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Chemistry

निस्र्पक इलेक्ट्रॉन परिवहन के माध्यम से जीवन यापन फिल्म

Published: June 1, 2018 doi: 10.3791/54671

Summary

शारीरिक रूप से प्रासंगिक स्थितियों के तहत माइक्रोबियल जैविक फिल्म के रहने की विद्युत चालकता को मापने के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत किया है ।

Abstract

यहाँ हम शारीरिक रूप से प्रासंगिक स्थितियों के तहत इलेक्ट्रोड-बड़े माइक्रोबियल फिल्म के विद्युत चालकता की विशेषता के लिए इस्तेमाल किया विद्युत गेटिंग की विधि का प्रदर्शन. 1 इन मापनों जलीय मध्यम में रहने वाले स्रोत का उपयोग कर और नाली इलेक्ट्रोड एक विशेष विंयास में एक गिलास सतह पर नमूनों में एक interdigitated इलेक्ट्रोड (आईडीए) सरणी के रूप में संदर्भित पर प्रदर्शन कर रहे हैं । एक फिल्म है कि स्रोत और नाली को जोड़ने के अंतर भर में फैली हुई है । संभावित इलेक्ट्रोड के लिए लागू कर रहे हैं (ईएस और ईडी) उत्पादन एक स्रोत-नाली वर्तमान (मैंएसडी) के माध्यम से इलेक्ट्रोड के बीच फिल्म. फाटक क्षमता पर विद्युत चालकता की निर्भरता (स्रोत और नाली संभावितों का औसत, ईजी = [ईडी + ईएस]/2) व्यवस्थित रूप से फाटक क्षमता बदलने और परिणामी स्रोत को मापने-नाली द्वारा निर्धारित किया जाता है वर्तमान. गेट क्षमता पर चालकता की निर्भरता extracellular इलेक्ट्रॉन परिवहन की जांच के तहत विशिष्ट फिल्म की विद्युत चालकता की प्रक्रिया के बारे में यंत्रवत जानकारी प्रदान करता है । विद्युत गेटिंग माप विधि यहां वर्णित है कि एम. एस. Wrighton2,3 और सहयोगियों और आर. डब्ल्यू मरे4,5,6 और सहयोगियों द्वारा इस्तेमाल पर सीधे आधारित है 1980 तनु फिल्म प्रवाहकीय पॉलिमर की जांच करने के लिए है ।

Introduction

Extracellular इलेक्ट्रॉन परिवहन (ईत) एक प्रक्रिया है कि कुछ सूक्ष्मजीवों intracellular चयापचय प्रक्रियाओं और अघुलनशील इलेक्ट्रॉन स्वीकारकर्ता या दाताओं है कि कोशिका के बाहर रहते हैं, के बीच इलेक्ट्रॉनों के परिवहन के लिए सक्षम बनाता है प्राकृतिक खनिजों से लेकर इलेक्ट्रोड. कुछ मामलों में, ईत इलेक्ट्रोड सतहों पर विद्युत प्रवाहकीय बहु-कोशिका मोटी सी फिल्म बनाने के लिए सूक्ष्मजीवों को सक्षम बनाता है, जो कोशिकाओं में नहीं इलेक्ट्रोड के साथ सीधे संपर्क में अभी भी यह एक चयापचय इलेक्ट्रॉन स्वीकारकर्ता या दाता के रूप में उपयोग कर सकते हैं. ऐसे माइक्रोबियल electrosynthesis, contaminant संवेदन/हटाने, और दूरदराज के ऊर्जा उत्पादन और भंडारण के रूप में विभिंन अनुप्रयोगों के लिए इलेक्ट्रोड उत्प्रेरक के रूप में इस तरह की फिल्म में काफी रुचि है,7,8,9 ,10,11,12,13,14 की तुलना में सूक्ष्मजीवों और माइक्रोबियल जैव फिल्म के स्थायित्व द्वारा प्रदर्शन चयापचय प्रक्रियाओं की विविधता के कारण एंजाइम आधारित इलेक्ट्रोड के लिए । 15 , 16 इसके अलावा, ईत रास्ते संभावित रूप से एक वांछित उत्पाद या पता लगाने के उत्पादन में, उदाहरण के लिए, शामिल प्राकृतिक रूप से होने वाली या आनुवंशिक रूप से इंजीनियर माइक्रोबियल चयापचय प्रक्रियाओं में विद्युत नियंत्रण या संकेत परिवर्तन करने के लिए उपयोग किया जा सकता है एक लक्ष्य analyte या उत्तेजना की । electrocatalytic जैव फिल्म है, जो उंहें अंय जैविक सामग्री से अलग सेट के विद्युत चालकता, उनके electrocatalytic गुणों का एक केंद्रीय पहलू है, अभी तक थोड़ा इलेक्ट्रोड वातावरण में अंतर्निहित ईत प्रक्रिया के बारे में समझा जाता है, और जो जाना जाता है अत्यधिक लड़ा है । 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24

यहां वर्णित है एक 2-इलेक्ट्रोड विधि रहने के माध्यम से चालकता को मापने के लिए, इलेक्ट्रोड-हो interdigitated इलेक्ट्रोड arrays (ईदास) का उपयोग कर फिल्म । ईदास ऐसे है कि हर दूसरे बैंड 2 इलेक्ट्रोड (स्रोत और नाली) में जिसके परिणामस्वरूप सरणी के विपरीत पक्षों में जुड़ा हुआ है कि फ्लैट कांच की सतह पर नमूनों समानांतर आयताकार इलेक्ट्रोड से मिलकर बनता है । एक आईडीए के सावधान परीक्षा (उदाहरण के लिए देखें, #1 रेफरी का आंकड़ा 6.12 बी) से पता चलता है कि आसंन बैंड अलग अंतराल भी इस तरह से जुड़े रहे है के रूप में एक ही अंतर है कि आगे और पीछे के दो इलेक्ट्रोड अलग सरणी भर में बुनाई । परिणाम स्रोत और नाली इलेक्ट्रोड को अलग करने के लिए एक लंबी और संकीर्ण अंतर है, बहुत ही उच्च स्रोत उपज-नाली धाराओं जब एक प्रवाहकीय सामग्री का गठन किया है, डाली, बहुलक, या उगाया (के प्रकार के मामले में यहां पर विचार किया जाता है) सरणी पर । इसके अलावा, छोटी पृष्ठभूमि में इलेक्ट्रोड के छोटे आकार के कारण वर्तमान में समाई चार्ज करने के लिए और गेट क्षमता में परिवर्तन के साथ प्रवाहकीय सामग्री के ऑक्सीकरण राज्य में बदलने के लिए, चालकता बनाने के लिए आवश्यक सामग्री की मात्रा के बाद से ईदास का उपयोग कर माप इतना छोटा है । आईडीए आधारित विद्युत गेटिंग की तकनीक यहां वर्णित है, पतली फिल्म प्रवाहकीय पॉलिमर,2,3,4की विशेषताएं विकसित,25 हाल ही में रहने वाले सिस्टम के लिए लागू किया गया है । 18 एक और तकनीक का उपयोग करने के लिए रहने वाले की चालकता को मापने के लिए एक बड़े प्रारूप विभाजन स्रोत का उपयोग और इलेक्ट्रोड और स्रोत मीटर नाली के लिए गेट क्षमता सेट । 26 , 27 हालांकि, इन तरीकों पर चिंताओं पहले से विस्तृत किया गया है । 18

प्रोटोकॉल के नीचे रहने वाले Geobacter sulfurreducens और MCL की चालकता माप बनाने के साथ हमारे अनुभव encapsulates । G. sulfurreducens एक मॉडल के लिए अघुलनशील सामग्री, इलेक्ट्रोड सहित, एकमात्र चयापचय इलेक्ट्रॉन स्वीकारकर्ता के रूप में उपयोग करने में सक्षम जीव को कम इलेक्ट्रोड है । इसके अतिरिक्त, यह मोटी है कि फिल्म के लिए एकाधिक सेल लंबाई से अधिक इलेक्ट्रॉनों परिवहन कर रहे है रूपों, यह एक आदर्श मॉडल जीव anodic लंबी दूरी extracellular इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण अध्ययन करने के लिए बना । हम भी एक benthic माइक्रोबियल ईंधन सेल के कैथोड से अलग एक एरोबिक, autotrophic मिश्रित समुदाय जैव फिल्म के अध्ययन के लिए विवरण शामिल हैं । MCL (तीन प्राथमिक घटकों के लिए नाम- Marinobacter, Chromatiaceaea और Labrenzia) अपने एकमात्र इलेक्ट्रॉन दाता के रूप में एक इलेक्ट्रोड ऑक्सीकरण करने में सक्षम है और एकाधिक सेल लंबाई से अधिक इलेक्ट्रॉनों परिवहन, बनाने यह एक दिलचस्प कैथोडिक प्रणाली का अध्ययन करने के लिए । इसके अतिरिक्त, इन तरीकों का उपयोग करने की तारीख के लिए एक जीवित प्रणाली के लिए सबसे अधिक रिपोर्ट चालकता है । इस प्रोटोकॉल में इन विविध electroactive के शामिल किए जाने को उजागर करने के लिए है कि इस तकनीक के लिए किसी भी रहने वाले के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों के परिवहन उपाय लागू है करने के लिए विद्युत इलेक्ट्रोड के साथ बातचीत करने में सक्षम है मतलब है ।

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Protocol

1. Interdigitated microelectrode सरणी (आईडीए) की तैयारी

  1. व्यावसायिक रूप से उपलब्ध आईडीए इलेक्ट्रोड एक गैर-प्रवाहकीय सब्सट्रेट पर पैटर्न प्राप्त या मानक lithographic तरीकों का उपयोग कर उन्हें संश्लेषित. 28
    नोट: आईडीए आयामों और/या सामग्री अलग विभिंन प्रयोगों के लिए वांछित शर्तों के आधार पर किया जा सकता है । ईदास यहां इस्तेमाल किया व्यावसायिक रूप से प्राप्त किए गए थे और दो interdigitated सोने microelectrodes सरणी के विपरीत छोर पर बड़े इलेक्ट्रोड पैड से जुड़े एक गिलास सब्सट्रेट पर नमूनों के शामिल थे. इलेक्ट्रोड को बड़े संपर्क पैड के लिए इलेक्ट्रोड को जोड़ने बस लाइनों पतली अछूता सामग्री के साथ लेपित हैं, जबकि उजागर कर रहे हैं । ईदास यहां इस्तेमाल किया 10 µm के दो सेट के शामिल है चौड़ा और 2 मिमी लंबे सोने microelectrode बैंड (स्रोत और नाली) 5 अलग µm एक फ्लैट कांच की सतह पर नमूनों की जगह । ईदास यहां इस्तेमाल किया ६५ इलेक्ट्रोड जोड़े (१३० कुल interdigitated बैंड) था । बैंड बारी सरणी के विपरीत छोर पर इलेक्ट्रोड पैड से जुड़े रहे हैं.
  2. आईडीए को तार और अछूता
    1. प्रत्येक बड़े इलेक्ट्रोड प्रवाहकीय चांदी epoxy का उपयोग पैड के लिए एक तार देते हैं ।
      1. एक मिश्रण रॉड या पिपेट टिप के साथ प्रयोग में विशिष्ट epoxy के लिए निर्माता के निर्देशों के अनुसार प्रवाहकीय epoxy तैयार (निर्देश निर्माता द्वारा भिंन हो सकते हैं) ।
      2. प्रत्येक गोल्ड पैड पर एक तार प्लेस, लैब टेप का उपयोग कर जगह में सुरक्षित । कवर तार और चांदी epoxy के साथ पैड एक मिश्रण रॉड या पिपेट टिप का उपयोग कर ।
      3. ध्यान से 1 के लिए एक ८० ° c ओवन के लिए कदम उपचार या विशिष्ट प्रवाहकीय चांदी epoxy के लिए निर्माता की सिफारिशों के आधार पर इलाज के लिए इस्तेमाल किया ।
      4. epoxy इलाज के बाद, तार और पैड के अंत के बीच विद्युत कनेक्टिविटी सुनिश्चित करने के लिए एक मीटर का उपयोग करें । तार और पैड के बीच प्रतिरोध < 5 Ω होना चाहिए । इसके अलावा, यह सरणी कम कर सकते हैं के रूप में कोई प्रवाहकीय epoxy एकाधिक इलेक्ट्रोड पैड को जोड़ने है कि सत्यापित करने के लिए, मीटर का उपयोग करें. यदि प्रवाहकीय epoxy कई सुराग जोड़ने है, एक मुंशी का उपयोग करने के लिए सुराग अलग ।
    2. कोटिंग द्वारा epoxied कनेक्शन एक थर्मल, बिजली, और पनरोक अछूता सामग्री के साथ संबंध को बचाने के । ज्वाला retardant टुकड़े रेजिन अक्सर उपयुक्त हैं ।
      1. एक 15 मिलीलीटर शंकु केंद्रापसारक ट्यूब के टिप निकालें (लगभग २.५ मिलीलीटर निशान पर) को अछूता सामग्री के लिए एक सांचे के रूप में । तारों के लिए एक 21g सुई का उपयोग कर के माध्यम से बहर के लिए नीचे में दो छोटे छेद बनाओ ।
      2. मोल्ड के तल में छेद के माध्यम से मोल्ड और तारों में आईडीए डालें ।
      3. विशिष्ट अछूता सामग्री तैयार करें । विशिष्ट राल प्राप्त के साथ उपलब्ध कराए गए निर्देशों का पालन करें ।
      4. पिपेट मोल्ड में इंसुलेटर इतना है कि चांदी epoxy पूरी तरह से (~ २.५ मिलीलीटर) को कवर किया है और निर्माता विनिर्देशों के अनुसार शुष्क करने की अनुमति है ।

2. विद्युत रिएक्टर सेटअप, परीक्षण, और टीका

  1. विद्युत कक्ष सेट करें ।
    1. विद्युत कक्ष में आईडीए, काउंटर इलेक्ट्रोड, और संदर्भ इलेक्ट्रोड डालें.
      नोट: विद्युत रिएक्टर का इस्तेमाल व्यापक रूप से भिंन हो सकते हैं, जब तक इलेक्ट्रोड के सभी अंदर फिट के रूप में । एक विचार यह है कि संदर्भ इलेक्ट्रोड के रूप में काम कर इलेक्ट्रोड के लिए संभव के रूप में बंद होना चाहिए रिएक्टर की व्यावहारिक सीमा दी । यहाँ, हम काम इलेक्ट्रोड से संदर्भ इलेक्ट्रोड ~ 2-3 सेमी के साथ एक एकल चैंबर रिएक्टर का उपयोग करें. भी, काउंटर इलेक्ट्रोड कार्य इलेक्ट्रोड से बड़ा होना चाहिए यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह सिस्टम में सीमित नहीं है ।
    2. अगर एक शुद्ध संस्कृति के साथ काम कर रहे हैं, काउंटर इलेक्ट्रोड के साथ रिएक्टर के अंदर निष्फल । 10 मिनट के लिए ब्लीच में भिगोने के द्वारा संदर्भ इलेक्ट्रोड के लिए 5 और बाँझ पानी के लिए... ब्लीच में सूई के लिए 4 के बाद बाँझ पानी के लिए 10 एस रिएक्टर में प्रवेश करने से पहले के लिए ।
    3. बाँझ मध्यम फिल्म विकास के लिए उपयुक्त माध्यम के साथ विद्युत सेल भरें । G. sulfurreducensके लिए17,18, fumarate को छोड़कर मीठे पानी के माध्यम का उपयोग करें । के लिए MCL,9 कृत्रिम समुद्री जल माध्यम का उपयोग करें । 9
    4. एक bipotentiostat करने के लिए इलेक्ट्रोड कनेक्ट. एक आईडीए इलेक्ट्रोड को कार्यशील लीड 1 से कनेक्ट करें, अन्य आईडीए इलेक्ट्रोड कार्यशील लीड 2, संदर्भ इलेक्ट्रोड के लिए संदर्भ लीड, और काउंटर का नेतृत्व करने के लिए काउंटर इलेक्ट्रोड करने के लिए ।
  2. ईदास का विद्युत परीक्षण ।
    नोट: इस परीक्षण का प्रमुख लक्ष्य दो इलेक्ट्रोड विद्युत पृथक कर रहे हैं कि यह सुनिश्चित करने के लिए है. सभी विद्युत तकनीक bipotentiostat को नियंत्रित करने के लिए इस्तेमाल किया सॉफ्टवेयर में उपलब्ध हैं ।
    1. नियंत्रण चालकता परीक्षण प्रदर्शन (फिल्म विकास से पहले) एक bipotentiostat का उपयोग कर उचित आईडीए समारोह सुनिश्चित करने के लिए ।
      1. 1 मिनट के लिए प्रत्येक इलेक्ट्रोड की खुली सर्किट क्षमता को मापने.
        नोट: कुछ उपकरणों पर, खुला सर्किट संभावित galvanostatic संग्रह कार्यक्रम का उपयोग करके प्राप्त किया जाना चाहिए और वर्तमान सेट करने के लिए 0 mA.
      2. इलेक्ट्रोड 2 की खुली सर्किट क्षमता को मापने के दौरान इलेक्ट्रोड 1 पर चक्रीय voltammetry प्रदर्शन करते हुए + ०.२ v करने के लिए + ०.६ v (बनाम वह) पर 20 mV/
        नोट: अन्य सीमा और CV के लिए स्कैन दर अगर वांछित इस्तेमाल किया जा सकता है. हालांकि, क्षमता है कि हाइड्रोजन या ऑक्सीजन उत्पादन में परिणाम होगा से बचें ।
      3. सत्यापित करें कि खुले सर्किट संभावित इलेक्ट्रोड 2 पर मापा potentiostat सॉफ़्टवेयर का उपयोग करते हुए CV के दौरान 1 इलेक्ट्रोड की क्षमता को प्रतिबिंबित नहीं है ।
        नोट: इलेक्ट्रोड 2 के खुले सर्किट संभावित बदल सकते हैं, लेकिन यह इलेक्ट्रोड 1 की क्षमता से स्वतंत्र होना चाहिए.
      4. 2.2.1.3 के माध्यम से 2.2.1.1 कदम दोहराएँ इलेक्ट्रोड 2 की क्षमता को छोड़कर नियंत्रण और इलेक्ट्रोड 1 की खुली सर्किट क्षमता को मापने.
    2. bipotentiostat सॉफ्टवेयर का उपयोग कर प्रासंगिक electroactive के लिए वांछित विकास क्षमता के लिए इलेक्ट्रोड काम करने की क्षमता निर्धारित करें । उदाहरण के लिए, का उपयोग करें + ०.५ v (vs. चिं.) के लिए Geobacter sulfurreducens या + ०.३१ v (vs. वह) for कैथोड MCL ।
  3. बढ़ती प्रासंगिक electroactive फिल्म
    1. Inoculate मानक अपूतित सूक्ष्मजीवविज्ञानी तकनीकों का उपयोग कर वांछित electrochemically सक्रिय सूक्ष्मजीवों के एक शेयर संस्कृति/संवर्धन से विद्युत रिएक्टर मानक परीक्षणों के लिए, एक 1:20 अनुपात में inoculate (रिएक्टर वॉल्यूम के लिए इनोक्युलम) एक आयुध डिपो६०० = ०.५ संस्कृति ।
    2. रिएक्टर में वांछित स्तर के लिए सरगर्मी सेट (~ २०० rpm) और वांछित तापमान ब्याज की फिल्म के विकास की स्थिति के आधार पर पानी स्नान करने के लिए/ G. sulfurreducensके लिए, इष्टतम विकास के लिए 30 ° c का उपयोग करें ।
    3. इस प्रणाली के ब्याज की विशिष्ट आवश्यकताओं के आधार पर जब तक कि इस फिल्म को दो इलेक्ट्रोड को अलग करने की खाई को पाटने । स्टेशनरी जी sulfurreducens के लिए, ~ 7-10 दिनों के लिए मशीन । के लिए MCL, मशीन ~ 7 दिन । प्रत्येक मामले में, 30 डिग्री सेल्सियस पर तापमान नियंत्रित करते हैं ।

३. विद्युत गेटिंग उपाययोजना

  1. गेटिंग माप के लिए वर्तमान-संभावित निर्भरता निर्धारित करने के लिए उपयोग किया जाएगा कि प्रायोगिक मापदंडों का चयन करें ।
    1. इस प्रणाली के लिए गेट संभावित (ईजी) वक्र बनाम आयोजित वर्तमान (मैंएसडी) प्राप्त करने के लिए आईडीए के लिए लागू किया जाएगा कि फाटक क्षमता की सीमा का निर्धारण ।
      नोट: गेट संभावित redox गतिविधि के साथ सभी संभावितों को कवर किया जाना चाहिए की जांच की सीमा । यदि ब्याज की प्रणाली के बारे में कोई जानकारी उपलब्ध नहीं है, एक व्यापक संभावित सीमा का इस्तेमाल किया जाना चाहिए (-०.५५ से + ०.६ वी बनाम वह) । एक परीक्षण और त्रुटि दृष्टिकोण ठीक धुन अध्ययन के तहत प्रणाली पर आधारित रेंज इस्तेमाल किया जा सकता है । गेट संभावित के रूप में परिभाषित किया गया है:
      Equation 1
      जहां ईडी नाली इलेक्ट्रोड की क्षमता है और ईएस स्रोत इलेक्ट्रोड की क्षमता है. गेट संभावित इस्तेमाल की सीमा आवश्यकताओं और ब्याज की विशिष्ट प्रणाली की सीमाओं से विवश है । 18
      नोट: स्रोत और नाली क्षमता है कि ऑक्सीजन में परिणाम होगा और हाइड्रोजन विकास से बचना चाहिए के रूप में इन प्रक्रियाओं को इस फिल्म को नुकसान पहुंचा सकता है ।
    2. स्रोत-नाली वोल्टेज (वीएसडी) कि स्रोत से नाली के माध्यम से फिल्म के माध्यम से इलेक्ट्रॉन परिवहन के लिए ड्राइविंग बल के रूप में इस्तेमाल किया जाएगा निर्धारित करते हैं । स्रोत-नाली वोल्टेज के रूप में परिभाषित किया गया है:
      Equation 2
      नोट: स्रोत-नाली वोल्टेज पर्याप्त रूप से छोटा होना चाहिए ताकि मैंएसडी तराजू के साथ रैखिक वीएसडी. 17
    3. एक स्कैन दर (वी) चुनें जिस पर ईजी समय के साथ रैखिक बदल गया है कि मैंएसडी से स्वतंत्र है ताकि प्रणाली प्रत्येक गेट क्षमता के लिए स्थिर राज्य में अनुमानित किया जा सकता है ।
      नोट: ०.००२ वी/s से कम की एक स्कैन दर अक्सर जैविक प्रणालियों के लिए प्रयोग किया जाता है । 29 , 30
    4. चयनित सीमा पर गेटिंग माप (यानी गेट क्षमता स्वीप) करने के लिए bipotentiostat सॉफ्टवेयर सेट करें, चयनित स्रोत पर-नाली वोल्टेज, और वांछित स्कैन दर पर उपरोक्त विचार के आधार पर.
      नोट: पिछले गेटिंग माप के लिए g. sulfurreducensका उपयोग करते हुए,17,19 EG =-०.५५ v से ०.६ v (vs. चिं.), vSD = ०.०१ v या ०.१ v, v = ०.००१ v/ के लिए-कैथोड MCL, EG = ०.२५ v से ०.७ v (vs. चिं.), vSD = ०.००२ v, v = ०.०००२ v/
      1. इसके अतिरिक्त, vSD = ०.००० v के साथ एक आधारभूत माप निष्पादित करें (यानी, एक CV प्रत्येक व्यक्तिगत इलेक्ट्रोड में एक साथ लिया गया) पर एक ही v में चरण 3.1.3 में चुना जाता है ।
    5. प्रदर्शन गेटिंग मापन दोनों कारोबार के तहत 3.1.4 में शर्तों का उपयोग (घुलनशील इलेक्ट्रॉन दाता या स्वीकार्यता वर्तमान के साथ) और गैर कारोबार (घुलनशील इलेक्ट्रॉन दाता या स्वीकार्यता के बिना) की स्थिति ।
      नोट: गैर कारोबार की स्थिति लाभप्रद है क्योंकि माप ऑक्सीकरण या घुलनशील यौगिकों के सेलुलर चयापचय के लिए कमी से अस्पष्ट नहीं हैं, हालांकि इसी तरह के परिणाम की परवाह किए बिना जो हालत के बाद किया जाता है प्राप्त किया जाना चाहिए पृष्ठभूमि धाराओं को घटाकर (3.1.8 में विस्तृत).
      1. इलेक्ट्रोड पर जीवाणु विकास के लिए इस्तेमाल के रूप में एक ही रिएक्टर माध्यम का उपयोग करके कारोबार की स्थिति को प्राप्त. इस माध्यम में घुलनशील इलेक्ट्रॉन दाता, जैसे जी. sulfurreducens,17 या स्वीकारकर्ता के लिए एसीटेट, जैसे-कैथोडिक MCL के लिए ऑक्सीजन होता है ।
      2. इलेक्ट्रोड पर जीवाणु विकास के लिए इस्तेमाल किया एक ही रिएक्टर माध्यम बनाने के द्वारा गैर कारोबार की स्थिति को प्राप्त करने, घुलनशील इलेक्ट्रॉन दाता या स्वीकारकर्ता छोड़ छोड़कर. यह सुनिश्चित करने के बाद कि potentiostat बंद है, मध्यम aseptically को निकालें और anodic प्रणालियों के लिए इलेक्ट्रॉन दाता या कैथोडिक प्रणालियों के लिए स्वीकार करने के लिए बिना ताजा माध्यम में जोड़ें । वैकल्पिक रूप से, एक सतत प्रवाह प्रणाली के लिए स्थापित किया जा सकता है धीरे से मध्यम की स्थिति के लिए वांछित माध्यम से माध्यम की जगह ।
        नोट: यदि ऑक्सीजन घुलनशील इलेक्ट्रॉन स्वीकारकर्ता है (के रूप में MCL के लिए), sparge एक मिश्रण के साथ प्रणाली ~ 15% CO2 और ८५% N2 (या एक गैस मिश्रण है कि मध्यम में सही पीएच बनाए रखने होगा) ।
    6. गेटिंग माप के पूरा होने के बाद, potentiostat सॉफ्टवेयर का उपयोग करने के लिए प्रत्येक इलेक्ट्रोड की क्षमता वृद्धि क्षमता को वापस सेट करने के लिए प्रणाली को फिर से स्थिर करने की अनुमति ( -8 के रूप में एक ही मूल्यों का उपयोग).
    7. यदि सभी शर्तों ऊपर वर्णित से मुलाकात कर रहे है (मैंएसडी वी के स्वतंत्र है और तराजू के साथ वीएसडी), मैं निंनलिखित समीकरणों का उपयोग कर चालकता के लिएएसडी मूल्यों कंवर्ट के रूप में पहले31 वर्णित
      Equation 3
      Equation 4
    8. जहां जी है कंडक्टर और एस एक स्केलिंग कारक है कि सिस्टम पर निर्भर है, और ऐसे इलेक्ट्रोड आकार, अंतराल आकार, और फिल्म ऊंचाई के रूप में चर में कारक है । कुछ प्रणालियों के लिए, एस पूर्व निर्धारित समीकरणों से निर्धारित किया जा सकता है । 31 वैकल्पिक रूप से, एस संख्यात्मक एक मॉडलिंग सॉफ्टवेयर का उपयोग कर, के रूप में पहले विस्तृत गणना की जा सकती है । 17
    9. पृष्ठभूमि धाराओं के आकार और संचालित वर्तमान की भयावहता की पहचान करने के लिए घटाना । या तो वीएसडी = ०.०० वी पर उत्पंन वर्तमान से वीएसडी = ०.०१ v पर उत्पंन वर्तमान घटाना या एक वीएसडी के साथ उत्पंन स्रोत वर्तमान से नाली वर्तमान घटाना = ०.०१ v. या तो विधि पृष्ठभूमि धाराओं को हटा, जा मात्र सहा महिन्यांपासून चालू आहे.
  2. तापमान आश्रित विद्युत गेटिंग मापन
    1. ब्याज के तापमान की सीमा निर्धारित करें । इस रेंज के अध्ययन के तहत प्रणाली पर अत्यधिक निर्भर है, लेकिन शारीरिक रूप से प्रासंगिक तापमान इस्तेमाल किया जाना चाहिए ।
      नोट: पिछले अध्ययनों से mesophilic सूक्ष्मजीवों के लिए शारीरिक रूप से प्रासंगिक परिस्थितियों में इलेक्ट्रॉन परिवहन का अध्ययन करने के लिए 30 डिग्री सेल्सियस से 10 डिग्री सेल्सियस का तापमान सीमा का उपयोग किया है । 17
    2. एक परिसंचारी पानी स्नान या मशीन प्राप्त करने के लिए रिएक्टर तापमान और एक नियंत्रण रिएक्टर को विनियमित करने के लिए सुनिश्चित करें कि निर्धारित बिंदु और मध्यम के वास्तविक तापमान एक ही है ।
      1. एक थर्मामीटर या thermocouple एक नियंत्रण रिएक्टर में जगह जहां आईडीए होगा ।
    3. कारोबार और कारोबार के तहत चयनित तापमान की सीमा पर मैंएसडी माप (3.1.4 देखें) बनाओ (चरण 3.1.5 में वर्णित) दो प्रक्रियाओं में से एक निम्नलिखित नीचे वर्णित bipotentiostat का उपयोग कर शर्तों.
      1. उत्पन्न मैंएसडी बनाम ईजी घटता, के रूप में ऊपर वर्णित (३.१ देखें), ब्याज की तापमान सीमा से अधिक प्रत्येक तापमान के लिए. सामग्री के लिए है कि इस तरह के जी sulfurreducens और कैथोड MCL, प्रत्येक तापमान से पीक वर्तमान के रूप में प्रदर्शन redox चालकता, मैंएसडी बनाम टी निर्भरता निर्धारित करने के लिए प्रयोग किया जाता है ।
        नोट: इस विधि प्रत्येक तापमान के लिए एक पूर्ण मैंएसडी बनाम ईजी वक्र उत्पंन करने के लिए प्रयोग किया जाता है, लेकिन दूसरे विकल्प से अधिक समय की आवश्यकता है ।
      2. एकांतर से, सेट और फाटक क्षमता पर आईडीए पकड़ कि पैदावार अधिकतम bipotentiostat का उपयोग कर वर्तमान आयोजित (Iएसडी बनाम EG वक्र, चरण 3.1.4) और रिकॉर्ड अधिकतम वर्तमान bipotentiostat का उपयोग करते हुए आयोजित रिकार्ड तापमान पानी स्नान या मशीन के जहाज पर नियंत्रण का उपयोग कर चयनित तापमान की सीमा के बीच चक्रित किया जाता है ।
        नोट: इलेक्ट्रोड/रिएक्टर ज्यामिति के साथ यहां इस्तेमाल किया, मैंएसडी और टी के लिए स्थिर करने की अनुमति दी जाती है कम से 20 मिनट और एक औसत स्थिर मैंएसडी प्रत्येक तापमान के लिए प्रयोग किया जाता है । विशिष्ट सिस्टम के आधार पर अधिक या कम स्थिरीकरण समय की आवश्यकता हो सकती है । इस विधि से पहले की तुलना में तेजी है और इस फिल्म के लिए कम तनाव का कारण बनता है । हालांकि, पूर्ण गेटिंग curves जनरेट नहीं हैं ।
      3. चक्र एक सेट बिंदु से दूसरे के लिए तापमान और वापस फिर से जहाज पर नियंत्रण मशीन या पानी स्नान के लिए प्रतिक्रिया के reversibility निर्धारित करने के लिए सुनिश्चित करें कि तापमान साइकिल चालन की फिल्म को नुकसान नहीं है का उपयोग कर ।
    4. तापमान वापस रीसेट सामांय वृद्धि तापमान मशीन या पानी स्नान के जहाज पर नियंत्रण का उपयोग कर और प्रणाली को स्थिर करने की अनुमति ।
      नोट: एक redox कंडक्टर के लिए, ISD बनाम 1/T डेटा Arrhenius दर व्यंजक के साथ फ़िट हो सकता है, जो इस प्रकार सक्रियण ऊर्जा की गणना की अनुमति देता है:
      Equation 5
      Equation 6
      जहां ई आसंन redox cofactors और कश्मीर के बीच इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण के लिए सक्रियण ऊर्जा है बोल्ट्जमान लगातार है ।

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Representative Results

ईदास वायर्ड थे, अछूता और यह सुनिश्चित करने के लिए परीक्षण किया गया कि दो इलेक्ट्रोड विद्युत रूप से एक दूसरे से पृथक किए गए थे (चित्र 1) । रिएक्टरों इकट्ठे हुए थे, inoculated जी. sulfurreducensके साथ, और जब तक एक फिल्म इलेक्ट्रोड के बीच अंतर पाटने की मशीन । जी. sulfurreducens फिल्म नेत्रहीन सरणी को कवर किया जा देखा जा सकता है । अन्य फिल्मों के शोधकर्ता एक विद्युत गेटिंग माप करने के लिए अगर दो इलेक्ट्रोड बिजली से जुड़ा हुआ है देखने के लिए की आवश्यकता हो सकती है. माइक्रोस्कोपी भी सरणी के इलेक्ट्रोड के बीच कनेक्शन सत्यापित करने के लिए इस्तेमाल किया जाना चाहिए. विद्युत गेटिंग प्रयोगों को ईजी (चित्रा 2) पर मैंएसडी की निर्भरता का निर्धारण करने के लिए किया गया था । रहने वाली फिल्म की चालकता तो गेटिंग प्रयोगों में मापा वर्तमान का उपयोग कर गणना की है । इन माप की परिशुद्धता और सटीकता आईडीए विंयास के साथ संभव शोर अनुपात करने के लिए उच्च संकेत के कारण उच्च था । टी पर मैंएसडी के तापमान निर्भरता भी इलेक्ट्रॉन परिवहन के लिए एक सक्रियकरण ऊर्जा के साथ साथ निर्धारित किया गया था के माध्यम से इस फिल्म (चित्रा 2) । यहां प्राप्त परिणामों के पहले17,18 मनाया और परिकल्पना है कि जी. sulfurreducens और MCL का समर्थन इसी तरह के व्यवहार के समान है redox केबिल जहां इलेक्ट्रॉनों है निकटता में redox cofactors बंद के बीच hopping द्वारा इस फिल्म के माध्यम से हस्तांतरित ।

Figure 1
चित्रा 1: आईडीए सेट और विद्युत परीक्षणों को नियंत्रित । (क) एक आईडीए कि तार और अछूता कर दिया गया है । इनसेट: interdigitated इलेक्ट्रोड और बड़े इलेक्ट्रोड पैड में से एक दिखा सरणी के बढ़े हुए imaged. अलग काउंटर और संदर्भ इलेक्ट्रोड विद्युत सेल में आईडीए के साथ साथ प्रयोग करने के लिए रखा जाता है । (ख) विद्युत नियंत्रण प्रत्येक इलेक्ट्रोड के विद्युत स्वतंत्रता का प्रदर्शन परीक्षण. इलेक्ट्रोड 2 की खुली सर्किट संभावित CV के दौरान 1 इलेक्ट्रोड की बदलती क्षमता का जवाब नहीं है, यह दर्शाता है कि इलेक्ट्रोड shorted नहीं हैं और फिल्म गेटिंग माप के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. (ग) बीके रूप में समान, इलेक्ट्रोड 2 की क्षमता के अलावा इलेक्ट्रोड 1 की CV के दौरान बदलाव करता है, यह दर्शाता है कि इलेक्ट्रोड shorted हैं और गेटिंग माप के लिए इस्तेमाल नहीं किया जाना चाहिए. आगे के प्रयोगों में इस आईडीए का इस्तेमाल नहीं किया गया । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्र २: विद्युत गेटिंग उपाययोजना. (क) विद्युत के गेटिंग मापन एक जीवित, इलेक्ट्रोड उगाए जी sulfurreducens फिल्म. चोटी के आकार का ISD-EG वक्र के माध्यम से बेतुका, बहु कदम इलेक्ट्रॉन परिवहन का संकेत है फिल्म । आयोजित वर्तमान वक्र नाली वर्तमान से स्रोत से घटाकर प्राप्त किया गया था (और 2 से विभाजित) प्रत्येक द्वार क्षमता पर प्राप्त करने के लिए पृष्ठभूमि धाराओं को खत्म । कच्चे वर्तमान वीएसडी = 0 और वीएसडी = ०.०१ वी के साथ लिया डेटा के उदाहरण के लिए, पाठक पिछले काम के समर्थन की जानकारी के लिए भेजा है । 18 (ख) तापमान निर्भर गेटिंग measurementsover एक शारीरिक रूप से प्रासंगिक चालकता में वृद्धि के रूप में तापमान का प्रदर्शन रेंज बढ़ जाती है, एक संपत्ति redox केबिल के लिए मनाया । 4 (ग) मैंएसडी -टी डेटा के परिवर्तन और Arrhenius समीकरण को फिट । Arrhenius समीकरण के लिए रेखीय फिट एक बहु कदम इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण प्रक्रिया का संकेत है । एक जी sulfurreducens फिल्म के माध्यम से इलेक्ट्रॉन परिवहन के लिए सक्रियकरण ऊर्जा वक्र की ढलान से गणना की है ~ ०.०१ eV, जो आसंन सीप्रकार cytochromes के redox केंद्रों के बीच इलेक्ट्रॉन परिवहन के अनुरूप है । ३२ , ३३ , ३४ कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

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Discussion

आईडीए के सेटअप के दौरान, यह परीक्षण करने के लिए महत्वपूर्ण है कि स्रोत और नाली एक साथ कम नहीं कर रहे है विद्युत गेटिंग माप से पहले, के रूप में यह मैंएसडी बनाम ईजी वक्र बदल जाएगा और गलत परिणाम और व्याख्याओं को जंम दे सकता है । यह भी vएसडी और v इस तरह है कि वर्तमान रैखिक वीएसडी और वी के स्वतंत्र पर निर्भर है का चयन करने के लिए महत्वपूर्ण है । यदि यह मामला नहीं है, तो ऊपर वर्णित समीकरण चालकता की गणना करने के लिए उपयोग नहीं किया जा सकता है ।

न्यूनतम दो पृष्ठभूमि धाराओं पर विचार किया जाना चाहिए और संचालित वर्तमान माप से हटा दिया । पहली पृष्ठभूमि वर्तमान Faradaic चार्ज/redox cofactors के निर्वहन के रूप में फाटक क्षमता बह रहा है के कारण है । यह पृष्ठभूमि वर्तमान काफी redox cofactors की मात्रा से प्रभावित है कि बिजली के लिए इलेक्ट्रोड सतह से जुड़े सुलभ हैं । एक दूसरी पृष्ठभूमि वर्तमान डबल परत समाई है । एक तीसरी पृष्ठभूमि वर्तमान चयापचय इलेक्ट्रॉन स्वीकार के कारोबार की वजह से है/ यह पृष्ठभूमि वर्तमान केवल कारोबार की स्थिति के तहत लागू है । इस अध्ययन में पृष्ठभूमि धाराओं वीएसडी = ०.०१ वी पर प्राप्त नाली वर्तमान से स्रोत वर्तमान घटाकर समाप्त कर रहे थे । इस विधि मानता है कि पृष्ठभूमि धाराओं दोनों इलेक्ट्रोड और स्रोत पर बराबर हैं-नाली धाराओं परिमाण में दोनों इलेक्ट्रोड पर बराबर हैं, लेकिन हस्ताक्षर में विपरीत. इस मामले में स्रोत और नाली धाराओं में कमी एक आयोजित की एक मौजूदा दोहरे परिमाण में और दो से विभाजित किया जाना चाहिए । यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि यह धारणा केवल एक छोटे वीएसडी, जो सिस्टम निर्भर है की सीमा में सच रखती है ( G. sulfurreducens, vSD< ०.०५ v) । बड़ा वीएसडी मूल्यों अक्सर प्रत्येक इलेक्ट्रोड पर असमान स्थितियों में परिणाम और इस्तेमाल किया जा रहा से पृष्ठभूमि घटाव के इस विधि से बचाता है । वैकल्पिक रूप से, पृष्ठभूमि धाराओं स्रोत और नाली धाराओं वीएसडी = ०.० वी पर प्राप्त द्वारा हटाया जा सकता वीएसडी = ०.०१ वी पर प्राप्त उन से । यह विधि नहीं मान कि प्रत्येक इलेक्ट्रोड की आधारभूत धाराओं एक ही हैं ।

यहां बताई गई तकनीक लचीली है । प्रोटोकॉल में वर्णित मापदंडों के अधिकांश अध्ययन के तहत प्रणाली पर निर्भर कर रहे है और बदला जा सकता है । उदाहरण के लिए, आईडीए की सामग्री और आयामों को अलग किया जा सकता है, तापमान रेंज, और गेट क्षमता की सीमा, अन्य मापदंडों के बीच, विशिष्ट अध्ययन की जरूरतों को फिट करने के लिए बदला जा सकता है । इसके अलावा, मानक सूक्ष्मजीवविज्ञानी और विद्युत तकनीक अनुकूलित और उपयोग किया, इस प्रोटोकॉल अध्ययन के क्षेत्रों की एक किस्म से शोधकर्ताओं के लिए उपयुक्त बना रहे हैं ।

यहां हम जीवन में इलेक्ट्रॉन परिवहन का अध्ययन करने के लिए एक प्रोटोकॉल का वर्णन किया है, इलेक्ट्रोड उगाया, electroactive ईदास का उपयोग कर फिल्म । ईदास पहले पतली फिल्म का आयोजन पॉलिमर में इलेक्ट्रॉन परिवहन की विशेषता के लिए इस्तेमाल किया गया है और मानक इलेक्ट्रोड सामग्री और photolithographic तकनीक की एक किस्म का उपयोग कर गढ़े जा सकता है । 2 ईदास का प्राथमिक लाभ शोर अनुपात के लिए उच्च संकेत है के कारण मैं) लंबी टेढ़ी खाई है कि बारी स्रोत और नाली इलेक्ट्रोड बैंड और द्वितीय) अपेक्षाकृत छोटे कुल इलेक्ट्रोड सतह क्षेत्र अंतर आकार की तुलना में अलग. इलेक्ट्रोड ज्यामिति गेटिंग माप में विचार करने के लिए महत्वपूर्ण है, क्योंकि इलेक्ट्रोड और अंतर आयाम शोर अनुपात करने के लिए संकेत पर एक बड़ा प्रभाव पड़ता है और इसलिए बनाया चालकता माप की सटीकता पर. 18

विद्युत के गेटिंग प्रयोगों, इलेक्ट्रोड-बड़े g. sulfurreducens फिल्म प्रदर्शन एक स्पष्ट चोटी ईजीपर मैंएसडी के आकार की निर्भरता प्रदर्शित, सुझाव है कि इलेक्ट्रॉनों के माध्यम से असंबद्ध फिल्म के माध्यम से ले जाया जाता है बेतुका, बहु कदम hopping, redox प्रवाहकीय पॉलिमर के रूप में । 4 , ३५ जी sulfurreducens फिल्म की चोटी चालकता पाया गया था ~ 4 µS/मुख्यमंत्री, पिछले समान स्थितियों के तहत उत्पंन परिणामों के साथ समझौते में । 17 इसके अलावा, पीक चालकता के लिए गेट संभावित कारोबार CV के दौरान जी sulfurreducens फिल्म के लिए मनाया मध्यबिंदु क्षमता के समान है ।17 यह भी पहले मनाया गया है और यह मतलब है माने है कि एक ही इलेक्ट्रॉन वाहक एसीटेट चयापचय से उत्पंन इलेक्ट्रॉनों के परिवहन के लिए कोशिकाओं द्वारा इस्तेमाल भी स्रोत इलेक्ट्रोड से इस फिल्म के माध्यम से नाली इलेक्ट्रोड के लिए चार्ज करने के लिए उपयोग किया जाता है । मैं ईजीपरएसडी के अंय निर्भरता, जैसे विभिंन सामग्रियों में मनाया गया है और इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण के एक अलग तंत्र का सुझाव है । उदाहरण के लिए, मैंएसडी बहुलक पाली (methylthiophene) के बनाम ईजी वक्र एक एस के आकार का वक्र और पता चलता है धातु की तरह इलेक्ट्रॉन आचरण । ३६ , ३७

आयोजित वर्तमान के तापमान निर्भरता प्रवाहकीय सामग्री के माध्यम से इलेक्ट्रॉन परिवहन की व्यवस्था का निर्धारण करने में एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है । हाल ही में जब तक, केवल पूर्व सीटू के नमूने एक फिल्म के माध्यम से आयोजित वर्तमान के तापमान निर्भरता की जांच करने के लिए इस्तेमाल किया गया था । 22 हाल के परिणाम यहां प्रस्तुत की और कहीं और17 एक अलग मैंएसडी -टी गेटिंग माप का उपयोग निर्भरता प्राप्त की और इसलिए एक बहु की भविष्यवाणी कदम, के माध्यम से इलेक्ट्रॉन परिवहन के बेतुका hopping तंत्र जी । sulfurreducens , जो पहले से प्रस्तावित तंत्र से अलग है । 22

इस तकनीक और अंय समान geometries की प्रमुख सीमा जब एक माइक्रोबियल जैविक फिल्म के माध्यम से इलेक्ट्रॉन परिवहन का मूल्यांकन है कि प्रभारी स्रोत और नाली एक सपाट सतह पर एक ही विमान में रखा इलेक्ट्रोड के बीच बाद में चलता है । इस फिल्म के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों के प्राकृतिक प्रवाह, तथापि, इलेक्ट्रोड सतह के लिए सीधा है । इस तकनीक और मॉडल का प्रयोग, हम अनुमानित एक समरूप फिल्म के रूप में और फिल्म के केवल एक हिस्से के माध्यम से इलेक्ट्रॉन प्रवाह पूछताछ के रूप में । इस तकनीक को और अधिक मांय करने के लिए अभी भी इस फिल्म के स्थानिक विविधता का प्रायोगिक सत्यापन जरूरी है । हालांकि, जैसा कि ऊपर वर्णित है, इस विधि की तारीख के लिए उपलब्ध शोर अनुपात के लिए उच्चतम संकेत के साथ सीटू माप में सक्षम बनाता है. इस तकनीक के लिए किसी भी सामग्री है कि एक इलेक्ट्रोड के साथ बातचीत कर रहा है के प्रभारी परिवहन अध्ययन किया जा सकता है ।

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Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

एम. डी. वाई, एस. एम. जी-एस., और L.M.T. नौसेना अनुसंधान के कार्यालय (पुरस्कार #N0001415WX01038 और N0001415WX00195), नौसेना अनुसंधान प्रयोगशाला, और नौसेना अनुसंधान प्रयोगशाला Nanosciences संस्थान स्वीकार करते हैं; M.Y.E.-एन. अमेरिका के ऊर्जा अनुदान DE-FG02-13ER16415 विभाग द्वारा समर्थित है ।

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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References

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Yates, M., Strycharz-Glaven, S., Golden, J., Roy, J., Tsoi, S., Erickson, J., El-Naggar, M., Calabrese Barton, S., Tender, L. Characterizing Electron Transport through Living Biofilms. J. Vis. Exp. (136), e54671, doi:10.3791/54671 (2018).

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