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基于温度的酶注射式葡萄糖生物传感器检测方法研究

更新时间：2019-12-25 17:09:28 大小：960K 上传用户：zhiyao6查看TA发布的资源 标签：生物传感器 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(1) 举报

资料介绍

针对酶注射式葡萄糖生物传感器在实际使用中因为标定液与被测液的温度不同而引起的测量结果不准确问题,提出一种基于温度的葡萄糖浓度检测方法。首先根据酶促反应动力学建立目前酶注射式葡萄糖生物传感器浓度检测模型,之后利用阿伦尼乌斯公式建立温度与浓度检测动力学模型中未知参数之间的关系,并将此关系代入浓度检测动力学模型中,以建立基于温度的浓度检测新模型。此模型以温度与酶促反应的电流初始斜率为输入值,以被测葡萄糖浓度为输出值,利用此模型提出了以反应混合液的温度和反应初始电流斜率推导被测液浓度的检测方法。利用改进的检测方法进行检测,不仅能够降低温差的影响,提高检测的准确性,还可以省略常规检测中的人工标定,避免人工标定所需的取样探头拆卸步骤,更加有利于在线使用。分别在25.0,30.0和42.0℃下检测1.5 mg/m L和2.5 mg/m L葡萄糖溶液,利用原检测方法与基于温度的检测方法进行检测,结果表明,基于温度的检测方法回收率均在95.0%以上,明显优于原检测方法。


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45  
( FENXI HUAXUE)  
1
第 期  
第
卷
分析化学  
研究报告  
2017  
1
Chinese Journal of Analytical Chemistry  
97～103  
年
月
DOI: 10．11895/j．issn．0253-3820．160373  
基于温度的酶注射式葡萄糖生物传感器检测方法研究  
*
高学金  
李 娇 吕昕雨 王 普  
(
， ，  
北京工业大学 电子信息与控制工程学院 数字社区教育部工程研究中心  
，
， ，  
城市轨道交通北京实验室 计算机智能与智能系统北京重点实验室 北京  
100124)  
摘
要
针对酶注射式葡萄糖生物传感器在实际使用中因为标定液与被测液的温度不同而引起的测量结果  
， 。  
不准确问题 提出一种基于温度的葡萄糖浓度检测方法 首先根据酶促反应动力学建立目前酶注射式葡萄糖  
，
生物传感器浓度检测模型 之后利用阿伦尼乌斯公式建立温度与浓度检测动力学模型中未知参数之间的关  
， ， 。  
系 并将此关系代入浓度检测动力学模型中 以建立基于温度的浓度检测新模型 此模型以温度与酶促反应  
， ，  
的电流初始斜率为输入值 以被测葡萄糖浓度为输出值 利用此模型提出了以反应混合液的温度和反应初始  
。 ， ，  
电流斜率推导被测液浓度的检测方法 利用改进的检测方法进行检测 不仅能够降低温差的影响 提高检测  
，
，
，
的准确性 还可以省略常规检测中的人工标定 避免人工标定所需的取样探头拆卸步骤 更加有利于在线使  
25．0，30．0 42．0℃ 1．5 mg/mL 2．5 mg/mL ，  
葡萄糖溶液 利用原检测方法与基于温度的  
。
用
分别在  
和
下检测  
和
， ，  
检测方法进行检测 结果表明 基于温度的检测方法回收率均在  
95．0%  
，
以上 明显优于原检测方法  
。
; ;  
关键词 温度 葡萄糖 生物传感器  
1
引 言  
， ， ，  
在发酵业中 葡萄糖作为发酵液的主要碳源 其用量直接影响产品质量 所以对发酵液中葡萄糖浓  
［1］  
。
度的检测是十分必要的  
酶类生物传感器的诸多优点使其广泛应用于发酵过程中葡萄糖浓度的检  
［2～4］  
。
，
由于发酵工艺的高温蒸汽灭菌过程使固定化酶生物传  
测
葡萄糖生物传感器多为固定化酶电极  
。 “ ” “ ” ，  
感器无法在线使用 本研究组在前期研究中提出了一种用 酶液 代替固定态 酶膜 的方法 并研制出  
［5，6］  
， ，  
采用酶注射结构的葡萄糖生物传感器 可基本满足实际需求 但是还存在检测时间过长的问题  
。
2015 ， ， ，  
年 本研究组对此类生物传感器进行机理建模 建立了酶注射式葡萄糖生物传感器的机理模型 此  
［7］  
，
模型表述了整个反应的机理 同时也对检测方法提供了机理模型  
， 、  
为改进检测算法 降低检测时间提  
。
供了理论基础  
， :  
酶注射式生物传感器主要针对发酵领域中葡萄糖浓度的检测 其检测步骤为 首先利用葡萄糖标准  
［8～10］  
， 。  
液进行标定 再对发酵液中的葡萄糖浓度进行检测 但是生物传感器易受温度影响  
，
在实际测量  
， ， ， ，  
时 由于发酵液的温度是变化的 且通常与室温状态下的标定液温度不同 导致标定结果不准确 从而使  
。 ， ，  
测量结果产生误差 而且每次测量都需要标定 不仅操作繁琐 而且也不利于实现在线检测  
。
本研究主要针对酶注射式葡萄糖生物传感器在实际使用中因为标定液与被测液的温度不同而引起  
， 。  
的测量结果不准确问题 利用热力学与酶促反应动力学提出一种新的检测方法 首先利用动力学建立  
，
酶注射式葡萄糖生物传感器浓度检测机理模型 再利用阿伦尼乌斯公式建立温度与动力学模型中未知  
， ，  
参数之间的关系 并将此关系代入该模型中建立基于温度的浓度检测新模型 根据实验数据通过数据拟  
， 。  
合确定了基于温度的浓度检测模型中的参数值 得到检测新模型 利用新模型提出了一种以反应混合  
。
液的温度和反应初始电流斜率推导葡萄糖浓度的检测方法 分别利用动力学模型检测方法与温度模型  
， ， ，  
检测方法进行实验 检测结果表明 基于温度的检测方法在温度变化的情况下具有更好的稳定性 检测  
， ，  
准确性也优于原检测方法 同时改进后的检测方法避免每次测量前人工标定所需的拆卸步骤 更加有利  
。
于在线使用  
2016-05-17  
; 2016-09-12  
收稿  
接受  
( Nos． 61174109，61640312) 、  
( No．KM201210005002)  
资助  
本文系国家自然科学基金  
* E-mail: gaoxuejin@ bjut．edu．cn  
北京市教委科技计划面上项目  
45  
卷
分 析 化 学  
第
98  
2
浓度检测动力学模型建立  
［5］  
， ， ，  
酶注射式生物传感器 反应池中发生酶促反应 由米氏方程可知 葡萄糖发生酶促反应时 首先生  
，
成中间络合物 中间产物分解产生  
H O ，H O  
2 2 2  
，
在铂电极处分解产生电子 其反应机理  
:
2
k
k
2
1
+
E S  
+
E H O  
2
ES  
幑幐 →  
2
k－  
1
，E  
，S  
为葡萄糖氧化酶 为葡萄糖  
，ES  
，
。k ，k ，k  
表示中间产物 即酶与葡萄糖产生的络合物 为反  
－
式中  
应参数  
根据本研究组建立的机理模型  
k ［S］［E ］  
1
1
2
。
［7］  
，H O  
:
浓度的生成机理模型为  
2
2
k k ［S］［E ］  
2 2 0  
2
0
－
+
( k ［S］ k  
1
+
k ) t  
－
1 2  
=
+
－
1］  
［H O ］  
2 2  
［e  
2
( 1)  
+ +  
［S］ ( k k ) /k  
－
+
+
( k ［S］ k k )  
1
1
2
－
1
1
s
， ;  
该机理模型中 指数部分存在的原因是由于在反应初始中间络合物的逐渐形成而引起的 但根据  
， ，  
米氏方程 底物与酶发生反应生成中间络合物的可逆反应会瞬间达到平衡 短时间内络合物浓度保持不  
，
变 使得  
H O ， 。H O  
的浓度增加速率是不变的 所以可省略指数部分  
2
，
生成速率以线性形式增长 而电  
2
2
2
=
I n D FP，  
其中  
H O  
2
，
分解得到 即电流可表示为  
，n  
，D  
H O  
为 扩  
2
子由  
为反应过程中交换电子数  
2
e
PE  
e
PE  
2
［7］  
，F  
。
:
散系数  
为法拉第常数  
故可知其电流变化初始斜率为  
n D Fk ［S］［E ］  
e PE 2 0  
=
K
( 2)  
+
［S］ ( k  
+
k ) /k  
2
－
1
1
+
( k k )  
－
1
2
=
C n D Fk ［E ］、K  
0
=
，
代入式  
( 2) ，C  
，K  
表示酶促反应电流变化的最大速度 表示酶与底  
m
令
e
PE  
2
m
k
1
， 。  
物的亲和力 即米氏常数 则酶注射式葡萄糖生物传感器浓度检测的动力学模型为  
:
KK  
m
=
［S］  
( 3)  
－
C
K
( 3)  
，
所得 称为动力学  
本研究组前期工作中建立的酶注射式葡萄糖生物传感器检测方法基于公式  
1
2
: ［S ］、［S ］  
模型检测方法 首先利用酶注射式葡萄糖生物传感器得到已知葡萄糖浓度为 的两种标准液  
1
2
K 、K ，  
并利用公式  
( 3)  
C
K ;  
m
，
测量待测液  
的反应电流初始斜率  
得到反应过程中电流的初始斜率  
［S］。  
确定浓度检测动力学模型中的参数  
和
K;  
C、K  
K ( 3) ，  
以及初始斜率 代入公式 得到待  
最后将已标定的参数  
m
:
简单概括为 首先利用葡萄糖标准液标定葡萄糖生物传感器浓度检测动力学  
测液的葡萄糖浓度  
C
K ， 。  
之后利用已知模型进行待测液的检测  
m
模型中的参数  
和
， ， 。  
在实际使用中 标准液处于室温状态 与发酵液温度之间存在温差 而参数  
C
K
和 中存在反应速率  
m
k ，k ，k ，  
－
2
C
K
。 ，  
会受温度的影响 这样就导致了在存在温差的情况下 室温状态下标定的参数  
C
所以  
和
1
1
m
K
。 ，  
并不能用于待测液的检测 本研究利用温度改进检测方法 消除了温度对测量结果的影响  
。
和
m
3
基于温度的浓度检测模型研究  
3．1  
基于温度的浓度检测模型  
( Arrhenius equation)  
阿伦尼乌斯公式  
，
是化学反应速率常数随温度变化关系的经验公式 其经验方程  
－
(
E/RT)  
=
: K Ae  
为
，
，A ， ， k  
其中 为指前因子 也称为阿伦尼乌斯常数 单位与 相同  
; E  
( kJ/mol) ; T  
为活化能  
为
( K) ; R  
绝对温度  
( kJ/mol·K) 。  
为气体常数  
Arrhenius equation  
C
K
。
利用  
可以得到  
和
的数学模型  
m
E
2
－
RT  
=
=
= ×  
: C n D F［E ］  
并带入得到  
C
n D FK ［E ］，  
利用  
PE  
Arrhenius equation  
k
A e  
2
，
已知  
表示  
e
2
0
2
e
PE  
0
E
2
－
(
E /RT)  
2
=
a' n D F［E ］A ，b'  
0
= －  
A e  
2
，
令
， C  
则最终动力学模型参数 的表达式可写为  
:
e
PE  
2
R
b'  
b'  
+
(
lna')  
T
T
=
=
e
C
a'e  
( 4)  
， ，  
在反应初始时 中间络合物迅速达到平衡 此时电流很小即产生的  
H O  
2
，
很少 所以可近似的认为  
2

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