专利名称：一种用于在线检测的葡萄糖生物传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及生物传感器式的葡萄糖检测技术，是一种综合采用物理、化学、生物、电子的用于检测葡萄糖的生物传感器，具体地说，是一种面向发酵过程的适用于在线检测的葡萄糖生物传感器，属于生物传感器领域。
背景技术：
1962年，Clark和Lyons第一次提出“酶电极Enzyme electrode”的概念,这一具有里程碑意义的事件被认为是生物传感器发展的起始，Clark也因此获得“生物传感器之父”的称号。1967年Updike和Hicks根据此原理成功地制成了第一支葡萄糖酶电极生物传感器。葡萄糖酶电极生物传感器的原理是一个电化学反应过程，以葡萄糖氧化酶为例即葡萄糖氧化酶与葡萄糖在反应池中发生电化学反应，生成的电子，形成电流，由检测电路通过电极获取电流信号或电压信号，从而实现葡萄糖的检测。根据所用的电子传递剂的不同，葡萄糖酶电极生物传感器可以分成三代。第一代生物传感器以氧气分子或过氧化氢作为酶与电极间电子转移介质，产生的电流大小与氧浓度成比例关系。第二代采用人工电子传递剂如铁氰化钾/亚铁氰化钾、二茂铁及其衍生物、染料分子、有机导电盐、金属酞菁等作为电子转移介质，人工电子转移介质在电极上的氧化还原反应是可逆的。第三代不需要电子传递剂，在电极和酶之间直接发生电子传递。发酵过程中，为了防止染菌，在线葡萄糖生物传感器及其与反应器间管路必须能承受高温蒸汽灭菌，以避免灭菌后其性能下降或丧失，所以目前葡萄糖生物传感器主要是离线式的，在线式的还处于实验阶段。然而，葡萄糖是微生物发酵过程中常见的反应物和中间产物，发酵过程中对葡萄糖浓度的控制会直接关系到产物产率与质量。因而葡萄糖浓度的实时在线检测是非常重要和必要的。因此，现在极其需要一种用于发酵过程的适用于在线的、快速的、可靠的、使 用方便的葡萄糖生物传感器。
发明内容
本发明提供了一种面向发酵过程的适用于在线检测的葡萄糖生物传感器。该葡萄糖生物传感器，其特征在于:该传感器包括:工作电极1、对电极2、参比电极3、缓冲液和酶液入口 4、液体出口 5、缓冲液和待测液入口 6、反应池7、磁搅拌转子8、电极固定体9、外结构体10、酶液定量注射装置11、待测液定量注射装置14，具体连接关系为:所述工作电极1、对电极2和参比电极3固定于电极固定体9内；电极固定体9固定于外结构体10内，外结构体10与电极固定体9构成反应池7 ;反应池7中内置有磁搅拌转子8;电极固定体9上开有缓冲液和酶液入口 4、缓冲液和待测液入口 6、液体出口 5 ;所述缓冲液和酶液入口 4与酶液定量注射装置11和缓冲液瓶连接；所述缓冲液和待测液入口6与待测液定量注射装置14和缓冲液瓶连接；所述液体出口 5与废液瓶连接；工作电极I形状为圆柱形或圆环形，由金属材料或导电材料制成。对电极2形状为圆柱形或圆环形，由金属材料或导电材料制成。参比电极3形状为圆柱形、圆环形，材料为Ag/AgCl。电极固定体9形状为下部被切割的圆柱形，由耐高温非金属材料制成。外结构体10由耐高温非金属材料制成。所述的葡萄糖生物传感器采用酶液和待测液定量注射方式。本发明的优点是:酶以酶液的方式存在，即由酶和添加剂溶于缓冲液制成，操作简单；酶以“新鲜”的酶液方式存在，与待测液独立，不受外界影响，使得传感器不需要频繁校准；更换不同种类的酶液，可以检测不同物质，即一个传感器可检测多种物质；待测液通过在取样管道前加过滤网取得，省去传感器中待测液透析部分，以简化传感器结构；检测成本低，单次所用酶液成本0.01元左右；采用定量注射方式直接将酶液和待测液定量注射到反应池中，提高了传感器的检测速度和精确度；反应池内置隔离式电磁搅拌转子，使得反应物电化学反应更加快速充分，进而提高了检测灵敏度；方便与FIA流动注射分析系统结合，可实现传感器随发酵罐同时进行在线高压蒸汽灭菌，容易实现葡萄糖在线检测；发明结构简单紧凑、加工方便，易于批量化生产。
图1为用于在线检测的葡萄糖生物传感器的主体结构示意图。图2为该葡萄糖生物传感器中酶液定量注射装置的结构示意图。图3为该葡萄糖生物传感器中待测液定量注射装置的结构示意图。图中:1、工作电极，2、对电极，3、参比电极，4、缓冲液和酶液入口，5、液体出口，6、缓冲液和待测液入口，7、反应池，8、磁搅拌转子，9、电极固定体，10、外结构体，11、酶液定量注射装置，12、电磁六通阀I，13、定量环I，14、待测液液定量注射装置，15、电磁六通阀辽，16、定量环II。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，本发明结构由工作电极1，对电极2，参比电极3，缓冲液和酶液入口 4，液体出口 5，缓冲液和待测液入口 6，反应池7，磁搅拌转子8，电极固定体9，外结构体10。用于在线检测的葡萄糖生物传感器，其特征在于:该传感器包括:工作电极1、对电极2、参比电极3、缓冲液和酶液入口 4、液体出口 5、缓冲液和待测液入口 6、反应池7、磁搅拌转子8、电极固定体9、外结构体10、酶液定量注射装置11、待测液定量注射装置14，具体连接关系为:所述工作电极1、对电极2和参比电极3用环氧树脂固定于电极固定体9上的三个电极孔中；电极固定体9通过螺旋卡帽固定于外结构体10内，外结构体10与电极固定体9构成反应池7 ;反应池7中内置有磁搅拌转子8 ；电极固定体9上开有缓冲液和酶液入口 4、缓冲液和待测液入口 6、液体出口 5 ;所述缓冲液和酶液入口 4与酶液定量注射装置11和缓冲液瓶连接；所述缓冲液和待测液入口6与待测液定量注射装置14和缓冲液瓶连接；所述液体出口 5与废液瓶连接；酶液定量注射装置11由电磁六通阀112和定量环113构成，定量环113两端连接于电磁六通阀112任意对角口。电磁六通阀112其中的一口连接到缓冲液和酶液入口 4。待测液定量注射装置14由电磁六通阀Π15和定量环Π16构成，定量环U16两端连接于电磁六通阀1115任意对角口。电磁六通阀1115其中的一口连接到缓冲液和酶液入口 116。其中，所述工作电极1、对电极2和参比电极3固定于电极固定体9内，共同构成了电化学测量三电极系统。工作电极I形状为圆柱形，但不限于圆柱形，可由金属材料或导电材料，比如但不限于:钼、金、银、石墨等制成。对电极2形状为圆柱形，但不限于圆柱形，可由金属材料或导电材料，比如但不限于:怕、金、银、石墨等制成。参比电极3形状为圆柱形,但不限于圆柱形,可由Ag/AgCl构成。电极固定体9形状为下部被切割的圆柱形，可由耐高温非金属材料，比如但不限于:聚醚醚酮PEEK、聚砜等制成。外结构体10可由耐高温非金属材料，比如但不限于:聚醚醚酮PEEK、聚砜等制成。磁搅拌转子8用于搅拌待测液和酶液，使待测液和酶液在反应池7内快速、充分混合，可由带磁芯的非金属材料比如但不限于:聚醚醚酮PEEK、聚砜等转子制成。在传感器测量样品之前，用缓冲液清洗反应池7 ;然后，待测液通过待测液定量注射装置被引入反应池7，启动磁搅拌转子；接着，通过酶液定量注射装置将葡萄糖氧化酶液注射到反应池7中，在反应池7中葡萄糖氧化酶液与葡萄糖在三电极系统作用下发生反应，产生电流信号，由工作电极I引出，此电流信号通过三电极检测电路中的I/V变换电路，变成电压信号，接着对电 压信号放大、滤波，得到一个与待测葡萄糖浓度成比例的电压信号，此电压信号幅值即代表待测液葡萄糖浓度。
权利要求
1.用于在线检测的葡萄糖生物传感器，其特征在于:该传感器包括:工作电极(I)、对电极(2)、参比电极(3)、缓冲液和酶液入口(4)、液体出口( 5)、缓冲液和待测液入口(6)、反应池(7 )、磁搅拌转子(8 )、电极固定体(9 )、外结构体(10 )、酶液定量注射装置(11)、待测液定量注射装置(14)，具体连接关系为: 所述工作电极(I)、对电极(2)和参比电极(3)固定于电极固定体(9)内；电极固定体(9)固定于外结构体(10)内，外结构体(10)与电极固定体(9)构成反应池(7);反应池(7)中内置有磁搅拌转子(8); 电极固定体(9)上开有缓冲液和酶液入口(4)、缓冲液和待测液入口(6)、液体出口(5);所述缓冲液和酶液入口(4)与酶液定量注射装置(11)和缓冲液瓶连接；所述缓冲液和待测液入口(6)与待测液定量注射装置(14)和缓冲液瓶连接；所述液体出口(5)与废液瓶连接。
2.根据权利要求1所述的葡萄糖生物传感器，其特征在于:电极固定体(9)形状为下部被切割的圆柱形，由耐高温耐腐蚀非金属材料制成；所述耐高温非金属材料包括聚醚醚酮PEEK、聚砜。
3.根据权利要求1所述的葡萄糖生物传感器，其特征在于:外结构体(10)由耐高温非金属材料制成；所述耐高温耐腐蚀非金属材料包括聚醚醚酮PEEK、聚砜。
4.根据权利要求1所述的葡萄糖生物传感器，其特征在于:反应池由外结构体和电极固定体构成，反应池容积为400 μ L到1000 μ L,而磁搅拌转子体置于反应池中，体积为200 μ L 500 μ L，且不超过反应池容积的50%。
5.根据权利要求1所述的葡萄糖生物传感器，其特征在于:磁搅拌转子(8)由带磁芯的耐高温耐腐蚀非金属材料制成；磁搅拌转子(8)中的磁铁与传感器外微型直流电机转子上固定的同种磁铁平行，磁搅拌转子(8)随着电机转动而转动，以此实现非接触搅拌。
6.根据权利要求1所述的葡萄糖生物传感器，其特征在于:采用定量注射方式直接从缓冲液和酶液入口(4)和缓冲液和待测液入口(6)将酶液和待测液定量注射到反应池中；其中酶液由酶和添加剂溶于缓冲液制成，待测液在取样管道前加过滤网取得。
7.根据权利要求1所述的葡萄糖生物传感器，其特征在于:所述工作电极1、对电极2和参比电极3固定于电极固定体9内，共同构成了电化学测量三电极系统； 工作电极I形状为圆柱形，由导电材料包括钼、金、银、石墨制成； 对电极2形状为圆柱形，由导电材料包括钼、金、银、石墨制成； 参比电极3形状为圆柱形，由Ag/AgCl构成。
全文摘要
一种用于在线检测的葡萄糖生物传感器，属于生物传感器技术领域。其包括工作电极(1)、对电极(2)、参比电极(3)、缓冲液和酶液入口(4)、液体出口(5)、缓冲液和待测液入口(6)、反应池(7)、磁搅拌转子(8)、电极固定体(9)、外结构体(10)、酶液定量注射装置(11)、待测液定量注射装置(14)。本发明采用定量注射方式直接将酶液和待测液定量注射到反应池中，提高了传感器的检测速度和精确度；反应池内置隔离式电磁搅拌转子，使得反应物电化学反应更加快速充分，进而提高了检测灵敏度；方便与FIA流动注射分析系统结合，可实现传感器随发酵罐同时进行在线高压蒸汽灭菌，容易实现葡萄糖在线检测。
文档编号G01N27/26GK103235016SQ20131014435
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月23日 优先权日2013年4月23日
发明者高学金, 耿凌霄, 薛吉星, 王普, 刘广生, 程丽 申请人:北京工业大学