CN102862948B

CN102862948B - 一种细菌分裂生物时钟的制备方法

Info

Publication number: CN102862948B
Application number: CN201210328463.1A
Authority: CN
Inventors: 邹强; 秦月辰; 刘文涛; 朱哲; 傅星; 马建国; 薛涛; 王慧; 帕提曼·托乎提
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2032-09-07
Also published as: CN102862948A

Abstract

本发明属于生物医学信息检测技术领域，涉及一种细菌分裂生物时钟的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：在硅片上制备图形化电极，并喷镀金属Zn；在氧化环境中加热样品，制备出ZnO纳米带阵列，其中，ZnO纳米带阵列的图形化面积根据所需要检测细菌的种类而定；在ZnO纳米带阵列上表面，随形喷镀有机物薄膜，组装出高灵敏度的生物时钟传感器。本发明的方法可以制备出一种更加灵敏，尺寸更加精密的细菌分裂检测工具细菌分裂生物时钟。

Description

一种细菌分裂生物时钟的制备方法

所属技术领域

本发明属于生物医学信息检测技术领域，涉及一种细菌分裂生物时钟。

背景技术

细菌（英文：germs；学名：bacteria）广义的细菌即为原核生物是指一大类细胞核无核膜包裹，只存在称作拟核区（nuclear region)（或拟核）的裸露DNA的原始单细胞生物，包括真细菌（eubacteria）和古生菌（archaea）两大类群。人们通常所说的即为狭义的细菌，狭义的细菌为原核微生物的一类，是一类形状细短，结构简单，多以二分裂方式进行繁殖的原核生物，是在自然界分布最广、个体数量最多的有机体，是大自然物质循环的主要参与者。

细菌一般以简单的二分裂法进行无性繁殖，个别细菌如结核杆菌偶有分枝繁殖的方式。在适宜条件下，多数细菌繁殖速度极快，分裂一次需时仅20～30分钟。球菌可从不同平面分裂，分裂后形成不同方式排列。杆菌则沿横轴分裂。细菌分裂时，菌细胞首先增大，染色体复制。在革兰氏阳性菌中，细菌染色体与中价体相连，当染色体复制时，中价体亦一分为二，各向两端移动，分别拉着复制好的一根染色体移到细胞的侧。接着细胞中部的细胞膜由外向内陷入，逐渐伸展，形成横隔。同时细胞壁亦向内生长，成为两个子代细胞的胞壁，最后由于肽聚糖水解酶的作用，使细胞壁肽聚糖的共价键断裂，全裂成为两个细胞。革兰氏阴性菌无中介体，染色体直接连接在细胞膜上。复制产生的新染色体则附着在邻近的一点上，在两点之间形成新的细胞膜，将两团染色体分离在两侧。最后细胞壁沿横膈内陷，整个细胞分裂成两个子代细胞。

细菌按其形态主要有三类，球菌、杆菌、螺形菌。球菌：外形呈球形或近似球形，根据细菌分裂的平面和菌体之间排列的方式可分为双球菌、链球菌和葡萄球菌等。杆菌：外形呈杆状，各种杆菌大小、长短与粗细差异较大。大杆菌长约4～10μm，中等大杆菌长约2～3μm，小杆菌长0.6～1.5μm。螺形菌：根据菌体的弯曲分为两类：①弧菌，菌体只有一个弯曲，呈弧形或逗点状，如霍乱弧菌。

②螺菌：菌体有数个弯曲，也有的菌体弯曲呈螺旋状，称为螺杆菌。细菌的个体很小，通常用微米（um）作为测量单位。测量球菌大小只测量其直径。一般球菌直径在0.5～5um之间。测量杆菌和螺旋菌则需测量其长度和宽度。但测量螺旋菌长度时，一般只测量其弯曲形长度，而不是测量其真正的总长度。杆菌一般长1～5um，宽为0.5～1um。细菌的大小可用测微尺在显微镜下进行测量。由于菌种不同，细菌的大小存在着较大的差异；染色方法不同，同一种菌种测出的结果往往不一样；细胞的大小常随着菌龄而发生变化，一般幼龄细菌比成熟的或老年的细菌大得多。以鉴于以上的原因，有关细菌大小的记载，常是平均值或代表性数值。单个细菌细胞的质量为10^-10～10^-9mg，即每g细菌约含10¹²～10¹³个细菌菌体。

传统观测细菌分裂周期的方式，是在光学显微镜下观看。如果可以利用细菌分裂的能量产生的信号，转变为电信号输出进行细菌分裂检测，将会有利于生物医学信息学科的发展。同时，也有望利用细菌分裂的周期作为一种特殊的生物时钟，对时间进行标定。

石英微天平分析仪QCM是一款最主要的质量感测设备，它能够在石英晶体上实时地测量极微小的质量变化。它的灵敏度是0.001mg，几乎比灵敏度是0.1mg的电子微天平高100倍。这意味着它所能测到的质量变化相当于单分子层或单个原子层的几分之一。QCM所具有的高灵敏度以及在石英晶体上可实时测量质量变化的特点，使它在很多领域的应用上成为一种极具吸引力的技术。特别是，QCM系统在用于流体和粘弹性沉积技术上的发展，使它受到强烈的关注。在液体系统方面，QCM技术的主要优势在于它能允许不做标记的分子测量。

然而如果借助QCM来检测细菌的分裂行为，无疑要检测大量的细菌分裂行为。要想知道细菌分裂的周期准确数据，就需要让大量细菌的分裂行为同步，这将是一个较为复杂的过程。因此，期待出现一种更加灵敏，尺寸更加精密的检测工具。

发明内容

本发明的目的是提供一种更加灵敏，尺寸更加精密的细菌分裂检测工具细菌分裂生物时钟的制备方法。本发明的技术方案如下：

一种细菌分裂生物时钟的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

（1）在硅片上制备图形化电极，并喷镀金属Zn；

（2）在氧化环境中加热样品，制备出ZnO纳米带阵列，其中，ZnO纳米带阵列的图形化面积根据所需要检测细菌的种类而定；

（3）在ZnO纳米带阵列上表面，随形喷镀有机物薄膜，组装出高灵敏度的生物时钟传感器。

作为优选实施方式，步骤（1）中，喷镀的金属Zn厚度在100-10000nm之间。步骤（3）中，随形喷镀10～1000nm有机物薄膜；有机物薄膜为聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯醇。

本发明的细菌分裂“生物时钟”可为科学家们探索微观世界提供新的实验手段，应用范围也相当广泛。如在医学领域可以快速标定出不同细菌的分裂行为，使它们成为细菌的微型监测器。这样，就会使得细菌的检测变得更加便捷，更加易于操作。同时实现真正意义上的“芯片级实验室”，并商业化。

具体实施方式

本发明利用高灵敏度的传感器单元实现生物时钟的新型组装模式。被誉为万能金属氧化物半导体的ZnO材料，单根的纳米带状结构可以在5nN的外力作用下发生剧烈形变特征。因此有望借助ZnO一维纳米材料的高机电耦合系数特性，组装一个更加灵敏的细菌分裂行为检测器，根据力电转化机制，输出电信号。从而实现细菌分裂行为的电信号输出元器件，从而组装成生物能量反应机制的“生物时钟”。对应于常规钟表的发条，温度参数可以作为这个特殊“生物时钟”的调节器。因为细菌分裂的速度是周围环境温度参数的对应行为。

具体方法如下：

（1）纳米阵列组装：

借助光刻工艺，在Si片上制备图形化电极，并磁控溅射上金属Zn，厚度可以在100-1000nm之间，在氧化环境中加热样品，形成制备出符合应用尺寸的纳米带结构。长度不小于10μm，宽度50～200nm，厚度30～50nm。其中ZnO纳米带阵列的图形化面积，根据细菌种类而定选择。之后在ZnO纳米带阵列上表面，随形喷镀10～1000nm有机物薄膜（如聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚乙烯醇PVA等，且不仅仅限于此），组装出高灵敏度的生物时钟传感器部分。

（2）细菌的称量标定工作

在薄膜上涂覆细菌所对应的抗体，从而实现微量细菌的全附着。在细菌分裂的过程，分裂出来的细菌脱落的瞬间，会对传感薄膜产生负载的波动，从而产生电信号。利用温度参数，调节一特殊“生物时钟”的工作点。

本发明的纳米阵列组装的一个实施例为：借助光刻工艺，在Si片上制备图形化电极，并磁控溅射上200nm厚的金属Zn，其中金属Zn靶材为高纯度99.99%。在氧化环境中加热样品，形成制备出符合应用尺寸的纳米带结构。长度不小于10μm，宽度约100nm，厚度约50nm。

本实施例选择酵母菌为工作物质。由于酵母菌大小一般为1～5μm×5～30μm。因此其中ZnO纳米带阵列的图形化面积为1μm×5μm。在ZnO纳米带阵列上表面，随形喷镀100nm有机物薄膜，组装出高灵敏度的生物时钟传感器部分。在薄膜上涂覆酵母菌所对应的抗体，这里选用人抗酿酒酵母抗体(ASCA)，从而实现微量细菌的全附着。在细菌分裂的过程，分裂出来的细菌脱落的瞬间，会对传感薄膜产生负载的波动，从而产生电信号。利用温度参数，可以调节这一特殊“生物时钟”的工作点。

Claims

1.一种细菌分裂生物时钟的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

（1）在硅片上制备图形化电极，并喷镀金属Zn；

2.根据权利要求1所述的细菌分裂生物时钟的制备方法，其特征在于，步骤1）中，喷镀的金属Zn厚度在100-1000nm之间。

3.根据权利要求1所述的细菌分裂生物时钟的制备方法，其特征在于，步骤3）中，随形喷镀10～1000nm有机物薄膜。

4.根据权利要求1所述的细菌分裂生物时钟的制备方法，其特征在于，步骤3）中的有机物薄膜为聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯醇。