CN114324488B - 摩擦纳米发电机驱动的用于细菌检测的传感系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微生物检测技术领域，特别涉及一种摩擦纳米发电机驱动的细菌检测系统及方法。摩擦纳米发电机驱动的用于细菌检测的传感系统，包括：摩擦纳米发电机，用于将外部机械能转化为电能并将其输出；电阻式生物传感器，其与所述摩擦纳米发电机电连接，在所述摩擦纳米发电机输出的电能驱动下，识别并捕获目标细菌；以及，碳纳米管，用于结合所述目标细菌，并引起所述电阻式生物传感器产生传感信号；所述电阻式生物传感器及碳纳米管的表面均修饰有特异性结合目标细菌的生物识别材料。本发明中的传感器利用摩擦纳米发电机驱动，不需要外加电源，提高了检测系统的便携性；采用能和目标细菌特异性结合的生物识别材料，提高了传感器的准确性和灵敏度。

Description

摩擦纳米发电机驱动的用于细菌检测的传感系统及方法

技术领域

本发明属于微生物检测技术领域，特别涉及一种摩擦纳米发电机驱动的细菌检测系统及方法。

背景技术

微生物腐蚀几乎可在所有常见材料中发生。微生物腐蚀中硫酸盐还原菌（SRB)所致的腐蚀损失占整个腐蚀损失的 1/2 以上。SRB是一种厌氧细菌，其代谢过程中产生的硫化物具有极强的腐蚀性和毒性。因此SRB的存在可能会造成环境和工业危害。SRB的检测方法很多，如最可能数法、生化检测、酶联免疫吸附试验和分子生物技术，但这些方法存在检测时间长，受环境影响因素大等不足。因此，开发一种高灵敏和特异的SRB检测方法对腐蚀防护和环境监测是十分有必要的。近年来，生物传感器出现在公众视野中，其灵敏度高、操作简单、价格低廉的优点使其广泛应用于微生物检测和环境监测领域。生物传感器的出现为SRB的快速检测提供了新的思路。

近年来，基于摩擦带电与静电感应耦合效应的摩擦电纳米发电机因其环保、成本低、效率高、结构简单等优点，在将机械能转化为电能方面受到广泛关注。近十年来，TENGs作为自供电传感器显示出了巨大的应用潜力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种基于摩擦纳米发电机驱动的用于细菌检测的传感系统及方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种摩擦纳米发电机驱动的用于细菌检测的传感系统，其特征在于，包括：

摩擦纳米发电机，用于将外部机械能转化为电能并将其输出；

电阻式生物传感器，其与所述摩擦纳米发电机电连接，在所述摩擦纳米发电机输出的电能驱动下，识别并捕获目标细菌；以及，

碳纳米管，用于结合所述目标细菌，并引起所述电阻式生物传感器产生传感信号；

所述电阻式生物传感器及碳纳米管的表面均修饰有特异性结合目标细菌的生物识别材料。

进一步地，所述的摩擦纳米发电机包括两个金属电极，其中一个金属电极表面设有摩擦层；所述摩擦层作为发电层负极，另一个金属电极作为发电层正极，发电层正极和发电层负极在外力作用下摩擦发电。

进一步地，所述的摩擦层为全氟乙烯丙烯共聚物薄膜，其厚度为50微米。

进一步地，所述金属电极层为铝薄膜，其厚度为30微米。

进一步地，所述金属电极与其摩擦面相对的一面设有支撑基板；两个支撑基板之间连接有弹性元件。

进一步地，所述电阻型传感器由经刻蚀的ITO导电玻璃制成，所述ITO导电玻璃中间刻蚀一条宽度为50微米的缝隙，刻蚀深度等于ITO膜层的厚度。

进一步地，所述的生物识别材料为刀豆蛋白；所述刀豆蛋白用于特异性识别并结合革兰氏阴性菌。

进一步地，所述传感系统还包括串联在所述摩擦纳米发电机与电阻式生物传感器之间的可变电阻。

进一步地，所述可变电阻两端并联连接报警装置。

本发明还提供一种摩擦纳米发电机驱动的细菌检测方法，该方法包括以下步骤：

（1）将电阻式生物传感器浸泡在待测溶液里，孵育2h；

（2）取出上述传感器，浸泡在浓度为0.15mg/mL 经生物识别材料修饰的碳纳米管溶液中，反应2h；

（3）取出上述传感器，用去离子水轻冲去未结合的碳纳米管，自然风干；

（4）用摩擦纳米发电机驱动，测试电阻式生物传感器两端的电压值；

（5）利用预先拟合的电压-细菌浓度曲线方程，计算出待测溶液中目标细菌的浓度。

本发明提供的摩擦纳米发电机驱动的用于细菌检测的传感系统及方法，具有如下有益效果：

1、本发明中，传感器利用摩擦纳米发电机驱动，可以把机械能转化为电能，不需要外加电源，提高了检测系统的便携性；

2.本发明中采用能和目标细菌特异性结合的生物识别材料，提高了传感器的准确性和灵敏度；

3.检测方法简单快速，只需几个小时即可获得结果，与传统检测方法相比，大大提高了效率。

附图说明

图1为本发明实施例的摩擦纳米发电机驱动的用于细菌检测的传感系统结构示意图；

图2为本发明实施例的全氟乙烯丙烯共聚物-铝式摩擦纳米发电机的结构示意图；

图3为本发明实施例的电阻式生物传感器制备流程图；

图4为本发明实施例的检测流程图；

图5为本发明实施例的在不同细菌浓度下，电阻式生物传感器的电压；

图6为本发明实施例的电阻式生物传感器的电压和SRB浓度之间的线性关系图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全面。

实施例1本实施例提供一种摩擦纳米发电机驱动的用于细菌检测的传感系统，图1示出了该系统的结构。如图1 所示，本发明的摩擦纳米发电机驱动的用于细菌检测的传感系统，包括摩擦纳米发电机100、电阻式生物传感器200、可变电阻300和LED灯400。该摩擦纳米发电机100用于将外部机械能转化为电能，以向外电路输出电信号。电阻式生物传感器200与摩擦纳米发电机100电连接，以使得摩擦纳米发电机100向电阻式生物传感器200供电，用于检测传感信号。可变电阻300与电阻式生物传感器200串联，用以分得一部分电压。LED灯400以并联的方式连接在可变电阻300两端，用于在传感信号大于某一信号阈值时发出光报警信号。

图2示出了摩擦纳米发电机100的结构示。如图2所示，摩擦纳米发电机100包括两个支撑基板、弹性元件160、上金属电极130、下金属电极140和摩擦层150。其中两个支撑基板分别为第一支撑基板110和第二支撑基板120，支撑基板材料为PVC板，厚度为2毫米。弹性元件160连接在两个支撑基板之间，在图2所示的实施例中，弹性原件160是弹簧，其数量为四个。上金属电极130固定在第一支撑基板110的下表面，下金属电极140固定在第二支撑基板120的上表面。上金属电极130和下金属电极140的材料为铝薄膜，厚度为30微米。在下金属电极140的上表面设有摩擦层150，摩擦层150采用全氟乙烯丙烯共聚物薄膜作为发电层负极。全氟乙烯丙烯共聚物薄膜的厚度为50微米。上金属电极130既可以作为电极材料，又可以作为发电层正极，与摩擦层150摩擦发电。

电阻式生物传感器200由经刻蚀的ITO导电玻璃制成，如图1所示，ITO导电玻璃中间刻蚀一条宽度为50微米的缝隙，刻蚀深度等于ITO膜层的厚度。刻蚀后的ITO导电玻璃，由于ITO膜层中间存在断层，导致传感器的电阻无穷大。

刻蚀后的ITO导电玻璃表面需要依次经过氨丙基三乙氧基硅烷、戊二醛和生物识别材料的修饰处理，以便特异性识别和结合目标细菌。

本实施例提供的摩擦纳米发电机驱动的用于细菌检测的传感系统，工作原理是：通过按压第一支撑基板110，使上金属电极130与摩擦层150接触摩擦，将机械能转化为电能，并通过上金属电极130、下金属电极140将电流输出至系统电路中。

初始状态下，电阻式生物传感器200由于是经刻蚀的ITO导电玻璃，刻蚀后的ITO导电玻璃不导通，连接在电路中，电阻无限大。

将电阻式生物传感器200浸泡在含有目标细菌的溶液中后，电阻式生物传感器200表面修饰的生物识别材料能够特异性识别并捕获目标细菌，捕获细菌后，再将其浸泡在经生物识别材料修饰的碳纳米管溶液中，此时被电阻式生物传感器200捕获的细菌就会吸附碳纳米管，由于碳纳米管是导电的，所以电阻式生物传感器200的电阻会减小。细菌浓度高时，电阻式生物传感器200捕获的细菌数量多，因而吸附碳纳米管的数量也多，电阻式生物传感器200的电阻会更小，电阻式生物传感器200两端分得的电压也更小，所以能根据电阻式生物传感器200两端电压值反映细菌浓度。

下面以革兰氏阴性菌检测为例，详细介绍本发明的摩擦纳米发电机驱动的用于细菌检测的传感系统的制备方法。

一、制备电阻式生物传感器

流程如图3所示，具体步骤如下：

1、刻蚀ITO导电玻璃

电阻式生物传感器芯片为ITO导电玻璃，该ITO导电玻璃表面中间刻蚀一宽为50微米的缝隙，将ITO膜层刻蚀透。

2、修饰刻蚀后的ITO导电玻璃

将刻蚀后的ITO导电玻璃置于反应釜中，加入15微升 APTES （3-氨丙基三乙氧基硅烷），120℃加热2h。取出APTES修饰后的ITO导电玻璃，浸泡在0.5%的戊二醛中活化1h，然后在0.1mg/mL的刀豆蛋白溶液中浸泡2h，其中刀豆蛋白溶液使用含1mM Ca²⁺和1mM Mn²⁺的PBS缓冲溶液配制。然后用1%BSA溶液浸泡1h。

3、制备刀豆蛋白修饰的碳纳米管

称取22.2mg EDC和12mg NHS，用0.1M Mes溶液配制成10mL母液，调节PH至6。取1mLCNT (20mg/mL)和上述溶液1mL，搅拌活化1h。加入1mL Con A（刀豆球蛋白A，1mg/mL），继续搅拌4h，透析过夜。

刀豆蛋白识别细菌的原理为：刀豆蛋白一种植物血球凝集素，其本质是一类多价的、非免疫来源的、对糖及其缀合物高度专一识别的蛋白质。能与α-甘露糖、α-葡萄糖(细胞膜糖蛋白上)专一地结合，结合位点要求是α-D-吡喃甘露糖或α-D吡喃葡萄糖六元环中的C-3/C-4和C-6未被取代羟基。硫酸盐还原菌为革兰氏阴性菌，其细胞壁的主要组成成分为肽聚糖、脂多糖、细菌蛋白，刀豆蛋白能与硫酸盐还原菌细胞壁上的脂多糖发生特异性结合，因此刀豆蛋白能够识别硫酸盐还原菌。

二、制备摩擦纳米发电机

将两个支撑基板的一侧表面粘上kapton胶带，再将两个金属电极分别粘到两个kapton胶带上，将全氟乙烯丙烯共聚物作为负极发电材料附着在其中一个发电机金属电极上，将两个支撑基板用四个弹簧连接，构建成稳定的高电压摩擦纳米发电机。

三、系统的电路连接

将摩擦纳米发电机的两个金属电极、电阻式生物传感器、可变电阻及LED灯，按照图1所示，用导线连接起来。

实施例2本实施例提供一种利用上述摩擦纳米发电机驱动的用于细菌检测的传感系统进行细菌检测的方法，该方法以硫酸盐还原菌的检测为例，流程如图4所示，具体步骤如下：

（1）将电阻式生物传感器浸泡在一系列已知浓度的SRB菌液里，孵育2h；

（2）取出上述传感器，浸泡在浓度为0.15mg/mL 经刀豆蛋白修饰的碳纳米管溶液中，反应2h；

（3）取出上述传感器，用去离子水轻冲去未连接的碳纳米管，轻擦去表面的水，自然风干；

（4）连接电路，用摩擦纳米发电机驱动，测试电阻式生物传感器两端的电压值；图5示出了在不同细菌浓度下，电阻式生物传感器两端的电压和SRB浓度之间的关系。从图5可以看出，随着细菌浓度的增加，电阻式传感器两端的电压下降；

（5）利用得到的不同浓度对应的电压值拟合电压-细菌浓度曲线，如图6所示，本实施例中，电压-SRB浓度曲线方程为：

y=-31.49x+220.11，R²=0.9837；

y表示待测溶液中SRB的浓度，x表示电阻式生物传感器两端的电压值；

（6）将电阻式生物传感器浸泡在待测溶液中，孵育2h；

（7）重复步骤（2）-（4）；

（8）将测得的电压值代入上述曲线方程中，可计算得出待测溶液中SRB的浓度。

Claims (10)

1.一种摩擦纳米发电机驱动的用于细菌检测的传感系统，其特征在于，包括：

摩擦纳米发电机，用于将外部机械能转化为电能并将其输出；

电阻式生物传感器，其与所述摩擦纳米发电机电连接，在所述摩擦纳米发电机输出的电能驱动下，识别并捕获目标细菌；以及，

碳纳米管，用于结合所述目标细菌，并引起所述电阻式生物传感器产生传感信号；

所述电阻式生物传感器及碳纳米管的表面均修饰有特异性结合目标细菌的生物识别材料。

2.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机驱动的用于细菌检测的传感系统，其特征在于：所述的摩擦纳米发电机包括两个金属电极，其中一个金属电极表面设有摩擦层；所述摩擦层作为发电层负极，另一个金属电极作为发电层正极，发电层正极和发电层负极在外力作用下摩擦发电。

3.根据权利要求2所述的摩擦纳米发电机驱动的用于细菌检测的传感系统，其特征在于：所述的摩擦层为全氟乙烯丙烯共聚物薄膜，其厚度为50微米。

4.根据权利要求2所述的摩擦纳米发电机驱动的用于细菌检测的传感系统，其特征在于：所述金属电极为铝薄膜，其厚度为30微米。

5.根据权利要求2所述的摩擦纳米发电机驱动的用于细菌检测的传感系统，其特征在于：所述金属电极与其摩擦面相对的一面设有支撑基板；两个支撑基板之间连接有弹性元件，所述弹性元件用于将摩擦层与作为正极的金属电极分开。

6.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机驱动的用于细菌检测的传感系统，其特征在于：所述电阻式生物传感器由经刻蚀的ITO导电玻璃制成，所述ITO导电玻璃中间刻蚀一条宽度为50微米的缝隙，刻蚀深度等于ITO膜层的厚度。

7.根据权利要求1-6任一项所述的摩擦纳米发电机驱动的用于细菌检测的传感系统，其特征在于：所述的生物识别材料为刀豆蛋白；所述刀豆蛋白用于特异性识别并结合革兰氏阴性菌。

8.根据权利要求1-6任一项所述的摩擦纳米发电机驱动的用于细菌检测的传感系统，其特征在于：所述传感系统还包括串联在所述摩擦纳米发电机与电阻式生物传感器之间的可变电阻。

9.根据权利要求8所述的摩擦纳米发电机驱动的用于细菌检测的传感系统，其特征在于：所述可变电阻两端并联连接报警装置。

10.一种摩擦纳米发电机驱动的细菌检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将电阻式生物传感器浸泡在待测溶液里，孵育2h；

（2）取出上述传感器，浸泡在浓度为0.15mg/mL 经生物识别材料修饰的碳纳米管溶液中，反应2h；

（3）取出上述传感器，用去离子水轻冲去未结合的碳纳米管，自然风干；

（4）用摩擦纳米发电机驱动，测试电阻式生物传感器两端的电压值；

（5）利用预先拟合的电压-细菌浓度曲线方程，计算出待测溶液中目标细菌的浓度。

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