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生物传感器应用于食品工业论文

时间:2017-02-22 09:31:29 来源:论文投稿

1生物传感器的发展

使用酶与电极的结合来测定酶底物的方法首先由Clark等人[1]提出。1967年,第一个葡萄糖氧化电极由Updike和Hicks[2]研制成功,他们使用聚丙烯酰胺固定葡萄糖氧化酶,然后再固定到电极上。葡萄糖电极可以定量测定溶液中葡萄糖的含量,标志着生物传感器的发展起点,随后生物传感器迅速发展,各种不同的酶、微生物和细胞等固定到电极上,这些生物传感器具有检测特定底物的功能。现在也开发出了将生物技术与电子技术相结合的新型的生物传感器。

2生物传感器的结构和原理

生物传感器的结构有两个主要的部分:生物反应元件与信号转换器。生物反应元件一般是生物活性物质,比如酶和细胞等,这部分的底物特异性决定了生物传感器的检测底物;信号转换器能将生物膜与底物的反应转化为其他信号,主要有电化学电极、光学检测元件和热敏电阻等几种类型,而且信号强度与被测底物含量成正比,再将信号转化为人可识别的数字或图像,便可直观地了解到所测底物的含量。目前生物传感器主要以生物膜为感应元件,结合在电极表面,再用半渗透膜将电极和生物包裹起来,与被测溶液隔开。待测溶液中的成分透过半透膜,有选择性地与膜上的生物元件相结合,产生生化和电化学反应,产生O2、H2、NH4+和CO2等电化学电极能检测的信号,并转换为电信号,再经仪表二次放大并输出,便可测得待测物含量。

3生物传感器的分类

生物传感器的分类方法有很多种。按照其感受器中所采用的生命物质分为:微生物传感器[3~4]、免疫传感器[5]、组织传感器、细胞传感器、酶传感器和DNA传感器[6]等;按照传感器器件检测的原理分为:热敏生物传感器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光学生物传感器、声波道生物传感器、酶电极生物传感器和介体生物传感器等;按照生物敏感物质相互作用的类型分为:亲和型和代谢型两种。由于生物反应的特异性,每一种底物便对应一大类生物传感器。酶电极根据所用的酶膜的不同便有许多种,例如葡萄糖电极、尿素电极、尿酸电极、胆固醇电极、乳酸电极和丙酮酸电极等。而即使所用的生物膜相同,所用的电极和信号转化器也千差万别,种类繁多,例如葡萄糖电极中有的采用pH值电极或碘离子电极作为转换器的电位型葡萄糖电极,也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。总之,由众多于生物元件和电极的多样性,生物传感器种类繁多,使用范围广阔,随着生物传感器的不断发展,还有更多的生物膜和电极被开发出来,种类也会指数增长,生物传感器的应用有巨大的发展前景。

4生物传感器的特点

(1)底物特异选择性。由于生物反应底物的专一性,例如酶电极,只对应某一类底物选择性结合,所以即使被测物中其他物质种类很多,也能精确的测出对应底物物质的含量,受其他因素的影响较小,一般不需要进行样品的预处理,被测组分分离与检查同时完成。(2)检测速度快。检出时间短,不需要很长的反应时间。(3)灵敏度高。很小量的底物含量也可以被精确的检测出来,像目前市场上应用的高精度血糖分析仪,其分析精度可以达到0.5%~2.0%,采用就是固定化酶的生物传感器。(4)体积小。可实现在线连续监测,操作方便、可靠、耗材廉价,便于推广。

5生物传感器的在食品工业中的应用

5.1在食品工业中快速检测与生产监控

与常规的传感器(比如温度传感器、压力传感器等)的主要用途相似,不过不是检测生产温度或压力,而是产品或生产过程中某些物质的检测或监控。日本东洋纺织公司利用氨基酸氧化酶电极检测蛋白质分解率,以便在生产中控制水解蛋白质反应的分解程度。1993年RaduG.L.等人制备酪蛋白检测电极,该电极能在9min内检测出0.1~4.0mg/kg的酪蛋白含量。使用最广泛的是发明最早的糖类生物传感器,主要应用于医疗食品及发酵工业中,不仅能测定食品及原料中的单糖含量,双糖和多糖的也能够测定[7]。在食品工业中,生物传感器不仅是一种快速检测产品含糖量的品质控制方法,更重要的是能对工业生产过程中的中间体进行在线的连续的监控,能在出现问题的开始阶段就及时发现并解决。

5.2食品安全

采用微生物传感器能够检测食品中的微生物数量,若是针对特定的微生物还可以检测出对应菌群,例如大肠杆菌、葡萄糖球菌等的数量,这类传感器主要作为有害微生物的检测手段,而传统的取样平板培养的方法通常需要24h或更长的培养时间,显然微生物传感器更高效快速。韩树波等人研制成功一种新型伏安型细菌总数生物传感器,能够在30min内检测出样品中的总菌数量,适于食品、饮料和环境样品中细菌总数的检测[7]。美国佐治亚科技大学科学家哈特文发明了一种新的生物传感器,可同时检测12种不同的病原体,包括沙门氏菌属和大肠杆菌等[8]。除了有害微生物外,生物传感器也应用于食品中有毒物质的检测,蓖麻毒素、肉毒杆菌毒素B、葡萄球菌毒素和沙蚕毒素的检测都有生物传感器的应用[9]。国外采用枯草杆菌制成的微生物传感器能够在0.8μg/mL范围内的检测出黄曲霉毒素B1[10]。

6存在的问题与前景

虽然生物传感器有巨大的优势并已获得了很大发展,但是目前的生物传感器还存在诸多不足之处,主要表现在生物传感器在工作过程中,生物元件可能与某些物质发生的不可逆结合,造成生物活性的降低或丧失,会严重影响传感器的灵敏度和使用寿命。工业生产中高温高压的环境也对生物传感器的使用有很大限制。提高生物元件的使用寿命,扩大其使用环境条件范围,选择灵活性强、选择性高的传感元件是重要的研究方向。生物传感器具有高效、灵敏、特异、结构小巧和经济实用等优点,

目前已成为检测方面的研究热点。随着研究不断深入,生物传感器将会有更多的发展,使用寿命会更长、适用条件上更加广泛,在食品加工生产领域将有巨大的发展空间,同时也将带来食品生产过程自动化的变革。

作者:常寨成 冯纪网 赵辰龙 许名强 单位:迈安德集团有限公司


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