食品品质无损检测新技术_6(1).pptx

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1、第六章第六章 其它快速检测新技术其它快速检测新技术 第一节第一节 气味（电子鼻）传感器的检测技术气味（电子鼻）传感器的检测技术 第二节第二节 生物传感器检测技术生物传感器检测技术 1第六章 其它快速检测技术第一节第一节 气味（电子鼻）传感器的检测技术气味（电子鼻）传感器的检测技术 一、概述一、概述 烟、酒、饮料等多种食品的质量，目前大多依靠人烟、酒、饮料等多种食品的质量，目前大多依靠人的感官来评定。对香味的分辨，更离不开人的感官。嗅的感官来评定。对香味的分辨，更离不开人的感官。嗅觉在其中起着重要作用。虽然与其它动物相比，人类感觉在其中起着重要作用。虽然与其它动物相比，人类感觉器官中嗅觉是最不灵

2、敏的。人工感官鉴别工作通常需觉器官中嗅觉是最不灵敏的。人工感官鉴别工作通常需要训练有素、经验丰富的人员来完成。要训练有素、经验丰富的人员来完成。 电子鼻能识别和检测复杂的嗅味和挥发性成分。电子电子鼻能识别和检测复杂的嗅味和挥发性成分。电子鼻是指由多个性能彼此重叠的气敏传感器和适当的模式分鼻是指由多个性能彼此重叠的气敏传感器和适当的模式分类方法组成的具有识别单一和复杂气味能力的装置。类方法组成的具有识别单一和复杂气味能力的装置。 2第六章 其它快速检测技术 第一节 气味（电子鼻）传感器的检测技术二、电子鼻的发展历程二、电子鼻的发展历程 19641964年根据气味在电极上发生氧化还原反应的原理创建

3、年根据气味在电极上发生氧化还原反应的原理创建了第一个电子鼻。了第一个电子鼻。 智能化学传感器阵列的概念近智能化学传感器阵列的概念近2020年才出现在英国年才出现在英国Warwick大大学的学的Persaud等人和日本日立公司的等人和日本日立公司的Ikegami等人的文章中。等人的文章中。 19821982年，英国学者用年，英国学者用3 3个气体传感器模拟哺乳动物嗅觉系统个气体传感器模拟哺乳动物嗅觉系统对戊基醋酸酯、乙醇、戊酸、柠檬油等挥发气进行了类别分析。对戊基醋酸酯、乙醇、戊酸、柠檬油等挥发气进行了类别分析。 人类对化学传感器的探索最早可追溯到人类对化学传感器的探索最早可追溯到1919世纪末

4、。世纪末。 2020世纪中，化学传感器理论和应用均取得了长足进展。世纪中，化学传感器理论和应用均取得了长足进展。 19611961年，年，Moncrieff制成了一种机械式的气味检测装置。制成了一种机械式的气味检测装置。 19671967年，日本将金属氧化物半导体年，日本将金属氧化物半导体(SnO(SnO2 2) )气体传感器商品化。气体传感器商品化。 3第六章 其它快速检测技术 第一节 气味（电子鼻）传感器的检测技术三、电子鼻工作原理三、电子鼻工作原理 电子鼻的工作原理是建立在模拟人的嗅觉形成过程基础上电子鼻的工作原理是建立在模拟人的嗅觉形成过程基础上的。人的嗅觉系统由嗅觉细胞、嗅觉神经网络

5、和大脑组成。的。人的嗅觉系统由嗅觉细胞、嗅觉神经网络和大脑组成。嗅感是挥发性物质释放出气体进入鼻腔，被嗅觉小胞中的嗅嗅感是挥发性物质释放出气体进入鼻腔，被嗅觉小胞中的嗅细胞吸附到表面上，呈负电性的嗅细胞表面的部分电荷发生细胞吸附到表面上，呈负电性的嗅细胞表面的部分电荷发生改变，产生电流，使神经末梢接受刺激而兴奋，最后，兴奋改变，产生电流，使神经末梢接受刺激而兴奋，最后，兴奋信号传到大脑的嗅区皮层产生嗅感。信号传到大脑的嗅区皮层产生嗅感。 人的嗅感产生过程框图4第六章 其它快速检测技术 第一节 气味（电子鼻）传感器的检测技术四、电子鼻的基本组成四、电子鼻的基本组成 电子鼻系统主要由气敏传感器阵列

6、、信号处理单元和模式电子鼻系统主要由气敏传感器阵列、信号处理单元和模式识别单元三大部分组成。图给出了人工嗅觉系统的结构框图。识别单元三大部分组成。图给出了人工嗅觉系统的结构框图。 电子鼻的系统组成5第六章 其它快速检测技术 第一节 气味（电子鼻）传感器的检测技术1 1气敏传感器阵列气敏传感器阵列 气敏传感器阵列可以由多个分立气敏传感器元件组成，也气敏传感器阵列可以由多个分立气敏传感器元件组成，也可以采用集成工艺制作专门的传感器阵列。可以采用集成工艺制作专门的传感器阵列。 气敏传感器有金属氧化物半导体传感器、声表面波传感气敏传感器有金属氧化物半导体传感器、声表面波传感器、导电有机聚合物膜传感器、

7、石英晶体谐振传感器、电化器、导电有机聚合物膜传感器、石英晶体谐振传感器、电化学传感器、红外光电传感器及学传感器、红外光电传感器及L-BL-B膜传感器等类型。膜传感器等类型。 生物嗅觉系统中的单个嗅觉受体细胞的性能并不高，但是，生物嗅觉系统中的单个嗅觉受体细胞的性能并不高，但是，生物嗅觉系统的整体性能却令人惊叹不已。因此，不必刻意生物嗅觉系统的整体性能却令人惊叹不已。因此，不必刻意追求单个气敏传感器的性能。采用集成化嗅觉传感器阵列装追求单个气敏传感器的性能。采用集成化嗅觉传感器阵列装置已成发展趋势。置已成发展趋势。 6第六章 其它快速检测技术 第一节 气味（电子鼻）传感器的检测技术2. 2. 信

8、号处理单元信号处理单元 信号处理单元由信号处理单元由A/D转换、数据预处理与处理器组成。由转换、数据预处理与处理器组成。由传感器产生的电信号经电子线路放大及传感器产生的电信号经电子线路放大及A/DA/D转换为数字信号。转换为数字信号。被测嗅觉的强度既可采用每个传感器输出的绝对电压、电阻被测嗅觉的强度既可采用每个传感器输出的绝对电压、电阻或电导等信号来表示，也可用相对信号值，如归一化的电阻或电导等信号来表示，也可用相对信号值，如归一化的电阻或电导值，即它们的变化率来比较嗅味的性质。传感器阵列或电导值，即它们的变化率来比较嗅味的性质。传感器阵列输出的信号经由信号处理单元抽取出有效特征参数，以便进输

9、出的信号经由信号处理单元抽取出有效特征参数，以便进行模式识别。行模式识别。 7第六章 其它快速检测技术 第一节 气味（电子鼻）传感器的检测技术3. 3. 模式识别单元模式识别单元 模式识别单元相当于生物的大脑。它运用一定的算法完模式识别单元相当于生物的大脑。它运用一定的算法完成气味、气体的定性、定量辨识。目前常用的模式识别方法成气味、气体的定性、定量辨识。目前常用的模式识别方法有统计方法（主要有主成分分析法有统计方法（主要有主成分分析法（PCA）、偏最小二乘法偏最小二乘法（PLS）、聚类分析法聚类分析法（CA）等）、人工神经网络等）、人工神经网络（ANN）方法以及模糊识别方法等等。方法以及模糊

10、识别方法等等。 8第六章 其它快速检测技术 第一节 气味（电子鼻）传感器的检测技术五、电子鼻的应用五、电子鼻的应用 名名 称称传感器阵列类型传感器阵列类型主要应用主要应用生产厂商生产厂商气味监测仪气味监测仪 金属氧化物半导体金属氧化物半导体 测一般可燃气体测一般可燃气体美国公司智能鼻智能鼻Fox2000金属氧化物半导体金属氧化物半导体 测一般可燃气体测一般可燃气体法国香味扫描仪香味扫描仪导电聚合物导电聚合物测食品、化妆品测食品、化妆品法国 鼻子鼻子聚合物传感器聚合物传感器监测啤酒监测啤酒英国口腔监测仪口腔监测仪金属氧化物金属氧化物测呼吸新鲜度测呼吸新鲜度日本9第六章 其它快速检测技术 第一节

11、气味（电子鼻）传感器的检测技术六、电子鼻发展前景六、电子鼻发展前景 存在问题存在问题: :(1)(1)有些传感器对测试条件要求苛刻，必须严加控制，或有些传感器对测试条件要求苛刻，必须严加控制，或者加以监测并进行参数补偿；者加以监测并进行参数补偿；(2)(2)传感器本身的稳定性差，因而易于中毒；传感器本身的稳定性差，因而易于中毒；(3)(3)阵列的校正和训练数据无法通用。阵列的校正和训练数据无法通用。 研究方向：研究方向：(1)(1)能对微量分子瞬时敏感的不受环境影响或能对环境变化进行能对微量分子瞬时敏感的不受环境影响或能对环境变化进行自适应补偿的传感器阵列装置；自适应补偿的传感器阵列装置；(2

12、)(2)能对信号进行处理的高精度处理器，将信号与噪声分离；能对信号进行处理的高精度处理器，将信号与噪声分离；(3)(3)能将人的感官感受相一致的感官评定指标的模式识别方法。能将人的感官感受相一致的感官评定指标的模式识别方法。 10第六章 其它快速检测技术第二节第二节 生物传感器检测技术生物传感器检测技术 按检测对象可以分成两大类：按检测对象可以分成两大类：物理传感器物理传感器和和化学传感器化学传感器。物理传感器是检测力、热、光、电、磁等物理量的传感器物理传感器是检测力、热、光、电、磁等物理量的传感器; ;化学传感器则是能检测化学量的传感器。化学传感器则是能检测化学量的传感器。 从从20世纪世纪

13、60年代起，化学传感器领域又增加了一个新年代起，化学传感器领域又增加了一个新的分支的分支生物传感器生物传感器。 有人把生物传感器和物理传感器及化学传感器并列起有人把生物传感器和物理传感器及化学传感器并列起来，看作是传感器的第来，看作是传感器的第3个类别。个类别。 11第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术 一、生物传感器的一般知识一、生物传感器的一般知识 1. 1. 生物传感器的定义生物传感器的定义 用固定化的生物体成分（酶、抗体、抗原、激素）或用固定化的生物体成分（酶、抗体、抗原、激素）或生物体本身（细胞、细胞器、组织）作为敏感元件的传感生物体本身（细胞、细胞器、组织）作为敏感

14、元件的传感器称为生物传感器。生物传感器既不是指专用于生物领域器称为生物传感器。生物传感器既不是指专用于生物领域的传感器，也不是指被测量对象必须是生物量的传感器的传感器，也不是指被测量对象必须是生物量的传感器（尽管用它也能测定生物量），而是基于它的敏感材料来（尽管用它也能测定生物量），而是基于它的敏感材料来自生物体。自生物体。 12第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术 2. 2. 生物传感器的组成生物传感器的组成 在生物传感器中除敏在生物传感器中除敏感元件之外还有信号转换感元件之外还有信号转换器件，常用的信号转换器器件，常用的信号转换器有电化学电极、离子敏场有电化学电极、离子敏场

15、效应晶体管、热敏电阻及效应晶体管、热敏电阻及微光管等。生物传感器的微光管等。生物传感器的组成可形象地如图所示。组成可形象地如图所示。 生物传感器的基本构成示意图13第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术 生物传感器的工作原理生物传感器的工作原理 （2 2）将热变化转化成电信号）将热变化转化成电信号 大部分生物传感器均属于这种类大部分生物传感器均属于这种类型。以酶传感器为例，酶催化特定型。以酶传感器为例，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量的改变转换为电信号

16、的装置和固定化酶耦合，即组成酶传感器。定化酶耦合，即组成酶传感器。 固定化的生物材料与相应的被固定化的生物材料与相应的被测物作用时常伴随有热的变化。测物作用时常伴随有热的变化。 将热变化转变成电信号的生物传感器（1 1）将化学信号变化转换成电信号）将化学信号变化转换成电信号 14第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术 生物传感器的工作原理生物传感器的工作原理 （3 3）将光信号转变为电信号）将光信号转变为电信号（4 4）直接产生电信号方式）直接产生电信号方式 有些酶，例如过氧化氢酶，能催化过氧化氢有些酶，例如过氧化氢酶，能催化过氧化氢/ /鲁米诺体系鲁米诺体系发光，如设法将过氧化

17、氢酶膜附着在光纤或光敏二极管的前发光，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。端，再和光电流测定装置相连，即可测定过氧化氢含量。 前前3 3种原理的生物传感器都是化学或物理变化再通过信号种原理的生物传感器都是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，统称为间接测量方式。转换器转变为电信号进行测量，统称为间接测量方式。 酶反应伴随的电子转移、微生物细胞的氧化直接在电极酶反应伴随的电子转移、微生物细胞的氧化直接在电极表面上发生，根据所得到的电流量即可得底物浓度。表面上发生，根据所得到的电流量即可得底物浓度。这就是这就是直接测量方式。

18、直接测量方式。15第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术 3. 3. 生物传感器的分类生物传感器的分类 （1 1）根据传感器输出信号的产生方式分类）根据传感器输出信号的产生方式分类 产生传感器输出信号的方式有两类。一类是被测物与分产生传感器输出信号的方式有两类。一类是被测物与分子识别元件上敏感物质具有生物亲合作用子识别元件上敏感物质具有生物亲合作用，这类传感器称这类传感器称为亲合生物传感器；一类是底物与分子识别元件上的敏感为亲合生物传感器；一类是底物与分子识别元件上的敏感物质相作用并生成产物，信号转换器将底物的消耗或产物物质相作用并生成产物，信号转换器将底物的消耗或产物的增加转变

19、为输出信号，这类传感器称为代谢型或催化型的增加转变为输出信号，这类传感器称为代谢型或催化型生物传感器，生物传感器， 受体底物SRRS生物体受体底物PSRRS16第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术 （2 2）根据传感器中分子识别元件上的敏感物质分类）根据传感器中分子识别元件上的敏感物质分类 根据所用的敏感物质将生物传感器分为酶传感器、微生根据所用的敏感物质将生物传感器分为酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等。物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等。 （3 3）根据传感器的信号转换器分类）根据传感器的信号转换器分类 生物传感器的信号转换器有：电

20、化学电极、离子敏场效应生物传感器的信号转换器有：电化学电极、离子敏场效应晶体管、热敏电阻、光电转换器、晶体管、热敏电阻、光电转换器、SAW装置等。据此又将生装置等。据此又将生物传感器分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热物传感器分为电化学生物传感器、半导体生物传感器、测热型生物传感器、测光型生物传感器、测声型生物传感器等。型生物传感器、测光型生物传感器、测声型生物传感器等。 17第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术 3. 3. 生物传感器的分类生物传感器的分类 按敏感材料分类按敏感材料分类分子识别部分分子识别部分信号转换部分信号转换部分按信号转换器分类按信号转换器分类酶传

21、感器酶传感器微生物传感器微生物传感器免疫传感器免疫传感器细胞器物传感器细胞器物传感器组织传感器组织传感器酶酶 电化学测定装置电化学测定装置微生物微生物 场效应晶体管场效应晶体管抗体或抗原抗体或抗原 光纤和光敏二极管光纤和光敏二极管细胞器细胞器 热敏电阻热敏电阻动、植物组织动、植物组织 SAWSAW装置装置电化学生物传感器电化学生物传感器半导体生物传感器半导体生物传感器测光型生物传感器测光型生物传感器测热型生物传感器测热型生物传感器测声型生物传感器测声型生物传感器生物传感器的分类生物传感器的分类18第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术 4 4. . 生物传感器的特点生物传感器的特

22、点 （A A） 生物传感器是由选择性好的生物体材料构成的分生物传感器是由选择性好的生物体材料构成的分子识别元件，因此一般不需要进行样品的预处理，它利用子识别元件，因此一般不需要进行样品的预处理，它利用优异的选择性把样品中被测组分的分离和检测统一为一体，优异的选择性把样品中被测组分的分离和检测统一为一体，测定时一般不需另加其它试剂。测定时一般不需另加其它试剂。 (B) (B) 生物传感器由于它的体积小，可以实现连续在线检测。生物传感器由于它的体积小，可以实现连续在线检测。 (C) (C) 生物传感器的响应快、样品用量少，且由于敏感材料生物传感器的响应快、样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可以

23、反复多次使用。是固定化的，可以反复多次使用。 (D) (D) 生物传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，生物传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，因而便于推广普及。因而便于推广普及。 19第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术 二、生物传感器在食品与农产品加工中的应用二、生物传感器在食品与农产品加工中的应用 1. 1. 生物传感器在食品检验中的应用生物传感器在食品检验中的应用 （1 1）食品鲜度的测定）食品鲜度的测定 （A A）鱼鲜度传感器鱼鲜度传感器 （B B）肉鲜度传感器肉鲜度传感器 肉类在腐败过程中会产生各种胺类，故胺类测定也能反肉类在腐败过程中会产生各种胺类，

24、故胺类测定也能反映肉类的新鲜度。映肉类的新鲜度。 （C C）牛乳鲜度传感器牛乳鲜度传感器 牛乳放置过程中，受细菌作用而产生乳酸，因此乳酸含量牛乳放置过程中，受细菌作用而产生乳酸，因此乳酸含量可表示牛乳的新鲜度。此外也可从牛乳放置过程由于脂分解可表示牛乳的新鲜度。此外也可从牛乳放置过程由于脂分解作用产生的短链脂肪酸的含量来判断牛乳及其制品的新鲜度，作用产生的短链脂肪酸的含量来判断牛乳及其制品的新鲜度，这类传感器也已开发出来了。这类传感器也已开发出来了。 20第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术 2.2.生物传感器在食品卫生检测中的应用生物传感器在食品卫生检测中的应用 （1 1）食

25、品中细菌和病原菌的测定）食品中细菌和病原菌的测定 食品中微生物的检测一直用平皿计数法，方法繁琐耗时。食品中微生物的检测一直用平皿计数法，方法繁琐耗时。19791979年等开发了非染料偶合的燃料电池型微生物电极系统年等开发了非染料偶合的燃料电池型微生物电极系统, , 该电极基于微生物在呼吸代谢过程中产生电子，在阳极上该电极基于微生物在呼吸代谢过程中产生电子，在阳极上放电，放电产生的电流大小可反映测定液中微生物的浓度。放电，放电产生的电流大小可反映测定液中微生物的浓度。 采用光纤传感器可直接放入生长溶液的培养瓶中，通过测定采用光纤传感器可直接放入生长溶液的培养瓶中，通过测定微生物代谢过程中的副产物

26、二氧化碳浓度来估算细菌数量。采微生物代谢过程中的副产物二氧化碳浓度来估算细菌数量。采用酶联电流型免疫传感器可测到食品中低数量的沙门氏菌。用酶联电流型免疫传感器可测到食品中低数量的沙门氏菌。 免疫传感器也成功地测定了污染食品的大肠杆菌、金黄色免疫传感器也成功地测定了污染食品的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和鼠伤寒沙门氏菌。葡萄球菌和鼠伤寒沙门氏菌。 21第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术 （2 2）检测食品中毒素）检测食品中毒素 有人有人采用光纤传感器测定了食品中的肉毒杆菌毒素采用光纤传感器测定了食品中的肉毒杆菌毒素A，检测下限可达检测下限可达5mgmL，lmin内可完成测定。内可完

27、成测定。 （3 3）检测食品中残留农药）检测食品中残留农药 采用电导型生物传感器对食品中有机磷农药：甲基马拉采用电导型生物传感器对食品中有机磷农药：甲基马拉松、乙基马拉松、敌百虫、二乙丙基磷酸进行了测定，检出松、乙基马拉松、敌百虫、二乙丙基磷酸进行了测定，检出下限分别为下限分别为5 51010-7-7、1 11010-8-8、5 51010-7-7、5 51010-11-11molL。 磺胺可进入动物来源的食品，对人体健康产生不良影响。磺胺可进入动物来源的食品，对人体健康产生不良影响。采用免疫传感器测定了牛奶中硫胺二甲嘧啶，检出限低于采用免疫传感器测定了牛奶中硫胺二甲嘧啶，检出限低于1 110

28、10-9-9，平均相对标准差为，平均相对标准差为2%。 22第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术 （4 4）检测食品中添加）检测食品中添加剂剂 亚硫酸盐通常用于食品工业。除具有漂白作用外，还有亚硫酸盐通常用于食品工业。除具有漂白作用外，还有防止食品氧化和微生物生长的作用。防止食品氧化和微生物生长的作用。采采用导电介体四氰基用导电介体四氰基对醌二甲烷对醌二甲烷、四硫富瓦烯和亚硫酸盐氧化酶顺序沉积在玻四硫富瓦烯和亚硫酸盐氧化酶顺序沉积在玻璃碳电极敏感面上，结合璃碳电极敏感面上，结合FIAFIA制成测定亚硫酸盐的传感器，制成测定亚硫酸盐的传感器，检出限为检出限为5 5mmolL，电极

29、在电极在2020s可达最大反应的可达最大反应的90%90%。 生物传感器在食品与农产品抗氧化剂测定中已有不少生物传感器在食品与农产品抗氧化剂测定中已有不少报道。例如用菠菜叶或牛蒡植物叶与氧电极构成的植物组报道。例如用菠菜叶或牛蒡植物叶与氧电极构成的植物组织电极可用于食品中儿茶酚的测定，测定范围可高至织电极可用于食品中儿茶酚的测定，测定范围可高至15001500mgL。 23第六章 其它快速检测技术 第二节 生物传感器检测技术 3.3.生物传感器在发酵工业中的应用生物传感器在发酵工业中的应用 各种生物传感器中微生物传感器最适合发酵工业中的测各种生物传感器中微生物传感器最适合发酵工业中的测量。由于

30、发酵工业是大规模的生产，微生物传感器具有的量。由于发酵工业是大规模的生产，微生物传感器具有的成本低、设备简单的特点，占了极大的优势。成本低、设备简单的特点，占了极大的优势。 微生物传感器可用于原材料如糖蜜、乙酸等的测量，代微生物传感器可用于原材料如糖蜜、乙酸等的测量，代谢产物如头孢霉素、谷氨酸、甲酸、甲烷、醇类、青霉素、谢产物如头孢霉素、谷氨酸、甲酸、甲烷、醇类、青霉素、乳酸等的测量。测量的装置用适合的微生物电极与氧电极乳酸等的测量。测量的装置用适合的微生物电极与氧电极组成，利用微生物的同化作用耗氧，测量氧电极电流的变组成，利用微生物的同化作用耗氧，测量氧电极电流的变化量来测量氧气的减少量。化量来测量氧气的减少量。 除在上述几个方面外，还广泛应用于军事和医学领域。除在上述几个方面外，还广泛应用于军事和医学领域。军事上使用最多的是乙酰胆碱酯酶传感器，可以检测出沙林，军事上使用最多的是乙酰胆碱酯酶传感器，可以检测出沙林，该方法至今仍被应用于神经性毒剂毒包和报警器中。该方法至今仍被应用于神经性毒剂毒包和报警器中。 24