第六章其它快速檢測新技術(shù)第一節(jié)氣味（電子鼻）傳感器的檢測技術(shù)

第二節(jié)生物傳感器檢測技術(shù)

1第六章其其它它快速檢檢測技術(shù)術(shù)第一節(jié)氣味（電電子鼻））傳感器器的檢測測技術(shù)一、概述述煙、酒、、飲料等等多種食食品的質(zhì)質(zhì)量，目目前大多多依靠人人的感官官來評定定。對香香味的分分辨，更更離不開開人的感感官。嗅嗅覺在其其中起著著重要作作用。雖雖然與其其它動物物相比，，人類感感覺器官官中嗅覺覺是最不不靈敏的的。人工工感官鑒鑒別工作作通常需需要訓(xùn)練練有素、、經(jīng)驗豐豐富的人人員來完完成。電子鼻能能識別和和檢測復(fù)復(fù)雜的嗅嗅味和揮揮發(fā)性成成分。電電子鼻是是指由多多個性能能彼此重重疊的氣氣敏傳感感器和適適當(dāng)?shù)哪ＤＪ椒诸愵惙椒ńM組成的具具有識別別單一和和復(fù)雜氣氣味能力力的裝置置。2第六章其其它它快速檢檢測技術(shù)術(shù)第第一一節(jié)氣味（電電子鼻））傳感器器的檢測測技術(shù)二、電子子鼻的發(fā)發(fā)展歷程程1964年根據(jù)氣氣味在電電極上發(fā)發(fā)生氧化化還原反反應(yīng)的原原理創(chuàng)建建了第一一個電子子鼻。智能化學(xué)學(xué)傳感器器陣列的的概念近近20年才出現(xiàn)現(xiàn)在英國國Warwick大學(xué)的的Persaud等人和日日本日立立公司的的Ikegami等人的文文章中。。1982年，英國國學(xué)者用用3個氣體傳傳感器模模擬哺乳乳動物嗅嗅覺系統(tǒng)統(tǒng)對戊基基醋酸酯酯、乙醇醇、戊酸酸、檸檬檬油等揮揮發(fā)氣進進行了類類別分析析。人類對化化學(xué)傳感感器的探探索最早早可追溯溯到19世紀(jì)末。。20世紀(jì)中，，化學(xué)傳傳感器理理論和應(yīng)應(yīng)用均取取得了長長足進展展。1961年，Moncrieff制成了一一種機械械式的氣氣味檢測測裝置。。1967年，日本本將金屬屬氧化物物半導(dǎo)體體(SnO2)氣體傳感感器商品品化。3第六章其其它它快速檢檢測技術(shù)術(shù)第第一一節(jié)氣味（電電子鼻））傳感器器的檢測測技術(shù)三、電子子鼻工作作原理電子鼻的的工作原原理是建建立在模模擬人的的嗅覺形形成過程程基礎(chǔ)上上的。人人的嗅覺覺系統(tǒng)由由嗅覺細細胞、嗅嗅覺神經(jīng)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和和大腦組組成。嗅嗅感是揮揮發(fā)性物物質(zhì)釋放放出氣體體進入鼻鼻腔，被被嗅覺小小胞中的的嗅細胞胞吸附到到表面上上，呈負(fù)負(fù)電性的的嗅細胞胞表面的的部分電電荷發(fā)生生改變，，產(chǎn)生電電流，使使神經(jīng)末末梢接受受刺激而而興奮，，最后，，興奮信信號傳到到大腦的的嗅區(qū)皮皮層產(chǎn)生生嗅感。。人的嗅感產(chǎn)生過程框圖4第六章其其它它快速檢檢測技術(shù)術(shù)第第一一節(jié)氣味（電電子鼻））傳感器器的檢測測技術(shù)四、電子子鼻的基基本組成成電子鼻系系統(tǒng)主要要由氣敏敏傳感器器陣列、、信號處處理單元元和模式式識別單單元三大大部分組組成。圖圖給出了了人工嗅嗅覺系統(tǒng)統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)框圖。。

電子鼻的系統(tǒng)組成5第六章其其它它快速檢檢測技術(shù)術(shù)第第一一節(jié)氣味（電電子鼻））傳感器器的檢測測技術(shù)1．氣敏傳傳感器陣陣列氣敏傳感感器陣列列可以由由多個分分立氣敏敏傳感器器元件組組成，也也可以采采用集成成工藝制制作專門門的傳感感器陣列列。氣敏傳感感器有金金屬氧化化物半導(dǎo)導(dǎo)體傳感感器、聲聲表面波波傳感器器、導(dǎo)電電有機聚聚合物膜膜傳感器器、石英英晶體諧諧振傳感感器、電電化學(xué)傳傳感器、、紅外光光電傳感感器及L-B膜傳感器器等類型型。生物嗅覺覺系統(tǒng)中中的單個個嗅覺受受體細胞胞的性能能并不高高，但是是，生物物嗅覺系系統(tǒng)的整整體性能能卻令人人驚嘆不不已。因因此，不不必刻意意追求單單個氣敏敏傳感器器的性能能。采用用集成化化嗅覺傳傳感器陣陣列裝置置已成發(fā)發(fā)展趨勢勢。6第六章其其它它快速檢檢測技術(shù)術(shù)第第一一節(jié)氣味（電電子鼻））傳感器器的檢測測技術(shù)2.信號處理理單元信號處理理單元由由A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)數(shù)據(jù)預(yù)處處理與處處理器組組成。由由傳感器器產(chǎn)生的的電信號號經(jīng)電子子線路放放大及A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)數(shù)字信號號。被測測嗅覺的的強度既既可采用用每個傳傳感器輸輸出的絕絕對電壓壓、電阻阻或電導(dǎo)導(dǎo)等信號號來表示示，也可可用相對對信號值值，如歸歸一化的的電阻或或電導(dǎo)值值，即它它們的變變化率來來比較嗅嗅味的性性質(zhì)。傳傳感器陣陣列輸出出的信號號經(jīng)由信信號處理理單元抽抽取出有有效特征征參數(shù)，，以便進進行模式式識別。。7第六章其其它它快速檢檢測技術(shù)術(shù)第第一一節(jié)氣味（電電子鼻））傳感器器的檢測測技術(shù)3.模式識別別單元模式識別別單元相相當(dāng)于生生物的大大腦。它它運用一一定的算算法完成成氣味、、氣體的的定性、、定量辨辨識。目目前常用用的模式式識別方方法有統(tǒng)統(tǒng)計方法法（主要要有主成成分分析析法（PCA）、偏最小二二乘法（PLS）、聚類分析析法（CA））等）、人人工神經(jīng)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）方法以及及模糊識識別方法法等等。。8第六章其其它它快速檢檢測技術(shù)術(shù)第第一一節(jié)氣味（電電子鼻））傳感器器的檢測測技術(shù)五、電子子鼻的應(yīng)應(yīng)用名稱傳感器陣列類型主要應(yīng)用生產(chǎn)廠商氣味監(jiān)測儀金屬氧化物半導(dǎo)體測一般可燃氣體美國公司智能鼻Fox2000金屬氧化物半導(dǎo)體測一般可燃氣體法國香味掃描儀導(dǎo)電聚合物測食品、化妝品法國鼻子聚合物傳感器監(jiān)測啤酒英國口腔監(jiān)測儀金屬氧化物測呼吸新鮮度日本9第六章其其它它快速檢檢測技術(shù)術(shù)第第一一節(jié)氣味（電電子鼻））傳感器器的檢測測技術(shù)六、電子子鼻發(fā)展展前景存在問題題:(1)有些傳感感器對測測試條件件要求苛苛刻，必必須嚴(yán)加加控制，，或者加加以監(jiān)測測并進行行參數(shù)補補償；(2)傳感器本本身的穩(wěn)穩(wěn)定性差差，因而而易于中中毒；(3)陣列的校校正和訓(xùn)訓(xùn)練數(shù)據(jù)據(jù)無法通通用。研究方向向：能對微量量分子瞬瞬時敏感感的不受受環(huán)境影影響或能能對環(huán)境境變化進進行自適適應(yīng)補償償?shù)膫鞲懈衅麝嚵辛醒b置；；能對信號號進行處處理的高高精度處處理器，，將信號號與噪聲聲分離；；能將人的的感官感感受相一一致的感感官評定定指標(biāo)的的模式識識別方法法。10第六章其其它它快速檢檢測技術(shù)術(shù)第二節(jié)生物傳感感器檢測測技術(shù)按檢測對對象可以以分成兩兩大類：：物理傳感感器和化學(xué)傳感感器。物理傳感感器是檢檢測力、、熱、光光、電、、磁等物物理量的的傳感器器;化學(xué)傳感感器則是是能檢測測化學(xué)量量的傳感感器。從20世紀(jì)60年代起，，化學(xué)傳傳感器領(lǐng)領(lǐng)域又增增加了一一個新的的分支——生物傳感感器。有人把生生物傳感感器和物物理傳感感器及化化學(xué)傳感感器并列列起來，，看作是是傳感器器的第3個類別。。11第六章其其它它快速檢檢測技術(shù)術(shù)第二節(jié)生物傳感感器檢測測技術(shù)一、生物物傳感器器的一般般知識1.生物傳感感器的定定義用固定化化的生物物體成分分（酶、、抗體、、抗原、、激素））或生物物體本身身（細胞胞、細胞胞器、組組織）作作為敏感感元件的的傳感器器稱為生生物傳感感器。生生物傳感感器既不不是指專專用于生生物領(lǐng)域域的傳感感器，也也不是指指被測量量對象必必須是生生物量的的傳感器器（盡管管用它也也能測定定生物量量），而而是基于于它的敏敏感材料料來自生生物體。。12第六章其其它它快速檢檢測技術(shù)術(shù)第二節(jié)生物傳感感器檢測測技術(shù)2.生物傳感感器的組組成在生物傳傳感器中中除敏感感元件之之外還有有信號轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器件件，常用用的信號號轉(zhuǎn)換器器有電化化學(xué)電極極、離子子敏場效效應(yīng)晶體體管、熱熱敏電阻阻及微光光管等。。生物傳傳感器的的組成可可形象地地如圖所所示。

生物傳感器的基本構(gòu)成示意圖13第六章其其它它快速檢檢測技術(shù)術(shù)第二節(jié)生物傳感感器檢測測技術(shù)生物傳感感器的工工作原理理（2）將熱變變化轉(zhuǎn)化化成電信信號大部分生生物傳感感器均屬屬于這種種類型。。以酶傳傳感器為為例，酶酶催化特特定底物物發(fā)生反反應(yīng)，從從而使特特定生成成物的量量有所增增減。用用能把這這類物質(zhì)質(zhì)的量的的改變轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為電電信號的的裝置和和固定化化酶耦合合，即組組成酶傳傳感器。。固定化的的生物材材料與相相應(yīng)的被被測物作作用時常常伴隨有有熱的變變化。將熱變化轉(zhuǎn)變成電信號的生物傳感器（1）將化學(xué)學(xué)信號變變化轉(zhuǎn)換換成電信信號14第六章其其它它快速檢檢測技術(shù)術(shù)第二節(jié)生物傳感感器檢測測技術(shù)生物傳感感器的工工作原理理（3）將光信信號轉(zhuǎn)變變?yōu)殡娦判盘枺?）直接產(chǎn)產(chǎn)生電信信號方式式有些酶，，例如過過氧化氫氫酶，能能催化過過氧化氫氫/魯米諾體體系發(fā)光光，如設(shè)設(shè)法將過過氧化氫氫酶膜附附著在光光纖或光光敏二極極管的前前端，再再和光電電流測定定裝置相相連，即即可測定定過氧化化氫含量量。前3種原理的的生物傳傳感器都都是化學(xué)學(xué)或物理理變化再再通過信信號轉(zhuǎn)換換器轉(zhuǎn)變變?yōu)殡娦判盘栠M行行測量，，統(tǒng)稱為為間接測測量方式式。酶反應(yīng)伴伴隨的電電子轉(zhuǎn)移移、微生生物細胞胞的氧化化直接在在電極表表面上發(fā)發(fā)生，根根據(jù)所得得到的電電流量即即可得底底物濃度度。這就是直接測量量方式。。15第六章其其它它快速檢檢測技術(shù)術(shù)第二節(jié)生物傳感感器檢測測技術(shù)3.生物傳感感器的分分類（1）根據(jù)傳傳感器輸輸出信號號的產(chǎn)生生方式分分類產(chǎn)生傳感感器輸出出信號的的方式有有兩類。。一類是是被測物物與分子子識別元元件上敏敏感物質(zhì)質(zhì)具有生生物親合合作用，這類傳感感器稱為為親合生生物傳感感器；一一類是底底物與分分子識別別元件上上的敏感感物質(zhì)相相作用并并生成產(chǎn)產(chǎn)物，信信號轉(zhuǎn)換換器將底底物的消消耗或產(chǎn)產(chǎn)物的增增加轉(zhuǎn)變變?yōu)檩敵龀鲂盘?，，這類傳傳感器稱稱為代謝謝型或催催化型生生物傳感感器，16第六章其其它它快速檢檢測技術(shù)術(shù)第二節(jié)生物傳感感器檢測測技術(shù)（2）根據(jù)傳傳感器中中分子識識別元件件上的敏敏感物質(zhì)質(zhì)分類

根據(jù)所用用的敏感感物質(zhì)將將生物傳傳感器分分為酶傳傳感器、、微生物物傳感器器、組織織傳感器器、細胞胞器傳感感器、免免疫傳感感器等。。（3）根據(jù)傳傳感器的的信號轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器分分類生物傳感感器的信信號轉(zhuǎn)換換器有：：電化學(xué)學(xué)電極、、離子敏敏場效應(yīng)應(yīng)晶體管管、熱敏敏電阻、、光電轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器、、SAW裝置等。。據(jù)此又又將生物物傳感器器分為電電化學(xué)生生物傳感感器、半半導(dǎo)體生生物傳感感器、測測熱型生生物傳感感器、測測光型生生物傳感感器、測測聲型生生物傳感感器等。。17第六章其其它它快速檢檢測技術(shù)術(shù)第二節(jié)生物傳感感器檢測測技術(shù)3.生物傳感感器的分分類按敏感材料分類分子識別部分信號轉(zhuǎn)換部分按信號轉(zhuǎn)換器分類酶傳感器微生物傳感器免疫傳感器細胞器物傳感器組織傳感器酶電化學(xué)測定裝置微生物場效應(yīng)晶體管抗體或抗原光纖和光敏二極管細胞器熱敏電阻動、植物組織SAW裝置電化學(xué)生物傳感器半導(dǎo)體生物傳感器測光型生物傳感器測熱型生物傳感器測聲型生物傳感器生物傳感器的分類18第六章其其它它快速檢檢測技術(shù)術(shù)第二節(jié)生物傳感感器檢測測技術(shù)4.生物傳感感器的特特點（A）生物傳感感器是由由選擇性性好的生生物體材材料構(gòu)成成的分子子識別元元件，因因此一般般不需要要進行樣樣品的預(yù)預(yù)處理，，它利用用優(yōu)異的的選擇性性把樣品品中被測測組分的的分離和和檢測統(tǒng)統(tǒng)一為一一體，測測定時一一般不需需另加其其它試劑劑。(B)生物傳感感器由于于它的體體積小，，可以實實現(xiàn)連續(xù)續(xù)在線檢檢測。(C)生物傳感感器的響響應(yīng)快、、樣品用用量少，，且由于于敏感材材料是固固定化的的，可以以反復(fù)多多次使用用。(D)生物傳感感器連同同測定儀儀的成本本遠低于于大型的的分析儀儀器，因因而便于于推廣普普及。19第六章其其它它快速檢檢測技術(shù)術(shù)第二節(jié)生物傳感感器檢測測技術(shù)二、生物物傳感器器在食品品與農(nóng)產(chǎn)產(chǎn)品加工工中的應(yīng)應(yīng)用1.生物傳感感器在食食品檢驗驗中的應(yīng)應(yīng)用（1）食品鮮鮮度的測測定（A）魚鮮度傳傳感器（B）肉鮮度傳傳感器肉類在腐腐敗過程程中會產(chǎn)產(chǎn)生各種種胺類，，故胺類類測定也也能反映映肉類的的新鮮度度。（C）牛乳鮮度度傳感器器牛乳放置置過程中中，受細細菌作用用而產(chǎn)生生乳酸，，因此乳乳酸含量量可表示示牛乳的的新鮮度度。此外外也可從從牛乳放放置過程程由于脂脂分解作作用產(chǎn)生生的短鏈鏈脂肪酸酸的含量量來判斷斷牛乳及及其制品品的新鮮鮮度，這這類傳感感器也已已開發(fā)出出來了。。20第六章其其它它快速檢檢測技術(shù)術(shù)第第二節(jié)生生物物傳感器器檢測技技術(shù)2.生物傳感感器在食食品衛(wèi)生生檢測中中的應(yīng)用用（1）食品中中細菌和和病原菌菌的測定定食品中微微生物的的檢測一一直用平平皿計數(shù)數(shù)法，方方法繁瑣瑣耗時。。1979年等開發(fā)發(fā)了非染染料偶合合的燃料料電池型型微生物物電極系系統(tǒng),該電極基基于微生生物在呼呼吸代謝謝過程中中產(chǎn)生電電子，在在陽極上上放電，，放電產(chǎn)產(chǎn)生的電電流大小小可反映映測定液液中微生生物的濃濃度。采用光纖纖傳感器器可直接接放入生生長溶液液的培養(yǎng)養(yǎng)瓶中，，通過測測定微生生物代謝謝過程中中的副產(chǎn)產(chǎn)物二氧氧化碳濃濃度來估估算細菌菌數(shù)量。。采用酶酶聯(lián)電流流型免疫疫傳感器器可測到到食品中中低數(shù)量量的沙門門氏菌。。免疫傳感感器也成成功地測測定了污污染食品品的大腸腸桿菌、、金黃色色葡萄球球菌和鼠鼠傷寒沙沙門氏菌菌。21第六章其其它它快速檢檢測技術(shù)術(shù)第二節(jié)生物傳感感器檢測測技術(shù)（2）檢測食食品中毒毒素有人采用光纖纖傳感器器測定了了食品中中的肉毒毒桿菌毒毒素A，檢測下限限可達5mg／／mL，lmin內(nèi)可完成成測定。。（3）檢測食食品中殘殘留農(nóng)藥藥采用電導(dǎo)導(dǎo)型生物物傳感器器對食品品中有機機磷農(nóng)藥藥：甲基基馬拉松松、乙基基馬拉松松、敵百百蟲、二二乙丙基基磷酸進進行了測測定，檢檢出下限限分別為為5×10-7、1×10-8、5×10-7、5×10-11mol／／L。磺胺可進進入動物物來源的的食品，，對人體體健康產(chǎn)產(chǎn)生不良良影響。。采用免免疫傳感感器測定定了牛奶奶中硫胺胺二甲嘧嘧啶，檢檢出限低低于1×10-9，平均相相對標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)差為2%。22第六章其其它它快速檢檢測技術(shù)術(shù)第二節(jié)生物傳感感器檢測測技術(shù)（4）檢測食食品中添添加劑亞硫酸鹽鹽通常用用于食品品工業(yè)。。除具有有漂白作作用外，，還有防防止食品品氧化和和微生物