CN103937665A - 一种基于微流控装置的产电微生物筛选平台及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微流控装置的产电微生物筛选平台，由上到下依次由膜电极层、培养室层、半导体电极层、多孔支撑架组成，或者由半导体电极层、培养室层、膜电极层、多孔支撑架组成；膜电极层包括质子交换膜、碳电极、防水透气膜；培养室层基于微流控设计，为高分子绝缘材料上微阵列排布的培养室，每列培养室间以微孔道相连；半导体电极层包括透明衬底、半导体电极、导线、微生物细胞聚集片。所述培养室一侧为质子交换膜，另一侧为半导体电极，半导体电极、碳电极和培养室一一对应，尺寸相同。本发明还公开了其制备方法。本发明能够高通量平行检测大量样品的产电信号，同时在线观察生物膜形成状况；节省时间、空间以及化学试剂方面的耗费。

Description

一种基于微流控装置的产电微生物筛选平台及其制备方法
技术领域
本发明涉及产电微生物筛选领域，具体涉及一种基于微流控装置的产电微生物筛选平台及其制备方法。
背景技术
微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能转化为电能的装置，这种装置在废水处理，新的清洁能源开发，以及生物传感器方面都有广泛的应用。而产电微生物则是这个装置中最重要阳极催化剂，微生物在生物代谢中产生的电子转化成电流，从而获得能量。电子从有机物传递到电极有两种方式，一是直接在电极上发生氧化还原反应，二是电子在电解溶液中产生，通过中间电子介体传递到电极的间接电子传递形式。三是通过产电微生物形成纳米导线，电子通过纳米导线传递到电极。不同的产电微生物产电的原理和效率均不相同。为了培养和筛选高产电率的微生物种类和高产电的微生物组合，大量的实验组合需要同时进行。因此，开发一种能够满足高通量筛选产电微生物的平台对微生物燃料电池的发展具有重要意义。
发明内容
本发明目的是提供一种基于微流控装置的产电微生物筛选平台，具有高通量，占地小，能同时进行多组平行实验，同时方便在线检测等优点。本发明还提供了该产电微生物筛选平台的制备方法。
本发明采用以下技术方案：
一种基于微流控装置的产电微生物筛选平台，为层状结构，由上到下依次由膜电极层、培养室层、半导体电极层、多孔支撑架组成，或者由半导体电极层、培养室层、膜电极层、多孔支撑架组成；所述膜电极层是在质子交换膜上按照微阵列排布碳电极，碳电极上连接导线，上面再覆盖防水透气膜，所述碳电极为导电碳片；所述培养室层基于微流控设计，是在高分子绝缘材料上按照微阵列排布设置培养室，每列培养室间以微孔道相连，在每列培养室的两端分别设有高于培养室层面的进样孔和出样孔；所述半导体电极层是在透明衬底上按照微阵列排布设置半导体电极，半导体电极上连接导线和固定微生物细胞聚集片，所述半导体电极为掺锡氧化铟薄膜，所述微生物细胞聚集片为导电碳片；所述培养室一侧为质子交换膜，另一侧为半导体电极，半导体电极、碳电极和培养室一一对应，尺寸相同。
所述半导体电极、碳电极和培养室均为圆形，直径为2～5㎜，每列直径相等，每行直径呈梯度递增。
所述培养室层所用高分子绝缘材料为聚二甲基硅氧烷；每列培养室间以宽为0.5～1.5㎜微孔道相连，设有一个进样孔和一个出样孔。
所述透明衬底为玻璃。
所述微生物细胞聚集片为直径100～500μm、厚度500～1000μm的柱状导电碳片，所述柱状导电碳片3～5个环状排列固定在半导体电极上。
所述多孔支撑架上设置有透光孔，所述透光孔与半导体电极一一对应，多孔支撑架非进出样两侧各有一根平行的用于固定各层的条状板，多孔支撑架下部设有支撑垫。
上述基于微流控装置的产电微生物筛选平台的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、制备半导体电极层
用光刻方法制备，在透明衬底上溅射镀膜一层掺锡氧化铟薄膜，在掺锡氧化铟薄膜上涂光刻胶，曝光，将半导体电极阵列形状制作在光刻胶上，再用离子束刻蚀将光刻胶上图形转移到掺锡氧化铟薄膜上，有机溶剂除去残存光刻胶，得到半导体电极阵列；在半导体电极上连接导线和固定微生物细胞聚集片；
步骤二、制备培养室层
在高分子绝缘材料上打孔，所述孔与步骤一所述半导体电极一一对应，尺寸相同；每列孔之间以微通道连通，设有进样孔和出样孔；
步骤三、制备膜电极层
将碳电极与质子交换膜压合，所述碳电极与步骤二所述孔一一对应，尺寸相同；所述碳电极上连接导线，外面覆盖防水透气膜；
步骤四、组装
将膜电极层放在多孔支撑架上，质子交换膜朝上，将培养室层覆盖在膜电极层上，压合在质子交换膜上的碳电极对准培养室；半导体电极层覆盖在培养室层上部，排布半导体电极的一面朝下，半导体电极对准培养室；用夹具压住所有层非进出样的侧面两端，得到所述基于微流控的产电微生物筛选平台；
或将半导体电极层放在多孔支撑架上，排布半导体电极的一面朝上，将培养室层覆盖在半导体电极层上，半导体电极对准培养室；膜电极层覆盖在培养室层上部，质子交换膜朝下，碳电极对准培养室；用夹具压住所有层非进出样的侧面两端，得到所述基于微流控的产电微生物筛选平台。
步骤一所述微生物细胞聚集片用导电胶粘合固定在半导体电极上。
步骤四所述多孔支撑架上设置有透光孔，所述透光孔与半导体电极一一对应；所述多孔支撑架非进出样两侧各有一根平行的用于固定各层的条状板，夹具固定在条状板上；所述多孔支撑架下部设有支撑垫。
本发明的有益效果：
1、本发明产电微生物筛选平台能够高通量平行检测大量样品的产电信号，同时在线观察生物膜形成状况。
2、本发明产电微生物筛选平台节省时间、空间以及化学试剂方面的耗费。
3、本发明产电微生物筛选平台能够发展为微型产电装置，在生物传感器和微型医学器件的供电上有潜在的应用价值。
附图说明
图1是本发明产电微生物筛选平台的结构示意图。
1防水透气膜、2质子交换膜、3培养室层、4半导体电极层、5多孔支撑架、6碳电极、7导线、8进样孔、9培养室、10微孔道、11半导体电极、12导线、13透光孔、14支撑垫、15出样孔、16微生物细胞聚集片。
图2是实施例1培养10天后观察到的微藻生长状况。
图3是实施例2加入叠氮化钠后观察到的微藻生长状况。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做更进一步地解释。下列实施例仅用于说明本发明，但并不用来限定本发明的实施范围。本发明所应用的各种材料和试剂均可从商业途径购买获得。
如图1所示，一种基于微流控装置的产电微生物筛选平台，为层状结构，由上到下依次由膜电极层、培养室层3、半导体电极层4、多孔支撑架5组成。
膜电极层是在质子交换膜2上按照微阵列排布碳电极6，碳电极6上连接导线7，上面再覆盖防水透气膜1，所述碳电极6为导电碳片。所述的质子交换膜2可以选用全氟磺酸型质子交换膜（如Nafion质子交换膜），非氟聚合物质子交换膜等。所述的防水透气膜1可以选用聚四氟乙烯膜或具有防水透气功能的其他薄膜。
培养室层3基于微流控设计，是在高分子绝缘材料上按照微阵列排布设置培养室9。每列培养室9间以宽为0.5～1.5㎜微孔道相连，设有一个进样孔8和一个出样孔15。进样孔8和出样孔15部分呈马鞍状结构，高出培养室9层面。所述高分子绝缘材料为聚二甲基硅氧烷。
半导体电极层4是在透明衬底上按照微阵列排布设置半导体电极11，半导体电极11上连接导线12和固定微生物细胞聚集片16。透明衬底为玻璃。半导体电极11为掺锡氧化铟薄膜，为透明膜，可以适时在显微镜下观察微生物的生长状况。微生物细胞聚集片16为直径100～500μm、厚度500～1000μm的柱状导电碳片，3～5个环状排列固定在半导体电极11上。导电碳片为碳纸或者碳布以及其他多孔的碳材料加工形成。
培养室9一侧为半导体电极11，另一侧为质子交换膜2。质子交换膜2与培养室9的液体接触，防水透气膜1直接与空气接触。半导体电极11、碳电极6和培养室9一一对应，均为圆形，直径相同，为2～5㎜。每列直径相等，每行直径呈梯度递增。培养室9有效容积为4～64ml。
多孔支撑架5设置有透光孔13，透光孔13与半导体电极11一一对应，非进出样两侧各有一根平行的用于固定各层的条状板，下部有四个支撑垫14。多孔支撑架5为透光材料加工而成，透光材料可以为聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯或聚四氟乙烯等高分子材料。
各种不同类型的可用于微生物燃料电池的空气阴极均可用在本发明产电微生物筛选装置中。
本发明产电微生物筛选平台可以通过测量产电信号高通量筛选高产电率微生物，用于生物电池；同时，还可以加入特定化合物和荧光分子标记时，进行荧光适时观察。
上述基于微流控装置的产电微生物筛选平台的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、制备半导体电极层
用光刻方法制备，在透明衬底上溅射镀膜一层掺锡氧化铟薄膜，在掺锡氧化铟薄膜上涂光刻胶，曝光，将半导体电极阵列形状制作在光刻胶上，再用离子束刻蚀将光刻胶上图形转移到掺锡氧化铟薄膜上，有机溶剂除去残存光刻胶，得到半导体电极阵列；在半导体电极上连接导线和导电胶粘合固定微生物细胞聚集片。
步骤二、制备培养室层
在高分子绝缘材料上打孔，所述孔与步骤一所述半导体电极一一对应，尺寸相同；每列孔之间以微通道连通，设有进样孔和出样孔。
步骤三、制备膜电极层
将碳电极与质子交换膜压合，所述碳电极与步骤二所述孔一一对应，尺寸相同；所述碳电极上连接导线，外面覆盖防水透气膜。步骤四、组装
第一种安装：将膜电极层放在多孔支撑架上，质子交换膜朝上，碳电极与多孔支撑架上的透光孔对应。将培养室层覆盖在膜电极层上，碳电极对准培养室。半导体电极层覆盖在培养室层上部，排布半导体电极的一面朝下，半导体电极对准培养室。用夹具压住所有层非进出样的侧面两端，固定在底部多孔支撑架上，得到所述基于微流控的产电微生物筛选平台。这样安装可以置于正置光学显微镜下进行在线观察.
或第二种安装：将半导体电极层放在多孔支撑架上，排布半导体电极的一面朝上，半导体电极与多孔支撑架的透光孔对应。将培养室层覆盖在半导体电极层上，半导体电极对准培养室。膜电极层覆盖在培养室层上部，质子交换膜朝下，碳电极对准培养室。用夹具压住所有层非进出样的侧面两端，固定在底部多孔支撑架上，得到所述基于微流控的产电微生物筛选平台。这样安装便于置于倒置光学显微镜下在线观察。
为防止液体渗漏，可以用硅胶在培养室周围涂封闭层。
以下实施例采用的筛选平台，有4列培养室，各列培养室孔径分别为2㎜、3㎜、4㎜、5㎜，高度为1mm。微孔道宽为1㎜，高为0.7㎜。按第二种安装方式，将筛选平台组装完成后，将恒流注射泵的注射器与进样孔连接，注射器装有需要研究的目标样品。
以下实施例采用的产电微生物为微藻（Microcystis aeruginosa），购于中国科学院水生生物研究所。也可选用其他产电微生物比如希瓦氏菌，地杆菌等。
实施例1
同时进行四组实验：第一、二组为对照液BG11培养基，第三、四组为培养在BG11培养基中的微藻（浓度为5x102/ml），样品通过恒流注射泵推动，缓慢注射到培养室中，连接数据采集卡，测量开路电压平均约为50毫伏，然后连接1000欧姆电阻构成回路。在微藻生长10天后，可以看到具有微藻的实验组，产生了高于对照组的电压，对照组电压平均约为5毫伏，实验组平均约为13毫伏。将培养了10天的样品置于倒置显微镜下观察，可以观察到微生物生长状况，如图2所示。
实施例2
分别在实施例1第二、四组的注射器中加培养液BG11和叠氮化钠的混合液，可以观察到第四组电压发生明显变化，由原来的平均13毫伏变为平均7毫伏。同时，在线观察到微生物的生长状态发生变化，如图3所示。说明本发明筛选平台便于进行各种筛选和试剂添加，便于操作。

Claims (9)

1.一种基于微流控装置的产电微生物筛选平台，其特征在于，为层状结构，由上到下依次由膜电极层、培养室层、半导体电极层、多孔支撑架组成，或者由半导体电极层、培养室层、膜电极层、多孔支撑架组成；所述膜电极层是在质子交换膜上按照微阵列排布碳电极，碳电极上连接导线，上面再覆盖防水透气膜，所述碳电极为导电碳片；所述培养室层基于微流控设计，是在高分子绝缘材料上按照微阵列排布设置培养室，每列培养室间以微孔道相连，在每列培养室的两端分别设有高于培养室层面的进样孔和出样孔；所述半导体电极层是在透明衬底上按照微阵列排布设置半导体电极，半导体电极上连接导线和固定微生物细胞聚集片，所述半导体电极为掺锡氧化铟薄膜，所述微生物细胞聚集片为导电碳片；所述培养室一侧为质子交换膜，另一侧为半导体电极，半导体电极、碳电极和培养室一一对应，尺寸相同。
2.根据权利要求1所述的基于微流控装置的产电微生物筛选平台，其特征在于，所述半导体电极、碳电极和培养室均为圆形，直径为2～5㎜，每列直径相等，每行直径呈梯度递增。
3.根据权利要求1或2所述的基于微流控装置的产电微生物筛选平台，其特征在于，所述培养室层所用高分子绝缘材料为聚二甲基硅氧烷；每列培养室间以宽为0.5～1.5㎜微孔道相连，设有一个进样孔和一个出样孔。
4.根据权利要求1或2所述的基于微流控装置的产电微生物筛选平台，其特征在于，所述透明衬底为玻璃。
5.根据权利要求1或2所述的基于微流控装置的产电微生物筛选平台，其特征在于，所述微生物细胞聚集片为直径100～500μm、厚度500～1000μm的柱状导电碳片，所述柱状导电碳片3～5个环状排列固定在半导体电极上。
6.根据权利要求1或2所述的基于微流控装置的产电微生物筛选平台，其特征在于，所述多孔支撑架上设置有透光孔，所述透光孔与半导体电极一一对应，多孔支撑架非进出样两侧各有一根平行的用于固定各层的条状板，多孔支撑架下部设有支撑垫。
7.权利要求1所述的基于微流控装置的产电微生物筛选平台的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、制备半导体电极层
用光刻方法制备，在透明衬底上溅射镀膜一层掺锡氧化铟薄膜，在掺锡氧化铟薄膜上涂光刻胶，曝光，将半导体电极阵列形状制作在光刻胶上，再用离子束刻蚀将光刻胶上图形转移到掺锡氧化铟薄膜上，有机溶剂除去残存光刻胶，得到半导体电极阵列；在半导体电极上连接导线和固定微生物细胞聚集片；
步骤二、制备培养室层
在高分子绝缘材料上打孔，所述孔与步骤一所述半导体电极一一对应，尺寸相同；每列孔之间以微通道连通，设有进样孔和出样孔；
步骤三、制备膜电极层
将碳电极与质子交换膜压合，所述碳电极与步骤二所述孔一一对应，尺寸相同；所述碳电极上连接导线，外面覆盖防水透气膜；
步骤四、组装
将膜电极层放在多孔支撑架上，质子交换膜朝上，将培养室层覆盖在膜电极层上，压合在质子交换膜上的碳电极对准培养室；半导体电极层覆盖在培养室层上部，排布半导体电极的一面朝下，半导体电极对准培养室；用夹具压住所有层非进出样的侧面两端，得到所述基于微流控的产电微生物筛选平台；
或将半导体电极层放在多孔支撑架上，排布半导体电极的一面朝上，将培养室层覆盖在半导体电极层上，半导体电极对准培养室；膜电极层覆盖在培养室层上部，质子交换膜朝下，碳电极对准培养室；用夹具压住所有层非进出样的侧面两端，得到所述基于微流控的产电微生物筛选平台。
8.根据权利要求7所述的基于微流控装置的产电微生物筛选平台的制备方法，其特征在于，步骤一所述微生物细胞聚集片用导电胶粘合固定在半导体电极上。
9.根据权利要求7所述的基于微流控装置的产电微生物筛选平台的制备方法，其特征在于，步骤四所述多孔支撑架上设置有透光孔，所述透光孔与半导体电极一一对应；所述多孔支撑架非进出样两侧各有一根平行的用于固定各层的条状板，夹具固定在条状板上；所述多孔支撑架下部设有支撑垫。
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