一种基于表面等离子体成像检测微生物界面粘附的系统及方法技术方案

本发明专利技术属于环境科学与工程领域，公开了一种基于表面等离子体成像检测微生物界面粘附的系统及方法。本发明专利技术所述基于表面等离子体成像检测微生物界面粘附的系统基于表面等离子体共振显微技术(SPRM)和单分子层自组装修饰(SAMs)，具有免标记、可实时观测和高时间分辨率的优势，可通过在线计数的方法精准确定不同界面上细菌的粘附动力学参数，包括粘附速度、运动表型，同时可通过计算拟合得出附着到表面的时间常数。

【技术实现步骤摘要】
一种基于表面等离子体成像检测微生物界面粘附的系统及方法
本专利技术属于环境科学与工程领域，具体涉及一种基于表面等离子体成像检测微生物界面粘附的系统及方法。
技术介绍
生物膜是微生物聚集生长的一种重要形式。在废水处理过程中，一方面需要发展具有良好生物兼容性的载体，利于生物膜的形成，提高废水处理效率；另外一方面，在膜生物反应器，则需要控制膜表面生物膜的形成，防止膜的不可逆污染。因此有效调控生物膜对于水处理过程具有重要的意义。普遍以为微生物在固体界面的初始粘附，影响着生物膜的形成，而理解微生物在界面的粘附过程则成为发展有效调控生物膜形成过程的关键所在。传统分析微生物界面粘附的方法有石英晶体微天平(QCM)、全内反射荧光显微镜(TIRFM)和原子力显微镜(AFM)。其中QCM利用了石英晶体的压电效应，将石英晶体电极表面质量变化转化为石英晶体振荡电路输出电信号的频率变化，进而通过计算机等其他辅助设备获得高精度的数据。QCM作为微质量传感器具有结构简单、成本低、灵敏度高、测量精度可以达到纳克量级的优点，被广泛应用于化学、物理、生物、环境、医学和表面科学等领域中，在微生物领域中，可用于检测生物膜的厚度、构型变化、粘弹性等指标。TIRFM是利用光线全反射后在介质另一面产生衰逝波的特性，激发荧光分子以观察荧光标定样品的极薄区域，观测的动态范围通常在200nm以下，获得高质量的成像质量和可靠的观测数据，被广泛应用于细胞、细菌等表面物质的动态观察。AFM是一种纳米级高分辨的扫描探针显微镜，可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。利用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间作用力的原理，可获得样品超高分辨率的表面形貌以及对样品生物力学特性(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领域中仍有诸多不足之处。QCM是以整体平均值代替样品的各类生物指标，缺乏空间分辨率，该技术会忽略关键动力学过程及生物样品的异质性，无法对微生物界面粘附研究进行单细胞的实时动态观察。TIRFM须对细菌进行荧光蛋白标记，而荧光蛋白可能会影响细菌的代谢活性，从而不能真实地反映细菌从浮游态到表面态的粘附过程，同时，样品的信号易被背景荧光分子干扰，导致数据信噪比较低。AFM无法观察细菌在界面上的运动表型，而理解细菌的运动状态可一定程度上调控生物膜的形貌特征，其原因在于生物膜形成过程中，细菌从可逆粘附到不可逆粘附的运动状态会影响后期生物膜的形貌。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种基于表面等离子体成像检测微生物界面粘附的系统及方法。为实现本专利技术的目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于表面等离子体成像检测微生物界面粘附的系统，包括设置有等离子共振传感芯片的表面等离子体共振显微成像系统和设置在所述等离子共振传感芯片上的提供细菌粘附空间的自组装单分子层、聚二甲基硅氧烷反应池；所述表面等离子体共振显微成像系统包括沿着光路依次布置的激光发生器、入射角调整组件、光学显微放大物镜和等离子共振传感芯片、图像传感器；所述等离子共振传感芯片由依次设置的基底材料、铬层、金层构成。作为优选，所述基底材料为普通玻璃。作为优选，所述铬层厚度为2nm，所述金层厚度为48nm。在一些实施方案中，所述等离子共振传感芯片长为22mm，宽为22mm。作为优选，本专利技术所述检测系统中的所述自组装单分子层为长链硫醇化合物定向排列形成的单分子层。基于巯基与金基底材料的强烈化学结合和甲基链的有序性，只需将等离子共振传感芯片放在硫醇化合物的乙醇稀溶液中，在常温常压下浸泡8-24h，通过巯基与金属基底的强亲和性，长链硫醇化合物就会在基底材料表面吸附并定向排列形成单分子层。作为优选，所述长链硫醇化合物为11-氨基-1-十一硫醇、11-巯基-1-十一醇、11-巯基-十一酸。11-氨基-1-十一硫醇在等离子共振传感芯片表面可以形成正电性表面，11-巯基-1-十一醇在等离子共振传感芯片表面可以形成中性表面，11-巯基-十一酸在等离子共振传感芯片表面可以形成负电性表面。在一些实施方案中，所述等离子共振传感芯片上自组装单分子层的制备方法为将等离子共振传感芯片分别放置于1mM的含HS-(CH2)11-NH2、HS-(CH2)11-OH、HS-(CH2)11-COOH硫醇化合物的乙醇溶液中在0℃下浸泡24h，使其表面形成均匀的单分子层。作为优选，所述聚二甲基硅氧烷反应池长为11mm，宽为8mm，高为8mm。作为优选，所述的入射角调整组件包括用于将入射光转换成p偏振光的偏振片、设置于偏振片光路前端的准直透镜和设置于偏振片光路后端的聚光透镜，且入射光经过入射角调整组件后聚焦于光学显微放大物镜的后聚焦面上。作为优选，所述激光发生器发射的激光波长680nm，激光强度110mA，曝光时间为5000μs。作为优选，所述的光学显微放大物镜的放大倍数为60，其数值孔径为1.49。作为优选，所述的光学显微放大物镜的外端和等离子共振传感芯片的内端面之间填充有光学匹配油，其光学匹配油的折射率范围为1.518。作为优选，所述图像传感器为CCD图像传感器。在一些实施方案中，所述CCD图像传感器为pike-032B相机，像素为640*480，在60倍镜下，每个像素点为0.123μm。所述的含细菌的氯化钾溶液OD600＝0.2。作为优选，所述图像传感器的采集速率为106fps，总帧数为30000帧。本专利技术还提供了一种基于表面等离子体成像检测微生物界面粘附的方法，向上述检测系统中的聚二甲基硅氧烷反应池中加入含细菌的氯化钾溶液，利用表面等离子体共振显微成像技术进行检测。本专利技术实施例中检测大肠杆菌的初始粘附状态，向上述检测系统中的聚二甲基硅氧烷反应池中加入含细菌的氯化钾溶液，利用表面等离子体共振显微成像技术进行检测。其中所述大肠杆菌为平台期的大肠杆菌。该阶段大肠杆菌生理状态更为稳定，其真实的粘附过程可被准确可靠地观测，而其他时期大肠杆菌生理状态不够稳定，可能会导致实验结果误差较大。本专利技术实施例中。所述的大肠杆菌于LB培养基中培养12h后至平台期，以6000g转速离心LB菌液5min，滤去上清液。随后于离心管中加入5.7mM氯化钾溶液重悬细菌，以相同转速及时间离心该菌液，再次滤去上清液，重复上述操作两至三次以洗去LB培养基。最后，继续添加5.7mM氯化钾溶液直至菌液OD600＝0.2。本专利技术所述检测微生物界面粘附的系统基于表面等离子体共振显微技术和单分子层自组装修饰，具有免标记、可实时观测和高时间分辨率的优势，可通过在线计数的方法精准确定不同界面上细菌的粘附动力学参数，包括粘附速度、运动表型、时间常数。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。图1示本专利技术所述检测系统的立体结构示意图；图2示本专利技术所述自组装单分子层结构示意图；图3示大肠杆菌的粘附速度柱状图；图4示大肠杆菌的运动表型(附着、脱附)百分比图；图5示大肠杆菌细菌附着到表面的时间常数图。具体实施方式本专利技术公开了一种基于表面等离子体成像检测微生物界面粘附的系统及方法。本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于表面等离子体成像检测微生物界面粘附的系统，其特征在于，包括设置有等离子共振传感芯片的表面等离子体共振显微成像系统和设置在所述等离子共振传感芯片上的提供细菌粘附空间的自组装单分子层和聚二甲基硅氧烷反应池；所述表面等离子体共振显微成像系统包括沿着光路依次布置的激光发生器、入射角调整组件、光学显微放大物镜、等离子共振传感芯片和图像传感器；所述等离子共振传感芯片由依次设置的基底材料、铬层、金层构成。

【技术特征摘要】
1.一种基于表面等离子体成像检测微生物界面粘附的系统，其特征在于，包括设置有等离子共振传感芯片的表面等离子体共振显微成像系统和设置在所述等离子共振传感芯片上的提供细菌粘附空间的自组装单分子层和聚二甲基硅氧烷反应池；所述表面等离子体共振显微成像系统包括沿着光路依次布置的激光发生器、入射角调整组件、光学显微放大物镜、等离子共振传感芯片和图像传感器；所述等离子共振传感芯片由依次设置的基底材料、铬层、金层构成。2.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述基底材料为普通玻璃；所述铬层厚度为2nm，所述金层厚度为48nm。3.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述自组装单分子层为长链硫醇化合物定向排列形成的单分子层。4.根据权利要求3所述的检测系统，其特征在于，所述长链硫醇化合物为11-氨基-1-十一硫醇、11-巯基-1-十一醇、11-巯基-十一酸。5.根据权利要求4所述的检测系统，其特征在于，所述等离子共振传感芯片上自组装单分子层的制备方法为将等离子共振传感芯片分别放置于1mM的含HS-(CH2)11-NH2、HS-(CH2)11-OH、HS-(CH2)11-COOH硫醇化合物的乙醇溶液中在4...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘贤伟，张婷，刘轶男，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34