食品生物技术的生物传感器检测技术

2023-11-18 理论教育版权反馈

【摘要】：生物传感器具有接受器与转换器的功能，对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测。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。生物传感器的问世使得部分传统的分析方法发生了变化，不仅减少了分析时间，提高了灵敏度，而且测定过程变得更为简单。

生物传感器（biosensor）是对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器，是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）与适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能，对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测。

1967年，第一个葡萄糖氧化电极由Updike和Hicks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。现已发展了第二代生物传感器（微生物、免疫、酶免疫和细胞器传感器）。第三代生物传感器是将系统生物技术和电子技术结合起来的场效应生物传感器，20世纪90年代开启了微流控技术，生物传感器的微流控芯片集成为药物筛选与基因诊断等提供了新的技术前景。由于酶膜、线粒体电子传递系统粒子膜、微生物膜、抗原膜、抗体膜对生物物质的分子结构具有选择性识别功能，只对特定反应起催化活化作用，因此生物传感器具有非常高的选择性。缺点是生物固化膜不稳定。

生物传感器涉及生物物质，主要用于临床诊断、治疗时实施监控、发酵工业、食品工业、环境和机器人等方面，而在食品检测中的应用主要包括食品成分、食品添加剂、有害毒物及食品鲜度等的测定分析。

（一）生物传感器的结构及其原理

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，见图7-1。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。

图7-1　生物传感器的结构

生物传感器的工作原理主要是将固定化分子识别元件的感受器经过扩散运动使被检测的物质与感受器相结合，并且可以发生特定的物理反应或化学反应，产生信号，通过一定的技术手段，将这种结果信号进行放大等专业的数据处理并稳定的输出，从而得到检测结果。但是生物传感器并不具有通用性，而是需要根据被检测的元件进行特定的设计才可以得到上述工作原理的结果。

（二）生物传感器的分类

生物传感器可以从以下几个角度来进行分类：

①基于电化学或光学传感的原理，原则上生物传感器可分为电化学式和光学式两大类。其中电化学式包括电位式、电流式和电导式，光学式包括吸光式、反光式和发光式。

②根据传感器输出信号的产生方式可分为生物亲和型、代谢型和催化型。生物亲和型生物传感器利用抗原与抗体间特异性识别或键合性质来对抗原、半抗原或抗体进行检测，它检测的是热力学平衡的结果；催化型生物传感器则利用酶专一性和催化性，在接近中性和室温条件下对酶作用的底物进行检测，它检测的是整个反应动力学过程的总效应。(www.chuimin.cn)

③根据生物传感器中生物分子识别元件上的敏感物质可分为酶传感器、微生物传感器、组织传感器、基因传感器和免疫传感器等。

④根据生物传感器的信号转换器类型对分为电极式、热敏电阻式、离子场效应晶体管式、压电晶体式、表面声波式和光纤式等。

（三）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，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，也能精确地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，可以在1min得到结果。

（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。

（四）存在问题及展望

自1962年生物传感器原理的提出，经过四十多年的长足发展，生物传感器研究出现了蓬勃发展的局面。生物传感器的问世使得部分传统的分析方法发生了变化，不仅减少了分析时间，提高了灵敏度，而且测定过程变得更为简单。生物传感器作为一种新型的检测仪器，虽然研究起步较晚，可是发展较快，但生物传感器在实际应用方面依然存在一些问题，值得进一步探讨，包括传感器稳定性、传感器重现性和传感器的使用寿命等诸多限制。

生物传感器是用生物活性材料（酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等）与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。在未来21世纪知识经济发展中，生物传感器技术必将是介于信息和生物技术之间的新增长点，在国民经济中的临床诊断、工业控制、食品和药物分析（包括生物药物研究开发）、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景。

食品生物技术的生物传感器检测技术

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