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1、食品安全与生物传感器技术蔡雁 2015-4-28计算机大脑传感器感觉器官Apple Watch 苹果官方近日公布了其内置心率传感器的工作原理。苹果的 技术支持文档显示，Apple Watch的心率测量周期是每10分 钟测量一次，并将数据存储在健康App中。这些检测信息， 再结合收集到的其他数据，计算佩戴者的卡路里消耗量。Apple Watch利用LED绿光和红外光，以及两种光传感器来 检测心率。当其处于15摄氏度以下的低温时，通过测量绿光 的吸收状况来获取更为精准的数据。而高温环境下，比如用 户正在健身房里挥汗如雨时，皮肤表面水分增加，由于更多 绿光已经被吸收掉，要检测皮下反射的绿光就比较困难
2、，这 时Apple Watch就转换到红外光模式。这种用于血流检测的光学技术，专业上称为“光电容积脉搏波 描记法（photoplethysmography）”，简称PPG。绿光PPG跟 EKG（心电图）获取的数据更接近。下图显示的是PPG测量结果和EKG、血压数据的对比情况。 可以看出PPG技术上的优势，以及跟EKG数据更为匹配：心脏平均每分钟跳（bpm）72下。运动过程中，肌肉需要更多氧 气，心跳会加速来满足氧气供应；健身时，Apple Watch的心率感 应器将心率数据显示在手腕的屏幕上，用户可以随时随地用Heart Rate Glance查看。Apple Watch的绿光模式每分钟检测一
3、次，而 红外光模式每十分钟检测一次，收集用户的心率和脉冲等数据。 信息和数据储存在健康应用中，帮助计算用户消耗的卡路里数量 ，还可以反映运动强度以及运动过程中的心率变化。Apple Watch是如何检测心率的？l“光电容积脉搏波描记法（photoplethysmography）”的英文 单词读起来难，但原理却简单：血液是红色的，反射红光，吸 收绿光。Apple Watch结合绿色LED光跟感光光电二极管，检测 特定时间手腕处流通的血液量。l心脏跳动的一瞬，手腕处流通的血液量增加，吸收更多绿光 ；而心跳间隙，吸收的绿光就少一些。Apple Watch上LED光每 秒闪动数百次，计算出每分钟的心跳
4、次数，也就是心率。lApple Watch心率传感器的红外光模式每十分钟检测一次心 率。倘若红外系统无法读取足够数据的话，Apple Watch就会 自动转换到绿光模式。心率传感器还通过提高LED亮度和采样 率来应对信号不足的情况。第一节 概述l食品的质量和安全性是影响人们健康的重要因素，为保证 食品质量及对加工过程进行人为的控制，需要建立合适的分 析方法。l传统的分析方法有物理法、化学法及仪器分析法，这些方 法都存在着样品预处理步骤复杂、分析时间长、设备庞大、 不能现场测定等缺点。因此，运用新的原理和方法开发准确 安全的快速检测新技术是目前急需解决的问题。l生物传感器具有选择性好、灵敏度高、
5、分析速度快等优点 ，并且可以实现连续测定和在线分析，因此，其被广泛应用 于食品安全检测领域。第二节 生物传感器1 生物传感器的基本概念生物传感器通常是指由一种生物敏感部件和转化器紧密结合 ,对特定种类化学物质或生物活性物质具有选择性和可逆响应的分析装置。它是发展生物技术必不可少的一种先进的检测与监控方 法,也是对食品质量在分子水平上进行快速和微量分析的方法。生物传感器工作原理待测物质经扩散作用进入固定生物膜敏感层，经分子识 别而发生生物学作用，产生的信息如光、热、音等被相应的 信号转换器变为可定量和处理的电信号，再经二次仪表放大 并输出，以电极测定其电流值或电压值，从而换算出被测物 质的量或浓
6、度。3、生物传感器与其他传感器的最大区别：l生物传感器的信号检测以生物活性物质作为敏感元件，具 有特异识别分子的能力。与传统的分析方法相比，这种新的 检测装置具备以下特点：l(1)体积小、响应快、准确度高，可以实现连续在线检测；l(2)一般不需进行样品的预处理，可将样品中被测组分的分 离和检测统一为一体，使整个测定过程简便迅速，容易实现 自动分析；l(3)可进行活体分析；l(4)生物传感器连同测定仪的成本远低于大型分析仪器，便 于推广普及。4、生物传感器发展历程l开端于 20 世纪 60 年代。l1962 年克拉克等人报道了用葡萄糖氧化酶与氧电极组合 检测葡萄糖的结果,可认为是最早提出了生物传
7、感器(酶传感 器)的原理。l1967年Updike等人实现了酶的固定化技术, 研制成功酶电 极 ,这被认为是世界上第一个生物传感器。 l20世纪70年代中期后,生物传感器技术的成功主要集中在对生物活性物质的探索、活性物质的固定化技术、生物电 信息的转换以及生物传感器等研究 ,并获得了较快的进展 。l1977年,钤木周一等发表了关于对生化需氧量(BOD)进行 快速测定的微生物传感器的报告 , 正式提出了对生物传感器的命名。5.1 将化学变化转变成电信号如酶传感器,酶催化特定底物发生反应,从而使特定生成物的量有所增减。用能把这类物质的量的改变转换为电信号的装置和固定化 酶耦合,即组成酶传感器,常用
8、转换装置有氧电极、过氧化氢。氨气检测仪检测原理一般包括电化学或半导体原理传感器。采样方式 分为泵吸式和扩散式，氨气检测仪主要有采样、检测、指 示及报警等部分组成，当环境中的氨气扩散或抽吸达到传 感器时，传感器将氨气浓度大小转换为一定大小的电信号 ，再由显示器将浓度值显示出来。 5.2 将热变化转换成电信号固定化的生物材料与相应的被测物作用时常伴有热 的变化。例如大多数酶反应的热焓变化量在25-100kJ/mol的 范围。这类生物传感器的工作原理是把反应的热效应借 热敏电阻转换为阻值的变化,后者通过有放大器的电桥输 入到记录仪中。l数显温度计采用温度敏感元件也就是温度传感器（如 铂电阻，热电偶，
9、半导体，热敏电阻等），将温度的变 化转换成电信号的变化，如电压和电流的变化，温度变 化和电信号的变化有一定的关系，如线性关系，一定的 曲线关系等，这个电信号可以使用模数转换的电路即AD 转换电路将模拟信号转换为数字信号，数字信号再送给 处理单元，如单片机或者PC机等，处理单元经过内部的 软件计算将这个数字信号和温度联系起来，成为可以显 示出来的温度数值，如25.0摄氏度，然后通过显示单元 ，如LED,LCD或者电脑屏幕等显示出来给人观察。这样 就完成了数字温度计的基本测温功能 5. 将光信号转变为电信号例如，过氧化氢酶,能催化过氧化氢/鲁米诺体系发光,因此 如设法将过氧化氢酶膜附着在光纤或光敏
10、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.还有很多细菌能与特定底物发生反应,产生荧光.也可以 用这种方法测定底物浓度.BenthoTorch底栖藻类便携式检测仪 对底栖藻类荧光测试的仪器 利用藻类细胞内的荧光:细胞色素被不同颜色（波长）的 LED光源所激发并发出红色的荧光，而这种光是自然界 中高度敏感的光源。叶绿素荧光的光强度被用来区别不 同的藻类例如叶绿素a，并分别命名为绿藻，蓝藻（蓝细 菌）以及硅藻。这种计算是通过内部优化的算法进行的 。计算结果会显示在显示屏上并存储于内部内存中。自 带的USB接口能够将数据传输到电脑。电脑软件是免费 提供的。都是将分子识别元件中的生物
11、敏感物质与待测物发生 化学反应,将反应后所产生的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,这种方式统称为间接测量方式.上述三类传感器原理的共同点5.4 直接产生电信号方式这种方式可以使酶反应伴随的电子转移、微生物 细胞的氧化直接(或通过电子递体的作用)在电极表面上发生。根据所得的电流量即可得底物浓度。6 生物传感器分类6.1 根据传感器输出信号的产生方式,可分为生物亲合型生物传感器、代谢型或催化型生物传感器等6.2 根据生物传感器的信号转换器可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6.3 根据生物传感器中生物分子识别元件上的
12、敏感材料可分为酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、基因 传感器、细胞及细胞器传感器。生物传感器的分类：按工作原理分：按所用的生物活性物质分：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核酸生物传感器等按信号转换器类型：生物传感器的信号转换器类型电化学式光学式其他电位式电流式电导式光导纤维光电子元件表面声波压电晶体热敏件平面波导表面等离子体共振传感聚合物修饰电极金属电极离子选择性电极传感有机盐修饰电极场效应晶体管气敏电极贵金属电极碳素或半导体电极每一类名称又都包含许多种具体的生物传感器l例如，酶电极类:根据所用酶的不同就有几十种，如葡萄糖电极、尿素电极、尿酸电极、胆固醇电极、
13、乳酸电极、丙酮酸电极等等l葡萄糖电极也并非只有一种，有用pH电极或碘离子电极作为转换器的电位型葡萄糖电极，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实际上还可再细分。被测物质与分子识别元件上的敏感物质具有生物亲合作用，即二者能特异地相结合，同时引起敏感材料的分子结构和/或固定介质发生变化。例如：电荷、温度、光学性质等的变化。反应式可表示为：S（底物）+ R（受体） = SR生物亲合型传感器底物（被测物）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的增加转变为输出信号，这类传感器称为代谢型传感器，其反应形式可表示为S（底物）R（受体）= SR P（生成物）
14、 代谢型传感器7 生物传感器组成部分l一 是生物分子识别元件(感受器),是具有分子识别能力的生 物活性物质(如组织切片、细胞、细胞器、细胞膜、酶、抗体 、核酸、有机物分子等);l二 是信号转换器(换能器),主要有电化学电极(如电位、电流 的测量)、光学检测元件、热敏电阻、场效应晶体管、压电石英晶体及表面等离子共振器件等，当待测物与分子识别元件特 异性结合后,所产生的复合物(或光、热等)通过信号转换器变为 可以输出的电信号、光信号等,从而达到分析检测的目的。（一）生物识别元件l它是酶、抗原(体)、细胞器、组织切片和微生物细胞等生物分子经固定化后形成的一种膜结构，对被测定的物质有选择性的分子识别能
15、力.（二）换能器l它能将识别元件上进行的生化反应中消耗或生成的化学物质，或产生的光或热等转换为电信号，在一定条件下，产生的电信号强度和反应中物质的变化量或光、热等的强度呈现一定的比例关系。l换能器(信号转换器)将分子识别元件进行识别时所产生 的化学的或物理的变化转换成可用信号l生物传感器的信号转换器已有许多种，其中到目前为 止用得最多的且比较成熟的是电化学电极，用它组成的 生物传感器称为电化学生物传感器（三）信号处理放大装置l主要负责信号的分析处理和放大输出。l它能将换能器产生的电信号进行处理、放大和输出。手掌型葡萄糖(glucose)分析仪6.2 传感器类型(1) 酶传感器(EnzymeSe
16、nsor)酶的活力单位（酶单位）标准酶单位国际生物化学协会酶委员会规定了酶单位的标准形式为 ：一个酶单位（U）是在特定的条件下lmin内催化形成1mol 产物的酶量（或转化1mo1底物的酶量）特定条件一般是指选定的条件，如温度为25，30， 37，最适pH,底物为饱和溶液酶传感器l它将活性物质酶覆盖在电极表面,酶与被测的有机物或无机 物反应,形成一种能被电极响应的物质。l1967年Updick和Hicks将固定化的葡萄糖氧化酶膜结合在氧 电极上,做成了第一支葡萄糖电极；此后,这类酶传感器通常是 通过检测产物H2O2的浓度变化或氧的消耗量来检测底物。l(1)溶解氧的变化可能引起电极响应的波动;l(2)由于氧的溶解度有限,当溶解氧贫乏时,响应电流明显 下降而影响检测限;l(3)传感器响应性能受溶液pH值和温度影响较大葡萄糖电极缺点:l依据信号转换器的类型,酶传感器大致可分为酶电极(主要包 括离子选择电极、气敏电极、氧化还原电极等电化学电极)、酶 场效应晶体管传感器(FET-酶)和酶热敏电阻传感器等(2) 组织传感器(TissueSenso
