耗散型石英晶體微天平與拉曼光譜的聯用

耗散型石英晶體微天平與拉曼光譜的聯用--細胞色素在硫化土桿菌生物膜的胞外電子轉移途徑研究
 
 
具有電活性的細菌存在于各種各樣的環境中，從土壤/水，到深海火山口，再到人體消化系統。而在科技方面，電活性細菌在燃料電池，微生物合成化學以及半人工光合作用組件中展現出應用前景。盡管人們對電活性細菌的認知已經超過了一個世紀，但是仍舊無法闡明電極與細菌之間電荷轉移的精確機制。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進行聯用，同時結合其他的分析手段對硫化土桿菌這類電活性細菌進行了深入分析。
  實驗中，作者使用定制的QCM-D/拉曼聯用模塊，使得兩臺儀器可以同時進行在線原位測試。通過QCM-D光學窗口，使拉曼光源直接入射到芯片表面。在測試芯片選擇中，作者使用了一種10微米鍍層的多孔ITO導電玻璃表面，這使得表面可以自由地進行細菌物質吸附，導電性不受影響；并且ITO鍍膜可以使得拉曼光源強度不受損失。
  測試時，作者將硫化土桿菌通入到芯片表面，通過調節表面電位~0.3 V vs SHE標準氫電極（紅色曲線，下同）并在無氧環境中進行長期觀測。當細菌吸附芯片表面后，可以看到耗散值出現了上升，這是由于細菌沉淀和吸附于電極表面導致的粘彈性增大造成。電流在隨后的12小時仍舊保持在0左右。 隨著時間的逐漸增加，耗散的變大趨勢漸增，但仍處于生物膜生長初期。隨后耗散增加趨于緩慢，并在2-3天時快速上升。此時，表面電流也快速增加，作者解釋電流的增加與每個細菌細胞中細胞色素在胞外電荷轉移（EET）中的表達增強有關。隨著后期細菌生長，小部分的生物膜脫落導致的耗散斷崖式降低也與電流變化呈一致。
 
試驗后期作者使用無菌陰極溶劑沖洗芯片表面，并保持電位于~0.44 V vs SHE（藍色曲線）。電流穩定維持在-0.02mA/cm²，此時芯片表面無質量變化。實驗也即證明了當切換到陰極模式時，細胞色素被抑制，而生物膜的質量大部分保留。
 
作者對原位拉曼數據及其他數據進行了綜合分析，得出細胞外的色素表達對陽極的生長階段至關重要，陰極條件下，細胞色素會部分降解，并且本身的鐵元素可能被用作細胞外電荷轉移（EET）過程的可溶性氧化還原物質。
 
該論文近期發表于美國化學會志，DOI:10.1021/jacs.9b13077, 版權歸原文作者所有，更多QCM-D技術和產品詳情請點擊鏈接了解, 或者致電百歐林。