耗散型石英晶體微天平與拉曼光譜的聯(lián)用

耗散型石英晶體微天平與拉曼光譜的聯(lián)用--細(xì)胞色素在硫化土桿菌生物膜的胞外電子轉(zhuǎn)移途徑研究
 
 
具有電活性的細(xì)菌存在于各種各樣的環(huán)境中，從土壤/水，到深海火山口，再到人體消化系統(tǒng)。而在科技方面，電活性細(xì)菌在燃料電池，微生物合成化學(xué)以及半人工光合作用組件中展現(xiàn)出應(yīng)用前景。盡管人們對(duì)電活性細(xì)菌的認(rèn)知已經(jīng)超過(guò)了一個(gè)世紀(jì)，但是仍舊無(wú)法闡明電極與細(xì)菌之間電荷轉(zhuǎn)移的精確機(jī)制。在這篇文章中，作者首次將耗散型石英晶體微天平（QCM-D）和拉曼光譜兩種技術(shù)進(jìn)行聯(lián)用，同時(shí)結(jié)合其他的分析手段對(duì)硫化土桿菌這類(lèi)電活性細(xì)菌進(jìn)行了深入分析。
  實(shí)驗(yàn)中，作者使用定制的QCM-D/拉曼聯(lián)用模塊，使得兩臺(tái)儀器可以同時(shí)進(jìn)行在線原位測(cè)試。通過(guò)QCM-D光學(xué)窗口，使拉曼光源直接入射到芯片表面。在測(cè)試芯片選擇中，作者使用了一種10微米鍍層的多孔ITO導(dǎo)電玻璃表面，這使得表面可以自由地進(jìn)行細(xì)菌物質(zhì)吸附，導(dǎo)電性不受影響；并且ITO鍍膜可以使得拉曼光源強(qiáng)度不受損失。
  測(cè)試時(shí)，作者將硫化土桿菌通入到芯片表面，通過(guò)調(diào)節(jié)表面電位~0.3 V vs SHE標(biāo)準(zhǔn)氫電極（紅色曲線，下同）并在無(wú)氧環(huán)境中進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)。當(dāng)細(xì)菌吸附芯片表面后，可以看到耗散值出現(xiàn)了上升，這是由于細(xì)菌沉淀和吸附于電極表面導(dǎo)致的粘彈性增大造成。電流在隨后的12小時(shí)仍舊保持在0左右。 隨著時(shí)間的逐漸增加，耗散的變大趨勢(shì)漸增，但仍處于生物膜生長(zhǎng)初期。隨后耗散增加趨于緩慢，并在2-3天時(shí)快速上升。此時(shí)，表面電流也快速增加，作者解釋電流的增加與每個(gè)細(xì)菌細(xì)胞中細(xì)胞色素在胞外電荷轉(zhuǎn)移（EET）中的表達(dá)增強(qiáng)有關(guān)。隨著后期細(xì)菌生長(zhǎng)，小部分的生物膜脫落導(dǎo)致的耗散斷崖式降低也與電流變化呈一致。
 
試驗(yàn)后期作者使用無(wú)菌陰極溶劑沖洗芯片表面，并保持電位于~0.44 V vs SHE（藍(lán)色曲線）。電流穩(wěn)定維持在-0.02mA/cm²，此時(shí)芯片表面無(wú)質(zhì)量變化。實(shí)驗(yàn)也即證明了當(dāng)切換到陰極模式時(shí)，細(xì)胞色素被抑制，而生物膜的質(zhì)量大部分保留。
 
作者對(duì)原位拉曼數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)進(jìn)行了綜合分析，得出細(xì)胞外的色素表達(dá)對(duì)陽(yáng)極的生長(zhǎng)階段至關(guān)重要，陰極條件下，細(xì)胞色素會(huì)部分降解，并且本身的鐵元素可能被用作細(xì)胞外電荷轉(zhuǎn)移（EET）過(guò)程的可溶性氧化還原物質(zhì)。
 
該論文近期發(fā)表于美國(guó)化學(xué)會(huì)志，DOI:10.1021/jacs.9b13077, 版權(quán)歸原文作者所有，更多QCM-D技術(shù)和產(chǎn)品詳情請(qǐng)點(diǎn)擊鏈接了解, 或者致電百歐林。