负压型微流控葡萄糖生物传感在线检测系统的研制

高学金，吕昕雨，金 辰

(北京工业大学信息学部，数字社区教育部工程研究中心，城市轨道交通北京实验室，计算智能与智能系统北京市重点实验室， 北京 100124 )

0 引言

发酵控制中，葡萄糖浓度的检测是整个过程中最重要的流程之一。不同阶段的发酵过程中所需葡萄糖量是不同的，葡萄糖浓度的过高或过低都会影响发酵产物的产量与质量[1]。传统的葡萄糖分析仪多数采用蠕动泵直接抽取进样的方式对待测液进行检测。本课题组曾经研制的酶注射式葡萄糖分析仪[2]，采用同时抽取酶液和葡萄糖待测液进入传感器内部的方式进行检测。但是内部流路十分复杂，驱动电路较多，不仅容易产生噪声同时检测时间过长，不利于在线检测[3]。因此，有必要对流路结构以及生物传感器进行创新和简化。

微流控芯片技术始于20世纪80年代，该技术是把生物、化学检测分析过程的样品提取、反应、分离、检测等基本功能集成到一块μm量级尺度的芯片上完成分析全过程[4-5]。它在多个领域拥有较大的研究和应用前景，已经发展成为一个集合有生物、化学、医学、电子、流体、材料、机械等多学科交叉的研究领域。为适应时代的需求，现今的研究多集中在集成分析方面，特别是生物传感器的研究。

本文设计一款带有Y型和S型混合流道[6]的微流控芯片，作为葡萄糖生物传感器的主体部分。运用蠕动泵负压驱动进样的方式抽取液体[7～9]，即在蠕动泵产生负压的情况下，将液态的葡萄糖氧化酶溶液与葡萄糖溶液抽入微流控芯片内部，使其混合溶液在工作电极处发生酶促反应，并对其响应电流进行检测，得出葡萄糖浓度。

通过相关实验研究，验证了所研制检测系统在线使用的可行性。

1 系统结构

1.1 基于负压的微流控葡萄糖生物传感在线检测系统

为了减少分析仪的噪声源，简化装置，本文采用负压驱动的方式，采用蠕动泵抽取微流控芯片从而产生负压，抽取酶液和葡萄糖待测液。基于以上进样原理，本文搭建一种负压驱动的微流控葡萄糖在线检测系统，其流路结构如图1所示。系统主要由微控制器(MCU)运算处理系统、三电极检测信号调理系统、微流控葡萄糖生物传感器反应系统以及负压驱动装置等构成。

图1 微流控葡萄糖在线检测系统原理图

系统工作过程如下：首先在负压驱动装置的作用下，抽取出葡萄糖溶液和葡萄糖氧化酶溶液，2种溶液进入微流控葡萄糖生物传感器反应系统充分混合，并在工作电极处发生酶促反应，产生与待测液中葡萄糖浓度成比例的电流信号。捕获的电流信号经过三电极电路的I/V变换，将电压信号传递给微控制器(MCU)运算处理系统进行运算处理，最终得到葡萄糖浓度。

1.2 微流控葡萄糖生物传感器反应系统

为了解决目前葡萄糖生物传感器存在的响应时间慢，检测时间较长，以至不利于在线使用的问题，本文提出了一种采用微流控技术的酶注射式葡萄糖生物传感器，采用S型微流控混合流道，设计出一种微流控葡萄糖生物传感器。

运用多物理场耦合分析软件进行数值模拟，经过验证，采用Y型和S型流道相结合的微流控芯片拥有较好的液体混合以及响应效果，芯片结构如图2所示。

图2 微流控葡萄糖生物传感器结构示意图

传感器工作原理：首先，蠕动泵在出液口产生负压，葡萄糖溶液和酶液再从进样口进入微流控内部流道，流经Y型通道和S型通道充分混合之后，进入六边形的微反应器，在工作电极的作用下，发生电化学酶促反应。电极捕获电流，经过I/V变换调理，经微处理器运算处理得到对应的葡萄糖浓度。

葡萄糖与葡萄糖氧化酶的电化学反应机理：

(1)

(2)

式中：D-Glucose为葡萄糖；D-Glucose_acid为葡萄糖酸；GOD为葡萄糖氧化酶；Pt为铂。

该反应的速率(mol/m3)是由Michaelis-Mentenf方程来描述：

R=(CglucoseVmax)/(1+KmCglucose)

(3)

式中：Vmax为酶催化反应的最大速率，根据可用酶的数量来选择；Km为米氏常数，在葡萄糖浓度大的情况下，速率与葡萄糖浓度无关，完全取决于酶动力学；Cglucose为葡萄糖底物浓度。

区别于第一代葡萄糖分析仪样品需要先抽取，再将反应液体注射入传感器进行检测的方式，本文设计的微流控葡萄糖生物传感器采用负压驱动微流控芯片，以此抽取酶液和葡萄糖待测液的方式来检测葡萄糖浓度。

微流控芯片采用PMMA材料，该材料具有一定的耐腐蚀性，不易老化，耐高温。因此，本传感器很适合在发酵现场进行在线检测时使用。

1.3 三电极检测信号调理系统

本文采用三电极检测电路来对电极捕获的电信号进行变换调理，其原理主要是：为三电极提供恒定电位，在工作电极处接收电流信号，并进行I/V变换。

三电极检测电路的电路原理图如图3所示，主要由3个运放组成。其中，OP2构成电压跟随器，OP2与OP1构成恒电位提供电路。OP3与Rf构成I/V变换电路。所用运放均选用输入偏流小的运放CA3140。

图3 三电极检测电路原理图

为了对I/V变换后的信号进行低通滤波和工频50 Hz滤波，本文设计了低通滤波及50 Hz陷波滤波电路，其电路原理图如图3所示。OP4亦选用输入偏流小的运放CA3140。

2 实验结果与讨论

2.1 实验试剂

葡萄糖标准溶液来自山东省科学院生物研究所。磷酸盐缓冲液由山东省科学院生物研究所SBA系列分析仪专用缓冲剂添加蒸馏水配制。葡萄糖氧化酶溶液，由葡萄糖氧化酶(型号G7141，312 U/mg，美国Sigma公司)添加磷酸盐缓冲液配制。

2.2 传感器响应特性对比实验

本文选取的葡萄糖质量浓度范围是0～100 mg/dL。实验中选取的葡萄糖标准溶液质量浓度分别为0、1、5、10、25、50、100 mg/dL，蠕动泵的速度设置为5 mL/h。通过对酶注射式葡萄糖生物传感器以及自行研制的微流控葡萄糖生物传感器分别做响应特性实验，图4为葡萄糖浓度为50 mg/dL条件下，微流控葡萄糖生物传感器电流响应曲线。从图4中可以看出，在葡萄糖浓度50 mg/dL条件下，电流大小随时间变化呈逐渐上升趋势，且微流控葡萄糖生物传感器的响应时间仅需要15 s左右，明显短于酶注射式葡萄糖生物传感器的响应时间——120 s。

图4 微流控葡萄糖生物传感器电流响应曲线

2.3 传感器响应电流线性相关度曲线

对应葡萄糖7个浓度0、1、5、10、25、50、100 mg/dL，传感器的响应电流校正曲线如图5所示，在0～100 mg/dL葡萄糖浓度范围内，传感器电流响应值随着葡萄糖浓度的增大而成比例的增大。

图5 传感器响应电流随浓度的变化趋势

3 结论

本文研制了基于负压的微流控葡萄糖生物传分析系统，“负压驱动”的设计以及微流控技术的引入设计突破了传统分析仪的样品进样和检测方法。最后通过实验验证了所研制分析仪在0～100 mg/dL葡萄糖浓度范围内是线性的；通过对比实验验证了传感器具有较高的灵敏度，响应电流在15 s左右达到最大值，基本满足在线测量的要求。微流控芯片具有取样量小，响应速度快的特点。