耗散型石英晶体微天平与拉曼光谱的联用

耗散型石英晶体微天平与拉曼光谱的联用--细胞色素在硫化土杆菌生物膜的胞外电子转移途径研究
 
具有电活性的细菌存在于各种各样的环境中，从土壤/水，到深海火山口，再到人体消化系统。而在科技方面，电活性细菌在燃料电池，微生物合成化学以及半人工光合作用组件中展现出应用前景。尽管人们对电活性细菌的认知已经超过了一个世纪，但是仍旧无法阐明电极与细菌之间电荷转移的精确机制。在这篇文章中，作者首次将耗散型石英晶体微天平（QCM-D）和拉曼光谱两种技术进行联用，同时结合其他的分析手段对硫化土杆菌这类电活性细菌进行了深入分析。
 

实验中，作者使用定制的QCM-D/拉曼联用模块，使得两台仪器可以同时进行在线原位测试。通过QCM-D光学窗口，使拉曼光源直接入射到芯片表面。在测试芯片选择中，作者使用了一种10微米镀层的多孔ITO导电玻璃表面，这使得表面可以自由地进行细菌物质吸附，导电性不受影响；并且ITO镀膜可以使得拉曼光源强度不受损失。
 

测试时，作者将硫化土杆菌通入到芯片表面，通过调节表面电位~0.3 V vs SHE标准氢电极（红色曲线，下同）并在无氧环境中进行长期观测。当细菌吸附芯片表面后，可以看到耗散值出现了上升，这是由于细菌沉淀和吸附于电极表面导致的粘弹性增大造成。电流在随后的12小时仍旧保持在0左右。

随着时间的逐渐增加，耗散的变大趋势渐增，但仍处于生物膜生长初期。随后耗散增加趋于缓慢，并在2-3天时快速上升。此时，表面电流也快速增加，作者解释电流的增加与每个细菌细胞中细胞色素在胞外电荷转移（EET）中的表达增强有关。随着后期细菌生长，小部分的生物膜脱落导致的耗散断崖式降低也与电流变化呈一致。
 
试验后期作者使用无菌阴极溶剂冲洗芯片表面，并保持电位于~0.44 V vs SHE（蓝色曲线）。电流稳定维持在-0.02mA/cm²，此时芯片表面无质量变化。实验也即证明了当切换到阴极模式时，细胞色素被抑制，而生物膜的质量大部分保留。
 
作者对原位拉曼数据及其他数据进行了综合分析，得出细胞外的色素表达对阳极的生长阶段至关重要，阴极条件下，细胞色素会部分降解，并且本身的铁元素可能被用作细胞外电荷转移（EET）过程的可溶性氧化还原物质。
 
该论文近期发表于美国化学会志，DOI:10.1021/jacs.9b13077, 版权归原文作者所有，更多QCM-D技术和产品详情请点击链接了解, 或者致电百欧林。