CN114002296A - 生物活性物质瞬态光电压测量组件、装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物活性物质瞬态光电压测量组件、装置及方法，包括：组件壳体，组件壳体表面向内设置有矩形凹槽，在凹槽一侧设置有贯通开口，在组件壳体上与贯通开口相对的底壁上设置有相同大小的底壁开口，组件壳体的一侧设置有参比电极电路板；组件壳体的正面设置有工作电极电路板；电解质溶液，电解质溶液设置在组件壳体和凹槽内；电极模块，电极模块包括工作电极和参比电极；生物活性体原位生长在工作电极上，工作电极浸入在电解质溶液中；安装底座，组件壳体整体水平横跨安装在安装底座上，工作电极在凹槽中水平放置。

Description

生物活性物质瞬态光电压测量组件、装置及方法

技术领域

本申请涉及一种生物活性物质原位反应研究技术领域，尤其涉及一种生物活性物质瞬态光电压测量组件、装置及方法。

背景技术

界面动力学的相互作用广泛存在于生物学和化学中，比如相互作用的生物活性物质之间，如蛋白质、肽、纳米粒子、细胞膜之间。而研究生物活性物质之间的相互作用，尤其是其界面动力学对于理解生物过程的分子机制有重要的意义。

然而现有的生物活性物质分子的研究中，一些采用向系统施加偏置电场的方式来研究在偏置电场下生物过程，而这种施加偏置电场的方式势必会干扰生物过程，尤其是对带电分子，比如抗菌剂的生物过程带来影响。

现有技术中也有一些采用模拟生物膜系统进行生物过程的分子机制的研究，但是模拟生物膜研究系统因为无法保障真实生物活性物质的生物活性，无法用到真实生物活性物质的研究中。因此需要一种能反映真实生物活性物质原位生物过程的，且不会带来干扰和破坏的研究活性生物物质之间相互作用界面动力学的装置。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本申请实施例提供了一种生物活性物质瞬态光电压测量组件、装置及方法。

本发明实施例提供了一种生物活性物质瞬态光电压测量组件，包括：

组件壳体，所述组件壳体为密封壳体，所述组件壳体表面向内设置有矩形凹槽，在所述凹槽一侧设置有贯通开口，在所述组件壳体上与所述贯通开口相对的底壁上设置有相同大小的底壁开口，所述底壁开口由透明窗密封；所述组件壳体的一侧设置有参比电极电路板，所述参比电极电路板深入所述组件壳体中；所述组件壳体的正面设置有工作电极电路板；

电解质溶液，所述电解质溶液设置在所述组件壳体和所述凹槽内；

电极模块，所述电极模块包括工作电极和参比电极；生物活性体原位生长在所述工作电极上，与所述工作电极构成一个整体的电极，所述工作电极浸入在所述电解质溶液中；所述参比电极设置在所述参比电极电路板上；所述工作电极和所述参比电极之间具有功函数差；

安装底座，所述组件壳体整体水平横跨安装在所述安装底座上，所述工作电极在所述凹槽中水平放置，避免因重力作用导致活性生物体在所述工作电极上排布不均或者脱落；

其中，所述电解质溶液保持了所述工作电极上的生物活性体的活性，所述电解质溶液包括待研究的蛋白、金属离子、生物小分子、生物大分子；所述电解质溶液的PH值范围为5~8，离子浓度、缓冲液浓度以及活性分子浓度为1uM~100mM，所述电解质溶液的温度范围为4℃~38℃；所述生物活性体包括细菌、蛋白、细胞或者生物膜。

根据本发明实施例所提供的生物活性物质瞬态光电压测量组件，所述工作电极为半导体材料，包括但不限于硅、钒酸铋或掺杂的二氧化钛；所述参比电极为标准银/氯化银的组合电极。

根据本发明实施例所提供的生物活性物质瞬态光电压测量组件，所述工作电极为具有纳米结构的电极；所述纳米结构为不同尺度的纳米阵列，包括但不限于纳米线、纳米环、纳米颗粒或者纳米图案。

根据本发明实施例所提供的生物活性物质瞬态光电压测量组件，所述纳米阵列的尺度为10纳米到1微米之间；所述纳米阵列在所述工作电极表面构造出粗糙的表面，使得所述生物活性体在所述工作电极表面上有效生长。

根据本发明实施例所提供的生物活性物质瞬态光电压测量组件，所述工作电极和所述参比电极的功函数差的绝对值要大于0.5eV。

根据本发明实施例所提供的生物活性物质瞬态光电压测量组件，所述电解质溶液在所述凹槽中的深度为所述凹槽深度的三分之一到三分之二； 所述凹槽的深度比所述工作电极的厚度大200微米，所述工作电极的底面浸入在所述电解质溶液中，所述工作电极的顶面不浸入所述电解质溶液中；其中，所述工作电极浸入到所述电解质溶液中的部分与所述电解质溶液之间绝缘，所述工作电极和所述参比电极之间形成电容模型。

根据本发明实施例所提供的生物活性物质瞬态光电压测量组件，所述工作电极生长有生物活性体的一侧设置在所述凹槽的开口的上方，生物活性体面向所述凹槽的开口浸没在所述电解质溶液中。

根据本发明实施例所提供的生物活性物质瞬态光电压测量组件，所述组件壳体的侧边上设置有金属条，所述金属条上间隔设置多个磁块，所述工作电极电路板磁性吸合在所述磁块上。

根据本发明实施例所提供的生物活性物质瞬态光电压测量组件，所述工作电极电路板的一侧设置有弹性触头，所述弹性触头与所述工作电极电路板电性连接；所述工作电极电路板扣合在所述凹槽上方时，将所述工作电极抵接在所述凹槽底部，且所述弹性触头与所述工作电极电性连接。

根据本发明实施例所提供的生物活性物质瞬态光电压测量组件，所述组件壳体上还设置有温度测量装置和控温装置；所述温度测量装置检测所述电解质溶液的温度，所述控温装置控制所述电解质溶液达到不同的温度。

本实施例还提供一种生物活性物质瞬态光电压测量装置，包括：光源装置、屏蔽箱、信号变换模块、信号放大模块、计算显示模块以及上述实施例中所述的生物活性物质瞬态光电压测量组件；

其中，所述光源装置中光源的光谱仅包括可见光和近红外光的窄带光谱，所述光源的光强为0.1~100毫瓦/平方厘米；所述光源在不影响生物活性体活性的情况下激发电极的光电效应，完成生物活性物质瞬态光电压的测量。

根据本发明实施例所提供的生物活性物质瞬态光电压测量装置，所述光源装置包括两个激发光源，两个所述激发光源分别设置在所述生物活性物质瞬态光电压测量组件的上方和下方；位于上方的所述激发光源对准所述生物活性物质瞬态光电压测量组件中的工作电极，位于下方的所述激发光源对准底壁的所述透明窗。

本实施例还提供一种生物活性物质瞬态光电压测量方法，包括：

在工作电极的一侧生长生物活性体；

将电解质溶液倒入组件壳体的凹槽中，所述电解质溶液从所述凹槽的开口进入所述组件壳体，并将所述组件壳体灌满后灌满所述凹槽深度的三分之一到三分之二；

将所述工作电极水平放置在所述凹槽中，使所述电解质溶液浸入所述工作电极，所述工作电极的底面浸入在所述电解质溶液中，所述工作电极的顶面不浸入所述电解质溶液中；

将工作电极电路板对准所述工作电极并扣合在所述凹槽上方；

打开光源装置，对所述工作电极进行照射，测量并收集生物活性物质瞬态光电压信息。

根据本发明实施例所提供的生物活性物质瞬态光电压测量方法，所述打开光源装置，对所述工作电极进行照射，测量并收集生物活性物质瞬态光电压信息包括：

打开位于所述生物活性物质瞬态光电压测量组件上方的光源装置，对所述工作电极进行照射，测量并收集生物活性物质瞬态光电压信息；

打开位于所述生物活性物质瞬态光电压测量组件下方的光源装置，对所述工作电极进行照射，测量并收集生物活性物质瞬态光电压信息。

根据本发明实施例所提供的生物活性物质瞬态光电压测量方法，生长在所述工作电极的生物活性体包括但不限于细菌、蛋白、细胞或者生物膜；所述电解质溶液中包括但不限于待研究的蛋白、金属粒子、生物小分子或生物大分子。

本发明的有益效果为：本实施例所提供的生物活性物质瞬态光电压测量组件，通过特殊设计的组件壳体，在组件壳体的一侧设置参比电极电路板，将工作电极水平设置在具有电解质溶液的凹槽中，所述电解质溶液设置在所述组件壳体和所述凹槽中，特殊的设计将所述工作电极和所述参比电极之间构成电容模型。且在所述组件壳体的底部还设置有透明窗，可以通过该透明窗照射所述工作电极，给原位反应提供光源。光源照射在所述工作电极上，激发所述工作电极产生光电效应，在光激励下，通过研究所述工作电极与所述参比电极之间的瞬态光电压，可以研究电解质液中蛋白、金属离子、生物小分子、生物大分子与生长在所述工作电极上的真实生物活性体间的原位界面反应。通过对所述电解质溶液的设计，可以有效维持生物活性体在所述电解质溶液中的活性；以及工作电极和参比电极之间具有功函数差，能够在较弱的光强照射下所述工作电极仍具有较强的光电效应，不会因光强过大对生物活性带来影响；而且所述组件壳体水平放置在安装底座上，所述工作电极也水平放置在所述凹槽中，有效避免了因重力作用导致活性生物体在所述工作电极上排布不均或者脱落，从而可以研究生长在所述工作电极上的真实生物活性体间的原位界面反应。

附图说明

下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1为本实施例所提供的生物活性物质瞬态光电压测量组件结构俯视图。

图2为本实施例所提供的生物活性物质瞬态光电压测量组件的光照测量示意图。

图3为本实施例所提供的生物活性物质瞬态光电压测量装置中组件壳体结构简图。

图4为本实施例所提供的组件壳体与安装底座的组合示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

如图1-图4所示，本发明实施例提供了一种生物活性物质瞬态光电压测量组件，包括：

组件壳体10，所述组件壳体10为密封壳体，所述组件壳体10表面向内设置有矩形凹槽101，在所述凹槽101的一侧设置有贯通开口102，在所述组件壳体10上与所述贯通开口102相对的底壁上设置有相同大小的底壁开口，所述底壁开口由透明窗103密封；所述组件壳体10的一侧设置有参比电极电路板104，所述参比电极电路板104深入所述组件壳体10中；所述组件壳体10的正面设置有工作电极电路板105；

电解质溶液，所述电解质溶液设置在所述组件壳体10和所述凹槽101内；

电极模块，所述电极模块包括工作电极201和参比电极202；生物活性体原位生长在所述工作电极201上，与所述工作电极201构成一个整体的电极，所述工作电极201浸入在所述电解质溶液中；所述参比电极202设置在所述参比电极电路板104上；

安装底座40，所述组件壳体10整体水平横跨安装在所述安装底座40上，所述工作电极201在所述凹槽101中水平放置，避免因重力作用导致活性生物体在所述工作电极上排布不均或者脱落；

其中，所述电解质溶液保持了所述工作电极201上的生物活性体的活性；所述生物活性体包括细菌、蛋白、细胞或者生物膜；。

本实施例所提供的生物活性物质瞬态光电压测量组件，通过特殊设计的组件壳体10，在组件壳体10的一侧设置参比电极电路板104，将工作电极201设置在具有电解质溶液的凹槽101中，所述电解质溶液设置在所述组件壳体10和所述凹槽101中，特殊的设计将所述工作电极201和所述参比电极202之间构成电容模型。且在所述组件壳体10的底部还设置有透明窗103，可以通过该透明窗103照射所述工作电极201，给原位反应提供光源。光源照射在所述工作电极201上，激发所述工作电极201产生光电效应，在光激励下，通过研究所述工作电极201与所述参比电极202之间的瞬态光电压，可以研究电解质液中蛋白、金属离子、生物小分子、生物大分子与生长在所述工作电极201上的生物活性体间的原位界面反应。

具体地，本实施例所提供的生物活性物质瞬态光电压测量组件为了保证测量的多样性，本实施例中将所述电极模块中的所述参比电极202安装在所述组件壳体10侧面上的所述参比电极电路板104上，并深入到所述组件壳体10中，而所述工作电极电路板105安装在所述组件壳体10的正面。在瞬态光电压测量时，该测量组件水平安装在安装底座40上，从而所述工作电极201也是水平放置在所述凹槽101中，因此生物活性体可以均匀地分布在所述工作电极201上，从而避免了垂直放置时，生物活性体因为受重力的影响而导存在生物活性体分布不均匀或者部分生物活性体从所述工作电极201上脱落的问题。

所述组件壳体10为一个封闭壳体，在所述组件壳体10的正面中央设置所述凹槽101，所述凹槽101整体呈矩形形状，所述凹槽101的深度比所述工作电极201的厚度多200微米。在所述组件壳体10靠近所述参比电极电路板104相对一侧的所述凹槽101底部，设置有贯通所述组件壳体10的贯通凹槽101开口，在所述组件壳体10上与所述凹槽101开口相对的底壁上设置有同样大小的底部开口，该底部开口由透明窗103密封。光源可以通过所述透明窗103照射到所述凹槽101内部。所述凹槽101用于承载所述电解质溶液和所述工作电极201。所述工作电极201生长有生物活性体的一侧设置在所述凹槽101的开口的上方，生物活性体面向所述凹槽101的开口浸没在所述电解质溶液中

具体地，所述电解质溶液包括待研究的蛋白、金属离子、生物小分子、生物大分子；所述电解质溶液的PH值范围为5~7，离子浓度、缓冲液浓度以及活性分子浓度为1uM~100mM，所述电解质溶液的温度范围为4℃~38℃。具体地，在本实施例中，为了保证生物体在所述电解质溶液中仍保有生物活性，本实施例对所述电解质溶液也做出特殊的设计，包括但不限于控制所述电解质溶液的PH值的范围为5~8；所述电解质溶液中离子浓度、缓冲液浓度以及活性分子浓度为1uM~100mM；所述电解质溶液的温度范围为4℃~38℃，所述电解质溶液的温度优选为25℃或37.5℃这种符合生命体生长的温度。通过在所述电解质溶液中添加需要研究的另外的蛋白、金属离子、生物小分子、生物大分子等，从而在光照的激励下，通过研究所述工作电极201与所述参比电极202之间的瞬态光电压，可以研究所述电解质溶液中蛋白、金属离子、生物小分子、生物大分子与生长在工作电极201上的生物活性体间的原位界面反应。

在一个实施例中，所述电极模块包括工作电极201和参比电极202。生物活性体包括但不限于细菌、蛋白、细胞或者生物膜等，该生物活性体原位生长在所述工作电极201上，和所述工作电极201形成一个整体的电极结构。所述工作电极201为半导体材料，包括但不限于硅、钒酸铋或掺杂的二氧化钛；所述参比电极202为标准银/氯化银的组合电极。作为所述工作电极201的半导体材料经过了严格筛选，保证了在弱光强下就有很强的光电效应。其他在弱光强下有很强的光电效应的材料均可以作为所述工作电极201的材料。

在一个实施例中，所述工作电极201为具有纳米结构的电极；所述纳米结构为不同尺度的纳米阵列，包括但不限于纳米线、纳米环、纳米颗粒以及纳米图案。

在一个实施例中，所述纳米阵列的尺度为10纳米到1微米之间；所述纳米阵列在所述工作电极201表面构造出粗糙的表面，使得所述生物活性体在所述工作电极201表面上有效生长。

具体地，为了能够在半导体电极上顺利生长生物活性体，本实施例做所述工作电极201设计为带纳米结构的电极。通过在所述工作电极201的表面构建不同尺度的纳米阵列，包括但不限于纳米线、纳米环、纳米颗粒、纳米图案等，在所述工作电极201的表面构造出比较粗糙的表面。而且，通过构建尺度在10纳米到1微米之间的纳米阵列，可以便于生物活性体在所述工作电极201上顺利的生长。且本实施例所设计的纳米阵列尺度范围是经过特殊设计的，如果所述纳米阵列的尺度太大，会使所述工作电极201的表面太粗糙了，会导致光电效应不均匀，影响测量信号的准确性；如果所述纳米阵列的尺度太小，会使得所述工作电极201的表面太光滑影响生物活性体的生长。而本实施例中将所述纳米阵列的尺度设计在10纳米到1微米尺度之间，既使得生物活性体容易在所述工作电极201上生长，又可以保证工作电极201上的光电效应均匀，从而保证了测量信号的准确性。

具体地，由于光照强度太强会对生物体的活性产生影响，甚至破坏生物体的活性，故在生物活性物质瞬态光电压测量中使用的光照均为弱光强。然而弱光强对一般的电极来说，很难激发光电效应。故在本实施例中，为了保证在较弱的光强照射下所述工作电极201还能有较强的光电效应，获得准确的测量信号，本实施例对所述工作电极201和所述参比电极202之间的功函数进行了设计。在一个实施例中，所述工作电极201和所述参比电极202之间具有功函数差，所述工作电极201和所述参比电极202的功函数差的绝对值要大于0.5eV。。具体地，所述工作电极201和所述参比电极202之间具有足够大的功函数差，所述工作电极201和所述参比电极202之间的功函数差越大，才能将弱光强下的光电效应产生的光电子迁移出来，在本实施例中所述工作电极201和所述参比电极202的功函数差的绝对值要大于0.5eV。在本实施例中所设计的较大的功函数差，在一方面保证了所述工作电极201在弱光强下的光电效应，在另一方面又减少了对生物活性体的影响。如若所述工作电极201和所述参比电极202之间的功函数差较小，那么则会有很多的光生电荷的累积，而光生电荷的累积会对生物活性体的生物活性产生影响。

在一个实施例中，所述电解质溶液在所述凹槽101中的深度为所述凹槽101深度的三分之一到三分之二；所述工作电极201的底面浸入在所述电解质溶液中，所述工作电极201的顶面不浸入所述电解质溶液中；其中，所述工作电极201浸入到所述电解质溶液中的部分与所述电解质溶液之间绝缘，所述工作电极201和所述参比电极202之间形成电容模型。具体地，所述凹槽101用于承载所述电解质溶液和所述工作电极201。在本实施例中，通过控制所述电解质溶液添加到所述凹槽101中的方式，来控制所述电解质溶液在所述凹槽101中的含量。在所述电解质溶液灌满所述组件壳体10后，所述电解质溶液继续灌入所述凹槽101中，直至到所述凹槽101深度的三分之一到三分之二为止。使得所述工作电极201的至少底面浸没在所述电解质溶液中，同时所述工作电极201的顶面不浸入在所述电解质溶液中。并通过在所述工作电极201上镀高分子膜的方式，使得所述工作电极201跟所述电解质溶液接触的部分不导电。因此可以实现所述工作电极201在浸入到所述电解质溶液中的部分与所述电解质溶液之间绝缘，从而可以在所述工作电极201和所述参比电极202之间形成电容模型。

在一个实施例中，所述工作电极201生长有生物活性体的一侧设置在所述凹槽101开口上方，生物活性体背向所述凹槽101开口浸没在所述电解质溶液中。具体地，所述工作电极201放置在所述凹槽101中，位于所述凹槽101中的所述电解质溶液浸没所述工作电极201。其中，所述工作电极201的生长有生物活性体的一侧位于所述凹槽101开口的上方，而生物活性体面向凹槽101开口浸没在所述电解质溶液中，此时所述电解质溶液中的另外的蛋白、金属粒子、生物小分子、生物大分子等会与所述工作电极201上的生物活性体之间的界面上会发生原位的生物反应过程。而若在 光源照射下，光生电子则会被转移到所述工作电极201上的生物活性体与另外的蛋白、金属粒子、生物小分子、生物大分子等之间的反应界面上，并在这期间光生电子会发生转移和变化，通过观察这一过程中的所述工作电极201和所述参比电极202之间的瞬态光电压的变化就能研究该界面的原位反应过程。

在一个实施例中，所述组件壳体10的侧边上设置有金属条106，所述金属条106上间隔设置多个磁块1061，所述工作电极电路板105磁性吸合在所述磁块1061上。具体地，在所述组件壳体10的侧边上设置有金属条106，所述金属条106上间隔设置有多个磁块1061，所述磁块1061间对称设置。所述工作电极电路板105可以磁性吸合在所述磁块1061上，并且所述工作电极电路板105可以根据位置的需要，吸合在不同位置的所述磁块1061上。

在一个实施例中，所述工作电极电路板105的一侧设置有弹性触头1051，所述弹性触头1051与所述工作电极电路板105电性连接；所述工作电极电路板105扣合在所述凹槽101上方时，将所述工作电极201抵接在所述凹槽101底部，且所述弹性触头1051与所述工作电极201电性连接。具体地，所述弹性触头1051设置在面向所述凹槽101的一侧，且所述弹性触头1051的长度足够使所述工作电极电路板105扣合在所述凹槽101上方时，能将所述工作电极201抵接在所述凹槽101底部，从而当所述工作电极电路板105吸合在所述磁块1061上时，所述弹性触头1051会与所述工作电极201接触，形成电性连接。通过所述工作电极电路板105将瞬态光电压输出。

在一个实施例中，所述组件壳体10上还设置有温度测量装置和控温装置；所述温度测量装置检测所述电解质溶液的温度，所述控温装置控制所述电解质溶液达到不同的温度。具体地，生物活性体的界面反应对温度是非常敏感的，为了研究在温度变化下，生物活性体界面原位反应过程的变化，在本实施例中，在所述组件壳体10上还设置有温度测量装置和控温装置，所述温度测量装置包括但不限于热电偶，所述温度测量装置检测所述电解质溶液中的温度；所述控温装置包括但不限于电热丝等，所述控温装置对所述电解质溶液施加不同的温度，来研究在不同温度变化下的生物活性体界面原位反应过程。

生物活性体的界面反应对溶液的盐度含量也是非常敏感的，为了研究在盐度变化下，生物活性体界面原位反应过程的变化，在本实施例中，通过在所述组件壳体10的所述凹槽101，在所述电解质溶液中施加不同浓度的盐溶液，来研究不同盐度变化下生物活性体界面的原位反应过程的变化，从而模拟海洋生物活性体或海洋生活的分子生物的原位反应过程。

本实施例还提供了一种生物活性物质瞬态光电压测量装置，包括：光源装置、屏蔽箱、信号变换模块、信号放大模块、计算显示模块以及本实施例中所述的生物活性物质瞬态光电压测量组件；其中，所述光源装置中光源的光谱仅包括可见光和近红外光的窄带光谱，所述光源的光强为0.1~100毫瓦/平方厘米；所述光源在不影响生物活性体活性的情况下激发电极的光电效应，完成生物活性物质瞬态光电压的测量。

具体地，所述光源装置可以给该测量装置提供稳定持续的光照，且为了保护所述工作电极201上的生物体的活性，在本实施例中所选择的光源的光强比较弱，该光源的光强设置在0.1~100毫瓦/平方厘米间，优选的光强为20~30毫瓦/平方厘米。本实施例中的光源光谱仅包括可见光和近红外光的窄带光谱，不包括紫外光，从而可以有效避免紫外光对生物活性体产生影响。而且，本实施例所提供的弱光强的光照来激发所述工作电极201，因而产生非常弱的光电效应，能够在既不影响生物体活性，又能在不影响生物体生活活性的情况下实现光电效应，来完成对生物活性体的活性测量，完成生物活性体跟其他生物分子或粒子或者介质相互作用的活性测量。从而研究生物活性体物质之间相互作用的界面动力学。

其中，所述光源装置包括两个激发光源，两个所述激发光源分别设置在所述生物活性物质瞬态光电压测量组件的上方和下方；位于上方的所述激发光源对准所述生物活性物质瞬态光电压测量组件中的工作电极，位于下方的所述激发光源对准底壁的所述透明窗。

所述生物活性物质瞬态光电压测量组件设置在所述屏蔽箱中，具体地，如图3所示，所述测量组件整体水平横跨在底座上安装，该安装底座40呈开口型，所述测量组件的所述组件壳体10呈矩形，在安装底座40和所述组件壳体10上分别设计有凹槽和凸起，凹槽和凸起可以相互配合卡合，从而所述安装底座40和所述组件壳体10通过卡合结构相互结合，既可以保持所述组件壳体10在所述安装底座40上稳定安装，又可以方便组件壳体10在所述安装底座40上的取放。在本实施例中，将所述组件壳体10整体水平横跨在所述安装底座40上安装，从而所述工作电极201也水平放置在所述凹槽101中，因此可以使活性生物体均匀分布在所述工作电极201上，避免了因垂直放置时活性生物体因为受重力影响而存在的分布不均匀或者部分生物活性体脱落的问题。

在本实施例所提供的生物活性物质瞬态光电压测量装置在所述测量组件的上方和下方分别设置有激发光源，两个激发光源不同时工作。位于所述测量组件上方的激发光源正对生长有生物活性体的所述工作电极201一侧，用于测量在光照穿过生物活性体对光电极激发下，生物活性体反应界面的过程。而为了排除光照的影响，本实施例同时在所述测量组件的下方设置了激发光源，位于下方的激发光源正对底座开口设置，底座开口与所述组件壳体10底部透明窗103相对，从而从下方激发光源发出的光，从底座开口、组件壳体10底部透明窗103、凹槽101开口照射到工作电极201的生物活性体一端的背面侧，从而研究没有光直接照射下的生物活性体原位反应界面过程。

在一个实施例中，所述测量组件中的工作电极201和参比电极202分别通过导线外接所述信号变换模块，进行信号的变换和噪音处理；所述信号放大模块连接所述信号变换模块，所述信号放大模块将信号放大后通过信息采集卡采集，并传输到所述计算显示模块；所述计算显示模块连接所述信号放大模块和所述光源装置；所述计算显示模块包括信息处理模块、指令输入模块以及显示模块；所述指令输入模块控制所述光源装置发射激光并控制激光的波长和光斑大小；所述信息处理模块可以对数据信号进行放大、拟合等处理变换；所述显示模块将测试的电荷数据经过放大、拟合之后，进行显示。

本实施例所提供的生物活性物质瞬态光电压测量装置，通过设置弱光强、工作电极201材料的选择、工作电极201表面纳米阵列结构的设计、工作电极201和参比电极202之间功函数差的选择以及电解质溶液的精确设计，可以使得本实施例所提供的测量装置能够在保持生物体有比较好的生物活性情况下完成活性生物体与蛋白、金属离子、生物小分子、生物大分子等之间的原位界面反应的测量。

根据本实施例所提供的生物活性物质瞬态光电压测量装置，可以保证整个装置的稳定性和可靠性，因此该测量装置是一个可以在较长时间内稳定工作的装置。测量装置的稳定性从而保证了测量在时间尺度上的多样性，因此该测量装置是一种多时间尺度的测量装置。例如，该测量装置可以是瞬态的、在毫秒级别的，比如可以研究粒子穿过生物膜的瞬态反应。该测量装置也可以是间歇进行的，如在需要测量时打开所述光源装置进行短时间的几分钟或者几小时内的测量。该测量装置也可以是连续进行测试，比如可以连续测量一天或几天内连续的生物反应过程。本实施例通过对测量装置创新性的结构设计，实现了对活性生物体界面反应的原位测量，并且可以研究光照、温度、盐度等多功能的变化影响，因此除了可以实现多时间尺度的界面原位过程测量外，还实现了多功能的原位测量。

本实施例还提供了一种生物活性物质瞬态光电压测量方法，包括：

在工作电极201的一侧生长生物活性体；

将电解质溶液倒入组件壳体10的凹槽101中，所述电解质溶液从所述凹槽101的开口进入所述组件壳体10，并将所述组件壳体10灌满后灌满所述凹槽101深度的三分之一到三分之二；

将所述工作电极201水平放置在所述凹槽101中，使所述电解质溶液浸入所述工作电极201，所述工作电极的底面浸入在所述电解质溶液中，所述工作电极的顶面不浸入所述电解质溶液中；

将工作电极电路板105对准所述工作电极201并扣合在所述凹槽101上方；

打开光源装置，对所述工作电极进行照射，测量并收集生物活性物质瞬态光电压信息。

其中，所述打开光源装置，对所述工作电极进行照射，测量并收集生物活性物质瞬态光电压信息包括：

打开位于所述生物活性物质瞬态光电压测量组件上方的光源装置，对所述工作电极201进行照射，测量并收集生物活性物质瞬态光电压信息；

打开位于所述生物活性物质瞬态光电压测量组件下方的光源装置，对所述工作电极进行照射，测量并收集生物活性物质瞬态光电压信息。

具体地，在进行生物活性物质瞬态光电压测量时，先在所述工作电极201的一侧上生长生物活性体，生长在所述工作电极201的生物活性体包括但不限于细菌、蛋白、细胞或者生物膜。再将所述电解质溶液倒入凹槽101中，所述电解质溶液从所述凹槽101的开口进入所述组件壳体10中，并将所述组件壳体10灌满后再继续灌入电解质溶液，直至所述电解质溶液达到所述凹槽101深度的三分之一到三分之二；其中，所述电解质溶液中包括但不限于待研究的蛋白、金属粒子、生物小分子或生物大分子。倒入所述电解质溶液后，将所述工作电极201放置在所述凹槽101中，使其中的所述电解质溶液浸没所述工作电极201，其中所述工作电极201的生长有生物活性体的一侧位于所述凹槽101开口上方，生物活性体面向所述凹槽101开口浸没在所述电解质溶液中。然后将所述工作电极电路板105对准所述工作电极201，所述工作电极电路板105上的所述弹性触头1051与所述工作电极201有接触，所述工作电极电路板105扣合在所述凹槽101的上方。最后打开光源装置，对所述工作电极201进行照射，测量并收集生物活性物质瞬态光电压信息。此时所述电解质溶液中的另外的蛋白、金属粒子、生物小分子、生物大分子等会与所述工作电极201上的生物活性体之间的界面上会发生原位的生物反应过程。在光照条件下，光生电子被转移到所述工作电极201上的生物活性体与另外的蛋白、金属粒子、生物小分子、生物大分子等之间的反应界面上，并在这期间光生电子会发生转移和变化，通过观察这一过程中的工作电极201和参比电极202之间的瞬态光电压的变化就能研究该界面反应过程。

本实施例所提供的生物活性物质瞬态光电压测量组件、装置及方法，组件壳体水平放置在安装底座上，工作电极也水平放置在所述凹槽中，有效避免了因重力作用导致活性生物体在所述工作电极上排布不均或者脱落；通过设置弱光强来激发工作电极，产生的光电效应既不影响生物活性，又能在不影响生物体生活活性的情况下实现光电效应下对生物活性物质瞬态光电压测量；进一步地对工作电极201材料的选择，选择能在弱光强下就有很强的光电效应的半导体材料、进一步地通过对工作电极201表面纳米阵列结构的设计、工作电极201和参比电极202之间功函数差的选择以及电解质溶液的精确设计，可以使得本实施例所提供的测量装置能够在保持生物体有比较好的生物活性情况下完成活性生物体与蛋白、金属离子、生物小分子、生物大分子等之间的原位界面反应的测量。除了可以实现对活性生物体界面反应的原位测量，还可以研究光照、温度、盐度等多功能的变化影响，因此除了可以实现多时间尺度的界面原位过程测量外，还实现了多功能的原位测量。

以上对本申请实施例所提供的一种生物活性物质瞬态光电压测量组件、装置及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例的技术方案的范围。

Claims (15)

1.一种生物活性物质瞬态光电压测量组件，其特征在于，包括：

组件壳体，所述组件壳体为密封壳体，所述组件壳体表面向内设置有矩形凹槽，在所述凹槽一侧设置有贯通开口，在所述组件壳体上与所述贯通开口相对的底壁上设置有相同大小的底壁开口，所述底壁开口由透明窗密封；所述组件壳体的一侧设置有参比电极电路板，所述参比电极电路板深入所述组件壳体中；所述组件壳体的正面设置有工作电极电路板；

电解质溶液，所述电解质溶液设置在所述组件壳体和所述凹槽内；

电极模块，所述电极模块包括工作电极和参比电极；生物活性体原位生长在所述工作电极上，与所述工作电极构成一个整体的电极，所述工作电极浸入在所述电解质溶液中；所述参比电极设置在所述参比电极电路板上；所述工作电极和所述参比电极之间具有功函数差；

安装底座，所述组件壳体整体水平横跨安装在所述安装底座上，所述工作电极在所述凹槽中水平放置，避免因重力作用导致活性生物体在所述工作电极上排布不均或者脱落；

其中，所述电解质溶液保持了所述工作电极上的生物活性体的活性，所述电解质溶液包括待研究的蛋白、金属离子、生物小分子、生物大分子；所述电解质溶液的PH值范围为5~8，离子浓度、缓冲液浓度以及活性分子浓度为1uM~100mM，所述电解质溶液的温度范围为4℃~38℃；所述生物活性体包括细菌、蛋白、细胞或者生物膜。

2.根据权利要求1所述的生物活性物质瞬态光电压测量组件，其特征在于，所述工作电极为半导体材料，包括但不限于硅、钒酸铋或掺杂的二氧化钛；所述参比电极为标准银/氯化银的组合电极。

3.根据权利要求2所述的生物活性物质瞬态光电压测量组件，其特征在于，所述工作电极为具有纳米结构的电极；所述纳米结构为不同尺度的纳米阵列，包括但不限于纳米线、纳米环、纳米颗粒或者纳米图案。

4.根据权利要求3所述的生物活性物质瞬态光电压测量组件，其特征在于，所述纳米阵列的尺度为10纳米到1微米之间；所述纳米阵列在所述工作电极表面构造出粗糙的表面，使得所述生物活性体在所述工作电极表面上有效生长。

5.根据权利要求1所述的生物活性物质瞬态光电压测量组件，其特征在于，所述工作电极和所述参比电极的功函数差的绝对值要大于0.5eV。

6.根据权利要求1所述的生物活性物质瞬态光电压测量组件，其特征在于，所述电解质溶液在所述凹槽中的深度为所述凹槽深度的三分之一到三分之二； 所述凹槽的深度比所述工作电极的厚度大200微米，所述工作电极的底面浸入在所述电解质溶液中，所述工作电极的顶面不浸入所述电解质溶液中；其中，所述工作电极浸入到所述电解质溶液中的部分与所述电解质溶液之间绝缘，所述工作电极和所述参比电极之间形成电容模型。

7.根据权利要求6所述的生物活性物质瞬态光电压测量组件，其特征在于，所述工作电极生长有生物活性体的一侧设置在所述凹槽的开口的上方，生物活性体面向所述凹槽的开口浸没在所述电解质溶液中。

8.根据权利要求1所述的生物活性物质瞬态光电压测量组件，其特征在于，所述组件壳体的侧边上设置有金属条，所述金属条上间隔设置多个磁块，所述工作电极电路板磁性吸合在所述磁块上。

9.根据权利要求8所述的生物活性物质瞬态光电压测量组件，其特征在于，所述工作电极电路板的一侧设置有弹性触头，所述弹性触头与所述工作电极电路板电性连接；所述工作电极电路板扣合在所述凹槽上方时，将所述工作电极抵接在所述凹槽底部，且所述弹性触头与所述工作电极电性连接。

10.根据权利要求9所述的生物活性物质瞬态光电压测量组件，其特征在于，所述组件壳体上还设置有温度测量装置和控温装置；所述温度测量装置检测所述电解质溶液的温度，所述控温装置控制所述电解质溶液达到不同的温度。

11.一种生物活性物质瞬态光电压测量装置，其特征在于，包括：光源装置、屏蔽箱、信号变换模块、信号放大模块、计算显示模块以及如权利要求1-10中任一项所述的生物活性物质瞬态光电压测量组件；

其中，所述光源装置中光源的光谱仅包括可见光和近红外光的窄带光谱，所述光源的光强为0.1~100毫瓦/平方厘米；所述光源在不影响生物活性体活性的情况下激发电极的光电效应，完成生物活性物质瞬态光电压的测量。

12.根据权利要求11所述的生物活性物质瞬态光电压测量装置，其特征在于，所述光源装置包括两个激发光源，两个所述激发光源分别设置在所述生物活性物质瞬态光电压测量组件的上方和下方；位于上方的所述激发光源对准所述生物活性物质瞬态光电压测量组件中的工作电极，位于下方的所述激发光源对准底壁的所述透明窗。

13.一种生物活性物质瞬态光电压测量方法，其特征在于，包括：

在工作电极的一侧生长生物活性体；

将电解质溶液倒入组件壳体的凹槽中，所述电解质溶液从所述凹槽的开口进入所述组件壳体，并将所述组件壳体灌满后灌满所述凹槽深度的三分之一到三分之二；

将所述工作电极水平放置在所述凹槽中，使所述电解质溶液浸入所述工作电极，所述工作电极的底面浸入在所述电解质溶液中，所述工作电极的顶面不浸入所述电解质溶液中；

将工作电极电路板对准所述工作电极并扣合在所述凹槽上方；

打开光源装置，对所述工作电极进行照射，测量并收集生物活性物质瞬态光电压信息。

14.根据权利要求13所述的生物活性物质瞬态光电压测量方法，其特征在于，所述打开光源装置，对所述工作电极进行照射，测量并收集生物活性物质瞬态光电压信息包括：

打开位于所述生物活性物质瞬态光电压测量组件上方的光源装置，对所述工作电极进行照射，测量并收集生物活性物质瞬态光电压信息；

打开位于所述生物活性物质瞬态光电压测量组件下方的光源装置，对所述工作电极进行照射，测量并收集生物活性物质瞬态光电压信息。

15.根据权利要求14所述的生物活性物质瞬态光电压测量方法，其特征在于，生长在所述工作电极的生物活性体包括但不限于细菌、蛋白、细胞或者生物膜；所述电解质溶液中包括但不限于待研究的蛋白、金属粒子、生物小分子或生物大分子。

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