專利名稱：一種用于在線檢測的葡萄糖生物傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及生物傳感器式的葡萄糖檢測技術，是一種綜合采用物理、化學、生物、電子的用于檢測葡萄糖的生物傳感器，具體地說，是一種面向發酵過程的適用于在線檢測的葡萄糖生物傳感器，屬于生物傳感器領域。
背景技術：
1962年，Clark和Lyons第一次提出“酶電極Enzyme electrode”的概念,這一具有里程碑意義的事件被認為是生物傳感器發展的起始，Clark也因此獲得“生物傳感器之父”的稱號。1967年Updike和Hicks根據此原理成功地制成了第一支葡萄糖酶電極生物傳感器。葡萄糖酶電極生物傳感器的原理是一個電化學反應過程，以葡萄糖氧化酶為例即葡萄糖氧化酶與葡萄糖在反應池中發生電化學反應，生成的電子，形成電流，由檢測電路通過電極獲取電流信號或電壓信號，從而實現葡萄糖的檢測。根據所用的電子傳遞劑的不同，葡萄糖酶電極生物傳感器可以分成三代。第一代生物傳感器以氧氣分子或過氧化氫作為酶與電極間電子轉移介質，產生的電流大小與氧濃度成比例關系。第二代采用人工電子傳遞劑如鐵氰化鉀/亞鐵氰化鉀、二茂鐵及其衍生物、染料分子、有機導電鹽、金屬酞菁等作為電子轉移介質，人工電子轉移介質在電極上的氧化還原反應是可逆的。第三代不需要電子傳遞劑，在電極和酶之間直接發生電子傳遞。發酵過程中，為了防止染菌，在線葡萄糖生物傳感器及其與反應器間管路必須能承受高溫蒸汽滅菌，以避免滅菌后其性能下降或喪失，所以目前葡萄糖生物傳感器主要是離線式的，在線式的還處于實驗階段。然而，葡萄糖是微生物發酵過程中常見的反應物和中間產物，發酵過程中對葡萄糖濃度的控制會直接關系到產物產率與質量。因而葡萄糖濃度的實時在線檢測是非常重要和必要的。因此，現在極其需要一種用于發酵過程的適用于在線的、快速的、可靠的、使 用方便的葡萄糖生物傳感器。
發明內容
本發明提供了一種面向發酵過程的適用于在線檢測的葡萄糖生物傳感器。該葡萄糖生物傳感器，其特征在于:該傳感器包括:工作電極1、對電極2、參比電極3、緩沖液和酶液入口 4、液體出口 5、緩沖液和待測液入口 6、反應池7、磁攪拌轉子8、電極固定體9、外結構體10、酶液定量注射裝置11、待測液定量注射裝置14，具體連接關系為:所述工作電極1、對電極2和參比電極3固定于電極固定體9內；電極固定體9固定于外結構體10內，外結構體10與電極固定體9構成反應池7 ;反應池7中內置有磁攪拌轉子8;電極固定體9上開有緩沖液和酶液入口 4、緩沖液和待測液入口 6、液體出口 5 ;所述緩沖液和酶液入口 4與酶液定量注射裝置11和緩沖液瓶連接；所述緩沖液和待測液入口6與待測液定量注射裝置14和緩沖液瓶連接；所述液體出口 5與廢液瓶連接；工作電極I形狀為圓柱形或圓環形，由金屬材料或導電材料制成。對電極2形狀為圓柱形或圓環形，由金屬材料或導電材料制成。參比電極3形狀為圓柱形、圓環形，材料為Ag/AgCl。電極固定體9形狀為下部被切割的圓柱形，由耐高溫非金屬材料制成。外結構體10由耐高溫非金屬材料制成。所述的葡萄糖生物傳感器采用酶液和待測液定量注射方式。本發明的優點是:酶以酶液的方式存在，即由酶和添加劑溶于緩沖液制成，操作簡單；酶以“新鮮”的酶液方式存在，與待測液獨立，不受外界影響，使得傳感器不需要頻繁校準；更換不同種類的酶液，可以檢測不同物質，即一個傳感器可檢測多種物質；待測液通過在取樣管道前加過濾網取得，省去傳感器中待測液透析部分，以簡化傳感器結構；檢測成本低，單次所用酶液成本0.01元左右；采用定量注射方式直接將酶液和待測液定量注射到反應池中，提高了傳感器的檢測速度和精確度；反應池內置隔離式電磁攪拌轉子，使得反應物電化學反應更加快速充分，進而提高了檢測靈敏度；方便與FIA流動注射分析系統結合，可實現傳感器隨發酵罐同時進行在線高壓蒸汽滅菌，容易實現葡萄糖在線檢測；發明結構簡單緊湊、加工方便，易于批量化生產。
圖1為用于在線檢測的葡萄糖生物傳感器的主體結構示意圖。圖2為該葡萄糖生物傳感器中酶液定量注射裝置的結構示意圖。圖3為該葡萄糖生物傳感器中待測液定量注射裝置的結構示意圖。圖中:1、工作電極，2、對電極，3、參比電極，4、緩沖液和酶液入口，5、液體出口，6、緩沖液和待測液入口，7、反應池，8、磁攪拌轉子，9、電極固定體，10、外結構體，11、酶液定量注射裝置，12、電磁六通閥I，13、定量環I，14、待測液液定量注射裝置，15、電磁六通閥遼，16、定量環II。
具體實施方式
如圖1、圖2和圖3所示，本發明結構由工作電極1，對電極2，參比電極3，緩沖液和酶液入口 4，液體出口 5，緩沖液和待測液入口 6，反應池7，磁攪拌轉子8，電極固定體9，外結構體10。用于在線檢測的葡萄糖生物傳感器，其特征在于:該傳感器包括:工作電極1、對電極2、參比電極3、緩沖液和酶液入口 4、液體出口 5、緩沖液和待測液入口 6、反應池7、磁攪拌轉子8、電極固定體9、外結構體10、酶液定量注射裝置11、待測液定量注射裝置14，具體連接關系為:所述工作電極1、對電極2和參比電極3用環氧樹脂固定于電極固定體9上的三個電極孔中；電極固定體9通過螺旋卡帽固定于外結構體10內，外結構體10與電極固定體9構成反應池7 ;反應池7中內置有磁攪拌轉子8 ；電極固定體9上開有緩沖液和酶液入口 4、緩沖液和待測液入口 6、液體出口 5 ;所述緩沖液和酶液入口 4與酶液定量注射裝置11和緩沖液瓶連接；所述緩沖液和待測液入口6與待測液定量注射裝置14和緩沖液瓶連接；所述液體出口 5與廢液瓶連接；酶液定量注射裝置11由電磁六通閥112和定量環113構成，定量環113兩端連接于電磁六通閥112任意對角口。電磁六通閥112其中的一口連接到緩沖液和酶液入口 4。待測液定量注射裝置14由電磁六通閥Π15和定量環Π16構成，定量環U16兩端連接于電磁六通閥1115任意對角口。電磁六通閥1115其中的一口連接到緩沖液和酶液入口 116。其中，所述工作電極1、對電極2和參比電極3固定于電極固定體9內，共同構成了電化學測量三電極系統。工作電極I形狀為圓柱形，但不限于圓柱形，可由金屬材料或導電材料，比如但不限于:鉬、金、銀、石墨等制成。對電極2形狀為圓柱形，但不限于圓柱形，可由金屬材料或導電材料，比如但不限于:怕、金、銀、石墨等制成。參比電極3形狀為圓柱形,但不限于圓柱形,可由Ag/AgCl構成。電極固定體9形狀為下部被切割的圓柱形，可由耐高溫非金屬材料，比如但不限于:聚醚醚酮PEEK、聚砜等制成。外結構體10可由耐高溫非金屬材料，比如但不限于:聚醚醚酮PEEK、聚砜等制成。磁攪拌轉子8用于攪拌待測液和酶液，使待測液和酶液在反應池7內快速、充分混合，可由帶磁芯的非金屬材料比如但不限于:聚醚醚酮PEEK、聚砜等轉子制成。在傳感器測量樣品之前，用緩沖液清洗反應池7 ;然后，待測液通過待測液定量注射裝置被引入反應池7，啟動磁攪拌轉子；接著，通過酶液定量注射裝置將葡萄糖氧化酶液注射到反應池7中，在反應池7中葡萄糖氧化酶液與葡萄糖在三電極系統作用下發生反應，產生電流信號，由工作電極I引出，此電流信號通過三電極檢測電路中的I/V變換電路，變成電壓信號，接著對電 壓信號放大、濾波，得到一個與待測葡萄糖濃度成比例的電壓信號，此電壓信號幅值即代表待測液葡萄糖濃度。
權利要求
1.用于在線檢測的葡萄糖生物傳感器，其特征在于:該傳感器包括:工作電極(I)、對電極(2)、參比電極(3)、緩沖液和酶液入口(4)、液體出口( 5)、緩沖液和待測液入口(6)、反應池(7 )、磁攪拌轉子(8 )、電極固定體(9 )、外結構體(10 )、酶液定量注射裝置(11)、待測液定量注射裝置(14)，具體連接關系為: 所述工作電極(I)、對電極(2)和參比電極(3)固定于電極固定體(9)內；電極固定體(9)固定于外結構體(10)內，外結構體(10)與電極固定體(9)構成反應池(7);反應池(7)中內置有磁攪拌轉子(8); 電極固定體(9)上開有緩沖液和酶液入口(4)、緩沖液和待測液入口(6)、液體出口(5);所述緩沖液和酶液入口(4)與酶液定量注射裝置(11)和緩沖液瓶連接；所述緩沖液和待測液入口(6)與待測液定量注射裝置(14)和緩沖液瓶連接；所述液體出口(5)與廢液瓶連接。
2.根據權利要求1所述的葡萄糖生物傳感器，其特征在于:電極固定體(9)形狀為下部被切割的圓柱形，由耐高溫耐腐蝕非金屬材料制成；所述耐高溫非金屬材料包括聚醚醚酮PEEK、聚砜。
3.根據權利要求1所述的葡萄糖生物傳感器，其特征在于:外結構體(10)由耐高溫非金屬材料制成；所述耐高溫耐腐蝕非金屬材料包括聚醚醚酮PEEK、聚砜。
4.根據權利要求1所述的葡萄糖生物傳感器，其特征在于:反應池由外結構體和電極固定體構成，反應池容積為400 μ L到1000 μ L,而磁攪拌轉子體置于反應池中，體積為200 μ L 500 μ L，且不超過反應池容積的50%。
5.根據權利要求1所述的葡萄糖生物傳感器，其特征在于:磁攪拌轉子(8)由帶磁芯的耐高溫耐腐蝕非金屬材料制成；磁攪拌轉子(8)中的磁鐵與傳感器外微型直流電機轉子上固定的同種磁鐵平行，磁攪拌轉子(8)隨著電機轉動而轉動，以此實現非接觸攪拌。
6.根據權利要求1所述的葡萄糖生物傳感器，其特征在于:采用定量注射方式直接從緩沖液和酶液入口(4)和緩沖液和待測液入口(6)將酶液和待測液定量注射到反應池中；其中酶液由酶和添加劑溶于緩沖液制成，待測液在取樣管道前加過濾網取得。
7.根據權利要求1所述的葡萄糖生物傳感器，其特征在于:所述工作電極1、對電極2和參比電極3固定于電極固定體9內，共同構成了電化學測量三電極系統； 工作電極I形狀為圓柱形，由導電材料包括鉬、金、銀、石墨制成； 對電極2形狀為圓柱形，由導電材料包括鉬、金、銀、石墨制成； 參比電極3形狀為圓柱形，由Ag/AgCl構成。
全文摘要
一種用于在線檢測的葡萄糖生物傳感器，屬于生物傳感器技術領域。其包括工作電極(1)、對電極(2)、參比電極(3)、緩沖液和酶液入口(4)、液體出口(5)、緩沖液和待測液入口(6)、反應池(7)、磁攪拌轉子(8)、電極固定體(9)、外結構體(10)、酶液定量注射裝置(11)、待測液定量注射裝置(14)。本發明采用定量注射方式直接將酶液和待測液定量注射到反應池中，提高了傳感器的檢測速度和精確度；反應池內置隔離式電磁攪拌轉子，使得反應物電化學反應更加快速充分，進而提高了檢測靈敏度；方便與FIA流動注射分析系統結合，可實現傳感器隨發酵罐同時進行在線高壓蒸汽滅菌，容易實現葡萄糖在線檢測。
文檔編號G01N27/26GK103235016SQ20131014435
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月23日 優先權日2013年4月23日
發明者高學金, 耿凌霄, 薛吉星, 王普, 劉廣生, 程麗 申請人:北京工業大學