第29卷

    2001年7月 分析化学 (FENXI HUAXUE) 研究报告

    Chinese Journal of Analytical Chemistry

    第7期

    814～817

    葡萄糖传感器聚氨酯扩散限制膜响应动力学的研究

    蒋洪川3 1

    冉均国2

    苟 立2

    杨仕清1

    1

    (电子科技大学信息材料工程学院 ,成都 610054)

    2

    (四川大学无机材料系 ,成都 610065)

    摘 要 对采用聚氨酯薄膜作为扩散限制膜的葡萄糖传感器的响应动力学进行了分析与计算。通过对

    葡萄糖氧化酶(GOD)的米氏常数 Km值及衡量扩散控制作用的 Y值的计算 ,从理论上说明了扩散限制膜

    的引入是提高葡萄糖传感器响应线性范围的一种有效方法。计算结果表明: GOD经壳聚糖固定化后米

    氏常数 Km从9. 6减小到7. 2 mmol L ;随着制膜液浓度及浸渍次数的增加 , Y值增加 ,线性范围扩大 ,与

    实验结果是一致的。

    关键词 葡萄糖传感器 ,聚氨酯扩散限制膜 ,响应线性范围 ,响应动力学

    2000209203收稿;2001203226接受

    本文系国家自然科学基金资助课题(No. 69772039)

    1 引 言

    葡萄糖传感器扩散限制膜的引入对扩大响应线性范围是一种非常有效的方法 ,在我们以前的研究

    中 ,对葡萄糖传感器聚氨酯扩散限制膜的结构、性能以及葡萄糖传感器的响应性能进行了研究〔 1 ,2〕。本

    文将利用这些实验结果对葡萄糖传感器的响应动力学进行分析计算 ,研究扩散限制膜的扩散限制作用

    机理 ,在理论上说明扩散限制膜的引入能够扩大葡萄糖传感器的响应线性范围。

    2 葡萄糖传感器的响应动力学分析与计算

    2. 1 理论基础

    最早提出并被广泛应用的酶催化反应动力学机理是 1913 年由 Michaelies 和 Menten 提出的

    Michaelies2Menten (简称M2M)机理〔 3〕:

    E + S

    K1

    K- 1

    ES (1)

    ES

    K2

    E + P (2)

    式中 E为酶 ,S为底物 ,P为产物 , K1 , K- 1 , K2 为速率常数。

    为简化数字处理 ,Michaelis和Menten提出了以下三点假设:

    (a)与底物浓度相比 ,酶浓度很小 ,所以复合物 ES不会明显改变底物浓度。

    (b)在反应开始时 ,以及在测定速率所需的时间内产物浓度很小 ,所以式(2)不存在逆反应。

    (c)虽然式(2)产物的生成速率是快速的 ,但与式(1)相比还是慢得多 ,所以认为(1)式实际上处于平

    衡态。

    根据以上三点假设 ,再结合“酶守恒原理” ,当底物浓度S 足够大时 ,经推导可得:

    V =

    Vmax

    1 +

    Km

    S

    (3)

    式中Vmax为最大反应速率 ,表示底物浓度趋于无穷大时的反应速率 , Km = ( K- 1 + K2) K1为米氏常数。

    对式(3)采用Lineweaver2Burk变换得:

    1

    V

    =

    1

    Vmax

    +

    Km

    Vmax S

    (4)以1 V 对1 S 作图得一直线 ,其斜率为 Km Vmax ,截距为 1 Vmax。因此知道底物浓度和反应速度便可

    求出 Vmax和 Km。

    2. 2 理论推导

    固定化酶的催化作用与它的动力学密切相关 ,其反应动力学由于以下几个因素而与溶液的反应动

    力学产生了差异〔 4〕: (1)构象改变和屏蔽形成; (2)微环境效应; (3)扩散效应。这三种效应综合在一起决

    定着固定化酶的动力学特性。

    底物的转移速率:

    J s = K( S - S i ]) (5)

    式中 K =

    C1 v

    C0At - C1A

    ,为底物的扩散系数 ,其中 C1 表示经过时间 t 后透过酶膜的底物浓度 , C0 表示底

    物初始浓度 ,A 为膜面积 , v 为溶液室体积 , S i ]为酶膜表面的底物浓度。

    酶膜表面的实际反应速率为:

    V =

    Vmax S i ]

    Km + S i ]

    (6)

    反应速率 V 由底物的转移速率和酶促反应速率共同决定 ,下面分三种情况进行讨论。

    (1) 扩散速率非常快 ,酶促反应速率相对来说却很慢 ,此时 , S i = S , 在这种情况下实效反应速

    率由酶促反应速率控制。所以有:

    V =

    Vmax S

    Km + S

    (7)

    当 Km m S 时 ,V =

    Vmax S

    Km

    (8)

    此时反应速率与底物浓度之间为线性关系 ,但该范围很窄 ,远小于 Km ,没有引入扩散限制膜的葡萄糖传

    感器就属于这种情况。

    (2)酶促反应速率非常快 ,而底物的扩散转移速率相对却很慢 ,此时实际反应速率由扩散转移速率

    所控制 ,则

    S i = 0

    V = KS (9)

    此时反应速率与底物浓度之间为线性关系 ,但在这种情况下响应时间却很长 ,这种情况属于虽然引入了

    扩散限制膜 ,但由于膜很厚致使底物的扩散速率非常慢 ,在实际应用中没有意义 ......