Summary
살아있는 미생물 biofilms 순수 관련 조건에서의 전기 전도도 측정 하기 위한 프로토콜 제공 됩니다.
Abstract
여기 전기 게이팅의 방법은 전극 성장 미생물 biofilms 순수 관련 조건에서의 전기 전도도 특성화 하는 데 사용 설명 합니다. 1 이 측정 소스를 사용 하 여 수성 매체에서 생활 biofilms에 수행 됩니다 및 전극 센서 전극 (IDA) 배열 이라고 하는 특수 구성에 유리 표면에 무늬를 드레인. Biofilm는 소스와 드레인을 연결 하는 격차에 걸쳐 확장 하는 성장 이다. 잠재력 (ES 와 ED) 전극에 적용 되는 전극 사이 biofilm 통해 (ISD) 소스-드레인 전류를 생성. 게이트 잠재력에 전기 전도도의 종속성 (소스와 드레인 잠재력, EG 의 평균 = [ED + ES] / 2) 체계적으로 잠재적인 게이트 변경 결과 소스-드레인을 측정 하 여 결정 됩니다 현재. 잠재적인 게이트 전도도의 종속성 조사 특정 biofilm의 전기 전도도 기본 extracellular 전자 전송 프로세스에 대 한 기계 정보를 제공 합니다. 여기에 설명 된 전기 제어 측정 방법을 기반으로 M. S. Wrighton2,3 , 동료 및 R. W. 머 레이4,,56 와 동료에 의해 사용에 직접 1980 년의 전도성 고분자 박막을 조사.
Introduction
세포 외 전자 전송 (동유럽 표준시)은 특정 미생물 세포내 대사 과정 및 불용 성 전자 수락자 또는 기증자를 천연 광물에서 배열 셀 바깥쪽에 있는 전자 수송 수 있도록 하는 프로세스 전극입니다. 경우에 따라 동유럽 표준시 전기 전도성 다중 셀 두께 biofilms는 셀 전극과의 직접 접촉에 활용할 수 있습니다 여전히 그것은 대사 전자 수락자 또는 기증자로, 전극 표면에 형성 하는 미생물을 수 있습니다. 미생물 electrosynthesis, 오염 감지/제거, 및 원격 에너지 생성 및 저장,7,8,9 등 다양 한 응용 프로그램에 대 한 전극 촉매 같은 biofilms에 상당한 관심이 있다 ,10,11,12,,1314 미생물과 미생물 biofilms 비교의 내구성에 의해 수행 하는 대사 과정의 다양성으로 인해 효소 기반 bioelectrodes을. 15 , 16 또한, 동유럽 표준시 경로 자연스럽 게 발생에 전기 제어 또는 신호 변화에 잠재적으로 활용 될 수 있습니다 또는 유전자 조작 미생물 대사 과정에에서 관련 된, 예를 들어 원하는 제품 또는 탐지의 생산 대상 분석 또는 자극. 다른 생물학 물자 그들을 차별, electrocatalytic biofilms의 전기 전도도 그들의 electrocatalytic 속성의 중앙 측면 아직 작은 전극 환경에서 기본 동유럽 표준시 프로세스에 대 한 이해 그리고 알려져 있는 매우 경쟁 이다. 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24
여기에 설명 된 생활, 전극 성장 biofilms 센서 전극 배열 (IDAs)를 사용 하 여 통해 전도도 측정 하는 2-전극 방법이입니다. IDAs 모든 다른 밴드 배열 결과의 반대편에 연결 되도록 평면 유리 표면에 패턴화 병렬 직사각형 전극의 구성 2 전극 (소스와 드레인). 아이 다의 주의 깊은 검사 인접 한 밴드를 구분 하는 격차는 또한 그 같은 방식으로 양식 분리 두 전극 배열에 걸쳐 이리저리 엮어 하나의 간격 연결 보여준다 (예를 들어 그림 6.12b ref #1 참조). 결과 소스와 드레인 전극, 전도성 물질은 형성, 캐스팅, 생산, 또는 배열 (여기 간주 biofilms의 유형)의 경우 성장 하는 때 매우 높은 소스-드레인 전류 저조한 분리 길고 좁은 간격. 또한, 전극의 소형 작은 배경 커패시턴스 충전 때문 고 전도성을 만드는 데 필요한 재료의 양을 이후 게이트 잠재력에 변화 전도성 물질의 산화 상태에서 변경 하려면 현재 결과 IDAs를 사용 하 여 측정 너무 작습니다. IDA 기반 기술 여기서 설명한 전기 게이팅 전도성 고분자 박막의 특성 개발,2,3,,425 만 최근 생활 시스템에 적용 되었습니다. 18 생활 biofilms의 전도도 측정 하는 데 사용 하는 또 다른 기술은 대형 소스와 드레인 전극 및 잠재적인 게이트를 설정 하려면 소스 미터 분할 활용. 26 , 그러나 27 , 이러한 방법에 대 한 우려 되어 세부 이전. 18
아래의 프로토콜 캡슐화 우리의 경험과 생활의 전도도 측정 Geobacter sulfurreducens 및 biocathode MCL biofilms. G. sulfurreducens 유기 체 유일한 대사 전자 수락자로 전극를 포함 하 여 불용 성 물질을 사용할 수를 줄이는 모델 전극입니다. 또한, 그것은 여러 셀 길이, 공부 고 장거리 extracellular 전자 전송 하는 이상적인 모델 생물을 만드는 전자를 수송 할 수 있는 두꺼운 biofilms 형성. 우리는 또한 biocathode MCL, 생물이 미생물 연료 전지 음극에서 격리 하는 에어로빅, 자가 영양 혼합된 지역 사회 biofilm의 연구에 대 한 세부 정보를 포함 합니다. Biocathode MCL (라는 세 가지 주요 성분- Marinobacter, Chromatiaceaea 및 Labrenzia)은 그것의 유일한 전자 기증자로 전극 산화 하 고 여러 셀 길이, 전자 수송 그것은 공부에 재미 있는 음극 시스템. 또한, biocathode MCL는 이러한 방법을 사용 하 여 현재까지 살아있는 시스템에 대 한 가장 높은 보고 된 전도성. 이 프로토콜에서 이러한 다양 한 electroactive biofilms의 포함이이 기술은 전기 전극과 상호 작용할 수 있는 생활 biofilm 통해 전자의 수송 측정에 적용 됩니다 강조 의미입니다.
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Protocol
1. 센서 microelectrode 배열 (IDA) 준비
- 상업적으로 사용 가능한 아이 다 전극 절연체를 사용 기판 위에 패턴화 하거나 그들을 합성 표준 리소 그래피 방법을 사용 하 여. 28
참고: IDA 크기와 자료 수 있을 다양 한 다른 실험에 대 한 원하는 조건에 따라. IDAs는 여기에 사용 된 상업적으로 얻은 고 두 센서 골드 microelectrodes 배열의 반대 끝에 큰 전극 패드에 연결 된 유리 기판에 패턴의 구성. 전극은 전극 큰 접촉 패드를 연결 하는 버스 선 얇은 절연 물질로 코팅 하는 동안 노출 됩니다. IDAs 사용 여기는 구성 2 세트 10 µ m-2 m m 그리고 오래 된 금 microelectrode 밴드 (소스와 드레인)의 간격 5 µ m 떨어져 평면 유리 표면에 무늬. IDAs 사용 여기 65 전극 쌍 (130 총 센서 밴드) 했다. 번갈아 밴드 배열의 반대 끝에 전극 패드에 연결 됩니다. - 와이어 및 보 온 아이 다
- 전도성 실버 에폭시를 사용 하 여 각 큰 전극 패드는 와이어를 연결 합니다.
- 전도성 에폭시 (지시는 제조업체 별로 다를 수 있습니다) 특정 에폭시 혼합 막대 또는 피 펫 팁과 사용에서에 대 한 제조업체의 지침에 따라 준비 합니다.
- 각 골드 패드, 랩 테이프를 사용 하 여 내부에 안전 와이어를 놓습니다. 실버 에폭시 혼합 막대 또는 피 펫 팁을 사용 하 여 와이어와 패드를 커버.
- 신중 하 게 치료 또는 치료 사용 특정 전도성 실버 에폭시에 대 한 제조 업체의 권장 사항에 따라 1 시간에 80 ° C 오븐에 이동 합니다.
- 에폭시 치료 후 멀티 미터를 사용 하 여 와이어의 끝과 패드 사이의 전기 연결 되도록. 와이어와 패드 사이의 저항 < 5 Ω 이어야 한다. 또한,이 배열을 짧은 수 없습니다 전도성 에폭시 여러 전극 패드를 연결을 확인 하는 멀티 미터를 사용 합니다. 전도성 에폭시 여러 단서를 연결 하는 경우는 학자를 사용 하 여 리드를 분리.
- 열, 전기, 및 방수 단열재와 연결을 코팅 하 여 epoxied 연결 보 온. 난 연 폴리우레탄 수 지는 종종 적당 하다.
- 보 온 재료에 대 한 형으로 (대략 2.5 mL 마크)에서 원심 분리기 15 mL 원뿔 튜브의 끝을 제거 합니다. 21g 바늘을 사용 하 여 통해 내 다 와이어 하단에 두 개의 작은 구멍을 확인 합니다.
- IDA를 금형과 금형의 하단에 있는 구멍을 통해 전선을 삽입.
- 특정 단 열 재료를 준비 합니다. 얻은 특정 수 지와 함께 제공 된 지침을 따릅니다.
- 실버 에폭시는 완전히 되도록 금형에 절연체를 플라스틱 (~2.5 mL)을 적용 하 고 제조 업체의 사양에 따라 건조 허용.
- 전도성 실버 에폭시를 사용 하 여 각 큰 전극 패드는 와이어를 연결 합니다.
2. 전기 화학 반응 기 설치, 테스트 및 접종
- 전기 화학 세포를 설정 합니다.
- IDA, 카운터 전극 및 참조 전극 전기 화학 셀에 삽입 합니다.
참고: 사용 하는 전기 화학 반응 기 달라질 수 있습니다, 모든 전극 안에 들어갈 만큼. 한 고려는 참조 전극 작업 전극에 최대한 가까이 주어져야 한다 원자로의 실질적인 한계입니다. 여기, 단일 챔버 원자로 사용 하 여 작업 전극에서 참조 전극 ~ 2-3 cm. 또한, 카운터 전극 시스템에서 하지 제한 되도록 작업 전극 보다 더 큰 되어야 합니다. - 순수한 문화를 사용 하는 경우 내부 카운터 전극과 반응 기 소독. 10 분 및 10 분에 대 한 살 균 이온된 수 5 표 백제에 담그는 여 IDA를 소독을 위해 표 백제에 몸을 담글 하 여 참조 전극 소독 s 10에 대 한 살 균 이온된 수 뒤 원자로에 삽입 하기 전에 s.
- 메 마른 매체 biofilm 성장을 위해 적당 한 전기 화학 셀을 채우십시오. G. sulfurreducens17,18, 민물 중간 롤을 제외 하 고 사용 합니다. MCL biocathode,9 인공 해 수 매체를 사용 합니다. 9
- 전극은 bipotentiostat에 연결 합니다. 작업 리드 1 한 IDA 전극, 작업 리드 2 다른 아이 다 전극, 참조 지도, 기준 전극과 카운터 전극 카운터 리드를 연결 합니다.
- IDA, 카운터 전극 및 참조 전극 전기 화학 셀에 삽입 합니다.
-
전기 화학 IDAs의 테스트입니다.
참고:이 테스트의 주요 목표는 2 개의 전극 전기적으로 절연 되어 있는지 확인 하는. 모든 전기 화학 기술에 bipotentiostat를 제어 하는 데 사용 하는 소프트웨어에 사용할 수 있습니다.- 적절 한 IDA 함수는 bipotentiostat를 사용 하 여 되도록 (biofilm 성장) 전에 제어 전도도 테스트를 수행 합니다.
- 1 분 동안 각 전극의 측정 개방 회로 잠재력.
참고: 일부 악기에 개방 회로 잠재적인 달성 해야 합니다 galvanostatic 컬렉션 프로그램을 사용 하 고 전류를 0으로 설정 하 여 mA. - 측정 개방 회로 잠재력 전극 2 (그녀) 대 전극 1 0.2 V +0.6 V 사이 순환 voltammetry 20 mV/s에서 수행 하는 동안 합니다.
참고: 다른 범위 및 스캔 속도 이력서를 사용할 수 있습니다 필요한 경우. 그러나, 수소 또는 산소 생성 될 잠재력을 피하십시오. - 2 전극에서 측정 된 개방 회로 잠재적인 potentiostat 소프트웨어를 사용 하 여 이력서 중 전극 1의 잠재력을 반영 하지 않습니다 확인 합니다.
참고: 전극 2의 개방 가능성은 변경 될 수 있습니다, 그러나 그것은 전극 1의 잠재력의 독립적 이어야 한다. - 제어를 제외 하 고 단계 2.2.1.3 통해 2.2.1.1 2 전극과 전극 1의 개방 회로 잠재력 측정의 잠재력을 반복 합니다.
- 1 분 동안 각 전극의 측정 개방 회로 잠재력.
- Bipotentiostat 소프트웨어를 사용 하 여 관련 electroactive biofilm의 원하는 성장 잠재력을 작업 전극의 잠재력을 설정 합니다. 예를 들어 0.5 V (그녀) 대를 사용 하 여 Geobacter sulfurreducens 또는 biocathode MCL에 대 한 (그녀) 대 +0.31 V.
- 적절 한 IDA 함수는 bipotentiostat를 사용 하 여 되도록 (biofilm 성장) 전에 제어 전도도 테스트를 수행 합니다.
- 관련 electroactive biofilm 성장
- 표준 무 균 미생물 기술을 사용 하 여 원하는 화학적 활성 미생물의 재고 문화/농축에서 전기 화학 반응 예방 표준 테스트에 대 한 1 시 20 분에서 예방 OD600 의 비율 (원자로 볼륨 inoculum) = 0.5 문화.
- 원하는 수준 (~ 200 rpm) 및 인큐베이터를 반응 기에는 교 반 설정 / 관심의 biofilm의 성장 조건에 따라 원하는 온도에 물 목욕. G. sulfurreducens, 최적의 성장을 위한 30 ° C를 사용 합니다.
- biofilm 교량 2 개의 전극 분리 간격 때까지 관심의 microorganism(s)의 특정 요구 사항에 따라 시스템을 품 어. 고정에 대 한 G. sulfurreducens biofilm, 7 ~ 10 일 동안 품 어. MCL biocathode, ~ 7 일을 품 어. 각각의 경우에서 30 ° c.에 온도 제어
3. 전기 제어 실험
- 실험적인 매개 변수 제어 측정 전류-전위 의존성을 결정 하는 데 사용 됩니다를 선택 합니다.
- 게이트 시스템에 대 한 잠재적인 (EG) 곡선 대 전도 전류 (ISD)를 IDA에 적용 될 게이트 잠재력의 범위를 결정 합니다.
참고: 게이트 전위 검사의 범위는 가능한 산화 환 원 활동 모든 잠재력을 커버 한다. 관심의 시스템에 대 한 정보를 사용할 수 있는 경우 다양 한 잠재적인 범위 사용된 (+0.6 V vs. 그녀를-0.55) 해야 합니다. 시행 착오 접근 미세 조정 연구 시스템에 따라 범위를 사용할 수 있습니다. 잠재적인 게이트는 다음과 같이 정의 된다.
여기서 ED 는 드레인 전극의 잠재력 고 ES 소스 전극의 잠재력 이다. 사용 하는 게이트 전위의 범위 요구 및 관심의 특정 시스템의 한계에 의해 제한 됩니다. 18
참고: 이러한 프로세스는 biofilm를 손상 시킬 수 있습니다 소스와 드레인 후보를 산소와 수소 진화를 피해 야 한다. - 드레인에 소스에서 영화를 통해 전자 수송을 위한 원동력으로 사용 될 소스-드레인 전압 V (SD)를 결정 합니다. 소스-드레인 전압은 다음과 같이 정의 된다.
참고: 소스-드레인 전압 해야 충분히 작은 그래서 내가SD VSD선형으로 확장 합니다. 17 - EG 시스템 각 게이트 잠재력에 대 한 정상 상태에서 접근 될 수 있도록 내가SD 의 독립적인 시간으로 선형으로 변경 되는 스캔 속도 (v)를 선택 합니다.
참고:이 하 0.002 V/s의 스캔 속도 생물 학적 시스템 자주 사용 됩니다. 29 , 30 - 제어 측정을 수행 하는 bipotentiostat 소프트웨어를 설정 (즉, 청소는 게이트 잠재적인) 위의 고려 사항에 따라 원하는 스캔 속도 선택한 소스-드레인 전압에 선택한 범위에서.
참고: G. sulfurreducens,,1719 EG 를 사용 하 여 이전 제어 측정에 대 한-0.55 (대 그녀), 0.6 V에 V = VSD = 0.01 V 또는 0.1 V, v = 0.001 V/s. Biocathode MCL, EG 에 대 한 (그녀), 대 0.7 V 0.25 V = VSD = 0.002 V, v = 0.0002 V/s.- 또한, VSD 기준 측정 수행 0.000 V (즉, 촬영 동시에 각 개별 전극에 CV) = 같은 v 단계 3.1.3에서에서 선택에.
- 3.1.4 (수용 성 전자 기증자 또는 수락자 존재)로 모두 매출 아래에서 비-매출 (없이 수용 성 전자 기증자 또는 수락자) 상태를 사용 하 여 제어 측정을 수행 합니다.
참고: 비-매출 조건이 유리한 측정은 산화 또는 감소, 세포 신진 대사에 대 한 수용 성 화합물의 가려진 하지 때문에 비록 조건 후 사용에 관계 없이 비슷한 결과 얻을 수 있어야 뺀 배경 전류 (3.1.8에 자세히 설명)입니다.- 전극에 세균성 성장을 위해 사용으로 동일한 반응 기 매체를 사용 하 여 매출 조건 달성. 이 매체는 G. sulfurreducens,17 또는 수락자, MCL Biocathode에 대 한 산소 같은 아세테이트 등 수용 성 전자 기증자를 포함합니다.
- 동일한 반응 매체 제외 하 고는 전극에 세균성 성장을 위해 사용 수용 성 전자 기증자 또는 수락자를 생략 하 여 비-매출 조건 달성. potentiostat 꺼져 있음을 확인 한 후 aseptically 매체를 제거 하 고 추가 하 고 시스템에 대 한 전자 기증자 또는 수락자 음극 시스템 없이 신선한 매체에. 또는 연속 흐름 시스템을 천천히 nonturnover 조건에 대 한 원하는 매체와 매체를 대체 하는 설정할 수 있습니다.
참고: 산소 수용 성 전자 수락자 (MCL biocathode)에 관해서는 인 경우에, sparge ~ 15% CO2 85% N2 (또는 매체에 있는 정확한 pH를 유지 하는 가스 혼합물)의 혼합 시스템.
- 제어 측정 완료 후 potentiostat 소프트웨어를 사용 하 여 시스템을 다시 (2.2.2에서 동일한 값을 사용 하 여)을 안정화할 수 있도록 잠재적인 성장에 다시 각 전극의 잠재력을 설정 하.
- 위에서 설명한 모든 조건이 충족 되 면 (난SD v의 독립적 이며 선형 VSD확장), 전도도 다음 방정식을 사용 하 여 앞에서 설명한31 나SD 값 변환
- 전도도 S G가 종속, 시스템 및 전극 크기, 간격 크기, biofilm 높이 등 변수 요인 배율 인수입니다. 특정 시스템에 대 한 S 미리 정해진된 방정식에서 확인할 수 있습니다. 31 또는 S 계산할 수 숫자를 사용 하 여 모델링 소프트웨어도 이전. 17
- 형태와 전도 전류의 크기 식별 배경 전류를 뺍니다. 하나 빼기 VSD 에서 생성 된 전류 = 0.00 V VSD 에서 발생 하는 전류에서 = 0.01 V / 드레인 전류 현재 소스에서 VSD 생성 빼기 = 0.01 떠나 어느 방법 제거 배경 전류 대 만 실시 전류입니다.
- 게이트 시스템에 대 한 잠재적인 (EG) 곡선 대 전도 전류 (ISD)를 IDA에 적용 될 게이트 잠재력의 범위를 결정 합니다.
- 온도 의존 전기 제어 측정
- 관심의 온도 범위를 결정 합니다. 그러나이 범위는 매우 연구, 순수 관련 온도 사용 해야 합니다 시스템에 의존 합니다.
참고: 이전 연구 mesophilic 미생물에 대 한 생리 적으로 관련 된 조건 하에서 전자 전송 공부 10 ° C ~ 30 ° C의 온도 범위 사용. 17 - 반복 물 목욕 이나 원자로 온도 및 세트 포인트 및 매체의 실제 온도 동일은 되도록 제어 원자로를 인큐베이터를 얻을.
- 장소 온도계 또는 열전대 제어 반응 기에서 IDA 될 것 이다.
- 나에 게 매출에서 선택한 온도 nonturnover (3.1.5 단계에서 설명)의 범위에서SD 측정 (3.1.4 참조) 아래에 설명 된 두 가지 절차 중 하나를 수행 하는 bipotentiostat를 사용 하 여 조건.
- 생성 나SD EG 곡선, 대 (3.1 참조), 위에서 설명한 대로 관심의 온도 범위에서 각 온도 대 한. 자료에 대 한 그 redox 전도도 전시 하는 G. sulfurreducens 및 Biocathode MCL, 각 온도에서 피크 전류 I T 의존 대SD 를 결정 하는 데 사용은 같은.
참고:이 메서드 나SD EG 대 각 온도 대 한 곡선 하지만 두 번째 옵션 보다 더 많은 시간이 필요 합니다 전체를 생성 하는 데 사용 됩니다. - 또는 설정 누르고 실시 최대 수익률 잠재적인 게이트에서 IDA는 bipotentiostat를 사용 하 여 현재 (난SD 에서 얻은 대 EG 곡선, 단계 3.1.4) 고 기록 하는 동안 bipotentiostat를 사용 하 여 최대 전도 전류 온도 온도 물 목욕 이나 인큐베이터의 온보드 컨트롤을 사용 하 여 선택 범위 사이 순환 됩니다.
참고: 여기에 사용 된 전극/반응 기 형상이 있는 ISD 및 T 안정 위해 20 분 이상 및 평균 나SD 안정 수는 각 온도에 사용 됩니다. 더 많거나 적은 안정화 시간이 필요할 수 있습니다 특정 시스템에 따라. 이 메서드는 첫 번째 보다 더 빨리 이며는 biofilm에 덜 스트레스를 일으키는. 그러나, 전체 제어 곡선 생성 되지 않습니다. - 다른 한 세트 포인트에서 온도 순환 하 고 온보드 컨트롤을 사용 하 여 다시 다시 인큐베이터의 물 목욕 온도 되도록 반응의 가역 결정을 순환 해가 되지 않습니다는 biofilm.
- 생성 나SD EG 곡선, 대 (3.1 참조), 위에서 설명한 대로 관심의 온도 범위에서 각 온도 대 한. 자료에 대 한 그 redox 전도도 전시 하는 G. sulfurreducens 및 Biocathode MCL, 각 온도에서 피크 전류 I T 의존 대SD 를 결정 하는 데 사용은 같은.
- 인큐베이터 또는 물 목욕의 온보드 컨트롤을 사용 하 여 정상적인 성장 온도 다시 온도 설정 하 고 시스템을 안정화할 수 있도록.
참고: redox 지휘자에 대 한 나SD 1/T 데이터 대 수 적합 Arrhenius 속도 식을 다음과 같이 활성화 에너지의 계산을 허용:
E는는 인접 한 산화 환 원 공동 인자와 k 간의 전자 전송에 대 한 활성화 에너지는 볼츠만 상수 이다.
- 관심의 온도 범위를 결정 합니다. 그러나이 범위는 매우 연구, 순수 관련 온도 사용 해야 합니다 시스템에 의존 합니다.
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Representative Results
IDAs 유선, 절연 되었고 두 전극은 서로 (그림 1)에서 전기적으로 절연 되도록 테스트. 원자로 조립, G. sulfurreducens와 주사 되었고 incubated a biofilm 전극 사이의 격차에 다리까지. G. sulfurreducens biofilm 배열을 다루는를 시각적으로 볼 수 있습니다. 다른 biofilms는 두 전극에 전기적으로 연결 되어 있는지 전기 제어 측정 할 연구원이 필요할 수 있습니다. 현미경 검사 법 또한 배열 전극 사이 연결을 확인 하려면 사용 해야 합니다. 전기 제어 실험 EG (그림 2) 나SD 의 의존을 결정 하기 위해 실시 했다. 생활 영화의 전도성은 다음 제어 실험 측정 실시 전류를 사용 하 여 계산 됩니다. 정밀도이 측정의 정확도 때문에 높은 신호 대 잡음 비 IDA 구성 가능한 높은 했다. T에 나SD 의 온도 의존성도 biofilm (그림 2)를 통해 전자 전송에 대 한 활성화 에너지와 함께 결정 했다. 여기서 얻은 결과 비슷합니다 이전17,18 관찰 및 G. sulfurreducens 및 biocathode MCL biofilms 비슷하게 동작 redox 지휘자 전자는 가설을 지원 산화의 공동 인자 가까운 근접에서 사이 호핑 여는 biofilm를 통해 전송 됩니다.
그림 1: 아이 다를 설정 하 고 전기 테스트 제어. (A) 유선 및 절연 된 아이 다. 삽입: 이미지 센서 전극과 큰 전극 패드 중 하나를 보여주는 배열의 확대. 별도 카운터 및 기준 전극 실험을 수행 하는 아이 다와 함께 전기 화학 셀에 배치 됩니다. (B) 전기 제어 테스트 각 전극의 전기 독립을 전시 합니다. 2 전극의 개방 회로 잠재력 전극 누전 하지 biofilm 게이팅 측정에 사용할 수 있습니다 나타내는 이력서 중 전극 1의 변화 가능성에 응답 하지 않습니다. (C) B, 전극 2의 잠재력 이력서 1, 전극의 전극 누전 되 고 게이팅 측정에 사용할 수 없습니다 나타내는 동안 이동은 제외 하 고는 같습니다. 이 아이 더 실험에 사용 되지 않습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 2: 전기 화학 실험 게이팅. (A) 전기 화학 측정 생활의 게이팅, 전극 G. sulfurreducens biofilm를 성장. 피크 모양 나SD-EG 곡선에서 biofilm 통해 조리, 다단계 전자 전송의 지표입니다. 전도 전류 곡선 소스 드레인 전류 (및 2로 나누어)에서 빼서 얻은 배경 전류를 제거 하기 위해 각 게이트 잠재력에서 얻은. VSD 촬영 원시 현재 데이터의 예에 대 한 = 0, VSD = 0.01 V, 독자 이전 작업의 지원 정보를 참조. 18 (B) 온도 의존 게이팅 measurementsover 순수 관련 범위 온도 증가 전도도의 증가 전시, redox 지휘자에 대 한 속성 관찰. 4 (C) 변화 나SD -T 데이터와 Arrhenius 방정식에 맞는. Arrhenius 방정식을 선형 적합 다단계 전자 전송 프로세스의 나타내는 것입니다. G. sulfurreducens biofilm 통해 전자 전송에 대 한 활성화 에너지는 ~0.01 수 곡선의 기울기 로부터 계산 인접 한 c의 redox 센터 사이 전자 전송 일치 eV-입력 한다. 32 , 33 , 34 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
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Discussion
IDA의 설치 하는 동안 그는 소스와 드레인은 하지 누전 함께 전기 제어 측정, 이전이 나에 게 EG 곡선 대SD 를 변경 하 고 잘못 된 결과 해석으로 이어질 수 테스트에 중대 하다. 그것은 또한 VSD 및 v는 전류는 선형 VSD 에 의존 하 고 독립적인 v의 그런 선택에 중요 한. 이 경우가 아니라, 위에서 설명한 방정식 전도도 계산 하기 위해 사용 수 없습니다.
두 개 이상의 배경 전류로 간주 하 고 전도 전류 측정에서 제거 해야 합니다. 첫 번째 게이트 잠재력 휩 쓸 배경 현재 Faradaic 충전/방전의 산화 환 원 공동 인자 때문입니다. 현재이 배경 이다 산화 환 원 전극 표면에 전기적으로 액세스할 수 있는 공동 인자 연결의 양에 의해 크게 영향을. 두 번째 배경은 현재 더블 레이어 커패시턴스 이다. 현재 세 번째 배경 대사 전자 수락자/기증자 세포의 회전율 때문 이다. 현재이 배경만 매출 조건에서 적용 됩니다. 이 연구에서 백그라운드 전류 소스 전류 VSD 에서 드레인 전류를 빼서 제거 했다 = 0.01 V. 이 메서드는 백그라운드 전류는 두 전극에과 소스-드레인 전류는 전극, 하지만 반대 서명에서 크기에 가정 합니다. 이 경우에 소스와 드레인 전류를 빼서 크기에서 실시 현재 더블 있고 두 가지로 나눌 수 있습니다. 이 가정만 진정한 보유 하 고 있는 작은 VSD, 종속 시스템의 제한에 주목 해야 한다 ( G. sulfurreducens, VSD에 대 한 < 0.05 V). 큰 VSD 값은 종종 각 전극에 서로 다른 조건에서 결과 사용 배경 빼기의이 방법을 방지 한다. 또는 배경 전류 소스를 빼서 제거 될 수 있다 및 드레인 전류 VSD 에서 얻은 VSD 에서 얻은 그에서 0.0 V = = 0.01 V. 이 메서드는 각 전극의 초기 전류는 동일을 가정 하지 않습니다.
여기에 설명 된 기술은 유연한입니다. 대부분의 프로토콜에서 설명 하는 매개 변수 연구 시스템에 의존 하 고 변경할 수 있습니다. 예를 들어, 자료와 IDA의 크기는 변화 될 수, 대 한 온도 범위, 및 다른 매개 변수 사이 게이트 잠재력의 범위를 특정 연구의 요구에 맞게 변경할 수 있습니다. 더, 표준 미생물 및 전기 기술을 적응 하 고 활용,이 다양 한 분야에서에서 연구원에 대 한 적합 한 프로토콜.
여기 우리는 공부 하는 생활, 성장, electroactive biofilms IDAs를 사용 하 여 전극에서에서 전자 전송에 대 한 프로토콜을 설명 했습니다. IDAs 이전 실시 고분자 박막에 전자 수송 특성에 사용 되었습니다 그리고 다양 한 표준 전극 재료 및 photolithographic 기술을 사용 하 여 날조 될 수 있다. 2 기본 IDAs의 장점은 높은 신호 소음 비율 때문에 i) 긴 뱀 격차 대체 소스를 구분 하 고 드레인 전극 밴드와 간격 크기에 비해 상대적으로 작은 총 전극 표면 영역 ii)를. 전극 형상 전극 및 간격 치수 신호 대 잡음 비에 큰 영향을 미칠 때문에 측정 게이팅에 고려 하는 것이 중요 하다 따라서 만든 전도도 측정의 정확도에. 18
전기 화학 실험 생활, 전극 성장 G. sulfurreducens biofilms 전시의 게이팅 분명 피크 모양 나의SD EG, 전자 통해 biofilm를 통해 수송 된다 제안 조리, 다중 단계 호핑, redox 전도성 고분자로. 4 , 35 G. sulfurreducens biofilm의 피크 전도성 수 ~ 4 µS/c m, 유사한 조건 하에서 이전 결과와 발견 됐다. 17 더, 잠재적인 게이트 피크 전도도 잠재적인 중간점 비슷합니다 G. sulfurreducens biofilms에 대 한 동안 관찰 회전율 cv.17 또한 이전 관찰 되었습니다 이와 같은 의미를 가정 하는 아세테이트 대사에서 발생 하는 전자 수송에 대 한 셀에서 사용 하는 전자 사업자 또한는 biofilm 통해 드레인 전극에 소스 전극에서 충전을 수행 하는 데 사용 됩니다. EG에 나SD 의 다른 종속성과 같은 다른 자료에서 관찰 되었습니다 그리고 제안 하는 전자 전송의 다른 메커니즘. 예를 들어 I EG 곡선 폴리머 poly(methylthiophene)의 대SD s 자 모양의 곡선을 보여준다 고 금속 같은 전자 전도 제안 합니다. 36 , 37
실시 전류의 온도 의존 전도성 재료를 통해 전자 수송의 메커니즘을 결정에 중요 한 매개 변수입니다. 최근까지 전 원래의 샘플만 전도 전류는 biofilm의 온도 의존성을 조사 하기 위해 사용 되었습니다 했다. 22 여기와 다른17 제시 최근 결과 얻은 다른 내가SD -T 의존 제어 측정을 사용 하 여 그러므로 G. 통해 전자 전송의 다단계, 조리 호핑 메커니즘을 예측 sulfurreducens 이전 제안 된 메커니즘 보다 다른 biofilms. 22
이 기술 및 다른 유사한 형상을 미생물 biofilm 통해 전자 수송을 평가할 때의 주요 제한은 충전 평평한 표면에 같은 평면에 배치 하는 소스와 드레인 전극 사이 옆으로 이동입니다. 그러나 Biofilm 통해 전자의 자연 스러운 흐름은, 전극 표면에 수직 이다. 이 기술 및 모델을 사용 하 여, 우리는 균질 성 영화로 biofilm 대략적인 하 고는 biofilm의 일부만 통해 전자 흐름을 심문. biofilm의 공간이 성분의 실험적인 유효성 검사는 여전히 더이 기술을 확인 하는 데 필요한. 그러나, 위에서 설명한 대로이 메서드는 높은 신호 대 잡음 비 날짜를 사용할 수와 함께 현장에서 측정 수 있습니다. 이 기술은 충전 공부를 사용할 수 있는 전극와 상호 작용할 수 있는 모든 자료의 전송.
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Disclosures
저자는 공개 없다.
Acknowledgments
M.D.Y, S.M.G-S. L.M.T. 인정 사무실의 해군 연구 (상 #N0001415WX01038 및 N0001415WX00195), 해군 연구 실험실, 및 해군 연구 실험실 Nanosciences 연구소; M.Y.E.-명. 여는 미국 부의 에너지 부여 드-FG02-13ER16415 지원 됩니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| IDAs | CH Instruments | 012125 | Manufactured by ALS-Japan; sold by CH Instruments |
| Wire | Digikey | W7-ND | |
| Conductive silver epoxy | Electron microscopy sciences | 12670-EE | |
| Insulating material | 3M | 2131-B | Scotchast flame retardant compound |
| 15 mL conical centrifuge tube | VWR | 89004-368 | |
| 21g needle | VWR | BD-305165 | |
| 5 mL pipette tips | VWR | 82018-842 | |
| 5 mL pipettor | VWR | 89079-976 | |
| Freshwater medium components | Sigma Aldrich | All standard laboratory chemicals | |
| Ammonium chloride | |||
| Sodium phosphate monobasic | |||
| Sodium bicarbonate | |||
| Artificial seawater medium components | Sigma Aldrich | All standard laboratory chemicals | |
| Sodium chloride | |||
| Magnesium chloride hexahydrate | |||
| Magnesium sulfate heptahydrate | |||
| Potassium chloride | |||
| Sodium bicarbonate | |||
| Calcium chloride dihydrate | |||
| Ammonium chloride | |||
| Potassium phosphate dibasic | |||
| Ag/AgCl reference electrode | Basi | MF-2079 | |
| Graphite rod counter electrode | Electron microscopy sciences | 70230 | |
| Recirculating water bath | Thermo Scientific | 152-5256 | |
| Bipotentiostat | Pine Instruments | WD-20 | http://www.voltammetry.net/pine/aftermath/user |
| Stir bars | VWR | 58947-114 | |
| G. sulfurreducens culture | ATCC | 51573 | |
| Jacketed reactor | Pine Instruments | RRPG085 |
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