[发明专利]基于复合型纳米色敏传感芯片连续化快速无损检测谷物产毒菌的方法及装置

说明书

本发明提供了一种基于复合型纳米色敏传感芯片连续化快速无损检测谷物产毒菌的方法及装置。首先利用纳米材料的多孔特殊结构与化学染料复合，提高色敏传感器的吸附力与灵敏度，制备筛选出对2‑甲基丁醛气体、1‑戊醇、己醛和异戊醛等特征气体敏感的复合纳米染料NOsubgt;2/subgt;BDP@MOF、HBDP@PSN和COOCH3‑Diol@PSA；再利用特制的连续化图像采集装置对多组样本进行一天24h连续化图像采集并处理；最后用主成分分析法(PCA)等对小麦样本建立判别模型进行验证。本发明的方法和装置，能实现对谷物产毒菌代谢中挥发性气体更高灵敏度及选择性的分析，相较于传统的理化方法，可显著提高检测效率与精确度，更适用于现场的样品实时连续化检测。

技术领域

本发明涉及谷物产毒菌快速连续化无损检测的方法及装置，具体是利用复合纳米色敏传感器实现对谷物24h连续检测产毒状况。

背景技术

食物的安全性问题一直是大家关注的重点。在粮食储存过程中，谷物产毒菌往往会代谢产生毒素，小麦、玉米等常见的谷物中常因感染黄曲霉菌和寄生曲霉后生成黄曲霉毒素，这除了带来了很大的经济损失，对人类健康也造成了严重威胁。

黄曲霉是一种腐生真菌，谷物中的黄曲霉菌在其生长代谢过程中可能会产生黄曲霉毒素，黄曲霉毒素是世界经济发展过程中食品供应普遍存在的污染物，该毒素短时间大量摄入黄曲霉毒素可导致呕吐、腹痛、水肿、黄疸、急性肝损伤甚至死亡，长期接触会使食用者有罹患肝癌的风险。而谷物在物理磨碎、混合和加工等过程中都会导致成品的污染超标，由于毒素的异质性，成品中含有的毒素常常无法检测出，因此谷物储存过程中因霉变产毒成为食品安全的一大问题。

除了毒素等非挥发性代谢物外，还有挥发性有机化合物(VOCs)的产生，作为次生代谢产物，与直接参与正常生长和发育的主要代谢产物不同，可在特定的发育阶段或在某些情况下产生，该类代谢产物具有较高的特异性。比如低分子量的代谢产物(异丙醇，异戊二烯，呋喃等)会到达细胞表面并通过扩散从细胞质中逸出。另外VOCs可以用来区分同一物种的产毒性和遗传性分离物，如可以通气体的识别来区分产毒素的黄曲霉菌与非黄曲霉毒素的黄曲霉分离株。因此，微生物代谢过程中挥发性有机化合物可用来区分携有产毒菌谷物霉变程度，从而实现对谷物中毒素的早期诊断。

气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)是分析未知混合气体组分及含量的常用方法，依据吸附剂对各组分的不同吸附阻力实现分离，从而确定分析物成分。该技术分析结果精确，但对操作环境条件高，需要依据分析物的情况适时调节；台式的气质联用的设备体型较大，操作繁琐且耗时长，无法实现现场的实时在线采集。

色敏传感器利用与气体分析物之间的相互作用发生显色反应，通过数字图像处理技术分析反应前后阵列图像来进行相关的定性或定量分析，这种方法已经成为了一种快速检测的一种手段，常使用的化学响应染料有PH指示剂、卟啉类化合物和氟硼吡咯类化合物，氟硼吡咯类化合物相较于其它两类染料的响应性更高，且对各种烃醛醇酮类挥发性气体皆有反应，但是常常存在交互响应，灵敏度不高，稳定性较差。纳米材料最为一种新型的研究材料，极易与外来原子吸附，同时因粒径小而提供了比表面积较大的活性原子。若将纳米芯片与色敏传感器结合，可以将其作为电子的活性猝灭剂来增加电子转移，从而提高信号响应，增加传感器灵敏度。

嗅觉可视化技术是一种新型的电子鼻技术，通过将气体转化成图像进行分析，采集反应前后的传感器阵列图像，利用传感器阵列的显色变化对多种气体进行分析。小麦、玉米等谷物储藏是一个长期的过程，会受到多种因素的影响，如储藏湿度、温度等。对于谷物中产黄曲霉毒素的检测需要连续地实时监测，以往的嗅觉可视化设备操作繁琐，人为处理耗时费力，且难以实现24h连续化检测。

因此需要开发一类气体反应与图像采集一体化，可用于样本连续化快速无损检测的装备，以解决谷物在实际储藏中因产毒菌带来的安全危害。通过复合的纳米色敏传感芯片与连续化检测的传感阵列图像采集装置结合，以获取的单个及多个传感器信号分析和传感器在连续时间内的信号变化来实现谷物产毒菌的连续化快速无损检测。

发明内容