北邮传感器大作业.docx

1、北邮传感器大作业鱼类鲜度测量传感器设计 低成本高灵敏度多功能酶电极鱼类鲜度传感器设计学院：电子工程学院 专业：电子信息科学与技术班级：学号：班内序号： 姓名： 日期：2013.6.81 【社会需求】随着人们生活水平的提高，物质逐渐富裕，人们的注意力开始渐渐转向食品健康方面，尤其是食品质量以及安全问题越来越成为人们生活中的重点关注问题。近几年发生的食品安全问题：如三鹿的三聚氰胺、双汇瘦肉精等，更是把食品安全问题推到了分口浪尖上，这关乎民生的食品安全问题也成为了国家近年来不断大力监督，大力投资的方面。 我国是水产品生产和贸易大国，因此在食品质量问题中，水产品的质量问题是其中的关键一部分，由于水产品

2、富含营养物质和水分, 肌肉组织脆弱, 内源性蛋白酶活跃, 自溶速度快, 水产品易在物理、化学、微生物等方面发生变化, 使产品失去鲜度, 最终导致腐败。鲜度对水产品的品质及原料的加工适性有着巨大的影响, 鲜度高低直接决定了产品的最终价值。随着生活水平的提高, 人们对于食用水产品的鲜度要求也越来越高, 因此其鲜度识别对水产食品安全、运输仓储及加工过程有着重要意义。如何快速、客观评价水产品鲜度, 以满足水产品贸易的发展, 已成为水产品加工业急需解决的课题。2 【历史和现状】 在传统的水厂品鲜度的评价方法中，主要有感官评价、微生物检验、化学检验、僵硬指数和鲜度指示蛋白评价这5种方法，各有各的优缺点。2

3、.1 感官评价 感官评价是通过视觉、嗅觉、味觉和听觉而感知到的食品及其他物质的特征或者性质的一种科学方法。感官鉴别水产品及其制品的质量优劣时, 主要是通过人的视觉、嗅觉和触觉对水产品的体表形态, 即鲜活程度、色泽、气味、肉质的弹性等感官指标来进行综合评价。优点：该法快捷、方便、实用, 其结果接近消费者的判定标准, 可以有效分级和评价水产品鲜度。传统的感官评价法应用范围最广, 能及时提供鱼肉品质信息。缺点：需要专业培训的测评小组, 易受测评人员身体和心理状况影响, 具有较强的主观性。2.2 微生物检验 微生物是引起多数水产品腐败的主要因素, 细菌的菌落总数( TVC )可以有效地判定各类水产品的

4、新鲜度。许多国家从细菌菌落总数的角度制定了水产品新鲜度标准, 可以较为准确的检测水产品新鲜度. 刚捕获的水产品含有许多微生物, TVC 初始值通常为102 104 cfu /g。在冷藏过程中, 耐冷的微生物可以选择性生长。这些适合生存和繁殖并产生腐败臭味和异味代谢产物的菌群, 就是该水产品的特定腐败菌( specific spoilage organ ism, SSO )。特定腐败菌在贮藏中生长比其他微生物快, 并且腐败活性强。 优点：微生物检验利用微生物数量可有效说明水产品新鲜程度。 缺点：存在耗时、需要专门的设备和专业人员来操作等缺点。2.3 化学检验 挥发性物质是判定水产品鲜度的重要参数

5、。水产品在腐败过程中, 由于各种微生物的污染和作用发生变质或者由于自身酶的分解作用引起酸臭性发酵, 都会产生含氮、胺、氨、醇类和含硫等挥发性物质。选取有效的挥发性化合物测定方法可以用来判别水产品的鲜度和腐败阶段. 根据水产品储藏过程中挥发性物质的来源可以将其分为3类：（1)新鲜水产品的气味, 主要为C6 - C9的羟基和羰基化合物;（2)微生物引起水产品腐败的气味, 通常为胺类、挥发性含硫化合物、挥发性低级脂肪酸等, 主要包括乙醇、3-甲基- 1-丁醇、乙酸乙酯、氨、三甲胺等挥发性物质; （3)水产品氧化产生的气味, 如: 己醛、2, 4, 7-癸三烯醛、2, 4- 庚二烯醛等。这些挥发性的化

6、合物可以作为水产品的鲜度指示物。 优点：检测准确，精确度高，判断方便。 缺点：需要通过复杂的技术和手段对以上化学物质进行提取和分离，耗费的人力物力和财力大。2.4 僵硬指数 通过测定鱼体尾部下垂程度与开始的数值相比较, 所得到的鱼体僵硬指数测定方法, 可评价鱼类的鲜度。该法方便快捷,又具科学性。僵硬指数R 的测定方法先测出鱼体长的中点,将鱼体放在水平板上, 使鱼体长的前1 /2放在平板上, 后1 /2自然下垂. 测定水平板表面水平延长线至鱼尾根部(不包括尾鳍)的垂直距离L 和L。L 是鱼体刚死后的垂下值, L是鱼体各时间的垂下值。将L 和L带入下式计算即得僵硬指数R = ( L L) *100

7、% , 鱼体僵硬初期、僵硬期、解硬期, 均可用僵硬指数R 进行判定。僵硬指数作为判断鱼体新鲜度指标在僵硬初期、僵硬期和解僵期均适用。 优点：方便快捷,又具科学性，易于操作。 缺点：鱼种及保藏温度不同, 僵硬指数R 变化大不相同,难以有一个统一判定和划分新鲜度的标准。2.5 鲜度指示蛋白评价 无论从细胞水平还是从组织水平, 蛋白质是水产品肌肉的基本组成成分。同时,水产品的腐败变质多是由于蛋白质的降解引起的。因此,水产品的鲜度等品质变化与蛋白质存在必然的关联 优点：灵敏度高，精确度高。 缺点：技术手段过于专业复杂，要对蛋白质进行提纯，费时费力，并且需要有专业的设备仪器。现有鲜度检验方法虽有其优点,

8、 但存在主观、片面、耗时等缺陷, 如何快速、客观评价水产品鲜度已成为水产品加工业亟待解决的课题。但随着电化学生物传感器的发展，现在，能够使用快速、准确客观地对鱼类的新鲜度进行评估和检测。3 【传感器原理】3.1 酶电极工作原理 酶电极是由固化酶和基础电极组成，由于本次实验是通过测量使用电化学生物传感器通过测量，间接测量鱼类的鲜度指标，所以采用的是电流型电极，产生氧依赖性电流。 电流型电极的基本构成包括铂阴极或金阴极和Ag/AgCl阳极。电极与电路整合以达到两个目的：在阳极和阴极间施加一定极化电压（0.6 0.7 V）；测定通过阴极的电流。 本传感器使用的是Clark氧电极，结构如图所示： 阴极

9、在基质溶液中带有电子。由于在电极上施加电压，当氧扩散至阴极时能被还原成过氧化氢， 并以阴极铂丝为中心形成扩散层，这种扩散电流与试样溶液中氧分压成线性关系。 扩散电流的形成使氧在阴极周围下降，这是因为惦记上氧消耗的速率超出氧从外部溶液中扩散的速率，一旦形成扩散层，氧扩散速率就变成为氧在电极上反应的限制因素，此时，可以用Flick法则表示：式中，为单位时间氧穿过扩散层的量；D为氧在液相中的扩散系数；为扩散层的浓度梯度。 由于到达电极的氧将产生电流：显然取决于反应液中的氧浓度，所以： 即电极电流直接与基质溶液中的氧浓度成正比。 施加给电极的电压能影响氧电流，将电压对电流作图称为伏-安图（V-A），曲

10、线a表明，被扩散限制的电流在低电压区达到“平台”（X-Y区），在较高电压区，由于阴极质子层积作用，电流迅速增加，因此，电极的正常工作电压应该在X-Y区，此时电压的波动对电流的影响较小。3.2 鲜度测量原理 大量研究表明，生物体死后体内高能化合物ATP迅速按顺序水解：ATP ADP(腺苷二磷酸) AMP(5-腺苷单磷酸) IMP（5-次黄苷酸） HxR(次黄苷) Hx（次黄嘌呤） 尿酸。 因此，迅速测出这些化合物浓度，经过综合判断，就能推算出鱼肉的鲜度。在日本，水产品鲜度是按下列式子定量计算: 把这些核酸类化合物的量在鱼肉中的变化做了仔细的追踪实验，发现大多是鱼死后5到10小时硬直，ATP、AD

11、P和AMP、在整个鱼肉中已经不存在，所以提出了新的简化鲜度指标K1： 能够与这3中成分作用的酶是黄嘌呤氧化酶、核苷磷酸化酶和5-核苷酸酶，这些酶分别催化的反应是： 将这三种酶固化在Clark氧电极上，与阴离子交换树脂小型柱组合成传感器系统。载流缓冲液（Tri-HCL）流速控制为1.5 ml/min，当电极输出电流值恒定后，注入Hx、HxR和IMP或注入鱼肉提取液，由于缓冲液中没有磷酸，酶膜中按反应式（4）进行的反应所需要的磷酸只能来自反应式（3）脱掉的磷酸，所以此时传感器响应值代表Hx和IMP的浓度之和。接着把吸附有式样的柱查到式样注入口，加入低离子强度磷酸缓冲液（0.05mol/L，pH 7

12、.8）,输出稳定电流后，加入高离子强度磷酸缓冲液（0.1mol/L）,Hx和HxR被洗脱，洗脱液（a）导致传感器响应。再向柱上输入0.25mol/L磷酸缓冲液洗脱液（b），记录到IMP的响应值、底物浓度（IMP、HxP）和Hx与、之间有下列关系：式中，是各种底物在上述三种测试条件下的标定曲线斜率。显然、和皆为0。 式（6）、（7）、（8）可以改写成以下矩阵形式： 令 （10） 则 （11） 或 （12） 解行列式求出K，便能明确响应值与各底物浓度c的关系，再根据式（2）算出鲜度指标K1。由K1值便是的鲜度如下： 非常新鲜 （可作为高级生鱼片） 新鲜 （可作为生鱼片） 不新鲜 （作为普通烹饪）

13、为了减少实验操作的计算上的复杂性，可以将传感器与单片机、计算机或嵌入式系统相连接，用CPU处理传感器输出信号，将鲜度以图像的形式表示出来(以鲈鱼为例)：不新鲜K40非常新鲜K104 【测量电路】4.1直接采用高精度的安培表测量电流，测量电路如图所示：从上式分析中可以看出，由于本身酶电极输出的电流就很小（为nA级别），而直接用安培表测量电流，会产生3个误差项，所以如果需要更加精确的测量，就必须改进测量电路。4.2 【误差来源】电流测量仪器中的误差产生于流经各种电路元件的外来电流。在下图所示的电路模型中，电流(IM)，即仪表示值，实际等于通过电流表的电流(I1)加上仪表的附加不确定度(UM)。I1

14、等于信号电流(IS)减去分流电流(ISH)和全部产生电流之和(IE)。电路模型中标出了典型电流测量期间产生的各种噪声和电流。ISE电流发生器表示源内部本身产生的噪声。漏泄、压电、摩电效应或介质吸收都会产生电流。类似地，ICE电流发生器表示仪表和源电路之间的互连产生的电流。在被测电路中产生噪声电流的相同源可能会在互连中产生噪声。IRE是由于分流电阻的热活性产生的，噪声电流的值由下式给出：式中，k =波耳兹曼常数(1.38 1023J/K)T =绝对温度，Kf =噪声带宽，HzRSH =电阻值，由于峰-峰噪声大约为均值的5倍，所以当测量高于A的电流时，噪声电流可忽略。所以该测量电路虽然简单，但是只

15、能测量酶电极的灵敏度较高，输出电流较大的场合。5 【改进电路（有一定的温度补偿）】（更优化的补偿见参数说明，但是补偿所需的元件要求苛刻，所以在改进电路中不采用）5.1采用反馈式皮安表，测量电路如图所示：差动运放，有效抑制了温度噪声 输入电流(IIN)流入放大器(A)的输入端，也流经反馈电阻(RF)。放大器的低偏移电流将电流(IIN)改变一个负值。所以，输出电压反映的是输入电流，灵敏度由反馈电阻(RF)决定。小电压降(EIN)和对应的快上升时间由高增益运放实现，它强制EIN接近于零。电路分析： 所以 因为 所以 且 电压增益和灵敏度都可以根据进行调整，使得电路不仅误差减少了，并且灵敏度得到提高，

16、而且使得电路可以根据不同的测量场合要求做不同的调节，灵活性也得到了很大的提升。 由于其使用了差动放大器(运放)，所以在双端输入的共模电流（温度引起的电流噪声）会得到有效的抑制，不仅达到了温度补偿的作用，并且可以通过增大达到增大输出放大倍数和输出电压，使得信噪比得到很大提高。6 【参数及温度补偿说明】（1）在氧电极的选取时候，要选择非开放型的，因为开放型的氧电极其铂丝直接与溶液接触，干扰很大，而本实验测量的生物电流很微小，测量信号容易被大的干扰淹没。所以要采用隔膜型的氧电极（Clark型），这种氧电极通过一层气透膜将电极与外溶液隔开，使氧能够透过膜发生电极反应，而其他溶质分子却被阻止在膜外。电极

17、腔内盛半饱和的KCL溶液以维持电极的稳定性。氧电极的输出电流为nA级，当隔膜为1m厚时，达到90%的响应时间约为5到10 s。（2）Rs为了进一步优化温度补偿，除了可以使用更加优良的差分放大器外，还可以使用有更大温度系数的隔膜式氧电极，通过一个原位热敏电阻自动校正由于温度变化引起的电极输出的漂移。原理如下所示：（3）Rr原位负温度系数热敏电阻（消除Rs影响）RB7 【传感器命名】 由于使用的是生物酶电极传感器，并且在酶电极上固化了3种敏感酶，弥补了传统测量耗时耗力，测量不精确，成本高的问题，而酶电极成本极低，并且耐使用，反应灵敏，所以该传感器命名为：低成本高灵敏度多功能酶电极鱼类鲜度传感器。8

18、 【应用前景】 设计的该传感器主要是面向大量的海鲜市场和国际贸易场合，在进行水厂品，尤其是鱼类交易的时候，能够提供一个方便快速的方法，检测鱼类的新鲜程度，并且不破坏大量有价值的鱼产品，达到保障鱼肉品进出口质量的关键检测技术，并且能够将水产品中鱼肉品的损失避免到最小，该鱼类鲜度传感器在大型的海鲜市场和水产品贸易中的将发挥重要的作用，也是保障人民食品安全和质量的一个很好的检测手段。9 【设计总结】 为了设计出一款新型的高效、灵敏度高并且低成本的实用性鱼类鲜度传感器，我起先查阅了很多资料，比如使用气味传感器、硬度评估传感器以及化学成分提取分析传感器，但是都由于存在主观、片面、耗时等缺陷,而一直没有找

19、到合适的方法，而为了区别于前者的传感器，设计出能够快速、客观评价水产品鲜度的传感器，我把目光放在了近几年新兴起来的生物传感器，因为其具有高效、快速、灵敏度高、成本极低的优点吸引了我的注意力，在查阅了相关文献，明白了鲜度的评估方法后，参考了生物传感器（张先恩 化学工业出版社）配合小电流测量（Keithley）这两本书，我采用了多功能（根据反应的连锁性，同时检测3种化学成分）的酶电极传感器配合能够检测生物小电流的反馈式皮安检测电路，设计了现在这一款符合设计要求的低成本高灵敏度多功能酶电极鱼类鲜度传感器。 在这一次的新型传感器的设计过程中，我深刻感受到了创新思维的重要性，在设计之初，总感觉鱼肉鲜度这个这么抽象并且因人而异的指标是根本没法测量的，但是在参考并且搜索了大量资料后，逐渐增加了信心，并且大胆地猜想和融合了各方面的技术和知识，例如电路、生物、化学、催化剂等。 由于个人水平有限，设计的这个低成本高灵敏度多功能酶电极鱼类鲜度传感器还存在一定的缺陷，有些细节考虑得还不够具体和完善，但是在这次的设计过程中，确实让我学会了很多关于传感器设计方面的知识和经验！10 【参考文献】生物传感器 张先恩 化学工业出版社小电流测量 Keithley 美国吉时利仪器公司NTC温度补偿型热敏电阻电子科技出版社