Флюидный микроканал идентифицирует бактерии, способные производить электричество

Это может быть хорошим маркетинговым ходом, но вы никогда не сможете сказать точно: есть ли определенные бактерии, которые производят небольшое количество электричества и могут использоваться в качестве электролита в батареях. Эти естественные виды бактерий, которые живут в условиях недостатка кислорода, например, глубоко в шахтах, на дне озер и даже в кишечнике человека, развили форму «дыхания», когда они выделяют электроны (мы называем это электричеством) в процесс, формально называемый внеклеточным переносом электронов (EET). Непосредственная практическая проблема заключается в том, как быстро и эффективно определить, являются ли тестируемые бактерии (которые могут быть известны как «НО»?) Типом, вырабатывающим электричество.

Чтобы ответить на этот вопрос, команда из Массачусетского технологического института объединила микрофлюидный канал, электрическое поле и передовые методы для оценки поляризуемости бактерий, что является электрохимической характеристикой, тесно связанной с выработкой электроэнергии. Они сообщают об этом процессе в своей очень подробной и интенсивной работе, опубликованной в AAAS Science Advances, «Микрофлюидный диэлектрофорез, освещающий взаимосвязь между поляризуемостью оболочки микробных клеток и электрохимической активностью», а также в своих исчерпывающих дополнительных материалах.

Подход команды Массачусетского технологического института значительно отличается от существующих трудоемких методов, которые исследуют электрохимическую активность бактерий. Такие методы включают выращивание больших партий клеток и измерение активности белков EET или разрыв клеток для очистки и исследования их белков.

Физическим элементом проекта является изготовление микрожидкостного чипа, вытравленного небольшими каналами, которые «защемлены» по центру до 1/100 размера основного канала. Образцы бактерий в микролитровом объеме затем пропускают через канал по методике, известной как «трехмерный диэлектрофорез на основе изолятора (3DiDEP)»

Этот упрощенный рисунок показывает, как микрофлюидная техника быстро сортирует бактерии, чтобы определить их потенциальную способность генерировать электричество

Напряжение прикладывается к каналу для создания электрического поля, а напряженность поля на отверстии в защемленном участке соответственно больше, чем в основном канале, по отношению площадей поперечного сечения (рисунок выше). Результирующий градиент поля приводит к появлению силы диэлектрофореза, которая толкает ячейку против ее движения, вызванного электрическим полем, и может останавливать и даже отталкивать частицу в зависимости от уровня напряжения. Отношение является функцией поверхностных свойств частицы среди других факторов. (Это аналогично привлечению, остановке или даже отражению потока электронов с использованием электрифицированной сетки или электрического поля, хорошо известного и давно используемого физического явления для измерения энергии электрона.)

Электрохимическая активность и поляризуемость

В то время как диэлектрофорез был использован для быстрой сортировки бактерий по более общим свойствам, в том числе по размеру и виду, целью команды MIT было использование той же методики для оценки гораздо более тонкой электрохимической активности путем определения наличия корреляции между электрохимической активностью и более высокой поляризуемостью.

Для этого они увеличили напряжение на микроканале с 0 до 80 В, а затем наблюдали поведение бактерий, поскольку электрическое поле продвигало бактерии в защемленную часть, где более сильное поле «захватывало» их (рисунок ниже). Измеряя напряжение захвата для каждой ячейки и измеряя размер ячейки, а также используя имитационную и расчетную модель на основе COMSOL, они смогли определить относительную «легкость», с которой ячейка может сформировать электрический диполь в ответ на электрическое поле.

Микрофлюидное устройство 3DiDEP с массивом из нескольких микроканалов

Разность потенциалов, линейно увеличивающаяся на 1 В / сек, была применена к каналу (а). Увеличенный вид микроканала с выделением области сужения (b). Схема принципа захвата 3DiDEP, при котором бактерии вблизи сужения иммобилизируются, когда сила DEP (пропорциональная градиенту электрического поля) уравновешивается силами сопротивления из-за фонового электроосмотического потока и электрофореза (c). Распределение величины компонента x градиента поля показано в цветовой шкале фона (темно-красный указывает на более высокие значения)

Руководитель группы Qianru Wang, аспирант факультета машиностроения Массачусетского технологического института, отметил: «У нас есть необходимые доказательства того, что существует сильная корреляция между поляризуемостью и электрохимической активностью. Фактически, поляризуемость может быть чем-то, что мы могли бы использовать в качестве посредника для отбора микроорганизмов с высокой электрохимической активностью ».

Команда также обнаружила, что бактерии, которые были более электрохимически активными, имели более высокую поляризуемость среди всех протестированных видов бактерий.

Достижения в микроразмерных каналах являются ключевыми для физических аспектов эксперимента. Устройство 3DiDEP было изготовлено с помощью микрообработки ЧПУ кусочка листа полиметилметакрилата (ПММА) и сопряжение его с другим чистым ПММА. Последний канал имел длину 1 см с 50-мм, 50х50-мм поперечной суженной зоной в центре (площадь 2500 мм2). Два основных канала имеют размеры поперечного сечения 500 × 500 мм, которые дают желаемый коэффициент сужения × 100.

Кто знает, возможно, в недалеком будущем появится специальная аккумуляторная батарея с названием «питание от бактерий», поскольку она претендует на уникальность и экологичность?

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *