作业-生物检测技术.ppt
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1、,生物技术与食品安全和品质控制,第1节 生物传感器及其在食品检测中的应用 第2节 免疫学技术与食品安全检测 第3节 分子生物学技术及其在食品安全检测中的应用 第4节 生物芯片及其食品安全检测中的应用,一、生物传感器的基本概念 (一)生物传感器的定义 传感器 一种把一种信号转换成另一种信号以实现信号检测的元器件.由固定化的具有分子识别功能的生物材料、换能器和信号处理放大装置组成的分析工具或系统。 被转换的信号通常包括磁、力、热、光、电、化学,这些信号可以转换成声、光、电等信号以便分析和检测。,第1节 生物传感器及其在食品检测中的应用,从传感器对不同能量进行变换的功能分类: 光(辐射)传感器 磁传
2、感器 力(压力和加速度)传感器 温度传感器 化学传感器,物理传感器,生物传感器(biosensor) 以传感器为基础,由生物学、电化学、光学、热力学及计算机等学科相互渗透和融合的产物,是多学科的交叉领域。 属于化学传感器的范围,生物传感器的基本组成单位: 生物敏感元件/生物识别元件 (biological sensing element) 是酶、抗原(体)和微生物细胞等具有分子识别能力的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,换能器/转换器(transducer) 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,并且在一定条件
3、下,产生的电信号强度和反应中物质的变化量呈现一定的比例关系,信号处理放大装置 (singal ampligication system) 能将换能器产生的电信号进行处理、放大和输出。,(二)生物传感器的基本组成和分类 1 生物传感器的基本组成,被测物,生物识别元件 换能器,识别部位,电信号,信号处理装置,2 生物传感器的分类,酶传感器 微生物传感器 免疫传感器 细胞器传感器 细胞传感器 组织传感器 DNA传感器,生物敏感材料,电化学生物传感器 介体生物传感器 测光型生物传感器 测热型生物传感器 半导体生物传感器 压电晶体生物传感器,换能器不同,二 生物传感器的基本原理 (一)生物传感器的反应基
4、础及分子识别机理 生物敏感材料中生物分子能选择性的和待测样品中的待测成分进行特异性结合的性质 包括酶、抗原、微生物细胞、组织切片、DNA等,通过生物的分子识别作用,生物传感器中的生物敏感材料和生物样品中的待测物质特异性结合,并进行生物化学反应,产生离子、质子和质量变化等信号,信号的大小在一定条件下和样品中被测物质的量存在一定的关系,这些信号经换能器转换成电信号,电信号再经信号分析处理系统处理后输出,反映出样品中被测物质的量。,生物传感器模型,生物传感器原理图,分子识别(molecular recognition) 指生物敏感材料中生物分子能选择性地和待测样品中的待测成分进行特异性(选择性)结合
5、的性质。生物敏感材料包括酶、抗原(体)等免疫物质、微生物细胞和DNA等。,酶的分子识别:指酶分子只能和特定的底物分子进行结合,而不能和其他分子结合的特性。酶分子的识别能力主要是由酶的活性中心决定,其决定了以酶为生物敏感材料的生物传感器的分子识别能力。 免疫传感器的分子识别:由传感器上的生物敏感材料抗原或抗体物质的分子识别能力决定,抗原和抗体象酶和底物一样也能发生特异性(选择性)结合。 DNA传感器的分子识别:由DNA分子中碱基对的互补结合特性决定。,1 酶促反应 E+SES P+E E:酶 S:底物 ES:中间络合物 P:反应产物,免疫化学反应 Ag+Ab=AgAb Ag:抗原 Ab:抗体,3
6、 微生物反应 利用微生物作为天然的生物催化剂进行的反应。 微生物细胞是一个极其复杂的、完整的生命系统,数以千计的酶在系统中高度协调地行使其功能。,微生物细胞的膜系统为酶反应提供了天然的适宜环境,细胞可以在相当长的时间内保持一定的催化活性 在多底物反应时,微生物比单纯酶更适宜作催化剂 细胞本身能提供酶促反应所埯的各种辅酶和辅基 微生物细胞比酶的来源更方便,价格低,生物学反应中的物理量变化 热焓变化 生物发光 颜色反应 阻抗变化 直接产生电信号,(四)生物传感器的特点,(1)根据生物反应的特异性和多样性,理论上可以制成测定所有生物物质的传感器,因而测定范围广泛。 (2)一般不需进行样品的预处理,它
7、利用本身具备的优异选择性把样品中被测组分的分离和检测统一为一体,测定时一般不需另加其他试剂,使测定过程简便迅速,容易实现自动分析。 (3)体积小、响应快、样品用量少,可以实现连续在位检测。,(4)通常其敏感材料是固定化生物元件,可反复多次使用 (5)准确度高,一般相对误差可达到1%以内 (6)可进行活体分析 (7)传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪,因而便于推广普及 (8)有的微生物传感器能可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生,能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息。,三、生物传感器在食品工业中的应用 (一)农药和抗生素残留的分析 乙酰胆碱酯场效应管传感器,用
8、于分析敌敌畏等有机磷农药的残留 乙酰胆碱酯酶能催化乙酰胆碱水解成胆碱和乙酸,当存在有机磷农药残留时,能够抑制乙酰胆碱酯酶的活性,使胆碱和乙酸的产生减少,且在一定条件下,乙酸的减少量和有机磷农药的量之间存在一定的比例关系, 乙酸的减少量可以通过离子场效应管来测定,(二)抗生素残留的分析 青霉素和磺胺是兽药中常用的抗生素,其残留会污染动物性食品,从而对人类的健康造成危害。 采用免疫传感器测定了牛奶中硫胺二甲嘧啶的含量,灵敏度达到1ngg,传感器表面经NaOH和HCl处理后可以重复使用。 用抗体酶共轭物为敏感材料结合光度分析法检测了牛奶中青霉素的含量。,(三)食品添加剂的分析 亚硫酸盐是常用的食品防
9、腐剂和漂白剂,但是亚硫酸盐容易引起哮喘,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110-6molL。 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。 烟碱酸属于B族维生素,可以作为肉类食品的发色剂,但是人体摄入过量的烟碱酸会引起瘙痒和头痛等中毒症状,在日本已禁止使用。 其他食品添加剂,如防腐剂苯甲酸钠、羟基苯甲酸钠、过氧化氢,抗氧化剂抗坏血酸、脱氢抗坏血酸、儿茶酚、儿茶酚胺,发色剂亚硝酸,酸味剂磷酸和乳酸等都可以用相应的生物传感器来检测它们在食品中的含量。,(四)污染微生物的检测 利用微生物在代谢过程中产生电子,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
10、定微生物浓度的传感器 检测酿酒酵母、乳酸菌 病原菌,污染食品的微生物可以分为腐败菌和病原菌。腐败菌主要是通过对食品成分的分解和破坏,同时产生有毒有害物质从而对人体造成危害。腐败菌本身通常不是致病菌。病原菌除了能破坏食品的组成成分外,其菌体本身也能使人致病。 食品中污染微生物的检测方法通常是平板计数法,其操作繁琐,检测时间长,特别是对于病原菌的检测,有时长达l-2周才能出结果,因此各种快速检测方法不断涌现,生物传感器检测方法就是其中的一种。,1.腐败菌的检测 酿酒酵母、乳酸菌和枯草芽孢杆菌等是常见的食品腐败菌。 2.病原菌的检测 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
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