生物传感器在食品检测中的应用


生物传感器在食品检测中的应用

食品化学是从化学的角度和分子水平上研究食品的组成、结构、理化性质、营养和安全性以及它们在生产、加工、贮藏、运输、销售过程中发生的变化,以及这些变化对食品品质和安全性影响的一门基础应用科学;并为改善食品品质、开发新的食物资源、革新食品加工工艺和贮运技术、科学调整膳食结构、改进食品包装、加强食品质量控制及提高食品原料加工和综合利用水平奠定理论基础的课程。是食品科学与工程、食品质量与安全专业本科学生的一门重要的专业基础课。食品化学是多学科相互渗透的学科,与化学、动植物学、预防医学、食品营养与卫生、高分子化学、环境化学和分子生物学等学科有着密切而广泛的联系。 

生物传感器的工作原理是以固定化的生物成分(如酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原)或生物体本身(如细胞、微生物、组织等)为敏感材料,与适当的化学换能器相结合,用于快速检测物理、化学、生物量的新型器件。根据作为敏感元件所用生物材料的不同,电化学生物传感器分为酶电极传感器、微生物电极传感器、电化学免疫传感器、组织电极与细胞器电极传感器、电化学DNA传感器等。 

生物电化学传感器研究  

生物电化学传感器是生物传感器中研究最早、种类最多的一个分支, 它具有专一、高效、简便、快速的优点, 已应用于生物、医学及工业分析等方面。其工作原理是以固定化的生物成分(如酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原)或生物体本身(如细胞、微生物、组织等)为敏感材料,与适当的化学换能器相结合,用于快速检测物理、化学、生物量的新型器件。根据作为敏感元件所用生物材料的不同,电化学生物传感器分为酶电极传感器、微生物电极传感器、电化学免疫传感器、组织电极与细胞器电极传感器、电化学DNA传感器等。    

1.生物化学传感器基本工作原理  

传感器通常由敏感(识别)元件、转换元件、电子线路及相应结构附件组成。生物传感器是指用固定化的生物体成分(酶、抗原、抗体、激素等)或生物体本身(细胞、细胞器、组织等)作为感元件的传感器。电化学生物传感器则是指由生物材料作为敏感元件,电极(固体电极、离子选择性电极、气敏电极等)作为转换元件,以电势或电流为特征检测信号的传感器。由于使用生物材料作为传感器的敏感元件,所以电化学生物传感器具有高度选择性,是快速、直接获取复杂体系组成信息的理想分析工具。一些研究成果已在生物技术、食品工业、临床检测、医药工业、生物医学、环境分析等领域获得实际应用。 敏感材料是对目标物进行选择性作用的生物活性单元。最先被使用的是具有高度选择催化活性的酶。酶或是以物理方法(包埋、吸附等),或是以化学方法(交联、聚合等)被固定在化学传感器的敏感膜中,然后,以化学电极作为换能器测定酶催化目标物反应所生成的特定产物的浓度,从而问接地测定目标物的浓度。随着物理检测手段的引入,人们已成功地把抗体、DNA聚合物、核酸、细胞受体和完整细胞等具有特异选择性作用功能的生物活性单元用作了敏感材料。 

2.生物化学传感器的发展历史与现状  

1962年,Clark在纽约自然科学学会的论文集中首次提出了“在化学电极的敏感膜中加入酶以实现对目标物进行选择性分析”的设想。1967年,Updike等人把葡萄糖氧化酶固定化膜和氧电极组装在一起,制成了第一代生物传感器。经过40年地不断发展,随着研究的深入,各种物理手段不断地被引入到生物传感器,当今的生物传感技术日新月异。1975年,热酶探针(thermal enzyme probe)和酶热敏电阻器(tnzyme thermistor)分别研制成功。20世纪70年代起,人们就开始寻求一种可以直接捕捉敏感源与目标物之间结合过程(如,抗体与抗原的结合)的换能器。直到1983年,Leiberg等人发表了一篇采用表面等离子体共振(SPR)技术实现实时监测亲合反应的报道后,这一问题才得到解决,这一技术随即促成了免疫传感器的产生。1984年,Turner等人报道了用二茂铁及其衍生物作为氧化还原酶的介体以制造廉价酶电极的方法。很快MediSense公司便以此为基础发展了能大规模生产具有高重现性酶电极的丝网印刷技术,该技术推动了生物传感器的发展。20世纪90年代初,生物传感器的研究进入第二阶段,这时期的生物传感器为第二代。第二代生物传感器的特点是使用抗体或受体蛋白作分子识别组件,换能器的选用则更为多样化,诸如场效应管(FET),光纤(FOS),压电晶体(PZ),声表面波(SAW)器件等。1996年,Turner等人研制的一种以DNA为敏感源的传感器,利用液晶分散技术,将DNA聚阳离子配合物固定在换能器上,所有能影响DNA分子间交联度的化学和物理因素均能被灵敏地捕获,并反映为一个强的、具有“指纹”结构的圆二色谱吸收峰。2l世纪发展的生物传感器为第三代产品,随着微加工技术和纳米技术的进步,生物传感器不断地向微型化、集成化方向发展,便携式测试仪已得到快速发展。当今,纳米材料在生物传感器中的应用,使其研究进入崭新阶段。我国生物传感器研究始于20世纪80年代初,20世纪90年代是我国生物传感器应用取得较大发展的l0年,山东省科学院生物研究所是国内首家在该方面研究开发取得成功的单位,从1983年到1998年已研制成功了l0多项产品,有的成果达到国际先进水平。以SBA_40型和50型生物传感分析仪为代表,仪器集成了许多智能化操作程序,其主程序可方便地满足多种自动测定要求。具有多酶协同作用的复合酶膜生物传感器,通过自动测定程序实现了糖化酶活性的快速自动测量,应用双电极一差分的方法实现了难以分析的生化样品测定,包括尿素、谷氨酰胺、淀粉、蔗糖、乳糖、麦芽糖等。 

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