基于電化學酶傳感器的葡萄糖分析儀的設計*

譚 強，李 俊，薄翠梅，喬文杰

(南京工業(yè)大學電氣工程與控制科學學院，江蘇 南京 211816)

為了建立低成本高效率的發(fā)酵體系，連續(xù)操作在大規(guī)模生產(chǎn)的發(fā)酵過程中占主導地位，這在很大程度上依賴于微生物反應的實時控制以實現(xiàn)最佳的傳輸速率[1－3]。因此，在線監(jiān)控技術(shù)是通過接收基本參數(shù)的動態(tài)波動來指導操作的關鍵。當前，已經(jīng)有一些參數(shù)可以在線檢測發(fā)酵反應器中的狀態(tài)，例如溫度，pH 值，壓力和溶解氧濃度[4－6]。然而，對于發(fā)酵中反應動力學相關聯(lián)的常見底物如葡萄糖等的檢測，卻很少有相關的檢測儀器研發(fā)[7－8]。

近幾十年來，電化學酶傳感器在生物傳感中的應用已被廣泛研究并取得了重大進展[9－10]。

本文基于自主制備的具有納米立方晶體的普魯士藍(PB)三電極酶傳感器芯片[11－13]，設計了一種新型的葡萄糖分析儀，可實現(xiàn)在2 g/L～160 g/L 的超寬范圍內(nèi)的葡萄糖檢測，充分滿足實際發(fā)酵的檢測需求。

1 分析儀整體結(jié)構(gòu)設計

為了滿足儀器功能需求，基于微型電極芯片及其產(chǎn)生電化學信號的特征，對分析儀進行上下位機設計。分析儀的總體設計如圖1 所示。選用了昆侖通態(tài)的MCGS 嵌入式觸摸屏作為上位機用于實現(xiàn)人機交互功能，具有用戶登錄、參數(shù)配置、曲線顯示、數(shù)據(jù)存儲等功能。下位機主要由電機驅(qū)動模塊和信號采集模塊組成。電機驅(qū)動模塊采用THB6128 作為驅(qū)動芯片控制步進電機，用于實現(xiàn)檢測池的進出液清洗功能和檢測池磁力攪拌功能。以LMP91000 為核心構(gòu)建信號采集模塊，完成了對酶傳感器芯片產(chǎn)生的微弱信號的I/V 轉(zhuǎn)換、放大和濾波的功能。

圖1 分析儀總體設計

2 硬件設計

分析儀采用STM32F407ZET6 作為主控制器，該控制器廣泛應用于濃度檢測的儀器研發(fā)，擁有較高的運行速度，同時滿足低功耗和數(shù)據(jù)實時處理以及豐富的接口等功能。硬件系統(tǒng)包括電源模塊、電機驅(qū)動模塊、信號采集模塊、RS485 通信模塊和MCGS 上位機模塊組成。分析儀硬件功能框圖如圖2 所示。

圖2 分析儀硬件功能框圖

2.1 電源電路

電源系統(tǒng)的穩(wěn)定對整個系統(tǒng)的性能有重要作用，電源電路設計的好壞將決定整個分析儀能否長期穩(wěn)定運行。本系統(tǒng)電源先采用邁斯弗特MT220PD 的EMI 濾波器濾除外來干擾信號。通過DC－DC 降壓芯片MP2359 將24 V 降為5 V 電壓，處理壓差較大的降壓電路。MP2359 的開關頻率可以達到1.4 MHz，頻率較高，對電源電路的電感設計要求相對較低，性價比高。最后采用LDO 芯片AMS1117＿3.3 將電壓降為3.3 V。電源電路如圖3 所示。

圖3 電源電路

2.2 信號采集電路

本設計使用電化學模擬前端芯片LMP91000 采集電化學酶傳感器產(chǎn)生的微弱電流信號。電化學酶傳感器的三電極分別為工作電極(Working Electrode，WE)、參比電極(Reference Electrode，RE)、對電極(Counter Electrode，CE)，三電極的體系中，參比電極提供一個基準電壓。工作電極在外加激勵信號下促使待測溶液產(chǎn)生電化學反應并測量該電極上形成的電流。對電極則與工作電極組成回路。待測溶液受到電壓信號的激勵將產(chǎn)生氧化還原反應，并形成微弱的電流，該電流信號與被測物質(zhì)濃度有關，從而可算出被測物的濃度。

LMP91000 的簡化電路原理圖如圖4 所示，LMP91000 內(nèi)部的控制放大器A1，構(gòu)成了恒電位電路，誤差信號通過放大后反饋到傳感器的對電極。工作電極和參比電極之間的阻抗變化，都會引起對電極電壓的變化，從而使參比電極和工作電極之間的電壓保持恒定。接在工作電極上的跨阻放大器TIA 的輸出電壓正比于傳感器的工作電流，同時工作電極通過跨阻放大器接于虛地。VOUT輸出電壓信號經(jīng)過低通濾波后供控制器AD 采集。

圖4 LMP91000 簡化應用原理圖

LMP91000 的工作電壓范圍為2.7 V 至5.25 V，參比電極偏置電流900 pA?？刂破骺赏ㄟ^I2C 接口編程配置參考電壓百分比和內(nèi)部增益電阻，I2C 接口是兩線制，分別為時鐘線SCL 和數(shù)據(jù)線SDA，MENB 為模塊使能，低電平有效。信號采集電路如圖5 所示。

圖5 信號采集電路

2.3 電機驅(qū)動電路

電化學傳感芯片的三個電極浸入有磷酸鹽緩沖液(PBS)的檢測池中，形成了一個穩(wěn)定的三電極恒電位體系。當將檢測的葡萄糖溶液注入檢測池中，需要快速將PBS 和葡萄糖溶液進行充分混合以使生物傳感芯片檢測到正確的葡萄糖濃度。分析儀采用磁力攪拌電機帶動檢測池內(nèi)攪拌子轉(zhuǎn)動的方式使溶液充分混合。同時檢測結(jié)束以后通過進出液電機進行檢測池清洗。

本設計采用步進電機完成儀器需求，選定了THB6128 作為步進電機驅(qū)動芯片，該芯片采用雙全橋MOSFET 驅(qū)動，具有多種細分方式、最多可達128細分。同時可以選擇快衰、慢衰和混合式衰減三種衰減方式。

電機驅(qū)動電路如圖6 所示。經(jīng)過實驗調(diào)試，選擇電機運行平穩(wěn)，噪音低、震動小的混合式衰減模式，同時選擇細分方式為8 細分。

圖6 電機驅(qū)動電路

3 軟件設計

分析儀系統(tǒng)軟件工作過程大致為:分析儀上電進行系統(tǒng)初始化后，程序一直循環(huán)判斷是否接收到正確指令，若沒有，則繼續(xù)判斷；若是，則進行指令解析，若解析不成功，則這串數(shù)據(jù)丟棄，重新判斷是否接收到正確指令；若解析成功，則根據(jù)功能碼選擇執(zhí)行相應的模塊，執(zhí)行完后反饋狀態(tài)給上位機，然后等待接收下一串指令。軟件主程序流程圖如圖7 所示。

圖7 軟件主程序流程圖

3.1 上位機設計

上位機選用了昆侖通態(tài)的MCGS 嵌入式觸摸屏，擁有串口和TCP/IP 通信方式，本設計采用RS485 通信完成上下位機通信。主要開展檢測與控制方案設計，并設計了易用、人性化的人機交互界面，實現(xiàn)對葡萄糖穩(wěn)定的檢測。

3.2 檢測系統(tǒng)設計

分析儀信號采集芯片LMP91000 輸出電壓信號，供主控制器AD 采集。AD 進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)字量ADV 與VOUT的關系式為:

式中:VAD是AD 的基準電壓，本系統(tǒng)為3.3 V，N為AD 的精度，本系統(tǒng)采用12 位AD，因此N＝12。

電化學傳感器芯片的靈敏度將隨著時間降低，并且響應電流將降低。這要求系統(tǒng)進行校準并建立濃度響應方程以消除誤差。葡萄糖濃度與電化學酶生物傳感器的線性檢測范圍內(nèi)的響應電流(或電壓)成比例。因此，可以使用已知濃度的標準葡萄糖溶液來校準該電化學酶生物傳感器，這可以通過以下濃度響應方程式來解釋:

式中:ADV0為葡萄糖濃度為0 時浸入PBS 中的AD值，ADV1為已知濃度的葡萄糖溶液注射到PBS 中的AD 值，C1為該標準葡萄糖溶液的濃度值，y為測量的未知濃度葡萄糖溶液注射到PBS 中的AD 值，x為測量的葡萄糖溶液濃度。

3.3 軟件濾波

為了濾除隨機信號的干擾，在均值濾波的基礎上加入了一階慣性濾波。作為一種動態(tài)數(shù)字濾波算法，該算法將本次采樣值與上次濾波輸出值進行加權(quán)，得到本次有效值。此方法輸出對輸入有反饋作用:

式中:α表示濾波系數(shù)；X(n)表示本次采樣值；Y(n－1)表示上次濾波輸出值；Y(n－1)表示本次濾波輸出值。

考慮到濾波算法可能會導致小數(shù)舍棄，從而導致誤差，所以這里將α擴大K倍，不作浮點處理。除法也是會占用很多CPU 資源，可以把K定為2 的冪次方，除法就可以輕松轉(zhuǎn)成移位運算。改進后的算法為:

設置ADC 采樣周期為10 ms，將一次檢測過程中的采集的AD 值轉(zhuǎn)換為對應電壓值。使用一階慣性濾波進行仿真，設置K為256，分別測試α為64、16 和8 時的濾波效果。如圖8 所示，為了兼顧濾波和數(shù)據(jù)的實時性，分析儀最終選用α為16，K為256作為濾波參數(shù)。

圖8 一階慣性濾波

4 實驗及分析

4.1 寬范圍檢測精度測試與分析

使用已知濃度的標準葡萄糖溶液在0.5 g/L 至200 g/L 范圍內(nèi)測試分析儀的檢測精度，如圖9 所示。實驗表明，分析儀在2 g/L 至160 g/L 檢測誤差低于2%，而目前發(fā)酵過程中的檢測需求基本在10 g/L 至100 g/L 之間，分析儀充分滿足了發(fā)酵檢測的儀器需求。

圖9 寬范圍葡萄糖精度測試

本文的分析儀與國內(nèi)外主流分析儀器對比如表1 所示。可以看出本分析儀具有更寬的檢測范圍，更加適用于實際微生物發(fā)酵體系中的葡萄糖檢測。同時本分析儀由于檢測范圍可以滿足發(fā)酵中葡萄糖檢測要求，不需要進行稀釋等樣品預處理，大大減少了檢測所需時間。

4.2 分析儀性能測試

為探究葡萄糖分析儀在低濃度下的性能，設計實驗計算其檢出限，由以下公式給出:

式中:DL為分析儀檢出限，k為一定置信水平確定的系數(shù)，一般取3，Sb為某一濃度被測樣品多次測量讀數(shù)的標準偏差，C為被測樣品的濃度，X為被測樣品多次讀數(shù)的均值。

取1 g/L 的葡萄糖標準液，每次定標測試3 次，每隔5 min 重新定標，持續(xù)測試12 次，得到36 組讀數(shù)，計算讀數(shù)得到檢出限結(jié)果為，DL＝0.21 g/L。

使用同一片酶傳感器芯片，使用分析儀每隔5 d對同一濃度的葡萄糖樣品多次檢測，結(jié)果如圖10 所示，60 d 后檢測精度仍保持在96.5%，表明該葡萄糖分析儀檢測性能長期穩(wěn)定。

圖10 葡萄糖分析儀長期檢測

使用10 片獨立的酶傳感器芯片，在室溫下對20 g/L 的葡萄糖樣品進行檢測，結(jié)果如圖11 所示，相對標準偏差為0.094 9%，表明該葡萄糖分析儀擁有優(yōu)越的重現(xiàn)性。

圖11 葡萄糖分析儀的重現(xiàn)性測試

使用已知濃度的標準葡萄糖溶液測試分析儀性能，結(jié)果如圖12 所示。測試結(jié)果表明，在2 g/L～150 g/L 的濃度范圍內(nèi)具有良好的線性關系，線性回歸方程為:y＝1.008 4x－0.258 0，(y表示葡萄糖檢測濃度，x表示葡萄糖理論濃度)。

圖12 標準葡萄糖溶液測試

4.3 實際發(fā)酵體系測試

分別采用高效液相色譜儀(HPLC)和半分析儀檢測并跟蹤槐糖脂發(fā)酵液中的葡萄糖濃度變化。如圖13 所示，分析儀與色譜法(GB/T 30986－2014)的誤差在2%以內(nèi)，充分證明分析儀可以滿足實際發(fā)酵過程需求。

圖13 槐糖脂發(fā)酵液中葡萄糖濃度測試

5 結(jié)論

本文基于電化學酶傳感器芯片設計并提出了一種葡萄糖分析儀。本文給出了分析儀的軟硬件設計方案，通過精密的硬件電路和軟件算法實現(xiàn)了高精度、寬范圍的葡萄糖濃度檢測。最后通過實驗驗證了分析儀在2 g/L 至160 g/L 的寬范圍內(nèi)具有超高的檢測精度，可用于實際發(fā)酵過程中的葡萄糖檢測。