食品安全与生物传感器技术食品安全与生物传感器技术计算机计算机大脑大脑传传感感器器感感觉觉器器官官Apple Watch苹果官方近日公布了其内置心率传感器的工作原理。苹果的技术支持文档显示，AppleWatch的心率测量周期是每10分钟测量一次，并将数据存储在健康App中。这些检测信息，再结合收集到的其他数据，计算佩戴者的卡路里消耗量。AppleWatch利用LED绿光和红外光，以及两种光传感器来检测心率。当其处于15摄氏度以下的低温时，通过测量绿光的吸收状况来获取更为精准的数据。而高温环境下，比如用户正在健身房里挥汗如雨时，皮肤表面水分增加，由于更多绿光已经被吸收掉，要检测皮下反射的绿光就比较困难，这时AppleWatch就转换到红外光模式。这种用于血流检测的光学技术，专业上称为“光电容积脉搏波描记法（photoplethysmography）”，简称PPG。绿光PPG跟EKG（心电图）获取的数据更接近。下图显示的是下图显示的是PPG测量结果和测量结果和EKG、血压数据的对比情况。、血压数据的对比情况。可以看出可以看出PPG技术上的优势，以及跟技术上的优势，以及跟EKG数据更为匹配：数据更为匹配：心脏平均每分钟跳（bpm）72下。运动过程中，肌肉需要更多氧气，心跳会加速来满足氧气供应；健身时，AppleWatch的心率感应器将心率数据显示在手腕的屏幕上，用户可以随时随地用HeartRateGlance查看。AppleWatch的绿光模式每分钟检测一次，而红外光模式每十分钟检测一次，收集用户的心率和脉冲等数据。信息和数据储存在健康应用中，帮助计算用户消耗的卡路里数量，还可以反映运动强度以及运动过程中的心率变化。AppleWatch是如何检测心率的？是如何检测心率的？l“光电容积脉搏波描记法（photoplethysmography）”的英文单词读起来难，但原理却简单：血液是红色的，反射红光，吸收绿光。AppleWatch结合绿色LED光跟感光光电二极管，检测特定时间手腕处流通的血液量。l心脏跳动的一瞬，手腕处流通的血液量增加，吸收更多绿光；而心跳间隙，吸收的绿光就少一些。AppleWatch上LED光每秒闪动数百次，计算出每分钟的心跳次数，也就是心率。lAppleWatch心率传感器的红外光模式每十分钟检测一次心率。倘若红外系统无法读取足够数据的话，AppleWatch就会自动转换到绿光模式。心率传感器还通过提高LED亮度和采样率来应对信号不足的情况。第一节第一节概述概述l食品的质量和安全性是影响人们健康的重要因素，为保证食品质量及对加工过程进行人为的控制，需要建立合适的分析方法。l传统的分析方法有物理法、化学法及仪器分析法，这些方法都存在着样品预处理步骤复杂、分析时间长、设备庞大、不能现场测定等缺点。因此，运用新的原理和方法开发准确安全的快速检测新技术是目前急需解决的问题。l生物传感器具有选择性好、灵敏度高、分析速度快等优点，生物传感器具有选择性好、灵敏度高、分析速度快等优点，并且可以实现连续测定和在线分析，因此，其被广泛应用并且可以实现连续测定和在线分析，因此，其被广泛应用于食品安全检测领域。于食品安全检测领域。第二节第二节生物传感器生物传感器1生物传感器的基本概念生物传感器的基本概念生物传感器通常是指由一种生物传感器通常是指由一种生物敏感部件生物敏感部件和和转化器转化器紧密结合紧密结合,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。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。法。生物传感器工作原理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。3、生物传感器与其他传感器的最大区别：、生物传感器与其他传感器的最大区别：l生物传感器的信号检测以生物活性物质作为敏感元件，具有特异识别分子的能力。与传统的分析方法相比，这种新的检测装置具备以下特点：l(1)体积小、响应快、准确度高，可以实现连续在线检测；体积小、响应快、准确度高，可以实现连续在线检测；l(2)一般不需进行样品的预处理，可将样品中被测组分的分一般不需进行样品的预处理，可将样品中被测组分的分离和检测统一为一体，使整个测定过程简便迅速，容易实离和检测统一为一体，使整个测定过程简便迅速，容易实现自动分析；现自动分析；l(3)可进行活体分析；可进行活体分析；l(4)生物传感器连同测定仪的成本远低于大型分析仪器，便生物传感器连同测定仪的成本远低于大型分析仪器，便于推广普及。于推广普及。4、生物传感器发展历程、生物传感器发展历程l开端于20世纪60年代。l1962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。l1967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。l20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。l1977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。5.1将化学变化转变成电信号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。用能把这类用能把这类物质的量物质的量的改变转换为的改变转换为电信号的装置和固定化电信号的装置和固定化酶耦合酶耦合,即组成酶传感器即组成酶传感器,常用转换装置有氧电极、过氧化氢。常用转换装置有氧电极、过氧化氢。氨气检测仪氨气检测仪检测原理一般包括电化学或半导体原理传感器。采样方式检测原理一般包括电化学或半导体原理传感器。采样方式分为泵吸式和扩散式，氨气检测仪主要有采样、检测、指分为泵吸式和扩散式，氨气检测仪主要有采样、检测、指示及报警等部分组成，当环境中的氨气扩散或抽吸达到传示及报警等部分组成，当环境中的氨气扩散或抽吸达到传感器时，传感器将氨气浓度大小转换为一定大小的电信号，感器时，传感器将氨气浓度大小转换为一定大小的电信号，再由显示器将浓度值显示出来。再由显示器将浓度值显示出来。5.2 将热变化转换成电信号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把反应的热效应反应的热效应借借热敏电阻热敏电阻转换为阻值的变化转换为阻值的变化,后者通过有放大器的电桥输后者通过有放大器的电桥输入到记录仪中入到记录仪中。l数显温度计采用温度敏感元件也就是温度传感器（如铂电阻，热电偶，半导体，热敏电阻等），将温度的变化转换成电信号的变化，如电压和电流的变化，温度变化和电信号的变化有一定的关系，如线性关系，一定的曲线关系等，这个电信号可以使用模数转换的电路即AD转换电路将模拟信号转换为数字信号，数字信号再送给处理单元，如单片机或者PC机等，处理单元经过内部的软件计算将这个数字信号和温度联系起来，成为可以显示出来的温度数值，如25.0摄氏度，然后通过显示单元，如LED,LCD或者电脑屏幕等显示出来给人观察。这样就完成了数字温度计的基本测温功能 5. 将光信号转变为电信号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.BenthoTorch底栖藻类便携式检测仪底栖藻类便携式检测仪对底栖藻类荧光测试的仪器对底栖藻类荧光测试的仪器利用藻类细胞内的荧光:细胞色素被不同颜色（波长）的LED光源所激发并发出红色的荧光，而这种光是自然界中高度敏感的光源。叶绿素荧光的光强度被用来区别不同的藻类例如叶绿素a，并分别命名为绿藻，蓝藻（蓝细菌）以及硅藻。这种计算是通过内部优化的算法进行的。计算结果会显示在显示屏上并存储于内部内存中。自带的USB接口能够将数据传输到电脑。电脑软件是免费提供的。都是将分子识别元件中的都是将分子识别元件中的生物敏感物质生物敏感物质与与待测物待测物发生发生化学反应化学反应,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换器转变为电信号进行测量,这种方式统称为这种方式统称为间接测量方式间接测量方式.上述三类传感器原理的共同点上述三类传感器原理的共同点5.4 5.4 直接产生电信号方式直接产生电信号方式这种方式可以这种方式可以使酶反应伴随的电子转移、微生物使酶反应伴随的电子转移、微生物细胞的氧化细胞的氧化直接直接(或通过电子递体的作用或通过电子递体的作用)在电极表面在电极表面上发生上发生。根据所得的电流量即可得底物浓度。根据所得的电流量即可得底物浓度。6生物传感器分类生物传感器分类6.1根据传感器输出信号的产生方式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等6.2根据生物传感器的信号转换器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6.3根据生物传感器中生物分子识别元件上的敏感材料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。生物传感器的分类：生物传感器的分类：按工作原理分：按工作原理分：按所用的生物活性物质分：按所用的生物活性物质分： 酶传感器酶传感器 微生物传感器微生物传感器 组织传感器组织传感器 细胞器传感器细胞器传感器 免疫传感器免疫传感器 核酸生物传感器等核酸生物传感器等按信号转换器类型：按信号转换器类型：生物传感器的信号转换器类型生物传感器的信号转换器类型电化学式电化学式光学式光学式其他其他电位式电位式电流式电流式电导式电导式光光导导纤纤维维光光电电子子元元件件表表面面声声波波压压电电晶晶体体热热敏敏件件平平面面波波导导表表面面等等离离子子体体共共振振传传感感聚聚合合物物修修饰饰电电极极金金属属电电极极离离子子选选择择性性电电极极传传感感有有机机盐盐修修饰饰电电极极场场效效应应晶晶体体管管气气敏敏电电极极贵贵金金属属电电极极碳碳素素或或半半导导体体电电极极每一类名称又都包含许多种具体的生物传感器l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l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。被测物质与分子识别元件上的敏感物质具有被测物质与分子识别元件上的敏感物质具有生物亲生物亲合作用合作用，即二者能，即二者能特异地特异地相结合，同时引起敏感材料的相结合，同时引起敏感材料的分子结构和分子结构和/或固定介质发生变化。例如：电荷、温度、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：光学性质等的变化。反应式可表示为：S（底物）（底物）+R（受体）（受体）=SR生物亲合型传感器生物亲合型传感器底物（被测物）与分子识别元件上的敏感物质相底物（被测物）与分子识别元件上的敏感物质相作用并生成产物作用并生成产物，信号转换器将，信号转换器将底物的消耗或产底物的消耗或产物的增加转变为输出信号物的增加转变为输出信号，这类传感器称为代谢，这类传感器称为代谢型传感器，其反应形式可表示为型传感器，其反应形式可表示为S（底物）（底物）R（受体）（受体）=SRP（生成物）（生成物）代谢型传感器代谢型传感器7生物传感器组成部分生物传感器组成部分l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);l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。（一）生物识别元件一）生物识别元件l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.（二）换能器（二）换能器l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。l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l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（三）信号处理放大装置（三）信号处理放大装置l主要负责信号的分析处理和放大输出。l它能将换能器产生的电信号进行处理、放大和输出。手掌型葡萄糖(glucose)分析仪6.2传感器类型传感器类型(1) (1) 酶传感器酶传感器(EnzymeSensor)(EnzymeSensor)酶的活力单位（酶单位）酶的活力单位（酶单位）标准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（一个酶单位（U）是在特定的条件下）是在特定的条件下lmin内催化形成内催化形成1mol产物的酶量（或转化产物的酶量（或转化1mo1底物的酶量）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,底物为饱和溶液酶传感器酶传感器l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。l1967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。l(1)溶解氧的变化可能引起电极响应的波动;l(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;l(3)传感器响应性能受溶液pH值和温度影响较大葡萄糖电极葡萄糖电极缺点缺点:l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(2)组织传感器组织传感器(TissueSensor)l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.l与酶传感器比较，组织传感器具有如下优点：l1.酶活性较离析酶高酶活性较离析酶高.l2.酶的稳定性增大酶的稳定性增大.l3.材料易于获得材料易于获得.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电极肝组织电极肝组织电极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10A）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(n9)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二氧化碳气敏电极结构(3)微生物传感器微生物传感器l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。l装置：由适合的微生物电极与氧电极组成。l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.l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l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，(4)核酸传感器核酸传感器l依据生物体内核苷酸顺序相对稳定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核苷酸碱基顺序互补的原理而设计出核酸探针传感器而设计出核酸探针传感器,即基因传感器。即基因传感器。l基因传感器一般有1030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。l根据换能器种类不同可分为电化学型、光学型、压电免疫传感器及表面等离子体共振型基因传感器，这种传感器可用于检测食品中的病原体,为食品中病原体的鉴定提供了新的手段。7生物传感器的应用生物传感器的应用l在食品分析中的应用在食品分析中的应用l在发酵工程中的应用在发酵工程中的应用l在环境监测中的应用在环境监测中的应用l在生物医学上的应用在生物医学上的应用l在军事上的应用在军事上的应用7.1在食品分析的应用在食品分析的应用l食品成分分析l食品添加剂的分析l农药和抗生素残留量分析l微生物和生物毒素的检验l食品鲜度的检测一、酶生物传感器一、酶生物传感器六、 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，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定化，然后与电化学检测器件复合而成。复合而成。用于固定酶电极用于固定酶电极的电化学器件的电化学器件测电流：测电流：O O2 2、H H2 2O O2 2、H H2 2电极电极测电位：测电位：H H+ +、COCO2 2、NHNH3 3电极等电极等酶传感器在食品领域的应用：酶传感器在食品领域的应用：（一）酶传感器在食品营养成分分析过程中的应用（一）酶传感器在食品营养成分分析过程中的应用 葡萄糖葡萄糖O O2 2- - 葡萄糖酸内酯葡萄糖酸内酯H H2 2O O2 2（二）生物传感器在食品安全监督方面的应用（二）生物传感器在食品安全监督方面的应用 掺假鉴定掺假鉴定 农药及其残留、重金属、硝酸盐等有害物质检测农药及其残留、重金属、硝酸盐等有害物质检测 GODGOD 抗原是一种进入机体后能刺激机体产生免疫反应的物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质。当抗原进入机体后刺激B B细胞产生抗体。抗原和细胞产生抗体。抗原和抗体可以特异性地结合。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非标记免疫传感器标记免疫传感器标记免疫传感器几种新型免疫传感器及其在食品分析中的应用：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（一）酶免疫传感器（二）光寻址电位传感器（二）光寻址电位传感器（三）受体免疫传感器（三）受体免疫传感器（四）光学免疫传感器（四）光学免疫传感器（五）压电免疫传感器（五）压电免疫传感器（六）免疫芯片（六）免疫芯片生物芯片指包被在固相载体上的高密度生物芯片指包被在固相载体上的高密度DNA、抗原、细、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。构成免疫芯片。 微生物传感器是由载体结合的微生物细胞和电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，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。物质测定型传感器。三、微生物传感器在各种生物传感器中，微生物传感器最适合发酵工业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。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：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原材料及代谢产物的测定微生物细胞总数的测定微生物细胞总数的测定代谢实验的鉴定代谢实验的鉴定食品中毒素的检测食品中毒素的检测组织传感器的基本原理与酶传感器相同，是把动植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。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、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。稳定性强、制作简单、使用方便。四、组织传感器组织传感器组织传感器动物组织传感器动物组织传感器植物组织传感器植物组织传感器DNADNA生物传感器生物传感器是一种能将目的是一种能将目的DNADNA得存在转变为可检测得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固定一条有十几到上千个核苷酸的单链DNADNA（ssDNAssDNA），），通过通过DNADNA分子杂交，对另一条含有互补碱基序列的分子杂交，对另一条含有互补碱基序列的DNADNA进进行识别，结合成双链行识别，结合成双链DNADNA（dsDNAdsDNA）。）。（一）（一）DNADNA修饰电极制作传感器修饰电极制作传感器（二）光学（二）光学DNADNA生物传感器生物传感器 光纤光纤DNADNA生物传感器生物传感器 光渐消逝波光渐消逝波DNADNA传感器传感器 表面等离子体共振表面等离子体共振DNADNA生物传感器生物传感器（三）压电晶体（三）压电晶体DNADNA传感器传感器五、五、DNA杂交传感器杂交传感器由细胞器组成的传感器可用来测定用单一酶组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。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线粒体传感器微粒体传感器微粒体传感器叶绿体传感器叶绿体传感器磁粒体传感器磁粒体传感器溶酶体传感器溶酶体传感器辅酶辅酶I I传感器传感器谷胺酰胺传感器谷胺酰胺传感器仿生型生物传感器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人工酶仿生生物传感器脂质膜开关传感器脂质膜开关传感器分子印迹技术分子印迹技术（molecular imprinting technique, MITmolecular imprinting technique, MIT）是指制备对某一特定的目标分子（模板分子、印迹分子或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的过程。烙印分子）具有特异选择性的聚合物的过程。设计分子印记传感器的一个重要方面是找到适当的方法解决设计分子印记传感器的一个重要方面是找到适当的方法解决聚合物与转换器间的界面问题。聚合物与转换器间的界面问题。MIPMIP传感器在食品分析、医药和药理研究及战地和城市环境传感器在食品分析、医药和药理研究及战地和城市环境化学和生化试剂的快速检测方面由很好的应用前景。化学和生化试剂的快速检测方面由很好的应用前景。八、分子印迹生物传感器八、分子印迹生物传感器生物传感器的发展趋势v向商品化方面发展向商品化方面发展v生物传感器系统的研究趋势正向笔式、卡生物传感器系统的研究趋势正向笔式、卡片式和有存储记忆功能的生物传感器方向片式和有存储记忆功能的生物传感器方向发展。发展。（一）食品鲜度的测定（一）食品鲜度的测定1、鱼鲜度传感器 鱼鲜度传感器在日本、拿大等国广泛用于鱼类鲜度的测定。鱼死后体内ATP经酶解依次形成ADP、AMP、IMP、肌苷、次黄嘌呤和尿酸、鲜度可用K值表示：lK=肌苷+次黄嘌呤/ (ATP +ADP+AMP+IMP +肌苷+次黄嘌呤+尿酸)当K20时，鱼极新鲜，可供生食。K在2040之问为新鲜，必须熟食。K大于40，不新鲜，不宜食用，这与嗅觉检验结果相一致。 由于大多数鱼死后520h，ATP，ADP 和AMP已分解尽，超过24h，鲜度主要取决于IMP-肌苷-次黄嘌呤-尿酸。 基于此，Karube等催化将这3个步骤的三种酶（5核苷酸酶、核苷磷酸化酶、黄嘌呤氧化酶）固定在氧电极上，制成鱼鲜度测定仪。2.2.肉鲜度传感器肉鲜度传感器l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程度。l用腐胺氧化酶与过氧化氢电极构成多胺生物传感器，测定肉在贮藏过程中的鲜度，反应时间40s，测定腐胺线性范围为0.033 10-4 molL。l用单胺氧化酶膜和氧电极组成的酶传感器测定可以猪肉新鲜度，响应时间为4min，单胺测定线性范围为502010 -4 molL。3.3.食品添加剂的分析食品添加剂的分析l过量的食品添加剂通常会对人体造成危害，因此对食品中添加剂含量进行分析和监测是非常必要的。l亚硫酸盐是常用的食品防腐剂和漂白剂，但是亚硫酸盐容易引起哮喘，因此美国FDA规定了其在新鲜水果和蔬菜等食品中的含量不得超过110-6mol/L。lGroom等人将亚硫酸氧化酶固定于玻璃电极上，制成了测定亚硫酸盐的生物传感器，其灵敏度（检出下限）达到5nmol/L，线形范围为0-5mmol/L，电极在3mol/L的硫酸盐溶液中4oC保存2个月活性不变。l天冬酰苯丙氨酸甲酯，又称甜味素，是人工合成的低热量甜味剂。Guilbault等将天冬氨酸酶固定于氨电极上，制成生物传感器，其检测线性范围为0.4-0.8mmol/L。4.4.污染微生物的检测污染微生物的检测l1）腐败菌的检测lMatssunage等人开发出一种基于微生物在代谢过程中能产生电子，电子直接在阳极上放电产生电流，通过测定电流大小从而测定微生物浓度的传感器。l用该传感器能很好地检测酿酒酵母和乳酸菌等微生物的数量2 病原菌的检测病原菌的检测l常见的污染食品的病原菌有沙门氏菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、李斯特氏菌、产气荚膜梭菌和蜡样芽孢杆菌等。采用生物传感器则能迅速地测定它们的数量。l用来测定病原菌的生物传感器主要是光纤生物传感器、免疫生物传感器和DNA生物传感器。发酵罐发酵罐主机主机计算机计算机7.2在发酵工业中的应用在发酵工业中的应用-为发酵自动控制提供了新的基础平台为发酵自动控制提供了新的基础平台1)1)、发酵中葡萄糖测定、发酵中葡萄糖测定 过去用操作繁琐时间长的还原糖方法只能近似地估计葡萄过去用操作繁琐时间长的还原糖方法只能近似地估计葡萄糖的变化。糖的变化。 现在提供了快速而准确的固定化酶的测定方法，发酵中现在提供了快速而准确的固定化酶的测定方法，发酵中可根据糖消耗确定微生物的生长速率，观察是否染菌，随时可根据糖消耗确定微生物的生长速率，观察是否染菌，随时与产物的产生一起估算转化率，确定补料效果和及时判断发与产物的产生一起估算转化率，确定补料效果和及时判断发酵结束的时间。酵结束的时间。 发酵过程或设备异常现象通过葡萄糖分析得到及时预报。发酵过程或设备异常现象通过葡萄糖分析得到及时预报。 2)、谷氨酸发酵液的分析l在谷氨酸发酵中，随时跟踪目标产物的产生。快速获得主控在谷氨酸发酵中，随时跟踪目标产物的产生。快速获得主控参数的变化信息，使时间缩短了几十倍。参数的变化信息，使时间缩短了几十倍。l在发酵前期及时知道产酸出现时间在发酵前期及时知道产酸出现时间l在发酵中期可根据谷氨酸产生速率，预知最终的产量，并获在发酵中期可根据谷氨酸产生速率，预知最终的产量，并获得补氨是否均匀的信息得补氨是否均匀的信息l在发酵后期，可根据谷氨酸产生速率变慢情况确定放罐时间在发酵后期，可根据谷氨酸产生速率变慢情况确定放罐时间和今后配料的调整和今后配料的调整在我国发酵工厂普及应用的谷氨酸-葡萄糖双功能分析仪工厂发酵车间化验工厂发酵车间化验员正在分析样品员正在分析样品3、乳酸传感器在发酵上的应用 乳乳酸酸测测定定是是生生物物传传感感器器出出现现后后新新增增加加的的控控制制参参数数。实实践践中中发发现它的控制是获得发酵高产的关键。现它的控制是获得发酵高产的关键。 乳乳酸酸是是需需氧氧发发酵酵产产物物转转化化过过程程中中的的中中间间产产物物，是是过过程程控控制制的的敏敏感感参参数数，与与生生物物素素的的加加入入量量、补补糖糖、活活菌菌数数、菌菌活活力力、空空气气补补给等控制直接相关。给等控制直接相关。 发发酵酵旺旺盛盛期期，乳乳酸酸必必然然产产生生，适适度度的的乳乳酸酸浓浓度度是是高高产产罐罐的的重重要要指指示示。此此时时单单纯纯地地通通过过通通风风是是达达不不到到乳乳酸酸下下降降的的目目的的，反反而而引引起起能能源源的的浪浪费费及及减减产产。发发酵酵后后期期、放放罐罐前前应应控控制制乳乳酸酸下下降降，才才能能达到高产。达到高产。是体育上耐力项目科学训练的常用设备是体育上耐力项目科学训练的常用设备已在抗疲劳保健食品检测中普及应用，许多省级卫生已在抗疲劳保健食品检测中普及应用，许多省级卫生防疫站成功地用这项新技术实现了在同一小实验动物防疫站成功地用这项新技术实现了在同一小实验动物体内多次采血检测，简化了分析化验工作量体内多次采血检测，简化了分析化验工作量 是发酵控制的有效新指标是发酵控制的有效新指标 是新型可降解塑料聚是新型可降解塑料聚 L-L-乳酸前体生产过程控制的主乳酸前体生产过程控制的主控参数控参数 乳酸传感器的应用现状乳酸传感器的应用现状BSXinsight运动传感器开售可检测乳酸水平人体在锻炼是所产生的乳酸被认为是测量运动表现的最准人体在锻炼是所产生的乳酸被认为是测量运动表现的最准确方式，但是，乳酸水平检测只能依靠血液检测和大型设备确方式，但是，乳酸水平检测只能依靠血液检测和大型设备实现。不过现在，创业公司实现。不过现在，创业公司BSXinsight所推出的可穿戴传感所推出的可穿戴传感器可让用户随时获得相关的信息。器可让用户随时获得相关的信息。BSXinsight的设备需要被佩戴在小腿上，其内侧的传感器的设备需要被佩戴在小腿上，其内侧的传感器能够依靠光学技术读取出血液中的血氧水平，并以此计算出能够依靠光学技术读取出血液中的血氧水平，并以此计算出乳酸水平。这款设备可以通过蓝牙与智能手机或乳酸水平。这款设备可以通过蓝牙与智能手机或ANT+心率监心率监控仪相连，让用户查看到相关的数据，并获得准确的锻炼分控仪相连，让用户查看到相关的数据，并获得准确的锻炼分析。此外，析。此外，BSXinsight所提供的桌面底座也可进行数据同步，所提供的桌面底座也可进行数据同步，并对设备进行充电。并对设备进行充电。lBSXinsight的这款可穿戴传感器此前已经在众筹平台的这款可穿戴传感器此前已经在众筹平台Kickstarter上取得了成功，并于日前开始发货。上取得了成功，并于日前开始发货。l该设备共有三个不同的版本，适用于跑步、骑行和综该设备共有三个不同的版本，适用于跑步、骑行和综合运动，售价分别是合运动，售价分别是299.99/369.99/419.99美元（约美元（约合人民币合人民币1860/2293/2603元）。元）。水质分析水质分析：一个典型应用是测定生化需氧量（BOD），传统方法测BOD需5天，且操作复杂。1977年Karube等首次报道了BOD微生物传感器，只需15分钟即能测出结果,连续使用寿命达17天； 废气或环境大气的监测废气或环境大气的监测 ：可用于测定空气中SO2、NOX、CO2、NH3、CH4等的含量；农药和抗生素残留量的分析农药和抗生素残留量的分析 ：用乙酰胆碱酯酶和丁酰胆碱酯酶为敏感材料制作的离子敏场效应晶体管酶传感器可用于蔬菜等样品中有机磷农药DDVP和伏杀磷等的测定 3) 3) 在环境监测中的应用在环境监测中的应用SBA-70型血糖乳酸自动分析仪德国研发的环境废水德国研发的环境废水BODBOD分析仪分析仪德国WTW CarboVis 705 IQ在线COD,BOD,TOC,SAC,TSS检测仪传感器概述l新型光谱传感器在直径为新型光谱传感器在直径为60mm的传感器内含有一组的传感器内含有一组精密的光谱分析组件，可在紫外可见波段内精确地分精密的光谱分析组件，可在紫外可见波段内精确地分析市政污水厂入口、生化池或排放口的有机污染浓度析市政污水厂入口、生化池或排放口的有机污染浓度如如COD、BOD、TOC、DOC、SAC，也可测试，也可测试TSS总悬浮固体浓度和硝氮以及亚硝氮浓度。使用简单，总悬浮固体浓度和硝氮以及亚硝氮浓度。使用简单，无须试剂，不需要样品预处理。无须试剂，不需要样品预处理。l采用了专利的光学系统设计确保最高的测量精度、稳采用了专利的光学系统设计确保最高的测量精度、稳定性和可靠性，无漂移传感器保证了使用很长时间也定性和可靠性，无漂移传感器保证了使用很长时间也能得到可靠的数据，无须常规维护。采用完整的全光能得到可靠的数据，无须常规维护。采用完整的全光谱长度范围从谱长度范围从200nm到到720nm或或200-390nm，比单波，比单波长或多波长原理有更好的测量结果，和对干扰物质如长或多波长原理有更好的测量结果，和对干扰物质如浊度有最优的补偿。浊度有最优的补偿。l内置先进的超声波清洗系统减少了手动视窗清洗时间，内置先进的超声波清洗系统减少了手动视窗清洗时间，对于特殊恶劣环境应用还可以增加压缩空气清洗。采对于特殊恶劣环境应用还可以增加压缩空气清洗。采用高科技材料用高科技材料-钛合金和钛合金和PEEk，可用于非常恶劣的环，可用于非常恶劣的环境，具有很长的使用寿命。境，具有很长的使用寿命。简述简述l四种型号四种型号-CarboVis：COD传感器传感器-NitraVis：硝氮传感器：硝氮传感器-NiCaVis：COD硝氮传感器硝氮传感器-NiCaVisNI：COD硝氮硝氮亚硝氮传感器亚硝氮传感器l在线测量在线测量COD、BOD、TOC、TSS和硝氮、亚硝氮和硝氮、亚硝氮l专利光学系统确保最高的精度、稳定性和可靠性专利光学系统确保最高的精度、稳定性和可靠性l全光谱保证最好的结果和补偿全光谱保证最好的结果和补偿l先进的超声波清洗系统保证最小的维护先进的超声波清洗系统保证最小的维护l钛合金和钛合金和PEEK材质，更耐化学腐蚀材质，更耐化学腐蚀l标配塑胶缓冲保护帽，抗撞击，超级耐用标配塑胶缓冲保护帽，抗撞击，超级耐用传感器结构传感器结构l从光源从光源1发出的光经透镜发出的光经透镜2扩散后以平行光的形式进入到测量池扩散后以平行光的形式进入到测量池3，再经会，再经会聚透镜聚透镜4聚焦后到达检测器聚焦后到达检测器5，产生感测信号。在图中，产生感测信号。在图中，6为测量信号，有为测量信号，有穿过测试液体，穿过测试液体，7为参考信号，不经过测试液体，这两组信号经光电二极为参考信号，不经过测试液体，这两组信号经光电二极管接收转成电流信号以一定的代数运算转换成所需的组分浓度。管接收转成电流信号以一定的代数运算转换成所需的组分浓度。1光源2扩散透镜3测量光程4聚焦透镜5检测器6测量光束7参比光束8压缩空气喷嘴测量原理测量原理l基本工作原理为紫外可见连续光谱扫描。当一束光穿过测试液体基本工作原理为紫外可见连续光谱扫描。当一束光穿过测试液体时，液体中的任一物质会吸收光，减弱了透射光的强度，仪器通时，液体中的任一物质会吸收光，减弱了透射光的强度，仪器通过测量不同波长下的吸光度从而描绘出吸收曲线，通过分析吸收过测量不同波长下的吸光度从而描绘出吸收曲线，通过分析吸收曲线就可以定性、定量测试待测组分。同时，液体中的固体颗粒曲线就可以定性、定量测试待测组分。同时，液体中的固体颗粒会在各个方向上散射光，引起透射光（所有波长）强度减少，通会在各个方向上散射光，引起透射光（所有波长）强度减少，通过连续光谱扫描可有效补偿待测液背景成分变化的影响。用这种过连续光谱扫描可有效补偿待测液背景成分变化的影响。用这种方法测试的探头有一定的测试间隔，不能连续测试。方法测试的探头有一定的测试间隔，不能连续测试。lWTW光谱传感器采用最新的光学设计，具有对称的测量系统和光谱传感器采用最新的光学设计，具有对称的测量系统和参比系统，具有相同的光学元件、光强、光量和光程长度，所以参比系统，具有相同的光学元件、光强、光量和光程长度，所以具有自动漂移补偿、无须常规调零。具有自动漂移补偿、无须常规调零。llNitraVis/CarboVis/NiCaVis光学传感器可根据不同样品自动调光学传感器可根据不同样品自动调整光源闪烁次数，保证光信号不会太强也不会太弱，具有非常低整光源闪烁次数，保证光信号不会太强也不会太弱，具有非常低的信噪比，测量数据可靠。的信噪比，测量数据可靠。UV/VIS传感器传感器CODtotal和实验室和实验室COD对比图对比图UV/VIS传感器传感器CODtotal和实验室和实验室COD对比图对比图外形尺寸外形尺寸带抗震保护帽带抗震保护帽机械构造机械构造外壳：钛合金外壳：钛合金3.7035、PEEK；镜片：兰宝石；镜片：兰宝石pH范围范围pH4pH12流速流速3米米/秒秒最大压力最大压力小于小于1巴巴浸入深度浸入深度至少测量槽要浸没到水样至少测量槽要浸没到水样中，最多中，最多10米深度米深度位置朝向位置朝向任意任意尺寸尺寸80259.9mm（长度（长度X直径）直径）重量重量约约4K Kg功耗功耗8W8W质保期质保期二年二年l自动清洗自动清洗lNitraVis/CarboVis/NiCaVis光学传感器具有多种清洗方式，可光学传感器具有多种清洗方式，可单独选择超声波清洗或压缩空气清洗，还可以选择复合模式超声单独选择超声波清洗或压缩空气清洗，还可以选择复合模式超声波波+压缩空气清洗。传感器会自动选择最合适的清洗周期。如果压缩空气清洗。传感器会自动选择最合适的清洗周期。如果选择用空气吹洗，则要设置相应的继电器功能。选择用空气吹洗，则要设置相应的继电器功能。l超声波清洗系统超声波清洗系统l探头标准配备了超声波清洗系统，可保证长期可靠工作，维护保探头标准配备了超声波清洗系统，可保证长期可靠工作，维护保养省。光学镜片在超声波的作用下会轻微振动，可有效防止污染养省。光学镜片在超声波的作用下会轻微振动，可有效防止污染物附着在光学镜片上，从而大大提高了测试的稳定性和可靠性。物附着在光学镜片上，从而大大提高了测试的稳定性和可靠性。