酶注射式葡萄糖生物傳感器建模方法研究

高學金等

摘 要 建立了酶注射式生物傳感器的機理模型，并通過實驗驗證模型精確性。用傳感器檢測1 和2 mg/mL葡萄糖溶液得到電壓數據，通過數據擬合確定模型參數。將濃度值3 mg/mL帶入模型得到預測曲線，再將其與傳感器檢測數據擬合后曲線進行比較，驗證模型精確性。結果表明，參加反應的酶液米氏常數Km為1.97，數學模型與實際傳感器工作模型相關系數（R2）為0.998。

關鍵詞 葡萄糖濃度； 機理模型； 酶注射式； 生物傳感器

1 引 言

酶電極式傳感器具有高的特異性[1]，不易受到干擾，因此被廣泛應用于生物傳感器中。這其中固定化酶具有較好的穩定性，成為制備酶電極的主要方法之一[2～4]。發酵工藝中的高溫蒸氣滅菌過程使得固定化酶生物傳感器無法在線使用，導致不能實時控制葡萄糖的補加量，影響發酵的質量和產率[5]。為了解決這一問題，已有學者提出了一種用酶液代替固定態“酶膜”的方法， 研制出采用酶液方式的葡萄糖生物傳感器，其傳感器結構如圖1所示[6]，酶液與待測液由蠕動泵泵入反應池，定量過程由六通閥和定量環完成，電流信號由三電極檢測電路檢測并放大。該傳感器基本達到實際應用的標準，但與成熟的“酶膜式”傳感器相比，在檢測時間、穩定性等性能指標上略有差距。究其原因在于游離態酶相較于固定態酶在結構上發生了改變，影響了葡萄糖氧化酶的催化效率[7，8]。

為了設計更加適合酶液工作的傳感器結構以及更加高效的濃度檢測算法， 本研究建立了酶注射式葡萄糖生物傳感器的數學模型，描述酶液在傳感器中的工作過程，找到了酶液與固定化酶在反應中的差異及在模型中的表現形式，以此為依據設計更加合理的傳感器結構及檢測方法。建立的機理模型為傳感器濃度軟測量的實現提供了理論基礎，酶注射式生物傳感器軟測量的加入可提高注射式生物傳感器工作的穩定性， 實現了傳感器檢測精確校驗的功能，增強了此類型的傳感器的實用性。

5 結 論

本研究介紹的酶注射式葡萄糖傳感器建模方法，由于受環境的影響，僅適用于固定環境下的傳感器建模，當傳感器工作在其它環境下時，需首先標定以確定模型相關系數，然后進行建模。但在穩定環境下，該種建模方法可以快速精確地建立傳感器機理模型，有效地描述傳感器中的反應狀態。可根據機理模型設計相應的預測程序實現酶注射式生物傳感器的濃度預測功能，提高傳感器的檢測效率與工作穩定性。

References

1 imeleviius D， Petrauskas K， Baronas R， Julija R. Sensors， 2014， 14（2）： 2578-2594

2 Zhou D M， Dai Y Q， Shiu K K. J. Appl. Electrochem.， 2010， 40（11）： 1997-2003

3 Yang Z P， Zhang C J， Zhang J X， Bai W B . Biosensors and Bioelectronics， 2014， 51： 268-273

4 Anees Y K， Santosh B N， Rajdip B. Biochem. Engineer. J.， 2014， 91： 78-85

5 SHI ZhongPing， PAN Feng. Fermentation Process Analysis ， Control and Detection Technology （Ed 2th）. Beijing Chemical Industry Press， 2010： 5

史仲平， 潘 豐. 發酵過程解析、控制與檢測技術（第二版）. 北京： 化學工業出版社， 2010： 5

6 GAO XueJin， LIU GuangSheng， CHENG Li， GENG LingXiao， XUE JiXing. Chinese J. Anal. Chem.， 2012， 40（12）： 1945-1949

高學金， 劉廣生， 程 麗， 耿凌霄， 薛吉星. 分析化學， 2012， 40（12）： 1945-1949

7 Olga L T， Roberto F L， Antonio J G， Rubens M. Process Biochemistry， 2013， 48（7）： 1054-1058

8 JING WeiXuan， ZHOU Fan， CHENG YanYan， QI Han， CHEN LuJia， JIANG ZhuangDe， WANG Bing. Chinese J. Anal. Chem.， 2014， 42（8）： 1077-1082

景蔚萱， 周 帆， 成妍妍， 齊 含， 陳路加， 蔣莊德， 王 兵. 分析化學， 2014， 42（8）： 1077-1082