[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

有鉴于此，本发明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。

为实现本发明的目的，本发明采用如下技术方案：

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。