一种基于单液滴发电机的细菌检测装置和方法

本发明属于生物检测，特别涉及一种类场效应水滴发电机驱动的细菌检测装置和方法。

背景技术：

1、细菌污染引起的海洋腐蚀，食品污染，水质污染，慢性感染病给人类社会带来巨大的损失。比如铜绿假单胞杆菌，作为一种兼性厌氧，革兰氏阴性菌，是引起海洋腐蚀和细菌感染疾病的重要细菌。所以，开发一种快速的便捷的细菌检测方式是十分重要的。目前，常用的细菌检测方式是基于细菌培养的生化检测方式，但是这种方式的应用受到耗时长，成本高和劳动密集型程序的限制。而新兴的细菌检测方法，如聚合酶链式反应，表面增强拉曼光谱和酶联免疫吸附测定等，这些方法虽然具备了检测速度块，操作简便等优势，但仍需要昂贵的测试仪器和专业培训的测试人员进行操作。

2、单液滴发电机因其瞬时功率密度远高于固液摩擦纳米发电机而受到了研究人员的高度关注。目前，单液滴发电机的主要应用集中在能量收集方面。虽然存在一些单液滴发电机被应用于检测温度或湿度，但这些应用都是在能量采集完成后向传感器供电实现检测的。没有研究考虑如何直接利用单液滴发电机自身性能的变化来进行自供电检测。最新研究表明当单液滴发电机中的电极与其它材料接触时，电极和其它材料之间可以形成新的电容结构，即寄生电容。这种寄生电容具有反向分流效应，可明显降低单液滴发电机的输出电压。针对这个寄生电容现象，研究人员提出了多种降低寄生电容的解决方案。然而，单液滴发电机中的寄生电容变化明显，并且可以通过单液滴发电机的输出电压直接体现出来，使得单液滴发电机具有检测细菌的潜力。

技术实现思路

1、基于上述问题，本申请提供一种新型的基于单液滴发电机的细菌检测方法。该细菌检测方法利用单液滴发电机自身寄生电容的变化，并通过输出电压展示，可以直接对细菌样品进行检测，具有快速检测，无需外部电源，无需等待能量采集过程，操作简便等优点。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种基于单液滴发电机的细菌检测装置，单液滴发电机、单液滴发生装置、反应装置和信号采集装置；

4、单液滴产生装置放置于单液滴发电机的正上方，信号采集装置与单液滴发电机直接相连。

5、单液滴发电机包括摩擦层、导电层、支撑基板和电极；所述导电层固定在支撑基板上，摩擦层固定在导电层上，电极被置于摩擦层上；所述电极经过适配体修饰，用于特异性识别和捕获目的细菌；反应装置内设有聚苯乙烯微球溶液，聚苯乙烯微球表面修饰有针对目的细菌的特异性适配体，用于结合所述目的细菌，引起单液滴发电机自身寄生电容的变化，信号采集装置采集单液滴发电机发出的信号，并用输出电压的形式展示。

6、优选的，所述摩擦材料为全氟乙烯丙烯共聚物薄膜、支撑基板为pvc板、电极为金线。

7、优选的，单液滴产生装置包括控制开关和点滴装置，用于产生单液滴，或连续液滴。

8、优选的，所述的金线直径为10-50微米；所述的聚苯乙烯微球直径为300-800纳米。

9、一种基于单液滴发电机的细菌检测方法，将适配体修饰后的金线浸泡在含有目的细菌的待测液中，金线通过适配体的特异性识别和捕获功能，特异性捕获目的细菌；

10、在捕获目的细菌后，再将该金线浸泡于适配体修饰过的聚苯乙烯微球溶液中，此时附着于金线上的目的细菌又与适配体特异性识别并吸附聚苯乙烯微球；

11、由于聚苯乙烯微球的附着，单液滴发电机的寄生电容将会发生变化，并且可以通过输出电压的形式展示出来，信号采集检测过程便捷；单液滴发电机将信号发送至信息采集装置，可根据单液滴发电机寄生电容的变化情况来反映目的细菌污染情况。

12、(1)将金线浸泡在待测样品中，37℃，孵育120min；

13、(2)取出上述金线，浸泡在修饰有适配体的聚苯乙烯微球溶液中，37℃，孵育120min；

14、(3)取出上述金线，用去离子水冲去未结合的聚苯乙烯微球，自然风干；

15、(4)将上述金线安置于单液滴发电机的摩擦层上，控制单液滴落下，测试单液滴发电机的输出信号，并于原始金线作为电极时的输出信号对比，分析细菌污染情况。

16、优选的，聚苯乙烯微球结合到单液滴发电机的电极上后，会增强单液滴发电机的寄生电容，并通过反向分流效应储存单液滴发电机中的转移电荷，进而降低单液滴发电机的输出电压，故可以通过单液滴发电机的输出电压反应寄生电容的情况进而展示细菌浓度；单液滴发电机的输出电压和细菌浓度拟合关系式如下，

17、

18、其中，u0代表水滴发电机的初始输出电压；uc代表水滴发电机的实际输出电压；其中sau、sps、εwater、εps、kf、cb分别表示水与金线-f23之间的覆盖面积、附着的聚苯乙烯微球总面积、水的介电常数、聚苯乙烯微球的介电常数、freundlich等温线常数、细菌浓度；当细菌类型确定时，b和a为两个常数。

19、优选的，所述信号采集装置与报警系统连接，当电压信号超过阈值时，报警系统发出警报。

20、有益效果

21、1.本发明中，单液滴发电机可以有效地将机械能转化为电能，不再需要外部电源的供能，提高了便捷性，降低了操作难度；

22、2.本发明中，首次利用单液滴发电机中的寄生电容现象对细菌进行检测，突破了传统单液滴发电机利用过程需要先采集能量的限制。

23、3.本发明的细菌特异性检测方法，采用适配体探针技术，可以特异性检测目标细菌；

24、4.适配体可以针对不同的细菌进行选择替换，故该方法可以通过更换适配体或分子探针实现对不同细菌的特异性检测；

25、5该方法快捷简便无需外部电源供能，只需要几个小时便可完成操作，与传统方法相比，该方法具有更好的安全性和高效性；

26、6.本发明的细菌检测方法制作成本较低，适用于各种环境进行操作，同时配合警报系统可以将电压信号转变为可视化信号，便于观察。

技术特征：

1.一种基于单液滴发电机的细菌检测装置，其特征在于，单液滴发电机、单液滴发生装置、反应装置和信号采集装置；

2.根据权利要求1所述的一种基于单液滴发电机的细菌检测装置，其特征在于，所述摩擦材料为全氟乙烯丙烯共聚物薄膜、支撑基板为pvc板、电极为金线。

3.根据权利要求1所述的一种基于单液滴发电机的细菌检测装置，其特征在于，单液滴产生装置包括控制开关和点滴装置，用于产生单液滴，或连续液滴。

4.根据权利要求2所述的一种基于单液滴发电机的细菌检测装置，其特征在于，所述的金线直径为10-50微米；所述的聚苯乙烯微球直径为300-800纳米。

5.根据权利要求1所述的一种基于单液滴发电机的细菌检测装置，所述信号采集装置与报警系统连接，当电压信号超过阈值时，报警系统发出警报。

6.采用如权利要求2-5任一项所述装置的检测方法，其特征在于，

7.根据权利要求6所述的一种基于单液滴发电机的细菌检测方法，聚苯乙烯微球结合到单液滴发电机的电极上后，会增强单液滴发电机的寄生电容，并通过反向分流效应降低单液滴发电机的输出电压，故可以通过单液滴发电机的输出电压反应寄生电容的情况进而展示细菌浓度；单液滴发电机的输出电压和细菌浓度拟合关系式如下，

技术总结
本发明属于生物检测技术领域，特别涉及一种类场效应水滴发电机驱动的细菌检测装置和方法，单液滴发电机、单液滴发生装置、反应装置和信号采集装置；单液滴产生装置放置于单液滴发电机的正上方，信号采集装置与单液滴发电机直接相连。该细菌检测方法利用聚苯乙烯微球附着在单液滴发电机电极上后，聚苯乙烯微球与单液滴发电机之间形成额外的寄生电容，可以直接对细菌样品进行检测。并且这种寄生电容的变化会直接影响水滴发电机的输出电压，可以通过单液滴发电机的输出电压变化快速便捷的对细菌样品进行检测观察。该检测方法具有快速检测，无需外部电源，无需等待能量采集过程，操作简便等优点。

技术研发人员：王鹏,王从宇
受保护的技术使用者：中国科学院海洋研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13