生物传感器优点多,低成本低功耗易操作!

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研究讨论了一种低成本植物活性化合物检测系统的设计、开发和构建。该系统采用发光二极管(LED)、光学滤波器、试管架、光电二极管、电子板和机械结构。结果是基于透射和反射吸收测量。


为了评估原型传感器的灵敏度,用商业分光光度计进行了测试。这两个系统测定了多种不同水果的生物活性成分。


两种体系的系数r相近(总多酚r = 0.99,总黄酮r = 0.95,抗坏血酸r = 0.99)。然而,需要进一步的研究来提高这种光学传感器的精度,它具有巨大的工业应用潜力。本文以“A low-cost optical sensor to quantify bioactive compounds in fruit”为题于2020年8月14日发布于《Journal of Food Measurement and Characterization》杂志上。

生物传感器优点多,低成本低功耗易操作!


研究背景


由于消费者对有(更大)营养价值的食品的需求增加,食品分析已成为一个重要的研究领域;这一趋势正受到食品行业的关注。水果和蔬菜,除了是维生素、矿物质和纤维的良好来源,也是丰富的生物活性化合物的来源,可能提供令人满意的健康好处,除了基本的营养。


各种各样的水果提供一系列不同的生物活性化合物,它们的健康益处是由于生物活性化合物和其他营养素在全食品中的协同作用或相互作用。


酚类、类胡萝卜素和维生素(维生素C和原维生素A)是食物中发现的主要生物活性化合物。水果是酚类化合物和l -抗坏血酸(维生素C)的良好来源,这些抗氧化剂已被证明可以降低退行性疾病的发病率,包括预防衰老、白内障形成、动脉硬化、癌症和心血管疾病。


然而,水果和蔬菜中抗氧化化合物的含量差异很大,受气候条件、基因型、栽培技术和收获时的成熟度等因素的影响。因为水果中抗氧化剂的属性是有利于维护人类健康和预防疾病,发展的技术和设备来测量这些化合物的数量在水果和其衍生品使用低成本的工具,都是快速、可靠,并可用于食品工业和研究实验室是很重要的。


研究水果中生物活性化合物的分析程序已经开发出来,这反映了它们在进行此类分析方面的重要性。水果和其他植物性食品中生物活性化合物的定量已经被一些作者研究过[10,13,16]。


提出了几种测定酚类化合物和维生素C含量的分析方法。一般来说,分光光度法和色谱法(HPLC)是最有效的技术,因此在科学研究中使用得更频繁。


高效液相色谱法(HPLC)被认为是测定橙汁、葡萄果渣、葡萄、柑橘属等水果饮料中生物活性化合物的最准确方法,因其灵敏度高于分光光度法或滴定法。然而,这种方法在很大程度上取决于选择合适的探测器,其高海岸是的缺点。


分光光度法目前用于研究实验室的常规分析,但在特定应用中,该设备的成本仍然很高,这并不能促进该分析在工业环境中的大规模推广。


另一方面,由于对健康、环境和安全的现场监测的需求日益增加,因此需要可靠的微型传感装置。为此,需要具备可靠性、低功耗、低成本、自主运行能力和与无线通信系统兼容的分析设备。使用发光二极管(led)作为光源是一种策略,它已成功地应用于化学传感。虽然led有特定的波长范围,但它们可以应用于测量不同的物质,如光学滤光片、机械和电子元件等。


一些研究展示了led在传感、食品改良(增加营养成分)和其他应用(减少微生物污染)方面的应用。具体地说,在考虑生物活性化合物时,紫外光的使用已被用作一种改进技术。使用led作为光源引起了人们的关注,因为其窄光谱、非热光子发射和更长的寿命。

生物传感器优点多,低成本低功耗易操作!


图为a传感器的实验结构。b传感器框图


为验证该传感器的有效性,采用了IL-592-BI型分光光度计KazuakiUV/Vis.采用了上述相同的方法。在分析了标准和样品在分光光度计中使用特定波长的每一个生物活性,标准和样品被放置在小杯和兴奋与特定的LED波长。


下图显示了用分光光度计和光学传感器对抗坏血酸标准样品进行测量的图形结果商业分光光度计显示了吸光度(任意单位)与样品含量(g/L)之间的关系,而光学传感器显示了光电二极管(伏)上记录的电压与样品含量(g/L)之间的关系。分光光度计的响应是线性的,用方程y=0.1064表示线性回归。

生物传感器优点多,低成本低功耗易操作!


图为市售分光光度计(方)和传感器(圆)抗坏血酸校准曲线

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图中a抗坏血酸,b总多酚和c商品分光光度计和传感器测定研究果实中总黄酮的含量


抗坏血酸


用分光光度计和传感器对研究果实(菠萝、李子、青蒿、香蕉、腰果、番石榴、猕猴桃、皮特巴、萨波地拉、黄蒙宾和葡萄)的结果进行了分析。分光光度计的结果表示为:平均吸收值(平均ABS)、平均生物活性含量和标准差(平均±S.D.-g/L)。对于分光光度计,其结果表示为:平均透过率(平均电压)、平均生物活性含量和标准差(平均±S.D.-g/L),并得到分光光度计与传感器的差示误差(%%)。


结果表明,分析样品的抗坏血酸含量和抗坏血酸含量对两种方法都是相容的(p>0.05),说明用该传感器对所研究的果实进行抗坏血酸分析是合理的。


总酚类


分别给出了用商用分光光度计和所提出的传感器测得的水果总酚类含量的平均值。传感器的测量结果与分光光度计的测量结果一致。皂荚为最低浓度(分光光度计为5.55μg/L,传感器为20.47g/L),腰果为最高浓度(70.51μg/L为分光光度计,74.94μg/L为传感器)。


根据商品分光光度计和传感器的测定结果,测定了果实中总酚的含量。根据实验结果,分光光度计和传感器两种方法之间的差异均无显着性(P>0.05)。


总黄酮


用槲皮素分析标准(分光光度计y=0.0091.×−0.0185,传感器y=2.2868.exp(−0.02x))计算出生物活性化合物的浓度。传感器测量结果与分光光度计测量结果一致。


根据分光光度计和传感器的测定,C显示了果实中总黄酮的含量。得到的总黄酮含量曲线与抗坏血酸和总酚曲线相同。


研究结论


研究者用标准样品测定的公式计算出的多种水果的生物活性成分(抗坏血酸、总酚和黄酮类化合物)在传感器和商业分光光度计中的含量相似。此外,所得生物活性化合物的含量与文献报道一致。


与分光光度计相比,该研究提出的用于定量基础植物样品中生物活性化合物的原型传感器获得了优异的结果,表明其作为传感设备的潜力,这是该分析领域的重大贡献。除了具有快速响应、低成本、低功耗和易于操作外,该传感器还结合了高灵敏度、高精度和通用性,适用于学术和工业应用;因此,与商用台式仪器相比,它具有许多优点。


参考文献:João Isaac Silva Miranda, Mônica Maria de Almeida Lopes, Kellina Oliveira de Souza, Hilton Andrade Pinho, Marcela Cristina Rabelo, Lucas Pinheiro de Moura, Kaliana Sitonio Eça, Maria Raquel Alcântara de Miranda, Luciana de Siqueira Oliveira & Glendo de Freitas Guimarães A low-cost optical sensor to quantify bioactive compounds in fruit   Journal of Food Measurement and Characterization 3580–3589(2020)



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