构建基于微生物三电极体系的微流控传感芯片研究

发布时间：2017-06-22 00:04

  本文关键词：构建基于微生物三电极体系的微流控传感芯片研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：针对目前基于微生物电化学系统(Bioelectrochemical system, BES)的传感器响应时间长,干扰因素多的缺点,本文结合微生物三电极体系(Microbialthree-electrode cell,M3C)与微流控芯片构建一个基于M3C的微流控传感芯片,以实现信号的快速响应同时提高输出信号的稳定性和重现性。首先,设计组装了一个体积为3 μL的基于M3C的微流控芯片。该芯片利用微通道中的层流分隔工作电极与参比电极,实现了微通道与M3C的整合。经开路电势测定,该体系中Ag/AgCl参比电极的电势稳定在0.275V。同时,利用[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-对参比电极的电势进行校准,结果与开路电势测定一致。然后,在该微流控芯片中考察了Geobacter sulfurreducens和Shewanella oneidensis MR-1两种模型电化学活性细菌的生长情况。结果表明S. oneidensisMR-1无法在金电极表面生长,最终选择G. sulfurreducens作为该芯片的生物感应元件。进而根据G. sulfurreducens与金电极之间的电子传递机制和Ag/AgCl参比电极在不同工作电势下的运行寿命,优化确定了最佳启动电势。在最佳启动电势条件下用G. sulfurreducens接种芯片并运行,结果显示运行30天之后Ag/AgCl参比电极的开路电势与运行前相比的变化仅为0.7%。上述实验结果表明该芯片成功实现了M3C和微流控芯片的整合,并具有良好的运行稳定性。在选定G. sulfurreducens作为电化学活性细菌并成功启动该芯片后,以同样接种G. sulfurreducens的毫升级M3C作为对照组,从电流密度、起始电位和中点电位等方面对其性能进行了考察。结果表明该芯片与对照组以及文献中报道的M3C具有相近的性能。由此证明本文构建的基于M3C的微流控芯片能在微升级的尺度上实现毫升级M3C的功能。最后,基于M3C的微流控芯片被应用于生物毒性物质的传感研究。以几种常见的电子受体、电子介体为传感物质对该芯片的传感性能进行初步评价,结果表明该芯片的响应时间小于10分钟,并且输出信号具有良好的稳定性。随后研究了典型生物毒性物质(Cu2+、抗生素和甲醛)在该传感芯片中的响应规律,结果表明0.3-7 ppm Cu2+和0.01-0.1%甲醛能对G. sulfurreducens产生抑制作用。抗生素(头孢拉定、红霉素)对G. sulfurreducens不产生抑制作用。而且输入输出信号在一定的浓度区间呈现良好的线性关系。综上所述,本文构建的基于M3C的微流控芯片可以为电化学活性细菌的研究和生物传感提供一个良好的平台。
【关键词】：微生物三电极体系 层流 微流控芯片 生物传感 微生物电化学系统
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212.3;X832
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 1 绪论13-24
• 1.1 课题背景13
• 1.2 微生物电化学系统13-17
• 1.2.1 微生物电化学系统分类13-16
• 1.2.2 微生物电化学系统电子传递机制研究16-17
• 1.3 微生物两电极体系在生物传感上的应用17-19
• 1.4 微生物三电极体系在生物传感上的应用19-20
• 1.5 小型化反应器的特点及其在生物传感上的应用20-21
• 1.6 存在问题与研究思路21-22
• 1.7 研究内容与技术路线22-24
• 1.7.1 研究内容22
• 1.7.2 技术路线22-24
• 2 基于M3C微流控芯片的构建24-33
• 2.1 基于M3C微流控芯片设计参数的确定24-26
• 2.2 基于M3C微流控芯片的制作26-29
• 2.2.1 通道的制作26-27
• 2.2.2 电极的制作27-29
• 2.3 基于M3C微流控芯片中流体流态和参比电极电势的确定29
• 2.4 结果与讨论29-32
• 2.4.1 微流控通道中流体流态的确定29-31
• 2.4.2 微流控通道中参比电极电势的确定31-32
• 2.5 本章小结32-33
• 3 基于M3C的微流控芯片中电化学活性细菌的确定33-45
• 3.1 S.oneidensis MR-1的培养33-36
• 3.1.1 实验试剂及营养液组成33-34
• 3.1.2 细菌的接种和实验条件的选择34-36
• 3.2 G.sulfurreducens的培养36-38
• 3.2.1 实验试剂与营养液组成36-37
• 3.2.2 细菌的培养,接种和实验条件的选择37-38
• 3.3 结果与讨论38-43
• 3.3.1 S.oneidensis MR-1的培养结果与讨论38-40
• 3.3.2 G.sulfurreducens的培养结果与讨论40-43
• 3.3.3 基于M3C的微流控芯片中参比电极运行稳定性评价43
• 3.4 本章小结43-45
• 4 毫升级与微升级的M3C运行结果比较45-55
• 4.1 毫升级微生物三电极体系构建与运行45-47
• 4.1.1 毫升级微生物三电极体系的构建45-46
• 4.1.2 分析测试方法46-47
• 4.2 基于M3C的微流控芯片的构建与运行47
• 4.3 结果与讨论47-54
• 4.3.1 毫升级微生物三电极体系运行结果分析47-51
• 4.3.2 基于M3C的微流控芯片运行结果分析51-54
• 4.4 本章小结54-55
• 5 基于M3C微流控芯片的生物传感性能研究55-63
• 5.1 实验试剂与实验条件55
• 5.2 结果与讨论55-62
• 5.2.1 细菌对电子受体的响应55-58
• 5.2.2 细菌对电子介体的响应58-59
• 5.2.3 细菌对重金属的响应59-60
• 5.2.4 细菌对抗生素的响应60-61
• 5.2.5 细菌对杀虫剂的响应61-62
• 5.3 本章小结62-63
• 6 结论与建议63-65
• 6.1 主要结论63-64
• 6.2 存在问题与建议64-65
• 参考文献65-72
• 作者简历72
• 硕士期间科研成果72

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