酶注射式葡萄糖生物传感器建模方法研究
高学金等
摘 要 建立了酶注射式生物传感器的机理模型，并通过实验验证模型精确性。用传感器检测1 和2 mg/mL葡萄糖溶液得到电压数据，通过数据拟合确定模型参数。将浓度值3 mg/mL带入模型得到预测曲线，再将其与传感器检测数据拟合后曲线进行比较，验证模型精确性。结果表明，参加反应的酶液米氏常数Km为1.97，数学模型与实际传感器工作模型相关系数（R2）为0.998。
关键词 葡萄糖浓度； 机理模型； 酶注射式； 生物传感器
1 引 言
酶电极式传感器具有高的特异性[1]，不易受到干扰，因此被广泛应用于生物传感器中。这其中固定化酶具有较好的稳定性，成为制备酶电极的主要方法之一[2～4]。发酵工艺中的高温蒸气灭菌过程使得固定化酶生物传感器无法在线使用，导致不能实时控制葡萄糖的补加量，影响发酵的质量和产率[5]。为了解决这一问题，已有学者提出了一种用酶液代替固定态“酶膜”的方法， 研制出采用酶液方式的葡萄糖生物传感器，其传感器结构如图1所示[6]，酶液与待测液由蠕动泵泵入反应池，定量过程由六通阀和定量环完成，电流信号由三电极检测电路检测并放大。该传感器基本达到实际应用的标准，但与成熟的“酶膜式”传感器相比，在检测时间、稳定性等性能指标上略有差距。究其原因在于游离态酶相较于固定态酶在结构上发生了改变，影响了葡萄糖氧化酶的催化效率[7，8]。
为了设计更加适合酶液工作的传感器结构以及更加高效的浓度检测算法， 本研究建立了酶注射式葡萄糖生物传感器的数学模型，描述酶液在传感器中的工作过程，找到了酶液与固定化酶在反应中的差异及在模型中的表现形式，以此为依据设计更加合理的传感器结构及检测方法。建立的机理模型为传感器浓度软测量的实现提供了理论基础，酶注射式生物传感器软测量的加入可提高注射式生物传感器工作的稳定性， 实现了传感器检测精确校验的功能，增强了此类型的传感器的实用性。
5 结 论
本研究介绍的酶注射式葡萄糖传感器建模方法，由于受环境的影响，仅适用于固定环境下的传感器建模，当传感器工作在其它环境下时，需首先标定以确定模型相关系数，然后进行建模。但在稳定环境下，该种建模方法可以快速精确地建立传感器机理模型，有效地描述传感器中的反应状态。可根据机理模型设计相应的预测程序实现酶注射式生物传感器的浓度预测功能，提高传感器的检测效率与工作稳定性。
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 丰. 发酵过程解析、控制与检测技术（第二版）. 北京： 化学工业出版社， 2010： 5
6 GAO XueJin， LIU GuangSheng， CHENG Li， GENG LingXiao， XUE JiXing. Chinese J. Anal. Chem.， 2012， 40（12）： 1945-1949
高学金， 刘广生， 程 丽， 耿凌霄， 薛吉星. 分析化学， 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， 齐 含， 陈路加， 蒋庄德， 王 兵. 分析化学， 2014， 42（8）： 1077-1082
摘 要 建立了酶注射式生物传感器的机理模型，并通过实验验证模型精确性。用传感器检测1 和2 mg/mL葡萄糖溶液得到电压数据，通过数据拟合确定模型参数。将浓度值3 mg/mL带入模型得到预测曲线，再将其与传感器检测数据拟合后曲线进行比较，验证模型精确性。结果表明，参加反应的酶液米氏常数Km为1.97，数学模型与实际传感器工作模型相关系数（R2）为0.998。
关键词 葡萄糖浓度； 机理模型； 酶注射式； 生物传感器
1 引 言
酶电极式传感器具有高的特异性[1]，不易受到干扰，因此被广泛应用于生物传感器中。这其中固定化酶具有较好的稳定性，成为制备酶电极的主要方法之一[2～4]。发酵工艺中的高温蒸气灭菌过程使得固定化酶生物传感器无法在线使用，导致不能实时控制葡萄糖的补加量，影响发酵的质量和产率[5]。为了解决这一问题，已有学者提出了一种用酶液代替固定态“酶膜”的方法， 研制出采用酶液方式的葡萄糖生物传感器，其传感器结构如图1所示[6]，酶液与待测液由蠕动泵泵入反应池，定量过程由六通阀和定量环完成，电流信号由三电极检测电路检测并放大。该传感器基本达到实际应用的标准，但与成熟的“酶膜式”传感器相比，在检测时间、稳定性等性能指标上略有差距。究其原因在于游离态酶相较于固定态酶在结构上发生了改变，影响了葡萄糖氧化酶的催化效率[7，8]。
为了设计更加适合酶液工作的传感器结构以及更加高效的浓度检测算法， 本研究建立了酶注射式葡萄糖生物传感器的数学模型，描述酶液在传感器中的工作过程，找到了酶液与固定化酶在反应中的差异及在模型中的表现形式，以此为依据设计更加合理的传感器结构及检测方法。建立的机理模型为传感器浓度软测量的实现提供了理论基础，酶注射式生物传感器软测量的加入可提高注射式生物传感器工作的稳定性， 实现了传感器检测精确校验的功能，增强了此类型的传感器的实用性。
5 结 论
本研究介绍的酶注射式葡萄糖传感器建模方法，由于受环境的影响，仅适用于固定环境下的传感器建模，当传感器工作在其它环境下时，需首先标定以确定模型相关系数，然后进行建模。但在稳定环境下，该种建模方法可以快速精确地建立传感器机理模型，有效地描述传感器中的反应状态。可根据机理模型设计相应的预测程序实现酶注射式生物传感器的浓度预测功能，提高传感器的检测效率与工作稳定性。
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