Biosensors and Bioelectronics: 電化學碰撞技術用於單個細菌的氧化還原活性檢測

2021-02-13 分析人

近年來，電化學器件的設計日趨小型化，單個微生物細胞的檢測可實現對微型化器件設計機理的深入分析和理解。而基於超微電極的隨機電化學碰撞技術，由於所用電極尺寸小、響應速度快，為單細胞水平上微生物的活性分析提供了可能。

近期，中國科學院理化技術研究所只金芳研究員課題組報導了一種基於靜電吸附作用的「微生物-電子介體」一體化策略，實現了單細胞水平上細菌的氧化還原活性的定量檢測，相關成果以「Redox Activity of Single Bacteria Revealed by Electrochemical Collision Technique」為題發表在國際電化學權威雜誌Biosensors and Bioelectronics上。

(DOI:10.1016/j.bios.2020.112914)

論文以硫瑾作為電子介體，依靠靜電吸附作用合成了一體化的「微生物-硫瑾」複合物，並運用計時電流法對其隨機碰撞到超微電極表面後產生的電流瞬變信號（尖峰狀電流信號）進行了檢測。通過對尖峰信號的出現頻率及其積分電量的分析，同時實現了微生物濃度的定量檢測和單個細菌氧化還原活性的分析。

根據研究結果，每一個尖峰狀電流信號代表了一個活性細菌隨機碰撞到電極表面，碰撞頻率與微生物濃度呈線性相關。因此，該方法為活菌濃度的定量檢測提供了新的思路。同時，每個尖峰的積分面積提供了硫瑾電子介體與超微電極之間轉移的總電荷(Q)信息，通過法拉第定律可以精確的計算出單個微生物對硫瑾的氧化還原能力。其中n表示氧化還原反應過程中轉移的電子數，F表示法拉第常數,m表示摩爾數。

圖示例：

圖1. 電子介體靜電吸附的微生物氧化還原活性檢測原理示意圖

圖2. (a) 大腸桿菌-硫瑾的電化學碰撞信號；(b) 枯草芽孢桿菌-硫瑾的電化學碰撞信號；(c) 大腸桿菌對硫瑾電子介體的還原能力統計分布；(d) 枯草芽孢桿菌對硫瑾電子介體的還原能力統計分布。

 

在這項工作中，提出了一種基於電化學碰撞技術的「細菌-電子介體」一體化檢測策略，用於統計分析單個細菌對電子介體的氧化還原活性。首次實現了單個細菌在超微電極表面氧化還原過程的觀察和測量。該檢測體系能特異性地區分活性細菌，並將其對電子介體的氧化還原活性進行量化，這對於提高對細菌非均相電子轉移過程的認識以及微生物電化學器件設計中微生物的選擇具有重要意義。

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