cambridge, UK) ， Hyseq (Sunnyvale, California) ，

其他分类 被测对象、大小、功能
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3. 生物传感器的特点
高选择性。生物传感器是由选择性好的主 体材料构成的分子一识别元件，因此，一般不 需进行样品的预处理。测定时一般不需另加其 它试剂。 体积小、可以实现连续在位监测。
待测物
敏感元件
转换器
是一门由生物、化学、物理、医学、电子技 术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术。 应用领域：环境监测、食品分析、生物医学
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一、概述
1. 定义


用固定化生物成分或生物体作为敏感元件的传感器称为 生物传感器（biosensor）。 利用生物活性物质具有的分子识别功能，专一、灵敏。
4.实例1：葡萄糖微生物电极 Pseudomonas fluorescence
菌种 有氧 30°C, 20小时培养 6000 n/min 离心、0.1 g 湿细 胞 + 1.8 g 胶原纤维，混匀，滴于四氟乙烯膜上，室温晾干, 浸于戊二醛中1分钟，4°C干燥，装在氧电极外套上. 测定原理及过程： 响应参数和条件：35°C, pH 7, 10-4~10-5mol/L,30 D
Incyte Pharmaceuticals(Palo Alto, Cali- fornia) 等等。
基因芯片
基因芯片又称寡核苷酸探针微阵列。 将系列DNA片段固定在载体上（硅片、尼 龙膜）。可同时进行数百次常规测试。 大量探针分子固定于支持物上后， 利用DNA双链的互补碱基之间的氢键作用， 与标记的样品分子进行杂交，然后用精 密扫描仪或摄像纪录，通过计算机软件 分析处理，得到有价值的生物信息。 在基因芯片制备过程中，使用了半 导体领域的微加工技术（如右图中的光 刻技术）。 基因芯片可同时对大量核酸分子进 行检测分析，已应用于生物医学、生物 分子学、人类基因组研究和医学临床诊 断领域。
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底物 相对值 葡萄糖 果糖 100 4 半乳糖 蔗糖 9 4 麦芽糖 甘氨酸 谷氨酸 0 4 0
实例2：BOD微生物传感器
BOD概念:生化需氧量 传感器原理： 细菌在同化有机物时， 消耗氧，其程度与同化 作用的强弱，即有机物 的浓度成正比。
五、免疫传感器

免疫传分析特点： 利用抗原、抗体所具有的高灵敏度、高选择 性的结合做为分子识别手段进行分析。 免疫传感器分类： 非标记免疫传感器和标记免疫传感器两类
四、微生物传感器
1.特点

适合发酵体系 微生物的菌株价格低
其细胞内酶的活性因细胞增殖而再生,寿命长
适合完成需要辅助因子的复杂连续反应 干扰较酶传感器严重
2. 微生物传感器的分类
按工作原理：
（1）用微生物体内酶的生物活性
类似酶传感器
（2）利用微生物对有机物的同化作用
（a）呼吸机能型微生物传感器 （b）代谢机能型微生物传感器
（2）乙醇传感器
C2 H 5OH O2 乙醇氧化酶 CH 3CHO H 2O
生物分子识别元件：乙醇氧化酶膜 信号转换元件：氧电极
乙醇脱氢酶 C2 H5OH Ox CH3CHO Re d
生物分子识别元件：乙醇脱氢酶膜 信号转换元件：Ox 电子传递介质（二茂铁、四硫富瓦烯） 15秒，10-6-10-4 mol/L
（3）谷丙转氨酶(GPT)传感器
GPT 2 酮戊二酸 L 丙氨酸 L 谷氨酸 丙酮酸
丙酮酸氧化酶 丙酮酸 H3 PO4 O2 乙酰磷酸 乙酸+CO2 +H2O2
生物分子识别元件：丙酮酸氧化酶 信号转换元件：氧电极， H2O2电极及pH、CO2电极
三、组织电极
以动植物组织薄片材料作为生物敏感膜的生物传感器.
特点：

酶处于天然、理想状态，稳定、功效高 寿命一般较长 有些没有了解的反应途径或无条件拟合的体系，可直 接用组织代替 组织可直接成膜，便于固定，成本低 组织酶源广 商品化难以实现



实例1:猪肾组织L-谷氨酰胺电极
谷氨酰胺水解酶 谷氨酰胺 H2O 谷氨酸 NH3
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5.酶电极及酶传感器实例
（1）葡萄糖氧化酶电极
C6 H12O6 2H 2O O2 葡萄糖氧化酶 C6 H12O7 2H 2O2
生物分子识别元件：葡萄糖氧化酶膜
可用的测量量：O2的减少量，葡萄糖酸或H2O2的产生量
信号转换元件：氧电极，pH电极及H2O2电极

1 非标记免疫传感器

原理：
抗体与抗原（蛋白质）的结合有高度选择性，当两 者结合时，蛋白质分子发生各种性质变化，如携带 的大量电荷会产生电位变化，继而引起事先固定了 抗原或抗体的各种转换元件电化学及物理参数的改
变。
优点：
仪器要求简单、操作容易、不需要额外试剂
缺点：
灵敏度较低、样品需要量大、非特异性吸附造成 假阳性
2.

酶及酶促反应
酶：由生物体产生的具有催化能力的蛋白质 特性：高效106-13；条件温和；高度专一；具有调节 能力；容易变性和失活
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酶（Enzyme）
酶的专一性：锁和钥匙 的关系。这种关系在生 物大分子的相互作用中 具有普遍性，
对底物选择性地结合， 避免其它物质干扰。
食品物性与无损检测
潘磊庆 南京农业大学食品科技学院
第七章 生物传感器检测


Βιβλιοθήκη Baidu

传感器按检测对象分： 物理传感器：检测力、热、光、电、磁等物 理量 化学传感器：检测化学量。包括：能检测离 子的化学传感器；电子鼻检测的气体传感器； 生物传感器。
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生物传感器的模型
蛋白质芯片
蛋白质芯片主要是蛋白 质如抗原或抗体在载体上的 有序排列，依据蛋白质 分子、 蛋白质与核酸相互作用的原 理进行杂交、检测和分析。
如：
组织芯片
组织芯片与基因芯片、 蛋白质芯片及细胞芯片等一 样，属于一种特殊、新型的 生物芯片，是一种新型的高 通量、多样本的研究工具。 它将数十个甚至上千个 不同个体的组织标本集成在 一张固相载体上，为医学分 子生物学提供了一种高通量、 大样本以及快速的分子水平 的分析工具。
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3．生物传感器在发酵工业中的应用

各种生物传感器中微生物传感器最适合 发酵工业中的测量。
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4．生物传感器在食品工业中的应用展望

生物传感器在食品工业中的应用前景，主要有以下几个方面： ①从实验室走向商品化的进程。 ②在食品检测中的应用将会进一步拓宽。 ③由单一功能的生物传感器向多功能生物传感器发展。 ④和其他精密分析仪器相结合，互补长短。 ⑤生物传感器向微型化、集成化，智能化方向发展。
生物传感器在农产品检测中的应用





1．生物传感器在食品检验中的应用 (1)食品鲜度的测定 肉的鲜度的快速测定，对于食品制作及 评价肉类及其制品的质量十分重要。 ①鱼鲜度传感器。鱼鲜度传感器在日本、加拿大等国广 泛用于鱼类鲜度的测定。 ②肉鲜度传感器。肉类在腐败过程中会产生各种胺类， 故胺类测定也能反映肉类的新鲜度。 ③牛乳鲜度传感器。牛乳鲜度传感器最早由高桥福辛发 明，实际上是一个菌数测定仪。 (2)食品与农产品的滋味及熟度的测定
2）将热变化转化为电信号 3）将光信号转化为电信号
4）直接产生电信号
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2. 分类

根据输出信号产生的方式
生物亲和型、代谢型、催化型

根据生物分子识别元件上的敏感物质 酶传感器、组织传感器、微生物传感器、免疫传感器、基 因传感器等 根据信号转化器

电化学生物传感器、半导体生物传感器等
1979，Rechnitz, 6.0×10-5 - 6.7×10-3mol/L 6min 28天
实例2:花椰菜膜L-抗坏血酸组织电极
抗坏血酸氧化酶 L-抗坏血酸 O2 脱氢抗坏血酸+H2O
电极制作：组织糊+牛血清白蛋白+戊二醛+尼龙网+氧电极
工作条件：底液、pH、温度 影响因素：组织、固定化、工作条件
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敏感元件：
酶、抗体、核酸、细胞等。
酶 (Enzyme)
转换器：
电化学电极、光学检测元件、 场效应晶体管、压电石英晶体、 表面等离子共振。
抗体(Antibody)
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DNA
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工作原理
1）将化学信号变为电信号
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2．生物传感器在食品卫生检测中的应用

生物传感器在食品卫生检测中主要有以下应用： (1)食品中细菌和病原菌的测定 (2)检测食品中毒素



(3)检测食品中残留农药
(4)检测食品中添加剂

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一种葡萄糖传感器-Glucowatch
•Glucose pulled through the skin by charged molecules •The ions migrate to the anode (+) and cathode (-) •Glucose reacts with glucose oxidase to form hydrogen peroxide •The reaction produces an electrochemical measured by the AutoSensor
标记免疫传感器

优点：

灵敏度高、选择性好，可做为常规方法 使用

缺点：

需要标记物，操作较复杂
七、生物芯片

引言 传感器阵列和生物微阵列传感器 基因传感器和基因芯片
生物芯片
生物芯片是生物传感器的阵列和集成化。 生物芯片是指包被 在硅片、尼龙膜等固相 支持物上的高密度的组 织、细胞、蛋白质、核 酸、糖类以及其它生物 组分的微点阵。芯片与 标记的样品进行杂交， 通过检测杂交信号即可 实现对生物样品的分析。