Biosensors and Bioelectronics: 电化学碰撞技术用于单个细菌的氧化还原活性检测

微生物技术 电化学器件技术
秦川    2021-01-11    406

  背景介绍

  近年来,电化学器件的设计日趋小型化,单个微生物细胞的检测可实现对微型化器件设计机理的深入分析和理解。而基于超微电极的随机电化学碰撞技术,由于所用电极尺寸小、响应速度快,为单细胞水平上微生物的活性分析提供了可能。

  近期,中国科学院理化技术研究所只金芳研究员课题组报道了一种基于静电吸附作用的“微生物-电子介体”一体化策略,实现了单细胞水平上细菌的氧化还原活性的定量检测,相关成果以“Redox Activity of Single Bacteria Revealed by Electrochemical Collision Technique”为题发表在国际电化学权威杂志Biosensors and Bioelectronics上。

  研究的主要内容介绍

  论文以硫瑾作为电子介体,依靠静电吸附作用合成了一体化的“微生物-硫瑾”复合物,并运用计时电流法对其随机碰撞到超微电极表面后产生的电流瞬变信号(尖峰状电流信号)进行了检测。通过对尖峰信号的出现频率及其积分电量的分析,同时实现了微生物浓度的定量检测和单个细菌氧化还原活性的分析。

  根据研究结果,每一个尖峰状电流信号代表了一个活性细菌随机碰撞到电极表面,碰撞频率与微生物浓度呈线性相关。因此,该方法为活菌浓度的定量检测提供了新的思路。同时,每个尖峰的积分面积提供了硫瑾电子介体与超微电极之间转移的总电荷(Q)信息,通过法拉第定律可以精确的计算出单个微生物对硫瑾的氧化还原能力。其中n表示氧化还原反应过程中转移的电子数,F表示法拉第常数,m表示摩尔数。

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  图示例:

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  小结

  在这项工作中,提出了一种基于电化学碰撞技术的“细菌-电子介体”一体化检测策略,用于统计分析单个细菌对电子介体的氧化还原活性。首次实现了单个细菌在超微电极表面氧化还原过程的观察和测量。该检测体系能特异性地区分活性细菌,并将其对电子介体的氧化还原活性进行量化,这对于提高对细菌非均相电子转移过程的认识以及微生物电化学器件设计中微生物的选择具有重要意义。

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