生物传感器在食品微生物检验中的应用讲稿.ppt

关于生物传感器在食品微生物检验中的应用第一页，讲稿共二十九页哦计算机计算机大脑大脑传传感感器器感感觉觉器器官官第二页，讲稿共二十九页哦第一节第一节 生物传感器概述生物传感器概述 能感受规定的被测量并按照一定的规能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由，通常由敏感元件敏感元件和和转化、转换元件转化、转换元件组成。组成。传感器传感器：一、生物传感器的概念一、生物传感器的概念敏感元件：敏感元件：指传感器中能直接感受或相应被测量的部指传感器中能直接感受或相应被测量的部分。分。转换元件：转换元件：指将敏感元件感受或响应的被测量转换指将敏感元件感受或响应的被测量转换成适应于传输或测量的电信号部分。成适应于传输或测量的电信号部分。第三页，讲稿共二十九页哦 由由生物识别元件生物识别元件和和信号转换器信号转换器组成，能够选择性地对样品中的待测物发出响应，通过组成，能够选择性地对样品中的待测物发出响应，通过生物识别系统和电化学或其他传感器把待测物质的浓度生物识别系统和电化学或其他传感器把待测物质的浓度转为电信号，根据电信号大小定量测出待测物质的浓度。转为电信号，根据电信号大小定量测出待测物质的浓度。生物传感器是应用生物活性材料（如酶、蛋白质、生物传感器是应用生物活性材料（如酶、蛋白质、DNADNA、抗体、抗体、抗原、生物膜等）与物理或化学换能器有机结合的抗原、生物膜等）与物理或化学换能器有机结合的一门交叉学科，是物质在分子水平的快速、微量分一门交叉学科，是物质在分子水平的快速、微量分析方法。有共同的结构：一种或数种相关生物活性析方法。有共同的结构：一种或数种相关生物活性材料及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物材料及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器。理或化学换能器。一、生物传感器的概念一、生物传感器的概念生物传感器（生物传感器（BiosensorBiosensor）：第四页，讲稿共二十九页哦二、生物传感器的发展史二、生物传感器的发展史19621962年，年，ClarkClark利用酶法和离子选择电极（利用酶法和离子选择电极（ISEISE）技术，构成了技术，构成了“酶电极酶电极”的雏形；的雏形；19671967年，年，UpdikeUpdike将葡萄糖氧化酶固化在将葡萄糖氧化酶固化在ClarkClark氧电极表面，这种酶电极能反复用于血糖测定；氧电极表面，这种酶电极能反复用于血糖测定；第一代生物传感器：第一代生物传感器：6060年代初年代初7070年代中年代中第二代生物传感器：第二代生物传感器：7070年代后期年代后期8080年代初年代初相继出现微生物传感器、组织传感器、细胞传感器相继出现微生物传感器、组织传感器、细胞传感器和受体传感器；和受体传感器；第五页，讲稿共二十九页哦 根据生物学反应中产生的各种信息（如光电效应、场根据生物学反应中产生的各种信息（如光电效应、场效应、热效应、质量变化和光效应等）来设计各种更效应、热效应、质量变化和光效应等）来设计各种更精密、灵敏的检测装置。精密、灵敏的检测装置。二、生物传感器的发展史二、生物传感器的发展史第三代生物传感器：第三代生物传感器：8080年代中期年代中期9090年代年代第六页，讲稿共二十九页哦三、生物传感器的特点三、生物传感器的特点经济、简便：一般不需要进行样品预处理，经济、简便：一般不需要进行样品预处理，测定时一般不需要另外添加其他试剂；测定时一般不需要另外添加其他试剂；专一性强；专一性强；体积小便于携带，可实验连续在线检测和现场体积小便于携带，可实验连续在线检测和现场检测；检测；操作系统比较简单，容易实现自动分析，操作系统比较简单，容易实现自动分析，准确度高；准确度高；样品用量小，响应快，可反复使用；样品用量小，响应快，可反复使用；得到的信息量大，可用于指导生产。得到的信息量大，可用于指导生产。优点：优点：第七页，讲稿共二十九页哦三、生物传感器的特点三、生物传感器的特点敏感膜上生物分子的固定量以及固定分子敏感膜上生物分子的固定量以及固定分子的活性很难控制，导致传感器使用的一致的活性很难控制，导致传感器使用的一致性、可靠性差，测量精密度低；性、可靠性差，测量精密度低；生物分子的活性保持受许多因素影响，导致生物分子的活性保持受许多因素影响，导致传感器使用寿命不长；传感器使用寿命不长；生物敏感膜的制备工艺复杂，成品率不高生物敏感膜的制备工艺复杂，成品率不高，难以批量生产；，难以批量生产；测定环境要求严格。测定环境要求严格。缺点：缺点：第八页，讲稿共二十九页哦第二节第二节生物传感器的分类、工作原理及生物传感器的分类、工作原理及活性物质固定化活性物质固定化一、生物传感器的分类：一、生物传感器的分类：按工作原理分：按工作原理分：第九页，讲稿共二十九页哦一、生物传感器的分类一、生物传感器的分类：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第十页，讲稿共二十九页哦按信号转换器类型按信号转换器类型：一、生物传感器的分类一、生物传感器的分类：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第十一页，讲稿共二十九页哦 根据生物传感器信号转换的途径，分为：根据生物传感器信号转换的途径，分为：（一）生物或化学转变成电信号（一）生物或化学转变成电信号（二）热变化转变成电信号（二）热变化转变成电信号（三）光效应转变成电信号（三）光效应转变成电信号（四）直接产生电信号（四）直接产生电信号（五）质量信号转换成频率信号（五）质量信号转换成频率信号二、生物传感器的工作原理二、生物传感器的工作原理被测物被测物固定化酶等固定化酶等光检测器光检测器电信号电信号hn第十二页，讲稿共二十九页哦三、生物传感器活性物质的固定化三、生物传感器活性物质的固定化生物传感层固定化方法生物传感层固定化方法交联法交联法共共价价结结合合法法载体结合法载体结合法吸吸附附法法包埋法包埋法凝凝胶胶法法L LB B膜膜法法双双层层脂脂膜膜法法支支持持液液膜膜法法（不使用载体（不使用载体的共价结合法）的共价结合法）第十三页，讲稿共二十九页哦一、酶生物传感器一、酶生物传感器第三节第三节 生物传感器在食品分析中的应用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，用来检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电极组合测对应的底物。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而成的电化学酶传感器又称为酶电极酶电极，是利用吸附、，是利用吸附、共价、交联、包埋等方法将酶固定化，然后与电化共价、交联、包埋等方法将酶固定化，然后与电化学检测器件复合而成。学检测器件复合而成。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电极等电极等第十四页，讲稿共二十九页哦酶传感器及特性酶传感器及特性一、酶生物传感器一、酶生物传感器测定物测定物酶酶基础电极基础电极寿命寿命/d测定范围测定范围/mol.L-1腺苷腺苷腺苷脱氨酸酶腺苷脱氨酸酶NH39103.2103乙酰胆碱乙酰胆碱乙酰胆碱脂酶乙酰胆碱脂酶Pt2110103单胺类单胺类单胺氧化酶单胺氧化酶O2910100草酸草酸草酸脱氢酶草酸脱氢酶CO2H2O230101202104102乳酸盐乳酸盐乳酸单氧化酶乳酸单氧化酶Ag/AgCl55105 6 104青霉素青霉素青霉素酶青霉素酶pH21102103苦杏仁苷苦杏仁苷b b葡聚糖苷葡聚糖苷酶酶氰电极氰电极71103第十五页，讲稿共二十九页哦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、酶生物传感器一、酶生物传感器（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第十六页，讲稿共二十九页哦 抗原抗原是一种进入机体后能刺激机体产生免疫反应的物质。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当抗原进入机体后刺激B B细胞产生抗体。抗原和抗体可以特异性地结合。细胞产生抗体。抗原和抗体可以特异性地结合。免疫传感器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，分为电化学变化而设计的，分为:二、免疫传感器二、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第十七页，讲稿共二十九页哦二、免疫传感器二、免疫传感器 免疫传感器及其特性免疫传感器及其特性第十八页，讲稿共二十九页哦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 基于决定选择性的免疫化学亲和性和决定灵敏度的标记酶的化学放大基于决定选择性的免疫化学亲和性和决定灵敏度的标记酶的化学放大作用制作的一种免疫传感器。作用制作的一种免疫传感器。（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 生物芯片生物芯片指包被在固相载体上的高密度指包被在固相载体上的高密度DNA、抗原、细胞、组织的微点阵，主要包括芯片实验室、基因芯片、蛋白质抗原、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，就构成免疫芯片免疫芯片。二、免疫传感器二、免疫传感器第十九页，讲稿共二十九页哦 微生物传感器微生物传感器是由载体结合的微生物细胞和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电化学器件组成，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，一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传感器，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。的电极活性物质测定型传感器。三、微生物传感器三、微生物传感器第二十页，讲稿共二十九页哦微生物传感器及其特性微生物传感器及其特性第二十一页，讲稿共二十九页哦在各种生物传感器中，微生物传感器最适合发酵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。工业的测定。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三、微生物传感器三、微生物传感器第二十二页，讲稿共二十九页哦组织传感器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，可看成是酶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。传感器的衍生形式。优点：优点：原料易得、成本低廉、灵敏度高、稳定性强、制原料易得、成本低廉、灵敏度高、稳定性强、制作简单、使用方便。作简单、使用方便。四、组织传感器四、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第二十三页，讲稿共二十九页哦各种组织传感器及其特性各种组织传感器及其特性第二十四页，讲稿共二十九页哦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电、光、声、波等信号的传感得存在转变为可检测得电、光、声、波等信号的传感装置。其原理是在电极上固定一条有十几到上千个核装置。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进行识别，结合成双链进行识别，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第二十五页，讲稿共二十九页哦由细胞器组成的传感器可用来测定用单一酶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。组成的传感器所不能测定的物质。六、细胞器传感器六、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第二十六页，讲稿共二十九页哦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第二十七页，讲稿共二十九页哦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。解决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第二十八页，讲稿共二十九页哦感谢大家观看第二十九页，讲稿共二十九页哦