[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于表面等離子體成像檢測(cè)微生物界面粘附的系統(tǒng)及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910063148.2
• 申請(qǐng)日: 2019-01-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109632722A
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-04-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉賢偉;張婷;劉軼男
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01N21/552
• 分類(lèi)號(hào): G01N21/552
• 代理公司: 北京集佳知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 劉偉;趙青朵

本發(fā)明屬于環(huán)境科學(xué)與工程領(lǐng)域，公開(kāi)了一種基于表面等離子體成像檢測(cè)微生物界面粘附的系統(tǒng)及方法。本發(fā)明所述基于表面等離子體成像檢測(cè)微生物界面粘附的系統(tǒng)基于表面等離子體共振顯微技術(shù)(SPRM)和單分子層自組裝修飾(SAMs)，具有免標(biāo)記、可實(shí)時(shí)觀測(cè)和高時(shí)間分辨率的優(yōu)勢(shì)，可通過(guò)在線計(jì)數(shù)的方法精準(zhǔn)確定不同界面上細(xì)菌的粘附動(dòng)力學(xué)參數(shù)，包括粘附速度、運(yùn)動(dòng)表型，同時(shí)可通過(guò)計(jì)算擬合得出附著到表面的時(shí)間常數(shù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于環(huán)境科學(xué)與工程領(lǐng)域，具體涉及一種基于表面等離子體成像檢測(cè)微生物界面粘附的系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

生物膜是微生物聚集生長(zhǎng)的一種重要形式。在廢水處理過(guò)程中，一方面需要發(fā)展具有良好生物兼容性的載體，利于生物膜的形成，提高廢水處理效率；另外一方面，在膜生物反應(yīng)器，則需要控制膜表面生物膜的形成，防止膜的不可逆污染。因此有效調(diào)控生物膜對(duì)于水處理過(guò)程具有重要的意義。普遍以為微生物在固體界面的初始粘附，影響著生物膜的形成，而理解微生物在界面的粘附過(guò)程則成為發(fā)展有效調(diào)控生物膜形成過(guò)程的關(guān)鍵所在。

傳統(tǒng)分析微生物界面粘附的方法有石英晶體微天平(QCM)、全內(nèi)反射熒光顯微鏡(TIRFM)和原子力顯微鏡(AFM)。其中QCM利用了石英晶體的壓電效應(yīng)，將石英晶體電極表面質(zhì)量變化轉(zhuǎn)化為石英晶體振蕩電路輸出電信號(hào)的頻率變化，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算機(jī)等其他輔助設(shè)備獲得高精度的數(shù)據(jù)。QCM作為微質(zhì)量傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、靈敏度高、測(cè)量精度可以達(dá)到納克量級(jí)的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、物理、生物、環(huán)境、醫(yī)學(xué)和表面科學(xué)等領(lǐng)域中，在微生物領(lǐng)域中，可用于檢測(cè)生物膜的厚度、構(gòu)型變化、粘彈性等指標(biāo)。TIRFM是利用光線全反射后在介質(zhì)另一面產(chǎn)生衰逝波的特性，激發(fā)熒光分子以觀察熒光標(biāo)定樣品的極薄區(qū)域，觀測(cè)的動(dòng)態(tài)范圍通常在200nm以下，獲得高質(zhì)量的成像質(zhì)量和可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)，被廣泛應(yīng)用于細(xì)胞、細(xì)菌等表面物質(zhì)的動(dòng)態(tài)觀察。AFM是一種納米級(jí)高分辨的掃描探針顯微鏡，可用來(lái)研究包括絕緣體在內(nèi)的固體材料表面結(jié)構(gòu)的分析儀器。利用微懸臂感受和放大懸臂上尖細(xì)探針與受測(cè)樣品原子之間作用力的原理，可獲得樣品超高分辨率的表面形貌以及對(duì)樣品生物力學(xué)特性(硬度、粘附力)的定量表征等。

然而，上述方法在微生物界面粘附領(lǐng)域中仍有諸多不足之處。QCM是以整體平均值代替樣品的各類(lèi)生物指標(biāo)，缺乏空間分辨率，該技術(shù)會(huì)忽略關(guān)鍵動(dòng)力學(xué)過(guò)程及生物樣品的異質(zhì)性，無(wú)法對(duì)微生物界面粘附研究進(jìn)行單細(xì)胞的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀察。TIRFM須對(duì)細(xì)菌進(jìn)行熒光蛋白標(biāo)記，而熒光蛋白可能會(huì)影響細(xì)菌的代謝活性，從而不能真實(shí)地反映細(xì)菌從浮游態(tài)到表面態(tài)的粘附過(guò)程，同時(shí)，樣品的信號(hào)易被背景熒光分子干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)信噪比較低。AFM無(wú)法觀察細(xì)菌在界面上的運(yùn)動(dòng)表型，而理解細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可一定程度上調(diào)控生物膜的形貌特征，其原因在于生物膜形成過(guò)程中，細(xì)菌從可逆粘附到不可逆粘附的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)影響后期生物膜的形貌。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于表面等離子體成像檢測(cè)微生物界面粘附的系統(tǒng)及方法。

為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于表面等離子體成像檢測(cè)微生物界面粘附的系統(tǒng)，包括設(shè)置有等離子共振傳感芯片的表面等離子體共振顯微成像系統(tǒng)和設(shè)置在所述等離子共振傳感芯片上的提供細(xì)菌粘附空間的自組裝單分子層、聚二甲基硅氧烷反應(yīng)池；

所述表面等離子體共振顯微成像系統(tǒng)包括沿著光路依次布置的激光發(fā)生器、入射角調(diào)整組件、光學(xué)顯微放大物鏡和等離子共振傳感芯片、圖像傳感器；所述等離子共振傳感芯片由依次設(shè)置的基底材料、鉻層、金層構(gòu)成。

作為優(yōu)選，所述基底材料為普通玻璃。

作為優(yōu)選，所述鉻層厚度為2nm，所述金層厚度為48nm。

在一些實(shí)施方案中，所述等離子共振傳感芯片長(zhǎng)為22mm，寬為22mm。