CN109468220B - 用于微生物细胞生物信息实时检测的石墨烯芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于微生物细胞生物信息实时检测的石墨烯芯片。本发明用于微生物细胞生物信息实时检测的石墨烯芯片包括石墨烯电极，其包括Si/SiO2基底、金片、石墨烯和铜丝，用于实时检测酵母菌细胞的生理信息；PDMS槽，用于维持酵母菌细胞的正常生长代谢；芯片底座和芯片盖，用于密封石墨烯电极和将铜丝隔绝出液体环境；微流控管道，用于酵母菌和物料等的进出。本发明能够长时间地实时检测微生物细胞的生理特性，为微生物优良菌种筛选和发酵参数优化提供一种高效的新方法。

Description

用于微生物细胞生物信息实时检测的石墨烯芯片
技术领域
本发明涉及发酵领域，具体涉及一种用于微生物细胞生物信息实时检测的石墨烯芯片。
背景技术
发酵过程其实质是微生物菌种在外界多重因素，包括物料、温度、溶液PH值、溶氧量等，影响下发生的持续地生长、代谢和繁殖的过程。发酵产出效益受发酵菌种质量和这些外界因素的调节参数共同影响。通过实时检测微生物菌种在受到各种外界因素刺激下其生物信息的变化能够有效地筛选出优良发酵菌种和优化发酵参数。
传统技术存在以下技术问题：
现今的发酵菌种的筛选都是基于微生物学的方法，其主要包括两类方法：通过基因工程的方法改良菌种和从自然界中提取菌种。前一种方法培育出能够产生新代谢产物的新菌种或者改良出产量更高的菌种，其在优良菌种筛选或表征过程中，常用同位素表征法或者荧光标记等方法对微生物生长的代谢产物进行标记，而后借助相应的同位素追踪仪器或者荧光显微镜对相应的标记进行检测，通过检测的生物信息来表征出优良菌种。该生物信息检测方法需要借助大型的生物检测仪器，检测成本高、步骤复杂，并不适用于中小型企业；第二种菌种筛选方法是基于生物免疫学的生物信息表征方法，通过用抗生物、不同组分的培养基连续多次培养，最后筛选出优良菌种。这种生物信息表征手段周期较长，并且无法获得筛选过程中生物信息的变化过程，不利于筛选参数的调节。
而发酵参数的选择是在小型发酵罐中，不断调控各种外界因素的输入参数，通过检测和比较发酵产物的效益来获得相对较好的发酵参数。传统的这种方法获得的发酵参数其实并不是最优的发酵参数，只能是相对较好的发酵参数，并且获得的参数对数量有限。此外，由于影响发酵过程的参数较多，并且单个影响因素的可能变化范围较大，通过这种发酵实验的方法来筛选出合适的发酵参数需要的时间长、成本高，并且无法筛选出最优的发酵参数。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于微生物细胞生物信息实时检测的石墨烯芯片，将微生物细胞培养在PDMS槽里，通过石墨烯电极能够实时检测该微生物细胞在各种外界因素影响下生物信息的动态变化，从而筛选出优良菌种和提取最优的发酵参数。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于微生物细胞生物信息实时检测的石墨烯芯片，包括：
芯片底座，所述芯片底座设有芯片底座凹槽，所述芯片底座由透明且绝缘的材料制成；
石墨烯电极，所述石墨烯电极包括：
基底，所述基底由绝缘材料制成，所述基底设在所述芯片底座凹槽内；
石墨烯，所述石墨烯设置在所述基底上；
微生物细胞培养槽，所述微生物细胞培养槽设置在所述基底上，所述微生物细胞培养槽围绕所述石墨烯的边缘设置；
第一导电片，所述第一导电片设置在所述基底，所述第一导电片与所述石墨烯的一端电连接；以及
第二导电片，所述第二导电片设置在所述基底，所述第二导电片与所述石墨烯的远离所述第一导电片的一端电连接；
第一导电丝，所述第一导电丝与所述第一导电片电连接；
第二导电丝，所述第二导电丝与所述第二导电片电连接；以及
芯片盖，所述芯片盖由透明且绝缘的材料制成，所述芯片盖密封所述石墨烯电极，所述第一导电丝和所述第二导电丝穿出所述芯片盖，所述芯片盖上设有至少一个通道，所述至少一个通道用于使酵母菌和物料进入到所述微生物细胞培养槽内。
在其中一个实施例中，所述芯片底座由玻璃或者树脂材料制成。
在其中一个实施例中，所述石墨烯的长度是50到100μm，宽度是30到50μm,厚度是1到3nm。
在其中一个实施例中，所述基底是硅/二氧化硅基底。
在其中一个实施例中，所述微生物细胞培养槽由PDMS材料制成。
在其中一个实施例中，所述第一导电片和所述第二导电片由金制成。
在其中一个实施例中，所述第一导电丝和所述第二导电丝由铜制成。
在其中一个实施例中，所述芯片盖由玻璃或者树脂材料制成。
在其中一个实施例中，所述第一导电丝和所述第二导电丝左右对称穿出所述芯片盖。
在其中一个实施例中，所述芯片盖上设有四个对称分布的第一通道、第二通道、第三通道和第四通道；所述第一通道、第二通道、第三通道和第四通道用于使酵母菌和/或物料进入到所述微生物细胞培养槽内。
本发明的有益效果：
本发明将微生物细胞培养在PDMS槽里，通过石墨烯电极能够实时检测该微生物细胞在各种外界因素影响下生物信息的动态变化，从而筛选出优良菌种和提取最优的发酵参数。
附图说明
图1是本发明用于微生物细胞生物信息实时检测的石墨烯芯片的结构示意图。
图2是本发明用于微生物细胞生物信息实时检测的石墨烯芯片中的石墨烯电极结构示意图。
图3是本发明用于微生物细胞生物信息实时检测的石墨烯芯片除去芯片底座的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参见图1和图2，本发明设计的石墨烯电极自下而上依次包括S i/S iO2基底、金片和石墨烯。金片通过电子刻蚀的方法成型在S i/S iO2上表面，CVD方法加工的石墨烯通过冒泡转移方法铺在金片及金片的空隙上面。本实施例的最优选为石墨烯的单层性能较高、表面杂质较少，而且石墨烯完全覆盖住对称金电极的两端。然后，用原子力显微镜切割石墨烯，切割出的石墨烯以对称的两电极中间区域的中心为石墨烯矩形的中心，且其长度为50-100μm和宽度为30-50μm，厚度为1-3nm。本实施例的的最优选为切割出的石墨烯矩形与金片的边平行，且是以两金片间隔的中心为对称中心。
作为优选方案，通过3D打印技术沿着石墨烯的边缘用PDMS滴加一个矩形槽，其高度为30μm和厚度约为10μm。该PDMS槽完全贴附在金片或者S i/S iO2基底表面，以保证滴加在槽内的液体不会渗漏到槽外。该PDMS槽是主要有两个功能：1)保存微生物及其生存所需的培养基溶液等；2)防止液体渗漏到外面的金片上，影响测量精度。
芯片底座主要由玻璃或树脂等类似的透明材料制成，并用雕刻机在其中心雕刻成一个长方体的凹槽。作为优选方案，上面所述的S i/S iO2基底刚好能水平嵌入到该凹槽里面，并确保芯片底座上表面略低于石墨烯电极的上表面。
参见图3，在本实施例中，芯片盖由多层叠加而成，并在其中组成6个通道或管道。作为优选方案，芯片盖也由玻璃或树脂等类似的透明材料制成，并用雕刻机在其中心雕刻成2个台阶状长方体凹槽。下面一个凹槽平面尺寸大于上一个凹槽的平面尺寸。下面凹槽的平面尺寸与芯片底座的凹槽的平面尺寸完全一致，确保该凹槽也能完全盖住S i/S iO2基底，且该凹槽的下表面略高于石墨烯金片的上表面。上面的凹槽位于下面凹槽的中心位置，该凹槽大小与PDMS槽的外围尺寸一致，高度略低于PDMS槽的高度，确保包含PDMS槽的石墨烯电极能够完全装进由芯片底座和芯片盖组成的腔体中。并且作为优选方案，包含PDMS槽的石墨烯电极的总高度略低于芯片底座和芯片盖装配后的腔体总高度，以保证腔体能够实现良好的密封作用。
此外，在芯片盖上有6个通道或管道，其中，左右两边对称分布一对通道，垂直的穿孔，侧面出口为分别为左右两边，下面的出口直接开在芯片盖的中空腔体顶端，并保证其出口位置在PDMS槽之外金片之上，该通道用于放置导电铜丝，并且保证铜丝能够良好接触在金片上；上表面有四个管道，管道的下面开口直接连接在PDMS槽内。做优选方案，在本实施例中，为实现该多个通道组成的芯片盖，芯片盖由多层叠加而成。并且为保证多成芯片盖和芯片基底紧密贴合，作为优选方案，在芯片盖和芯片基底的四周的同一位置分别打一个穿孔，以用螺丝固定芯片腔体。
在本实施例中，将微生物细胞从管道中加入到PDMS槽内，并从物料槽中加入培养基物料，并将该石墨烯器件放置于相应微生物生存的适宜温度条件下，通过调节管道输入的溶氧、营养液等以匹配出最优的外界调节参数。微生物细胞在外界参数改变后微生物信息将发生改变，微生物信息的改变必然引起石墨烯电极电信号的改变，而石墨烯电信号可通过从芯片盖两侧通道中的铜丝检测出该器件电信号。电信号的变化能够有效地实时表征出该细胞的生物信息。并以此生物信息表征来筛选出优良菌种和最优的发酵参数。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种用于微生物细胞生物信息实时检测的石墨烯芯片，其特征在于，包括：芯片底座、石墨烯电极、第一导电丝、第二导电丝和芯片盖；
所述芯片底座设有芯片底座凹槽，所述芯片底座由透明且绝缘的材料制成；
所述石墨烯电极包括：基底、石墨烯、微生物细胞培养槽、第一导电片和第二导电片；
所述基底由绝缘材料制成，所述基底设在所述芯片底座凹槽内；
所述石墨烯设置在所述基底上；
所述微生物细胞培养槽设置在所述基底上，所述微生物细胞培养槽围绕所述石墨烯的边缘设置；
所述第一导电片设置在所述基底，所述第一导电片与所述石墨烯的一端电连接；
所述第二导电片设置在所述基底，所述第二导电片与所述石墨烯的远离所述第一导电片的一端电连接；
所述第一导电丝与所述第一导电片电连接；
所述第二导电丝与所述第二导电片电连接；
所述芯片盖由透明且绝缘的材料制成，所述芯片盖密封所述石墨烯电极，所述第一导电丝和所述第二导电丝穿出所述芯片盖，所述芯片盖上设有至少一个通道，所述至少一个通道用于使酵母菌和物料进入到所述微生物细胞培养槽内。
2.如权利要求1所述的用于微生物细胞生物信息实时检测的石墨烯芯片，其特征在于，所述芯片底座由玻璃或者树脂材料制成。
3.如权利要求1所述的用于微生物细胞生物信息实时检测的石墨烯芯片，其特征在于，所述石墨烯的长度是50到100μm，宽度是30到50μm,厚度是1到3nm。
4.如权利要求1所述的用于微生物细胞生物信息实时检测的石墨烯芯片，其特征在于，所述基底是硅/二氧化硅基底。
5.如权利要求1所述的用于微生物细胞生物信息实时检测的石墨烯芯片，其特征在于，所述微生物细胞培养槽由PDMS材料制成。
6.如权利要求1所述的用于微生物细胞生物信息实时检测的石墨烯芯片，其特征在于，所述第一导电片和所述第二导电片由金制成。
7.如权利要求1所述的用于微生物细胞生物信息实时检测的石墨烯芯片，其特征在于，所述第一导电丝和所述第二导电丝由铜制成。
8.如权利要求1所述的用于微生物细胞生物信息实时检测的石墨烯芯片，其特征在于，所述芯片盖由玻璃或者树脂材料制成。
9.如权利要求1所述的用于微生物细胞生物信息实时检测的石墨烯芯片，其特征在于，所述第一导电丝和所述第二导电丝左右对称穿出所述芯片盖。
10.如权利要求1所述的用于微生物细胞生物信息实时检测的石墨烯芯片，其特征在于，所述芯片盖上设有四个对称分布的第一通道、第二通道、第三通道和第四通道；所述第一通道、第二通道、第三通道和第四通道用于使酵母菌和/或物料进入到所述微生物细胞培养槽内。
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