CN113198553B - 一种基于介电电泳的芽孢萌发机理研究装置的使用方法及制造方法 - Google Patents

一种基于介电电泳的芽孢萌发机理研究装置的使用方法及制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于介电电泳的芽孢萌发机理研究装置的使用方法，包括如下步骤：步骤1：提供一芽孢萌发机理研究装置；步骤2：通过所述入口向所述芽孢萌发机理研究装置的微通道内通入芽孢悬浊液，并将所述芽孢萌发机理研究装置的第一电极和第二电极接通交变电源以在所述微通道内产生特定交变频率的电泳电场；步骤3：通过所述入口将萌发剂不断通入到所述微通道内。该基于介电电泳的芽孢萌发机理研究装置的使用方法可研究芽孢在通信机制缺失状态下的萌发情况。本发明还提供一种基于介电电泳的芽孢萌发机理研究装置的制造方法。

Description

一种基于介电电泳的芽孢萌发机理研究装置的使用方法及制 造方法
技术领域
本发明涉及芽孢萌发研究领域，尤其涉及一种基于介电电泳的芽孢萌发机理研究装置的使用方法及制造方法。
背景技术
萌发是芽孢变成营养细胞这一过程中的一个关键步骤，在微生物学检测、食品卫生安全、医院感染控制等方面扮演着举足轻重的角色。芽孢萌发受多种因素影响，包括产孢的配方、萌发剂的选择、萌发的温度湿度等。近年来的研究表明，各个芽孢的萌发过程并非相互独立的，较先萌发的芽孢会释放出某些化学物质来影响尚未萌发的芽孢，即芽孢之间存在一个通信机制，尽管这个通信机制的具体作用原理和方式尚不明确。
目前研究芽孢萌发时的通信机制所采用的方法主要是观察大量的单个芽孢的萌发特性，并用统计学方法分析邻近芽孢之间的萌发相关性。该方法属于观察性研究，即被动观察芽孢的萌发情况，而没有主动操控实验条件，其主要缺点是无法研究芽孢萌发的通信机制的原理，即无法判定哪一种化学物质在起作用，也无法了解在通信机制缺失状态下芽孢萌发的情况。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种基于介电电泳的芽孢萌发机理研究装置的使用方法及制造方法，以研究芽孢在通信机制缺失状态下的萌发情况。
本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：
一种基于介电电泳的芽孢萌发机理研究装置的使用方法，包括如下步骤：
步骤1：提供一芽孢萌发机理研究装置，所述芽孢萌发机理研究装置包括微通道、第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极相对间隔设置以形成所述微通道；所述第一电极和第二电极的间隙一端作为所述微通道的入口，另一端作为所述微通道的出口；
步骤2：通过所述入口向所述芽孢萌发机理研究装置的微通道内通入芽孢悬浊液，并将所述芽孢萌发机理研究装置的第一电极和第二电极接通交变电源以在所述微通道内产生特定交变频率的电泳电场，进而使所述微通道内的芽孢悬浊液中的芽孢发生介电电泳作用而附着固定在所述微通道的两侧表面上；
步骤3：通过所述入口将萌发剂不断通入到所述微通道内，以诱导附着固定于所述微通道两侧表面上的芽孢萌发，同时冲刷走芽孢在萌发时所释放的作为通信媒介的化学物质。
进一步地，所述微通道在朝向所述第一电极和第二电极的两侧表面上形成有供芽孢介电电泳时附着的若干附着体。
进一步地，所述附着体的凸出长度沿所述微通道的入口至出口方向逐渐增大。
进一步地，还包括用于与交变电源连接的第一连接部和第二连接部，所述第一电极与所述第一连接部相连接，所述第二电极与所述第二连接部相连接。
一种基于介电电泳的芽孢萌发机理研究装置的制造方法，包括如下步骤：
对一电极层进行刻蚀以形成第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极相对间隔设置以形成一微通道；所述第一电极和第二电极的间隙一端作为所述微通道的入口，另一端作为所述微通道的出口。
进一步地，在对所述电极层进行刻蚀之前，还包括如下步骤：
在一第一绝缘层上覆盖一层电极材料，以形成所述电极层；以及
在完成所述电极层的刻蚀之后，还包括如下步骤：
在完成刻蚀的电极层上以及所述微通道内制作覆盖一层绝缘材料，以形成所述第二绝缘层；
对所述第一绝缘层和第二绝缘层进行刻蚀，以在所述第一绝缘层和第二绝缘层对应于所述微通道的位置处分别刻蚀出第一隔离槽和第二隔离槽，所述第一隔离槽和第二隔离槽作为所述微通道的一部分。
进一步地，在所述第一绝缘层上覆盖一层电极材料之前，还包括如下步骤：
在一衬底基板上覆盖一层绝缘材料层，以形成所述第一绝缘层；以及
在完成所述第一绝缘层和第二绝缘层的刻蚀之后，还包括如下步骤：
将一密封盖板盖合于完成刻蚀的第二绝缘层上，以对所述微通道进行密封，然后在所述密封盖板对应于所述微通道的入口和出口处钻孔，以将所述入口和出口与外部连通。
进一步地，所述第二隔离槽的两侧槽壁分别覆盖于所述第一电极朝向所述第二电极的一面上以及所述第二电极朝向所述第一电极的一面上，以分别形成所述第一电极的第一绝缘表面和所述第二电极的第二绝缘表面。
进一步地，所述第一绝缘表面和第二绝缘表面分别向所述微通道内凸出形成有供芽孢介电电泳时附着的若干附着体，或者，所述第一电极和第二电极分别向所述微通道内凸出形成有供芽孢介电电泳时附着的若干附着体。
进一步地，所述附着体的凸出长度沿所述微通道的入口至出口方向逐渐增大。
本发明具有如下有益效果：该芽孢萌发机理研究装置的使用方法基于介电电泳技术，当所述芽孢萌发机理研究装置的第一电极和第二电极分别接入交变电源时，所述第一电极和第二电极在所述微通道中会形成特定频率的交变电场，能够使所述微通道内的芽孢悬浊液中的芽孢发生介电电泳作用而如图所示的附着固定在所述微通道的两侧表面上，接着将萌发剂不断从所述微通道的入口通入、从所述微通道的出口流出，以诱导附着固定于所述微通道两侧表面上的芽孢萌发，同时冲刷走芽孢在萌发时所释放的作为通信媒介的化学物质，以切断芽孢在萌发时的通信机制，实现研究芽孢在通信机制缺失状态下的萌发情况的目的。
附图说明
图1为本发明提供的芽孢萌发机理研究装置的爆炸示意图；
图2为本发明提供的芽孢萌发机理研究装置沿微通道轴向的剖面示意图；
图3为本发明提供的芽孢萌发机理研究装置沿微通道横截面的剖面示意图；
图4为本发明提供的具有多个单体结构的芽孢萌发机理研究装置的示意图；
图5为本发明提供的芽孢萌发机理研究装置的制备示意图；
图6为芽孢在芽孢萌发机理研究装置内的固定示意图；
图7为本发明提供的芽孢萌发机理研究装置内的流速分布示意图；
图8为芽孢所释放的化学物质在无冲刷情况下于微通道内的分布示意图；
图9为芽孢所释放的化学物质在有冲刷情况下于微通道内的分布示意图；
图10为本发明提供的芽孢萌发机理研究装置的使用方法的步骤框图；
图11为本发明提供的芽孢萌发机理研究装置的制造方法的步骤框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。
实施例一
如图1-3所示，一种基于介电电泳的芽孢萌发机理研究装置，包括微通道6、第一电极31和第二电极34，所述第一电极31和第二电极34相对间隔设置以形成所述微通道6；所述第一电极31和第二电极34的间隙一端作为所述微通道6的入口61，另一端作为所述微通道6的出口62。
该芽孢萌发机理研究装置中第一电极31和第二电极34构成电泳电场的两极，所述第一电极31和第二电极34之间的间隙形成所述微通道6、间隙两端分别形成所述微通道6的入口61和出口62，当所述第一电极31和第二电极34分别接入交变电源时，所述第一电极31和第二电极34在所述微通道6中会形成特定频率的交变电场，能够使所述微通道6内的芽孢悬浊液中的芽孢发生介电电泳作用而如图6所示的附着固定在所述微通道6的两侧表面上，接着将萌发剂不断从所述微通道6的入口61通入、从所述微通道6的出口62流出，以诱导附着固定于所述微通道6两侧表面上的芽孢萌发，同时冲刷走芽孢在萌发时所释放的作为通信媒介的化学物质，以切断芽孢在萌发时的通信机制，实现研究芽孢在通信机制缺失状态下的萌发情况的目的。
该芽孢萌发机理研究装置还包括用于与交变电源连接的第一连接部33和第二连接部36，所述第一电极31与所述第一连接部33通过第一走线32同层相连接，所述第二电极34与所述第二连接部36通过第二走线35同层相连接。
为了提高芽孢的附着效率，所述微通道6在朝向所述第一电极31和第二电极34的两侧表面上形成有供芽孢介电电泳时附着的若干附着体63，所述附着体63呈三角形，其中一个角朝向所述微通道6内凸出。
优选地，所述附着体63的凸出长度沿所述微通道6的入口61至出口62方向逐渐增大，本实施例中，如图4所示，所述微通道6从入口61至出口62方向上等距分布有多对附着体63，每对附着体63中的一个位于所述第一电极31的一侧，另一个位于所述第二电极34的一侧，且各对附着体63之间的间距按80μm、70μm、60μm、50μm的等差方式逐渐缩小，以使所述微通道6的最小口径以等差方式逐渐缩小。
如图7所示，所述微通道6内的流体流速在所述附着体63的位置处变大，且所述微通道6的口径越小，对应的流体流速也越大。
所述第一电极31朝向所述第二电极34的一面上设置有第一绝缘表面43，所述第二电极34朝向所述第一电极31的一面上设置有第二绝缘表面44，以提高所述第一电极31和第二电极34之间的绝缘隔离。
本实施例中，所述附着体63由所述第一电极31和第二电极2分别向所述微通道6内凸出形成，而所述第一绝缘表面43和第二绝缘表面44的各处宽度相等，但在具体实现时，所述附着体63也可由所述第一绝缘表面43和第二绝缘表面44朝所述微通道6内凸出形成，而所述第一电极31和第二电极34的各处宽度相等。
本实施例中，所述第一绝缘表面43和第二绝缘表面44的厚度为8-10μm。
如图4所示，该芽孢萌发机理研究装置可以包括有多个单体结构，每个单体结构均包括有各自对应的微通道6、第一电极31、第一绝缘表面43、第一走线32、第一连接部33、第二电极34、第二绝缘表面44、第二走线35和第二连接部36等。
该芽孢萌发机理研究装置还包括相对设置的衬底基板1和密封盖板5，所述第一电极31和第二电极34共面设置于所述衬底基板1和密封盖板5之间；所述衬底基板1与所述第一电极31和第二电极34之间还设置有第一绝缘层2，所述第一绝缘层2在所述第一电极31和第二电极34之间的间隙处开设有第一隔离槽21，以作为所述微通道6的一部分；所述密封盖板5与所述第一电极31和第二电极34之间还设置有第二绝缘层4，所述第二绝缘层4在所述第一电极31和第二电极34之间的间隙处开设有第二隔离槽41，以作为所述微通道6的一部分，同时所述第二绝缘层4还覆盖于所述第一电极31朝向所述第二电极34的一面上，以及所述第二电极34朝向所述第一电极31的一面上，以形成分别所述第一绝缘表面43和第二绝缘表面44。
当然，在具体实现时，所述第一绝缘表面43和第二绝缘表面44也可由所述第一绝缘层2覆盖于所述第一电极31朝向所述第二电极34的一面上，以及所述第二电极34朝向所述第一电极31的一面上，形成。
如图5所示，在制作时，先在所述衬底基板1上覆盖一层绝缘材料，以形成所述第一绝缘层2，再在所述第一绝缘层2上覆盖一层电极材料，以形成电极层3，然后对所述电极层3进行刻蚀，以形成所述第一电极31、第一走线32、第一连接部33、第二电极34、第二走线35、第二连接部36以及微通道6等，接着再在完成刻蚀的电极层3上以及从所述微通道6内覆盖一层绝缘材料，以形成所述第二绝缘层4，然后对所述第一绝缘层2和第二绝缘层4同时进行刻蚀，在所述第一绝缘层2和第二绝缘层4对应于所述微通道6的位置处刻蚀出所述第一隔离槽21和第二隔离槽41，以作为所述微通道6的一部分，其中所述第二隔离槽41的一侧槽壁作为所述第一绝缘表面43、另一侧槽壁作为所述第二绝缘表面44，最后再将一密封盖板5盖合于所述第二绝缘层4上对所述微通道6进行密封，然后在所述密封盖板5对应于所述微通道6的入口61和出口62处钻孔，以将所述入口61和出口62与外部连通。
本实施例中，所述衬底基板1为玻璃基板，所述密封盖板5为PSMD盖板，所述第一绝缘层2和第二绝缘层4均为PDMS层。
介电电泳是指在非匀强的时变电场中，电中性颗粒（比如细胞、芽孢等）由于和周围液体极化水平的差异而发生的运动现象。介电电泳力的大小可用以下式子表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure 347454DEST_PATH_IMAGE002
是粒子的半径（假设粒子为球形），
Figure 139961DEST_PATH_IMAGE003
是溶液的实介电常数，E是施加在粒子上的局部电场,
Figure 795064DEST_PATH_IMAGE004
是取实部运算符，
Figure 65640DEST_PATH_IMAGE005
是Clausius-Mossotti因子，又称为频率因子。频率因子反映了颗粒和液体间的相对极化能力，并可以用以下式子表示：
Figure 880012DEST_PATH_IMAGE006
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE007
是粒子的复介电常数，
Figure 453207DEST_PATH_IMAGE008
是液体的复介电常数。并且
Figure 720240DEST_PATH_IMAGE009
此处
Figure 794507DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure DEST_PATH_IMAGE011
分别表示粒子或液体的实介电常数和实电导率，
Figure 604331DEST_PATH_IMAGE012
是电场的角频率。由介电电泳的表达式可知，在特定空间位置上，颗粒所有介电电泳的大小取决于颗粒的大小（
Figure 207482DEST_PATH_IMAGE013
）以及颗粒和液体间的相对极化能力（
Figure 961811DEST_PATH_IMAGE014
）。当选择特定的角频率使
Figure 574189DEST_PATH_IMAGE015
时，粒子向电场梯度高的方向运动，称为正介电电泳。当
Figure 97574DEST_PATH_IMAGE016
时，粒子向电场梯度低的方向运动，称为负介电电泳。
以下表1为周围液体和芽孢的相关参数
Figure 402785DEST_PATH_IMAGE017
其中
Figure 644410DEST_PATH_IMAGE018
为真空介电常数，其值约为8.85×10-12 F/m。
具体使用过程如下所述：首先将芽孢悬浊液从所述微通道6的入口61处注入，待芽孢悬浊液充满整个微通道6之后，开启与所述第一电极31和第二电极34连接的交变电源产生交变电场，芽孢在介电电泳作用下向所述附着体63的尖角处移动；等芽孢被固定到所述附着体63的尖角处后，保持交变电场并将萌发剂从所述微通道6的入口61处持续注入，此时萌发剂可诱导所述附着体63上的芽孢萌发，同时冲刷走芽孢在萌发时所释放的化学物质，以切断芽孢在萌发时的通信机制。
如图8所示，当萌发剂在所述微通道6内不流动时，由于无冲刷效果，在140s后，芽孢萌发时所释放的化学物质几乎充满整个微通道6，如图9所示，当萌发剂在所述微通道6内持续注入和流出时，由于有冲刷效果，在140s后，芽孢萌发时所释放的化学物质仍然未在所述微通道6内发生聚集。
以下表2为计算机模拟时的相关参数
Figure 794900DEST_PATH_IMAGE019
实施例二
如图10所示，上述芽孢萌发机理研究装置的使用方法，包括如下步骤：
步骤1：提供上述芽孢萌发机理研究装置；
步骤2：通过所述入口61向所述芽孢萌发机理研究装置的微通道6内通入芽孢悬浊液，并将所述芽孢萌发机理研究装置的第一电极31和第二电极32接通交变电源以在所述微通道6内产生特定交变频率的电泳电场，进而使所述微通道6内的芽孢悬浊液中的芽孢发生介电电泳作用而附着固定在所述微通道6的两侧表面上；
步骤3：通过所述入口61将萌发剂不断通入到所述微通道6内，以诱导附着固定于所述微通道6两侧表面上的芽孢萌发，同时冲刷走芽孢在萌发时所释放的作为通信媒介的化学物质。
在步骤2中，既可以先向所述芽孢萌发机理研究装置的微通道6内通入芽孢悬浊液，再将所述芽孢萌发机理研究装置的第一电极31和第二电极32接通交变电源，也可以先将所述芽孢萌发机理研究装置的第一电极31和第二电极32接通交变电源，再向所述芽孢萌发机理研究装置的微通道6内通入芽孢悬浊液，不同的先后顺序不会对本案造成实质性影响，在芽孢附着固定于所述微通道6的两侧表面上后，剩余的芽孢悬浊液会从所述出口62处流走；当所述微通道6两侧表面上附着固定的芽孢达到研究所需的数量之后，就可以停止向所述微通道6内通入芽孢悬浊液，并在保持接通交变电源的情况下，持续向所述微通道6内通入萌发剂以诱导附着固定于所述微通道6两侧表面上的芽孢萌发，萌发剂从所述出口62处流走的同时会带走芽孢在萌发时所释放的作为通信媒介的化学物质，以切断芽孢在萌发时的通信机制，实现研究芽孢在通信机制缺失状态下的萌发情况的目的。
实施例三
如图11所示，上述芽孢萌发机理研究装置的制造方法，包括如下步骤：
步骤1：在所述衬底基板1上覆盖一层绝缘材料层，以形成所述第一绝缘层2；
步骤2：在所述第一绝缘层2上覆盖一层电极材料，以形成所述电极层3；
步骤3：对所述电极层3进行刻蚀以形成第一电极31和第二电极32，所述第一电极31和第二电极32相对间隔设置以形成一微通道6；所述第一电极31和第二电极32的间隙一端作为所述微通道6的入口61，另一端作为所述微通道6的出口62；
步骤4：在完成刻蚀的电极层3上以及所述微通道6内制作覆盖一层绝缘材料，以形成所述第二绝缘层4；
步骤5：对所述第一绝缘层2和第二绝缘层4进行刻蚀，以在所述第一绝缘层2和第二绝缘层4对应于所述微通道6的位置处分别刻蚀出所述第一隔离槽21和第二隔离槽41，所述第一隔离槽21和第二隔离槽41作为所述微通道6的一部分，其中，所述第二隔离槽41的两侧槽壁分别覆盖于所述第一电极31朝向所述第二电极32的一面上以及所述第二电极32朝向所述第一电极31的一面上，以分别形成所述第一电极31的第一绝缘表面43和所述第二电极32的第二绝缘表面44；
步骤6：将所述密封盖板5盖合于完成刻蚀的第二绝缘层4上，以对所述微通道6进行密封，然后在所述密封盖板5对应于所述微通道6的入口61和出口62处钻孔，以将所述入口61和出口62与外部连通。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，但凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于介电电泳的芽孢萌发机理研究装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：提供一芽孢萌发机理研究装置，所述芽孢萌发机理研究装置包括微通道、第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极相对间隔设置以形成所述微通道；所述第一电极和第二电极的间隙一端作为所述微通道的入口，另一端作为所述微通道的出口；
步骤2：通过所述入口向所述芽孢萌发机理研究装置的微通道内通入芽孢悬浊液，并将所述芽孢萌发机理研究装置的第一电极和第二电极接通交变电源以在所述微通道内产生特定交变频率的电泳电场，进而使所述微通道内的芽孢悬浊液中的芽孢发生介电电泳作用而附着固定在所述微通道的两侧表面上；
步骤3：通过所述入口将萌发剂不断通入到所述微通道内，以诱导附着固定于所述微通道两侧表面上的芽孢萌发，同时冲刷走芽孢在萌发时所释放的作为通信媒介的化学物质。
2.根据权利要求1所述的基于介电电泳的芽孢萌发机理研究装置的使用方法，其特征在于，所述微通道在朝向所述第一电极和第二电极的两侧表面上形成有供芽孢介电电泳时附着的若干附着体。
3.根据权利要求2所述的基于介电电泳的芽孢萌发机理研究装置的使用方法，其特征在于，所述附着体的凸出长度沿所述微通道的入口至出口方向逐渐增大。
4.根据权利要求1所述的基于介电电泳的芽孢萌发机理研究装置的使用方法，其特征在于，还包括用于与交变电源连接的第一连接部和第二连接部，所述第一电极与所述第一连接部相连接，所述第二电极与所述第二连接部相连接。
5.根据权利要求1所述的基于介电电泳的芽孢萌发机理研究装置的使用方法，其特征在于，所述芽孢萌发机理研究装置的制造方法包括如下步骤：
对一电极层进行刻蚀以形成所述微通道、第一电极和第二电极。
6.根据权利要求5所述的基于介电电泳的芽孢萌发机理研究装置的使用方法，其特征在于，所述芽孢萌发机理研究装置的制造方法在对所述电极层进行刻蚀之前，还包括如下步骤：
在一第一绝缘层上覆盖一层电极材料，以形成所述电极层；以及
在完成所述电极层的刻蚀之后，还包括如下步骤：
在完成刻蚀的电极层上以及所述微通道内制作覆盖一层绝缘材料，以形成第二绝缘层；
对所述第一绝缘层和第二绝缘层进行刻蚀，以在所述第一绝缘层和第二绝缘层对应于所述微通道的位置处分别刻蚀出第一隔离槽和第二隔离槽，所述第一隔离槽和第二隔离槽作为所述微通道的一部分。
7.根据权利要求6所述的基于介电电泳的芽孢萌发机理研究装置的使用方法，其特征在于，所述芽孢萌发机理研究装置的制造方法在所述第一绝缘层上覆盖一层电极材料之前，还包括如下步骤：
在一衬底基板上覆盖一层绝缘材料层，以形成所述第一绝缘层；以及
在完成所述第一绝缘层和第二绝缘层的刻蚀之后，还包括如下步骤：
将一密封盖板盖合于完成刻蚀的第二绝缘层上，以对所述微通道进行密封，然后在所述密封盖板对应于所述微通道的入口和出口处钻孔，以将所述入口和出口与外部连通。
8.根据权利要求6所述的基于介电电泳的芽孢萌发机理研究装置的使用方法，其特征在于，所述第二隔离槽的两侧槽壁分别覆盖于所述第一电极朝向所述第二电极的一面上以及所述第二电极朝向所述第一电极的一面上，以分别形成所述第一电极的第一绝缘表面和所述第二电极的第二绝缘表面。
9.根据权利要求8所述的基于介电电泳的芽孢萌发机理研究装置的使用方法，其特征在于，所述第一绝缘表面和第二绝缘表面分别向所述微通道内凸出形成有供芽孢介电电泳时附着的若干附着体，或者，所述第一电极和第二电极分别向所述微通道内凸出形成有供芽孢介电电泳时附着的若干附着体。
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