一種基於微流控裝置的產電微生物篩選平臺及其製備方法
2023-06-09 18:03:01
一種基於微流控裝置的產電微生物篩選平臺及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於微流控裝置的產電微生物篩選平臺，由上到下依次由膜電極層、培養室層、半導體電極層、多孔支撐架組成，或者由半導體電極層、培養室層、膜電極層、多孔支撐架組成；膜電極層包括質子交換膜、碳電極、防水透氣膜；培養室層基於微流控設計，為高分子絕緣材料上微陣列排布的培養室，每列培養室間以微孔道相連；半導體電極層包括透明襯底、半導體電極、導線、微生物細胞聚集片。所述培養室一側為質子交換膜，另一側為半導體電極，半導體電極、碳電極和培養室一一對應，尺寸相同。本發明還公開了其製備方法。本發明能夠高通量平行檢測大量樣品的產電信號，同時在線觀察生物膜形成狀況；節省時間、空間以及化學試劑方面的耗費。
【專利說明】一種基於微流控裝置的產電微生物篩選平臺及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及產電微生物篩選領域，具體涉及一種基於微流控裝置的產電微生物篩選平臺及其製備方法。
【背景技術】
[0002]微生物燃料電池是一種利用微生物將有機物中的化學能轉化為電能的裝置，這種裝置在廢水處理，新的清潔能源開發，以及生物傳感器方面都有廣泛的應用。而產電微生物則是這個裝置中最重要陽極催化劑，微生物在生物代謝中產生的電子轉化成電流，從而獲得能量。電子從有機物傳遞到電極有兩種方式，一是直接在電極上發生氧化還原反應，二是電子在電解溶液中產生，通過中間電子介體傳遞到電極的間接電子傳遞形式。三是通過產電微生物形成納米導線，電子通過納米導線傳遞到電極。不同的產電微生物產電的原理和效率均不相同。為了培養和篩選高產電率的微生物種類和高產電的微生物組合，大量的實驗組合需要同時進行。因此，開發一種能夠滿足高通量篩選產電微生物的平臺對微生物燃料電池的發展具有重要意義。
【發明內容】
[0003]本發明目的是提供一種基於微流控裝置的產電微生物篩選平臺，具有高通量，佔地小，能同時進行多組平行實驗，同時方便在線檢測等優點。本發明還提供了該產電微生物篩選平臺的製備方法。
[0004]本發明採用以下技術方案:
[0005]一種基於微流控裝置的產電微生物篩選平臺，為層狀結構，由上到下依次由膜電極層、培養室層、半導體電極層、多孔支撐架組成，或者由半導體電極層、培養室層、膜電極層、多孔支撐架組成；所述膜電極層是在質子交換膜上按照微陣列排布碳電極，碳電極上連接導線，上面再覆蓋防水透氣膜，所述碳電極為導電碳片；所述培養室層基於微流控設計，是在高分子絕緣材料上按照微陣列排布設置培養室，每列培養室間以微孔道相連，在每列培養室的兩端分別設有高於培養室層面的進樣孔和出樣孔；所述半導體電極層是在透明襯底上按照微陣列排布設置半導體電極，半導體電極上連接導線和固定微生物細胞聚集片，所述半導體電極為摻錫氧化銦薄膜，所述微生物細胞聚集片為導電碳片；所述培養室一側為質子交換膜，另一側為半導體電極，半導體電極、碳電極和培養室對應，尺寸相同。
[0006]所述半導體電極、碳電極和培養室均為圓形，直徑為2~5 mm，每列直徑相等，每行直徑呈梯度遞增。
[0007]所述培養室層所用高分子絕緣材料為聚二甲基矽氧烷；每列培養室間以寬為
0.5~1.5 mm微孔道相連，設有一個進樣孔和一個出樣孔。
[0008]所述透明襯底為玻璃。
[0009] 所述微生物細胞聚集片為直徑100~500 μ m、厚度500~1000 μ m的柱狀導電碳片，所述柱狀導電碳片3~5個環狀排列固定在半導體電極上。[0010]所述多孔支撐架上設置有透光孔，所述透光孔與半導體電極一一對應，多孔支撐架非進出樣兩側各有一根平行的用於固定各層的條狀板，多孔支撐架下部設有支撐墊。
[0011]上述基於微流控裝置的產電微生物篩選平臺的製備方法，包括如下步驟:
[0012]步驟一、製備半導體電極層
[0013]用光刻方法製備，在透明襯底上濺射鍍膜一層摻錫氧化銦薄膜，在摻錫氧化銦薄膜上塗光刻膠，曝光，將半導體電極陣列形狀製作在光刻膠上，再用離子束刻蝕將光刻膠上圖形轉移到摻錫氧化銦薄膜上，有機溶劑除去殘存光刻膠，得到半導體電極陣列；在半導體電極上連接導線和固定微生物細胞聚集片；
[0014]步驟二、製備培養室層
[0015]在高分子絕緣材料上打孔，所述孔與步驟一所述半導體電極一一對應，尺寸相同；每列孔之間以微通道連通，設有進樣孔和出樣孔；
[0016]步驟三、製備膜電極層
[0017]將碳電極與質子交換膜壓合，所述碳電極與步驟二所述孔一一對應，尺寸相同；所述碳電極上連接導線，外面覆蓋防水透氣膜；
[0018]步驟四、組裝
[0019]將膜電極層放在多孔支撐架上，質子交換膜朝上，將培養室層覆蓋在膜電極層上，壓合在質子交換膜上的碳電極對準培養室；半導體電極層覆蓋在培養室層上部，排布半導體電極的一面朝下，半導體電極對準培養室；用夾具壓住所有層非進出樣的側面兩端，得到所述基於微流控的產電微生物篩選平臺；
[0020]或將半導體電極層放在多孔支撐架上，排布半導體電極的一面朝上，將培養室層覆蓋在半導體電極層上，半導體電極對準培養室；膜電極層覆蓋在培養室層上部，質子交換膜朝下，碳電極對準培養室；用夾具壓住所有層非進出樣的側面兩端，得到所述基於微流控的產電微生物篩選平臺。
[0021]步驟一所述微生物細胞聚集片用導電膠粘合固定在半導體電極上。
[0022]步驟四所述多孔支撐架上設置有透光孔，所述透光孔與半導體電極一一對應；所述多孔支撐架非進出樣兩側各有一根平行的用於固定各層的條狀板，夾具固定在條狀板上；所述多孔支撐架下部設有支撐墊。
[0023]本發明的有益效果:
[0024]1、本發明產電微生物篩選平臺能夠高通量平行檢測大量樣品的產電信號，同時在線觀察生物膜形成狀況。
[0025]2、本發明產電微生物篩選平臺節省時間、空間以及化學試劑方面的耗費。
[0026]3、本發明產電微生物篩選平臺能夠發展為微型產電裝置，在生物傳感器和微型醫學器件的供電上有潛在的應用價值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027] 圖1是本發明產電微生物篩選平臺的結構示意圖。
[0028]I防水透氣膜、2質子交換膜、3培養室層、4半導體電極層、5多孔支撐架、6碳電極、7導線、8進樣孔、9培養室、10微孔道、11半導體電極、12導線、13透光孔、14支撐墊、15出樣孔、16微生物細胞聚集片。[0029]圖2是實施例1培養10天後觀察到的微藻生長狀況。
[0030]圖3是實施例2加入疊氮化鈉後觀察到的微藻生長狀況。
【具體實施方式】
[0031]下面結合實施例和附圖對本發明做更進一步地解釋。下列實施例僅用於說明本發明，但並不用來限定本發明的實施範圍。本發明所應用的各種材料和試劑均可從商業途徑購買獲得。
[0032]如圖1所示，一種基於微流控裝置的產電微生物篩選平臺，為層狀結構，由上到下依次由膜電極層、培養室層3、半導體電極層4、多孔支撐架5組成。
[0033]膜電極層是在質子交換膜2上按照微陣列排布碳電極6，碳電極6上連接導線7，上面再覆蓋防水透氣膜I，所述碳電極6為導電碳片。所述的質子交換膜2可以選用全氟磺酸型質子交換膜(如Nafion質子交換膜)，非氟聚合物質子交換膜等。所述的防水透氣膜I可以選用聚四氟乙烯膜或具有防水透氣功能的其他薄膜。
[0034]培養室層3基於微流控設計，是在高分子絕緣材料上按照微陣列排布設置培養室
9。每列培養室9間以寬為0.5~1.5 mm微孔道相連，設有一個進樣孔8和一個出樣孔15。進樣孔8和出樣孔15部分 呈馬鞍狀結構，高出培養室9層面。所述高分子絕緣材料為聚二甲基矽氧烷。
[0035]半導體電極層4是在透明襯底上按照微陣列排布設置半導體電極11，半導體電極11上連接導線12和固定微生物細胞聚集片16。透明襯底為玻璃。半導體電極11為摻錫氧化銦薄膜，為透明膜，可以適時在顯微鏡下觀察微生物的生長狀況。微生物細胞聚集片16為直徑100~500 μ m、厚度500~1000 μ m的柱狀導電碳片，3~5個環狀排列固定在半導體電極11上。導電碳片為碳紙或者碳布以及其他多孔的碳材料加工形成。
[0036]培養室9 一側為半導體電極11，另一側為質子交換膜2。質子交換膜2與培養室9的液體接觸，防水透氣膜I直接與空氣接觸。半導體電極11、碳電極6和培養室9 一一對應，均為圓形，直徑相同，為2~5mm。每列直徑相等，每行直徑呈梯度遞增。培養室9有效容積為4~64ml。
[0037]多孔支撐架5設置有透光孔13，透光孔13與半導體電極11 一一對應，非進出樣兩側各有一根平行的用於固定各層的條狀板，下部有四個支撐墊14。多孔支撐架5為透光材料加工而成，透光材料可以為聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯或聚四氟乙烯等高分子材料。
[0038]各種不同類型的可用於微生物燃料電池的空氣陰極均可用在本發明產電微生物篩選裝置中。
[0039]本發明產電微生物篩選平臺可以通過測量產電信號高通量篩選高產電率微生物，用於生物電池；同時，還可以加入特定化合物和螢光分子標記時，進行螢光適時觀察。
[0040]上述基於微流控裝置的產電微生物篩選平臺的製備方法，包括如下步驟:
[0041]步驟一、製備半導體電極層
[0042]用光刻方法製備，在透明襯底上濺射鍍膜一層摻錫氧化銦薄膜，在摻錫氧化銦薄膜上塗光刻膠，曝光，將半導體電極陣列形狀製作在光刻膠上，再用離子束刻蝕將光刻膠上圖形轉移到摻錫氧化銦薄膜上，有機溶劑除去殘存光刻膠，得到半導體電極陣列；在半導體電極上連接導線和導電膠粘合固定微生物細胞聚集片。[0043]步驟二、製備培養室層
[0044]在高分子絕緣材料上打孔，所述孔與步驟一所述半導體電極一一對應，尺寸相同；每列孔之間以微通道連通，設有進樣孔和出樣孔。
[0045]步驟三、製備膜電極層
[0046]將碳電極與質子交換膜壓合，所述碳電極與步驟二所述孔一一對應，尺寸相同；所述碳電極上連接導線，外面覆蓋防水透氣膜。步驟四、組裝
[0047]第一種安裝:將膜電極層放在多孔支撐架上，質子交換膜朝上，碳電極與多孔支撐架上的透光孔對應。將培養室層覆蓋在膜電極層上，碳電極對準培養室。半導體電極層覆蓋在培養室層上部，排布半導體電極的一面朝下，半導體電極對準培養室。用夾具壓住所有層非進出樣的側面兩端，固定在底部多孔支撐架上，得到所述基於微流控的產電微生物篩選平臺。這樣安裝可以置於正置光學顯微鏡下進行在線觀察.[0048]或第二種安裝:將半導體電極層放在多孔支撐架上，排布半導體電極的一面朝上，半導體電極與多孔支撐架的透光孔對應。將培養室層覆蓋在半導體電極層上，半導體電極對準培養室。膜電極層覆蓋在培養室層上部，質子交換膜朝下，碳電極對準培養室。用夾具壓住所有層非進出樣的側面兩端，固定在底部多孔支撐架上，得到所述基於微流控的產電微生物篩選平臺。這樣安裝便於置於倒置光學顯微鏡下在線觀察。
[0049]為防止液體滲漏，可以用矽膠在培養室周圍塗封閉層。
[0050]以下實施例採用的篩選平臺，有4列培養室，各列培養室孔徑分別為2 mm、3 mm、4mm、5 mm，高度為lmm。微孔道寬為I mm，高為0.7 mm。按第二種安裝方式，將篩選平臺組裝完成後，將恆流注射泵的注射器與進樣孔連接，注射器裝有需要研究的目標樣品。
[0051]以下實施例採用的產電微生物為微藻(Microcystis aeruginosa),購於中國科學院水生生物研究所。也可選用其他產電微生物比如希瓦氏菌，地桿菌等。
[0052]實施例1
[0053]同時進行四組實驗:第一、二組為對照液BGll培養基，第三、四組為培養在BGll培養基中的微藻(濃度為5xl02/ml )，樣品通過恆流注射泵推動，緩慢注射到培養室中，連接數據採集卡，測量開路電壓平均約為50毫伏，然後連接1000歐姆電阻構成迴路。在微藻生長10天後，可以看到具有微藻的實驗組，產生了高於對照組的電壓，對照組電壓平均約為5毫伏，實驗組平均約為13毫伏。將培養了 10天的樣品置於倒置顯微鏡下觀察，可以觀察到微生物生長狀況，如圖2所示。
[0054]實施例2
[0055] 分別在實施例1第二、四組的注射器中加培養液BGll和疊氮化鈉的混合液，可以觀察到第四組電壓發生明顯變化，由原來的平均13毫伏變為平均7毫伏。同時，在線觀察到微生物的生長狀態發生變化，如圖3所示。說明本發明篩選平臺便於進行各種篩選和試劑添加，便於操作。
【權利要求】
1.一種基於微流控裝置的產電微生物篩選平臺，其特徵在於，為層狀結構，由上到下依次由膜電極層、培養室層、半導體電極層、多孔支撐架組成，或者由半導體電極層、培養室層、膜電極層、多孔支撐架組成；所述膜電極層是在質子交換膜上按照微陣列排布碳電極，碳電極上連接導線，上面再覆蓋防水透氣膜，所述碳電極為導電碳片；所述培養室層基於微流控設計，是在高分子絕緣材料上按照微陣列排布設置培養室，每列培養室間以微孔道相連，在每列培養室的兩端分別設有高於培養室層面的進樣孔和出樣孔；所述半導體電極層是在透明襯底上按照微陣列排布設置半導體電極，半導體電極上連接導線和固定微生物細胞聚集片，所述半導體電極為摻錫氧化銦薄膜，所述微生物細胞聚集片為導電碳片；所述培養室一側為質子交換膜，另一側為半導體電極，半導體電極、碳電極和培養室對應，尺寸相同。
2.根據權利要求1所述的基於微流控裝置的產電微生物篩選平臺，其特徵在於，所述半導體電極、碳電極和培養室均為圓形，直徑為2~5 mm，每列直徑相等，每行直徑呈梯度遞+?>曰ο
3.根據權利要求1或2所述的基於微流控裝置的產電微生物篩選平臺，其特徵在於，所述培養室層所用高分子絕緣材料為聚二甲基矽氧烷；每列培養室間以寬為0.5~1.5 mm微孔道相連，設有一個進樣孔和一個出樣孔。
4.根據權利要求1或2所述的基於微流控裝置的產電微生物篩選平臺，其特徵在於，所述透明襯底為玻璃。
5.根據權利要求1或2所述的基於微流控裝置的產電微生物篩選平臺，其特徵在於，所述微生物細胞聚集片為直徑100~500 μ m、厚度500~1000 μ m的柱狀導電碳片，所述柱狀導電碳片3~5個環狀排列固定在半導體電極上。
6.根據權利要求1或2所述的基於微流控裝置的產電微生物篩選平臺，其特徵在於，所述多孔支撐架上設置有透光孔，所述透光孔與半導體電極一一對應，多孔支撐架非進出樣兩側各有一根平行的用於固定各層的條狀板，多孔支撐架下部設有支撐墊。
7.權利要求1所述的基於微流控裝置的產電微生物篩選平臺的製備方法，其特徵在於，包括如下步驟: 步驟一、製備半導體電極層 用光刻方法製備，在透明襯底上濺射鍍膜一層摻錫氧化銦薄膜，在摻錫氧化銦薄膜上塗光刻膠，曝光，將半導體電極陣列形狀製作在光刻膠上，再用離子束刻蝕將光刻膠上圖形轉移到摻錫氧化銦薄膜上，有機溶劑除去殘存光刻膠，得到半導體電極陣列；在半導體電極上連接導線和固定微生物細胞聚集片； 步驟二、製備培養室層 在高分子絕緣材料上打孔，所述孔與步驟一所述半導體電極一一對應，尺寸相同；每列孔之間以微通道連通，設有進樣孔和出樣孔； 步驟三、製備膜電極層 將碳電極與質子交換膜壓合，所述碳電極與步驟二所述孔一一對應，尺寸相同；所述碳電極上連接導線，外面覆蓋防水透氣膜； 步驟四、組裝 將膜電極層放在多孔支撐架上，質子交換膜朝上，將培養室層覆蓋在膜電極層上，壓合在質子交換膜上的碳電極對準培養室；半導體電極層覆蓋在培養室層上部，排布半導體電極的一面朝下，半導體電極對準培養室；用夾具壓住所有層非進出樣的側面兩端，得到所述基於微流控的產電微生物篩選平臺； 或將半導體電極層放在多孔支撐架上，排布半導體電極的一面朝上，將培養室層覆蓋在半導體電極層上，半導體電極對準培養室；膜電極層覆蓋在培養室層上部，質子交換膜朝下，碳電極對準培養室；用夾具壓住所有層非進出樣的側面兩端，得到所述基於微流控的產電微生物篩選平臺。
8.根據權利要求7所述的基於微流控裝置的產電微生物篩選平臺的製備方法，其特徵在於，步驟一所述微生物細胞聚集片用導電膠粘合固定在半導體電極上。
9.根據權利要求7所述的基於微流控裝置的產電微生物篩選平臺的製備方法，其特徵在於，步驟四所述多孔支撐架上設置有透光孔，所述透光孔與半導體電極一一對應；所述多孔支撐架非進出樣兩側各有一根平行的用於固定各層的條狀板，夾具固定在條狀板上；所述多孔支撐架下部 設有支撐墊。
【文檔編號】C12M1/34GK103937665SQ201410147212
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月11日 優先權日:2014年4月11日
【發明者】遲慧梅, 付德剛, 孫嘯 申請人:東南大學