一种用于研究多孔介质中生物堵塞的微流控平台

该方法可系统研究孔径大小和流速对天然及人工多孔介质中生物膜发育的影响，从而揭示多孔介质生物堵塞的基本机制。该技术的主要优势在于对变化过程具有最高的空间和时间分辨率，并且实验平台可适应多种实验条件和需求。实验开始前3小时，先打开显微镜的培养箱，以确保温度稳定在25摄氏度。

将进样和出样管路连接到微流控装置上。通过将外径为0.6毫米的针头插入进样管路，固定管路与注射器之间的连接。将微流控装置、30毫升去离子水和30毫升培养基放入真空干燥器中，抽真空脱气至少一小时。

完成后，缓慢将培养基和去离子水分别吸入两个30毫升的注射器中。然后，将微流控装置安装到显微镜上，并将出口管路置于废液容器中。通过微流控管路将装有去离子水的注射器连接至微流控通道，并缓慢注入水，直至水从压力传感器出口流出。

用水填充压力传感器，并冲洗连接微流控通道与压力传感器的管路中的所有气泡。使用专用于压力传感器的螺丝封闭其出口。用去离子水填充微流控通道的其余部分。

接下来，将一个1.2微米的滤器安装到培养基注射器上。取下水注射器，并小心地将该注射器连接至微流控进样管路。将注射器安装到注射泵上后，以每小时2毫升的流速用培养基冲洗通道1小时。

随后，在实验过程中将注射泵设定至所需的流速，并将压力传感器的压力读数归零。接下来，用移液器吸取1毫升光密度在600纳米波长下为0.1的枯草芽孢杆菌NCIB 3610培养液，置于1.5毫升离心管中。为将细菌培养液加载至微流控通道，将出口管插入离心管中，并静置五分钟，以排除管路出口处可能存在的气泡。

完成后，以每小时1毫升的流速吸取150微升细菌溶液，直至微流控通道被细菌培养液充满。随后，小心移除培养基注射器滤器，并将出口置于废液容器中。让细菌细胞在微流控通道内处于无流动条件下静置3小时，以使其在多孔介质表面充分附着。

开始实验时，先将注射泵设置为所需的流速以启动流动，然后以每秒一次的频率开始记录压力读数，再以设定的时间间隔、光学配置和放大倍数采集生物膜生长过程的图像。生物膜的形成过程通过明场显微镜进行观察，其中细菌细胞和生物膜在图像中呈现为较暗的像素。在为期24小时的实验中，最初随机生长的生物膜几乎定植了整个多孔介质。

在20小时时，最小孔径下的生物膜表面覆盖率比最大孔径下快10%。生物膜表面覆盖率与压力累积的相关性表明，较小孔径的微流控通道中的堵塞导致入口与出口之间的压力差高于较大孔径通道。需要牢记的最重要方面是在温度稳定的环境中进行实验，并对微流控装置和溶液充分脱气，以避免气泡形成。

该方法可用于系统性研究在工业和自然多孔介质中，流速和孔径对生物膜生长基本机制的影响。