苯丙氨酸解氨酶传感器及检测系统研究

摘要

随着现代仪器科学和临床医学的发展，对人体的生化指标检测将不断提出新的要求。今后医学的发展方向，必将由治疗医学向预防医学转变。因此，一些疾病的早期诊断就变得尤为重要。近年来，快速有效地测定某些遗传性疾病的生化指标愈发引起医学界的关注。 生物传感器近几年来发展迅速。它具备结构简单、成本低廉、测定结果准确等优点，并且能在分子水平上识别待测物质。在化学工业监测、医学临床诊断、生物医学药物筛选以及毒物监测等方面有着广泛的应用前景。 利用生物传感器检测氨基酸在医学领域中具有重要意义。该文建设性地提出了一种检测苯丙氨酸(Phe)的方法，即用研制出的一种苯丙氨酸解氨酶(PAL)传感器及检测系统检测苯丙氨酸的含量，来快速诊断新生儿苯丙酮尿症(PKU)，以便及时治疗。该文主要针对哈尔滨市科技攻关项目“苯丙酮尿症检测仪的研制”中的几个关键技术作了深入地研究，解决了目前酶传感器的一些理论与制造难题，并提供了集苯丙氨酸解氨酶传感器、信号调理电路、控制和显示单元于一体化的检测系统。这一研究思路可以加快生物传感器的商品化进程。 该文在研究过程中，主要完成了以下工作： 1.探讨了苯丙氨酸解氨酶传感器的设计构想及检测原理，讨论了酶反应的动力学特性和米氏方程，针对酶膜的厚度和浓度给出了苯丙氨酸解氨酶传感器设计的理论依据。结合酶反应的稳态和暂态的分析方法，在苯丙氨酸特性的基础上，制作了苯丙氨酸解氨酶传感器，并建立了它的数学模型。 2.针对固定化酶的特点，在获取固定化酶的研究中，提出一种新的实用的纯化方法和工艺，它不同于传统酶传感器制作工艺中的酶获取方法，能有效地解决商品酶的二次纯化分离技术问题。该方法很好地解决了苯丙氨酸解氨酶传感器制作中的关键技术问题，成为苯丙氨酸解氨酶传感器研制中的一个创新点。 3.通过对比酶的固定化方法和酶传感器的制备工艺，提出了膜的表面修饰和苯丙氨酸解氨酶固定化方法和工艺。解决了在固定化和苯丙氨酸解氨酶传感器的制备工艺中苯丙氨酸解氨酶失活、苯丙氨酸解氨酶与膜的结合力差等问题，其性能满足实用的要求。 4.分析了构成苯丙氨酸解氨酶传感器的两个重要部分—基础电极和透气膜。针对不同材质透气膜的特性进行了对比分析，并通过实验确定了采用多孔聚四氟乙烯膜(PTFE)透气膜和Model95-12型电位型氨气敏电极。 5.此项研究通过计算机的仿真技术分析了苯丙氨酸解氨酶传感器内阻变化时的输入信号与输出信号的关系，使设计的信号调理电路满足了实用的要求。讨论了目前酶传感器的校准方法，提出一种优化的数据处理方案和算法。 6.完成了检测系统的模块化设计及相关的硬件和软件设计；并配以液晶触摸屏，提供良好的人机界面，增强了检测系统的可靠性和人机交互性，为后续的研究奠定了基础。 该检测系统的检测下限为1×10-5mol/L；线性范围为1×10-5～5×10-3mol/L；检测时间不超过十分钟；成本仅为荧光比色分析仪的十分之一。利用本检测系统进行临床检验，可对苯丙酮尿症做出早期诊断，以利于及时治疗。该传感器及检测系统也可应用于其它氨基酸分析和相关医学检验领域，在生化检验和学术研究方面都具有很高的应用价值和学术价值。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1研究背景及实际意义

1.2苯丙酮尿症检测方法与筛查现状

1.2.1苯丙酮尿症检测方法

1.2.2国内外苯丙酮尿症筛查现状

1.3生物传感器研究现状及发展趋势

1.3.1国外生物传感器研究现状和发展趋势

1.3.2国内生物传感器研究现状和发展趋势

1.3.3酶传感器应用现状与存在的问题

1.4课题的来源及研究的内容

第2章苯丙氨酸解氨酶传感器工作原理及相关数学模型

2.1引言

2.2苯丙氨酸的特性

2.3苯丙氨酸解氨酶传感器中的化学反应

2.4苯丙氨酸解氨酶传感器的设计

2.5酶传感器检测原理

2.6酶反应动力学特性与米氏方程

2.6.1酶反应动力学特性

2.6.2米氏方程

2.7酶传感器的稳态特性

2.8酶反应动力学的讨论

2.9苯丙氨酸解氨酶传感器的数学模型

2.9.1氨电极的能斯特方程

2.9.2苯丙氨酸解氨酶传感器的响应机理及数学模型

2.10本章小结

第3章苯丙氨酸解氨酶传感器制备中的关键技术

3.1引言

3.2酶的基本性质

3.3苯丙氨酸解氨酶的选择和存在的问题

3.3.1苯丙氨酸解氨酶的选择

3.3.2目前存在的问题

3.4常用的酶固定化方法

3.4.1包埋法

3.4.2共价交联法

3.4.3共价偶联法

3.4.4吸附法

3.5苯丙氨酸解氨酶的固定化

3.5.1固定化方法的选择

3.5.2膜的修饰与苯丙氨酸解氨酶的固定化方法

3.6苯丙氨酸解氨酶的二次纯化

3.6.1二次纯化的背景和原则

3.6.2二次纯化方法的剖析

3.6.3二次纯化的工艺路线

3.7氨气敏电极的选择

3.8膜的选择及实验

3.8.1膜的分类和性质

3.8.2膜结构

3.8.3膜材料的选择

3.8.4膜的选择实验

3.9本章小结

第4章苯丙氨酸解氨酶传感器的结构与检测系统

4.1引言

4.2苯丙氨酸解氨酶传感器的结构

4.3检测系统设计

4.3.1模块化设计

4.3.2检测系统的构建

4.4检测系统的信号调理技术

4.4.1苯丙氨酸解氨酶传感器内阻与前置电路噪声的理论分析

4.4.2前置电路芯片的选择

4.4.3前置放大电路设计和计算机仿真

4.5信号校准技术

4.5.1黄金分割法

4.5.2线性化的数学模型

4.5.3程序实现

4.6检测系统硬件设计

4.7检测系统软件设计

4.7.1程序整体结构设计

4.7.2标定和检测程序设计

4.7.3制冷控制程序设计

4.7.4触摸屏界面整体结构和程序设计

4.8本章小结

第5章基于实验的性能参数分析

5.1引言

5.2苯丙氨酸解氨酶传感器及检测系统的性能测试

5.2.1测试方法

5.2.2测试中使用的试剂

5.2.3苯丙氨酸的检测与误差分析

5.3苯丙氨酸解氨酶传感器工作曲线的标定

5.4本章小结

结论

参考文献

附录检测系统界面简介

攻读学位期间发表的学术论文

致谢