1、现代食品检测技术现代食品检测技术现代食品检测技术现代食品检测技术授课老师：赵杰文、邹小波、徐斌、孙宗保江苏大学食品与生物工程学院江苏大学食品与生物工程学院使用教材和参考书目使用教材：使用教材：赵杰文主编：现代食品检测技术，中国轻工业出版社，国家“十一五”级规划教材（2005年第一版）扩充性教材：扩充性教材：1.邹小波、赵杰文：农产品品质无损检测与数据分析方法，中国轻工业出版社，邹小波、赵杰文：农产品品质无损检测与数据分析方法，中国轻工业出版社，2007年；年；2.方如明，蔡健荣：计算机图象处理技术及其在农业工程中的应用，清华大学出版社，方如明，蔡健荣：计算机图象处理技术及其在农业工程中的应用，
2、清华大学出版社，1999年；年；3.陈斌、黄星奕，食品与农产品品质无损检测新技术，化学工业出版社，陈斌、黄星奕，食品与农产品品质无损检测新技术，化学工业出版社，2004年。年。本课程的知识模块现代食品检测技术现代食品检测技术第一部分现代食品仪器分析技术第一部分现代食品仪器分析技术第二部分食品检测新技术第二部分食品检测新技术食品的光谱分析食品的色谱和质谱分析食品现代分子生物学检测技术食品无损检测技术食品的紫外-可见、红外、原子吸收、分光光度分析和核磁共振分析食品的气相色谱、高效液相色谱分析 和质谱分析食品无损检测新技术与融合技术、电子嗅觉与电子味觉技术、食品力学与电学检测技术核酸探针、PCR基因
3、扩增、生物芯片、免疫学检测技术和食品微生物自动化仪器检测第第1章 绪论章 绪论一、现代食品检测的主要任务；二、食品检测技术的发展历程；三、现代食品检测技术的分类；四、现代食品检测技术的特点及发展方向；五、检测仪器的主要性能及其表征；六、仪器分析的校正方法。一、现代食品检测的主要任务；二、食品检测技术的发展历程；三、现代食品检测技术的分类；四、现代食品检测技术的特点及发展方向；五、检测仪器的主要性能及其表征；六、仪器分析的校正方法。一、现代食品检测的主要任务一、现代食品检测的主要任务1.食品是指原料不经加工或经过加工或改变性状、具有一定营养价值、对人体无害、可供人类食用的物质。2.食品品质包含两
4、方面内容：食品的营养、美味可口及外观颜色及形状等；安全卫生。3.食品品质的优劣直接关系到人们的身体健康，而评价1.食品是指原料不经加工或经过加工或改变性状、具有一定营养价值、对人体无害、可供人类食用的物质。2.食品品质包含两方面内容：食品的营养、美味可口及外观颜色及形状等；安全卫生。3.食品品质的优劣直接关系到人们的身体健康，而评价食品营养食品营养及其及其安全性安全性是现代食品检测分析的主要任务。是现代食品检测分析的主要任务。二、食品检测技术的发展历程二、食品检测技术的发展历程1、传统的食品品质检测方法1、传统的食品品质检测方法?食品检测是运用物理、化学、生物等学科的基本理论及各种科学技术对食
5、品工业生产中的物料的状态和主要成分含量及微生物状况进行分析检测。食品检测是运用物理、化学、生物等学科的基本理论及各种科学技术对食品工业生产中的物料的状态和主要成分含量及微生物状况进行分析检测。?由于检测的目的不同，检测对象的性质和状态的差异，所选择的检测方法也各不相同。由于检测的目的不同，检测对象的性质和状态的差异，所选择的检测方法也各不相同。?传统的食品检测方法有传统的食品检测方法有感官检验法感官检验法、化学分析法化学分析法、仪器分析法仪器分析法、微生物分析法微生物分析法和和酶分析法酶分析法。2、现代食品检测技术的发展2、现代食品检测技术的发展?随着科学技术的发展，食品检测技术的发展十分迅速
6、，其他学科的先进技术不断应用到食品检测领域中来。随着科学技术的发展，食品检测技术的发展十分迅速，其他学科的先进技术不断应用到食品检测领域中来。?由于新技术的引入，食品行业开发出许多自动化程度和精度都很高的食品检测仪器。由于新技术的引入，食品行业开发出许多自动化程度和精度都很高的食品检测仪器。?这不仅缩短了分析时间，减少了人为误差，也大大提高了食品分析检测的速度、灵敏度和准确度。这不仅缩短了分析时间，减少了人为误差，也大大提高了食品分析检测的速度、灵敏度和准确度。3、现代食品检测技术的内涵3、现代食品检测技术的内涵?现代仪器分析技术；现代仪器分析技术；?计算机视觉技术；计算机视觉技术；?食品物性
7、的力学、声学、电学检测技术；食品物性的力学、声学、电学检测技术；?电子传感器技术；电子传感器技术；?生物传感技术；生物传感技术；?核酸探针检测技术；核酸探针检测技术；?PCR基因扩增技术；PCR基因扩增技术；?免疫学检测技术。免疫学检测技术。三、现代食品检测技术的分类三、现代食品检测技术的分类1.现代食品仪器分析技术1.现代食品仪器分析技术?食品的光谱分析食品的光谱分析?食品的色谱分析食品的色谱分析?其它仪器分析技术其它仪器分析技术2.现代食品检测新技术2.现代食品检测新技术?食品无损检测食品无损检测?食品现代分子生物学检测食品现代分子生物学检测仪器分析仪器分析电化学分析法电化学分析法光分析法
8、光分析法色谱分析法色谱分析法其它仪器分析方法其它仪器分析方法1.现代食品仪器分析方法的分类1.现代食品仪器分析方法的分类1）光分析方法1）光分析方法光分析法光分析法原子吸收法原子吸收法红外法红外法原子发射法原子发射法核磁法核磁法荧光法荧光法紫外可见法分子光谱分子光谱原子光谱原子光谱2）色谱分析方法2）色谱分析方法色谱分析法色谱分析法气相色谱法气相色谱法薄层色谱法薄层色谱法液相色谱法液相色谱法激光色谱法激光色谱法电色谱法电色谱法超临界色谱法超临界色谱法3）电化学分析方法3）电化学分析方法电化学分析法电化学分析法电位分析法电位分析法电解分析法电解分析法电泳分析法电泳分析法库仑分析法库仑分析法极谱与
9、伏安分析法极谱与伏安分析法电导分析法电导分析法4）其他分析方法4）其他分析方法其他分析法其他分析法质谱分析法质谱分析法联用技术联用技术热分析法热分析法特性 仪器方法 说明 特性 仪器方法 说明 光发射 发射光谱（X-射线；紫外可见；电子；Auger）；荧光；磷光和冷光（X-射线；紫外可见）光辐射由待测物产生 光发射 发射光谱（X-射线；紫外可见；电子；Auger）；荧光；磷光和冷光（X-射线；紫外可见）光辐射由待测物产生 光吸收 分光光度法（X-射线；紫外可见；红外）；声光光谱；核磁共振；电子自旋共振光谱 光吸收 分光光度法（X-射线；紫外可见；红外）；声光光谱；核磁共振；电子自旋共振光谱 光
10、散射 浊度法；拉曼光谱 光散射 浊度法；拉曼光谱 光折射 折光分析；干涉法 光折射 折光分析；干涉法 光衍射 X-射线和电子衍射光谱 光衍射 X-射线和电子衍射光谱 光偏转 旋光分析；旋光性色散分析；圆振二向色性分析 电磁辐射与待测物作用后产生的变化 光偏转 旋光分析；旋光性色散分析；圆振二向色性分析 电磁辐射与待测物作用后产生的变化 电 位 电位分析 电 位 电位分析 电 荷 库仑分析 电 荷 库仑分析 电 流 电流分析法；极谱分析 电 流 电流分析法；极谱分析 电 阻 电导分析 四种电学特性的测量 电 阻 电导分析 四种电学特性的测量 色谱分析 薄层色谱；气相色谱；液相色谱；离子色谱色谱分
11、析 薄层色谱；气相色谱；液相色谱；离子色谱.电 泳 多组份同时分离分析 电 泳 多组份同时分离分析 质量/电荷 重量分析；质谱分析 质量/电荷 重量分析；质谱分析 反应速率 动力学方法 反应速率 动力学方法 热性质 热重分析；差示扫描；差热分析；热导分析 热性质 热重分析；差示扫描；差热分析；热导分析 放射性 活化分析（如中子活化）；同位素稀释法 放射性 活化分析（如中子活化）；同位素稀释法 四种混合特性 四种混合特性 检测对象光声 电等特性相应响应信号目前用得最多的是一些单一技术如：计算机视觉、电子嗅觉和近红外光谱分析等激励2.现代食品检测新技术现代食品检测新技术食品、农产品品质无损检测食品
12、、农产品品质无损检测食品、农产品品质无损检测主要方法无损检测方法无损检测方法紫外红外近红外可见光学方法电特性方法光学方法电特性方法磁特性方法磁特性方法导电率介电常数核磁共振(NMR)电子自旋共振(ESR)振动超声波声音压缩X射线射线射线放射线方法放射线方法力学方法力学方法电容容量?核酸探针检测技术核酸探针检测技术?PCR基因扩增技术PCR基因扩增技术?生物芯片技术生物芯片技术?免疫学检测技术免疫学检测技术2.现代食品检测新技术现代食品检测新技术食品现代分子生物学检测技术食品现代分子生物学检测技术菌落计数器菌落计数器自动细菌菌落测定分析仪自动细菌菌落测定分析仪3）食品微生物自动化仪器检测技术3）
13、食品微生物自动化仪器检测技术?可直接测读菌体本身在培养液中造成的导电度变化，或利用菌体在代谢过程中的产物所造成的导电度变化，快速测定样品中细菌含量数目。可直接测读菌体本身在培养液中造成的导电度变化，或利用菌体在代谢过程中的产物所造成的导电度变化，快速测定样品中细菌含量数目。?适用于各种食品，制药工厂的微生物品质管理，取代传统方法将侦测时间由3-5天减到几个小时。亦可用于做样品的抗菌性试验。适用于各种食品，制药工厂的微生物品质管理，取代传统方法将侦测时间由3-5天减到几个小时。亦可用于做样品的抗菌性试验。快速自动菌数导电测定仪快速自动菌数导电测定仪细胞的总数、细胞的直径、平均直径、细胞浓度等。仪
14、器全自动操作，避免人工操作的误差，数据精确，省时省力。是您作细胞研究的好助手，是研究细胞的更高层次的选择。细胞的总数、细胞的直径、平均直径、细胞浓度等。仪器全自动操作，避免人工操作的误差，数据精确，省时省力。是您作细胞研究的好助手，是研究细胞的更高层次的选择。细胞细胞/颗粒分析计数仪颗粒分析计数仪空气微生物检测仪空气微生物检测仪适合适合CGMP药厂药厂,食品加工厂食品加工厂,医院手术防医院手术防,无尘无菌室室无尘无菌室室Class100100000 之等级之等级微粒子落塵计数器微粒子落塵计数器四、现代食品检测技术的特点及发展方向四、现代食品检测技术的特点及发展方向1.食品检测技术更加注重实用性
15、和精确性食品检测技术更加注重实用性和精确性?微型化、低能耗化、功能专用化、多维化、一体化、成象化微型化、低能耗化、功能专用化、多维化、一体化、成象化2.大量应用生物技术领域的研究成果大量应用生物技术领域的研究成果3.与计算机技术结合得越来越紧密与计算机技术结合得越来越紧密?提高了食品检测系统的数据处理能力;促进了食品检测技术的自动化程度的提高;使食品检测更趋智能化。提高了食品检测系统的数据处理能力;促进了食品检测技术的自动化程度的提高;使食品检测更趋智能化。3.不断应用其他领域新技术不断应用其他领域新技术?现代数学（人工神经网络、模式识别、最优化方法）;生理学现代数学（人工神经网络、模式识别、
16、最优化方法）;生理学4.实时在线、非侵入、非破坏的食品检测技术实时在线、非侵入、非破坏的食品检测技术五、仪器性能及其表征五、仪器性能及其表征问题：如何判断哪种仪器分析方法可用于解决某个分析问题呢？基于以上问题，你必须了解该仪器的性能，或者说，该仪器到底可作什么分析！问题：如何判断哪种仪器分析方法可用于解决某个分析问题呢？基于以上问题，你必须了解该仪器的性能，或者说，该仪器到底可作什么分析！仪器性能及其表征仪器性能及其表征 判判 据据(Criterion)性能表征性能表征(Figures of Merit)精密度精密度 标准偏差；相对标准偏差；标准偏差；相对标准偏差；变异系数；方差变异系数；方差
17、 误差误差 绝对误差；相对误差绝对误差；相对误差 灵敏度灵敏度 校正灵敏度；分析灵敏度校正灵敏度；分析灵敏度 检测限检测限 空白加空白加 3 倍的空白标准偏差倍的空白标准偏差 线性范围线性范围 可以分析的浓度范围可以分析的浓度范围 选择性选择性 选择性系数选择性系数 其它原则：其它原则：分析速度；分析速度；分析难度或方便性；分析难度或方便性；对操作者的技能要求；对操作者的技能要求；仪器维护及实用性；仪器维护及实用性；分析测试费用。分析测试费用。1、误差（1、误差（BiasBias）测量值的总体平均值）测量值的总体平均值x x与与“真值真值”接近的程度。即通过多次测量已知浓度或含量的物质（称为标
18、准物质），得到总体平均值与标准物质含量（真实值）比较。在建立新的分析方法时，对接近的程度。即通过多次测量已知浓度或含量的物质（称为标准物质），得到总体平均值与标准物质含量（真实值）比较。在建立新的分析方法时，对标准物质标准物质的测量可找出误差的来源！并通过空白分析和仪器校正来消除误差。的测量可找出误差的来源！并通过空白分析和仪器校正来消除误差。=xbias2、精密度（2、精密度（PrecisionPrecision）使用同一方法或步骤进行多次重复测量所得分析数据之间符合的程度。）使用同一方法或步骤进行多次重复测量所得分析数据之间符合的程度。?标准偏差(Absolute standard dev
19、iation)，s标准偏差(Absolute standard deviation)，s?平均标准偏差(Standard deviation of mean,sm)平均标准偏差(Standard deviation of mean,sm)?相对标准偏差相对标准偏差(Relative standard deviation,RSD)(Relative standard deviation,RSD)?变异系数(Coefficient of variance,CV)变异系数(Coefficient of variance,CV)?方差(Variance):方差(Variance):s s2 21)(1
20、2=NxxsNii=xsRSD/Nssm/=%100/=xsCV3、灵敏度（3、灵敏度（SensitivitySensitivity）反映了仪器或方法识别微小浓度或含量变化的能力，也就是说，当浓度或含量有微小变化时，仪器或方法均可以觉察出来。影响灵敏度的因素有二：）反映了仪器或方法识别微小浓度或含量变化的能力，也就是说，当浓度或含量有微小变化时，仪器或方法均可以觉察出来。影响灵敏度的因素有二：a）校正曲线的斜率；校正曲线的斜率；b)分析的重现性或精密度。分析的重现性或精密度。International Union of Pure&Applied Chemists，即，即IUPAC推荐使用推荐使
21、用“校正灵敏度校正灵敏度”或者或者“校正曲线斜率校正曲线斜率”作为衡量灵敏度高低的标准。作为衡量灵敏度高低的标准。010203040506000.10.20.30.40.50.6S Sc cS S2 2=k k2 2c+Sc+Sblank-2blank-2S S1 1=k k1 1c+Sc+Sblank-1blank-1仪器和方法的灵敏度描述仪器和方法的灵敏度描述k k1 1,k,k2 2分别为两条校正曲线的斜率，即灵敏度。但未考虑测定重现性影响！分别为两条校正曲线的斜率，即灵敏度。但未考虑测定重现性影响！4、检测限（4、检测限（Detection limit,DL）在已知置信水平，可以检测到
22、的待测物的最小质量或浓度。它和分析信号（）在已知置信水平，可以检测到的待测物的最小质量或浓度。它和分析信号（Singnal）与空白信号的波动（噪音,）与空白信号的波动（噪音,Noise）有关，或者说与信噪比（）有关，或者说与信噪比（S/N）有关。）有关。DL的特点是：的特点是：它将分析的灵敏度和精密度进行了有机的结合。它将分析的灵敏度和精密度进行了有机的结合。只有当有用的信号大于噪音信号时，仪器才有可能识别有用信号，如下图所示。只有当有用的信号大于噪音信号时，仪器才有可能识别有用信号，如下图所示。sb测定次数，测定次数，n nS SSDL=Sb+k1 sb仪器噪音及方法检出限仪器噪音及方法检出
23、限K K1 1=3时，可以认为仪器检出的最小信号值=3时，可以认为仪器检出的最小信号值S SDLDL可能性为95%可能性为95%检出限如何计算呢？检出限如何计算呢？测定空白样品（测定空白样品（待测物浓度为0或浓度接近空白值待测物浓度为0或浓度接近空白值）20302030次，求其平均值次，求其平均值S Sb b及其标准偏差及其标准偏差s sb b，则可分辨的最小信号，则可分辨的最小信号S SDLDL=S=Sb b+k+k1 1ssb b通过校正曲线的斜率通过校正曲线的斜率k，k，将最小待测物信号将最小待测物信号S SDLDL转化为浓度值转化为浓度值C CDLDL，即经统计学的，即经统计学的t t
24、和和z z检验，当检验，当k k1 1=3=3 时，大多数情况下，检测结果的置信度为时，大多数情况下，检测结果的置信度为9595。因此上式可转换为：。因此上式可转换为：kSScSkcSb_DLDLbDLDL=+=+=kskskCbbDL31=5、信噪比（5、信噪比（singnal-to-noise ratio,S/Nsingnal-to-noise ratio,S/N）任何测量值均由两部分组成：信号及噪音。其中信号反映了待测物的信息，是我们所关心的，而噪音是不可避免的，它降低分析的准确度和精密度、提高检出限，是我们不希望的。多数情况下，N是恒定的，与S大小无关。当测量信号较小时，测量的相对误差
25、将增加。因此）任何测量值均由两部分组成：信号及噪音。其中信号反映了待测物的信息，是我们所关心的，而噪音是不可避免的，它降低分析的准确度和精密度、提高检出限，是我们不希望的。多数情况下，N是恒定的，与S大小无关。当测量信号较小时，测量的相对误差将增加。因此用信噪比S/N是恒量仪器性能和分析方法好坏最为有效的指标！用信噪比S/N是恒量仪器性能和分析方法好坏最为有效的指标！当当S/N23S/N23时，分析信号将很难测定。时，分析信号将很难测定。RSDsxNS1=标准偏差平均值动态范围动态范围CDLLOLLOQ浓度，c浓度，c响应信号S响应信号S6、动态范围（6、动态范围（Dynamic range）
26、C CDLDL=检测限；=检测限；LOQ（limit of quantitation）定量低限,定量低限,LOQ=10 sblank；LOL（limit of linear response）线性响应高限。线性响应高限。通常的分析方法，其线性动态范围通常的分析方法，其线性动态范围LOL/LOQ LOL/LOQ 至少要达到2个数量级。至少要达到2个数量级。7、选择性(7、选择性(selectivityselectivity)定义：样品基体中其它组份对测定待测物时的干扰程度。在分析中，没有哪种测定不受到诸多因素的干扰，换句话说，分析的过程就是消除或减少干扰对测定影响的过程，也就是提高分析选择性的过
27、程。通常用选择性系数来反应仪器或方法的选择性，但该应用并不多，只是在ISE（离子选择电极）分析中用到选择性系数。)定义：样品基体中其它组份对测定待测物时的干扰程度。在分析中，没有哪种测定不受到诸多因素的干扰，换句话说，分析的过程就是消除或减少干扰对测定影响的过程，也就是提高分析选择性的过程。通常用选择性系数来反应仪器或方法的选择性，但该应用并不多，只是在ISE（离子选择电极）分析中用到选择性系数。六、仪器分析校正方法六、仪器分析校正方法所谓校正(所谓校正(Calibration)，就是将仪器分析产生的各种信号与待测物浓度联系起来的过程。除重量法和库仑法之外，所有仪器分析方法都要进行)，就是将仪
28、器分析产生的各种信号与待测物浓度联系起来的过程。除重量法和库仑法之外，所有仪器分析方法都要进行“校正校正”。校正方法有三：标准曲线法；标准加入法；内标法。校正方法有三：标准曲线法；标准加入法；内标法。1、标准曲线法（、标准曲线法（Calibration curve）具体做法：）具体做法：a)准确配制已知待测物浓度的系列准确配制已知待测物浓度的系列:0(空白空白)，c1，c2，c3，c4.；b)通过仪器分别测量以上各待测物的响应值通过仪器分别测量以上各待测物的响应值S0，S1，S2，S3，S4及待测物的响应值及待测物的响应值Sx；c)以浓度以浓度c对响应信号与对响应信号与S作图得到标准曲线，然后
29、通过测得的作图得到标准曲线，然后通过测得的Sx从下图中求得从下图中求得cx；或者通过最小二乘法获得其线性方程再直接进行计算。；或者通过最小二乘法获得其线性方程再直接进行计算。S44040c cx x标准曲线法的准确性与两个因素有关：标准曲线法的准确性与两个因素有关：?标准物浓度配制的准确性；标准物浓度配制的准确性；?标准基体与样品基体的一致性。标准基体与样品基体的一致性。0.00.05 52020浓度，浓度，c cSS2S3S10.00.00.20.20.40.40.60.60.80.81.01.01.21.23030Sx2、标准加入法（2、标准加入法（Standard addition me
30、thod）具体做法：）具体做法：a)将一系列已知量待测物分别加入到几等份的样品中，配制成浓度为将一系列已知量待测物分别加入到几等份的样品中，配制成浓度为(cx+0)，(cx+c1),(cx+c2),(cx+c3).，得到和样品有相同基体的标准系列，得到和样品有相同基体的标准系列(加标，加标，spiking)；b)通过仪器分别测量以上系列的响应值通过仪器分别测量以上系列的响应值S0，S1，S2，S3，S4；c)以浓度以浓度c 对响应信号与对响应信号与S作图，再将直线外推与浓度轴相交于一点作图，再将直线外推与浓度轴相交于一点(下图下图)，求得样品中待测物浓度，求得样品中待测物浓度cx。优点：基体(
31、。优点：基体(matrix)相近，或者说基体干扰相同；缺点：麻烦，适于小数量的样品分析。)相近，或者说基体干扰相同；缺点：麻烦，适于小数量的样品分析。ACxxxxCx-c-cx x0.00.00.20.20.00.0101020203030-10-10浓度 浓度 c cSS2S3S4S10.40.40.60.60.80.81.01.01.21.2?当样品量很少时，可在一份样品中加标，加一次作一次测量，可得到上述方法相同的结果；?当觉得上述过程麻烦时，可只加标一次，分别测量样品和加标样品的仪器响应，再直接通过公式进行计算。?当样品量很少时，可在一份样品中加标，加一次作一次测量，可得到上述方法相同
32、的结果；?当觉得上述过程麻烦时，可只加标一次，分别测量样品和加标样品的仪器响应，再直接通过公式进行计算。3、内标法（3、内标法（Internal standard method）该法可以说是上述两种校正曲线的改进。可用于克服或减少仪器或方法的不足等引起的随机误差或系统误差。具体做法：a)寻找一种物质或内标物，该内标物必须是样品中大量存在的或完全不存在的。然后，在所有样品、标准及空白中加入相同量的上述内标物；b)分别测量样品及标准中待测物及内标物的响应值，然后以）该法可以说是上述两种校正曲线的改进。可用于克服或减少仪器或方法的不足等引起的随机误差或系统误差。具体做法：a)寻找一种物质或内标物，该内标物必须是样品中大量存在的或完全不存在的。然后，在所有样品、标准及空白中加入相同量的上述内标物；b)分别测量样品及标准中待测物及内标物的响应值，然后以Sx/Si比值对浓度比值对浓度c作图；c)按前述校正方法获得作图；c)按前述校正方法获得cx。参考文献（学术期刊）参考文献（学术期刊）国内国内1.分析化学分析化学2.高等学校化学学报高等学校化学学报3.光谱学与光谱分析国外光谱学与光谱分析国外1.Analytical Chemistry2.Analyst
