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1、第一节新进展概述第二节生物传感器技术与应用第三节生物芯片技术与应用第四节免疫技术及其应用第七章 生物技术新进展 与食品安全和质量检测第二节生物传感器与食品安全检测1生物传感器的基本概念生物传感器通常是指由一种生物敏感部件和转化器紧密结合,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法。２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
2、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。２.1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。用能把这类物质的量的改变转换为电信号的装置和固定化酶耦合,即组成酶传感器,常用转换装置有氧电极、过氧化氢。2.2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反应的热效应借热敏电阻转换为阻值的变化,后者通过有放大器的电桥
3、输入到记录仪中。２.３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.上述三类传感器原理的共同点：都是将分子识别元件中的生物敏感物质与待测物发生化学反应,将反应后所产生的化学或物理变化再通过信号转换器转变为电信号进行测量,这种方式统称为间接测量方式.２.4直接产生电信号方式这种方式可以使酶反应伴随的电子转移、微生物细胞的氧化直接(或通过电子递
4、体的作用)在电极表面上发生。根据所得的电流量即可得底物浓度。３生物传感器发展历程开端于20世纪60年代。1962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。1967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。20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。1977年,钤木周一等发表了关于对生化需氧量(BOD)进行快速测
5、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。４生物传感器分类4.1根据传感器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;*4.2根据生物传感器的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4.3根据生物传感器中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。每一类名称又都包含许多种具体的生物传感器例如，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
6、极、胆固醇电极、乳酸电极、丙酮酸电极等等．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。生物亲合型传感器被测物质与分子识别元件上的敏感物质具有生物亲合作用，即二者能特异地相结合，同时引起敏感材料的分子结构和/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：S（底物）+R（受体）=SR代谢型传感器底物（被测物）与分子识别元件上的敏感物质相作用并生成产物，信号转换器将底物的消耗或产物的增加转变为输出信号，这类
7、传感器称为代谢型传感器，其反应形式可表示为S（底物）＋R（受体）=SR→P（生成物）生物传感器优点：由于具有较高的选择性，因此不需对被测组分进行分离，即不用对样品进行预处理。结构简单，体积小，使用方便，特别是便携式的生物传感器，非常有利干食品质量的市场快速评价；可以实现连续的在线检测，使食品加工过程的质量控制变得简便；响应速度快，样品用量少；与其他大型分析仪器相比，生物传感器的制作成本低，且可反复使用。6生物传感器组成部分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
8、、有机物分子等);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
