酶注射式葡萄糖生物傳感器建模方法研究

高學(xué)金等

摘 要 建立了酶注射式生物傳感器的機(jī)理模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型精確性。用傳感器檢測(cè)1 和2 mg/mL葡萄糖溶液得到電壓數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合確定模型參數(shù)。將濃度值3 mg/mL帶入模型得到預(yù)測(cè)曲線(xiàn)，再將其與傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)擬合后曲線(xiàn)進(jìn)行比較，驗(yàn)證模型精確性。結(jié)果表明，參加反應(yīng)的酶液米氏常數(shù)Km為1.97，數(shù)學(xué)模型與實(shí)際傳感器工作模型相關(guān)系數(shù)（R2）為0.998。

關(guān)鍵詞 葡萄糖濃度； 機(jī)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(yīng)用于生物傳感器中。這其中固定化酶具有較好的穩(wěn)定性，成為制備酶電極的主要方法之一[2～4]。發(fā)酵工藝中的高溫蒸氣滅菌過(guò)程使得固定化酶生物傳感器無(wú)法在線(xiàn)使用，導(dǎo)致不能實(shí)時(shí)控制葡萄糖的補(bǔ)加量，影響發(fā)酵的質(zhì)量和產(chǎn)率[5]。為了解決這一問(wèn)題，已有學(xué)者提出了一種用酶液代替固定態(tài)“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(jié)構(gòu)如圖1所示[6]，酶液與待測(cè)液由蠕動(dòng)泵泵入反應(yīng)池，定量過(guò)程由六通閥和定量環(huán)完成，電流信號(hào)由三電極檢測(cè)電路檢測(cè)并放大。該傳感器基本達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，但與成熟的“酶膜式”傳感器相比，在檢測(cè)時(shí)間、穩(wěn)定性等性能指標(biāo)上略有差距。究其原因在于游離態(tài)酶相較于固定態(tài)酶在結(jié)構(gòu)上發(fā)生了改變，影響了葡萄糖氧化酶的催化效率[7，8]。

為了設(shè)計(jì)更加適合酶液工作的傳感器結(jié)構(gòu)以及更加高效的濃度檢測(cè)算法， 本研究建立了酶注射式葡萄糖生物傳感器的數(shù)學(xué)模型，描述酶液在傳感器中的工作過(guò)程，找到了酶液與固定化酶在反應(yīng)中的差異及在模型中的表現(xiàn)形式，以此為依據(jù)設(shè)計(jì)更加合理的傳感器結(jié)構(gòu)及檢測(cè)方法。建立的機(jī)理模型為傳感器濃度軟測(cè)量的實(shí)現(xiàn)提供了理論基礎(chǔ)，酶注射式生物傳感器軟測(cè)量的加入可提高注射式生物傳感器工作的穩(wěn)定性， 實(shí)現(xiàn)了傳感器檢測(cè)精確校驗(yàn)的功能，增強(qiáng)了此類(lèi)型的傳感器的實(shí)用性。

5 結(jié) 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(huán)境的影響，僅適用于固定環(huán)境下的傳感器建模，當(dāng)傳感器工作在其它環(huán)境下時(shí)，需首先標(biāo)定以確定模型相關(guān)系數(shù)，然后進(jìn)行建模。但在穩(wěn)定環(huán)境下，該種建模方法可以快速精確地建立傳感器機(jī)理模型，有效地描述傳感器中的反應(yīng)狀態(tài)?？筛鶕?jù)機(jī)理模型設(shè)計(jì)相應(yīng)的預(yù)測(cè)程序?qū)崿F(xiàn)酶注射式生物傳感器的濃度預(yù)測(cè)功能，提高傳感器的檢測(cè)效率與工作穩(wěn)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(fā)酵過(guò)程解析、控制與檢測(cè)技術(shù)（第二版）. 北京： 化學(xué)工業(yè)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(xué)金， 劉廣生， 程 麗， 耿凌霄， 薛吉星. 分析化學(xué)， 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(xué)， 2014， 42（8）： 1077-1082