第七章生物技术与食品安全和品质控制技术分析.ppt

第七章 生物技术与食品安全和品质控制 第一节 生物传感器及其在食品检测分析中的应用 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。 （一）生物传感器的基本组成和分类 1.生物传感器的基本组成 生物识别元件：生物传感器中固定化的酶、微生物细胞、抗原抗体和组织切片等具有分子识别能力的生物敏感材料。 换能器：能将在生物敏感材料上进行的生化反应产生的各种信息转换成电信号的装置。 信号处理装置：负责信号的分析处理和放大输出。 2.生物传感器的分类 根据生物敏感材料可分为酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、细胞传感器、组织传感器和DNA传感器。 根据换能器的不同，可分为电化学传感器、介体生物传感器、测光型生物传感器、测热型生物传感器等。 具体到某一种传感器的命名，一般是采用“功能+结构特征”的方法，例如，葡萄糖氧化酶光纤传感器等。 （二）生物传感器的工作原理 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。 1.分子识别（molecular recognition） 生物传感器中的分子识别: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。 2.生化反应中量的变化和信号的转换 （1）热焓的变化及其转换 （2）光效应及其转换 （3）颜色的变化及其转化 （4）阻抗的变化及其转换 （5）生化反应中其他量的变化及其转化 （6）直接产生电信号 将化学变化转变成电信号 酶传感器为例,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。 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输入到记录仪中。 将光信号转变为电信号 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。 上述三原理的生物传感器共同点： 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. 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.生物放大（biological amplification） （1）酶催化放大 酶是高效专一的催化剂，它可以在很短的时间内催化大量底物的转化，通过测定酶所催化反应中底物的减少量或产物的增加量可以推测（判断）反应中比底物减少量或产物增加量少得多的酶量，或与酶相关联的其他物质的量，从而实现生物放大作用。应用这一放大原理可以使检测方法的灵敏度（最小检出量）比常规检测方法提高2个数量级。 （2）底物循环放大 被测物S1或S2，在酶E1和酶E2之间不断循环，每循环一次，E1和E2都要分别消耗各自的底物C1和C2，产生对应的产物P1和P2，而循环过程中被测物S1和S2的浓度保持不变，通过分析C1和C2的消耗量或P1和P2的增加量就可以测定待测物S1或S2的量，实现放大效应。循环的次数越多酶消耗的底物和产生的产物越多，放大效率也越