本發(fā)明涉及一種利用聲表面波(surface acoustic wave，SAW)技術(shù)控制大腸桿菌生長(zhǎng)的方法，具體來(lái)說(shuō)是利用高頻低能量聲表面波促進(jìn)大腸桿菌的生長(zhǎng)，另一方面利用高頻高能量聲表面波抑制大腸桿菌的生長(zhǎng)甚至殺滅大腸桿菌，實(shí)現(xiàn)大腸桿菌生長(zhǎng)的有效控制，屬于新型電子器件和生物技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

大腸桿菌是主要寄生在人和動(dòng)物大腸內(nèi)的一種最為常見(jiàn)的細(xì)菌，約占腸道細(xì)菌的1％。大腸桿菌是一種單細(xì)胞生物，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，繁殖快，培養(yǎng)容易，是生物學(xué)上重要的實(shí)驗(yàn)材料。除某些菌型能引起腹瀉外，在腸道內(nèi)定居的大腸桿菌一般不致病，并通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)性抵御致病菌的進(jìn)攻，同時(shí)還能幫助合成維生素B和K，對(duì)人體有益，與人體是互利共生的關(guān)系。

正常情況下，大多數(shù)大腸桿菌不會(huì)給我們的身體健康帶來(lái)任何危害。然而一些特殊情況下大腸桿菌也會(huì)導(dǎo)致疾病：如當(dāng)大腸桿菌離開(kāi)腸道進(jìn)入泌尿道可以導(dǎo)致尿道感染；當(dāng)細(xì)菌由于如潰瘍等導(dǎo)致的穿孔進(jìn)入腹腔，通常會(huì)導(dǎo)致致命性的腹膜炎感染；大腸桿菌的某些株具有毒性(其中一些類(lèi)似導(dǎo)致痢疾的毒素)，可以導(dǎo)致食物中毒。這時(shí)候一般需要采用抗生素對(duì)大腸桿菌進(jìn)行殺滅。

因此對(duì)于大腸桿菌的控制生長(zhǎng)非常重要。在希望大腸桿菌快速生長(zhǎng)和繁殖的區(qū)域，能夠有效促進(jìn)大腸桿菌的生長(zhǎng)，在一些不希望大腸桿菌生長(zhǎng)和繁殖的區(qū)域，需要對(duì)其進(jìn)行有效殺滅。業(yè)界對(duì)大腸桿菌培養(yǎng)進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)影響大腸桿菌培養(yǎng)菌濃度的因素有很多，如培養(yǎng)基組成、培養(yǎng)時(shí)間、菌種接種量以及細(xì)菌生長(zhǎng)環(huán)境等。這些研究的方法都無(wú)法實(shí)現(xiàn)局部區(qū)域控制大腸桿菌的生長(zhǎng)，同時(shí)也不能采用一種技術(shù)同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)大腸桿菌生長(zhǎng)促進(jìn)和殺滅。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開(kāi)一種利用聲表面波技術(shù)控制大腸桿菌生長(zhǎng)的方法。該方法一方面利用高頻低能量聲表面波促進(jìn)大腸桿菌的生長(zhǎng)，另一方面利用高頻高能量聲表面波抑制大腸桿菌的生長(zhǎng)甚至殺滅大腸桿菌，實(shí)現(xiàn)大腸桿菌生長(zhǎng)的有效控制。該方法所用設(shè)備簡(jiǎn)單，工藝簡(jiǎn)便，能夠?qū)崿F(xiàn)局部區(qū)域的大腸桿菌生長(zhǎng)控制。

本發(fā)明具體技術(shù)方案如下：

利用SAW技術(shù)控制大腸桿菌生長(zhǎng)的裝置如圖1所示，包括襯底上的壓電材料，壓電材料上設(shè)置有用于激發(fā)SAW的叉指換能器(interdigital transducer，IDT)以及用于反射SAW的反射柵，用于容納大腸桿菌及培養(yǎng)液的PDMS容器。當(dāng)IDT兩端輸入射頻信號(hào)后，射頻信號(hào)通過(guò)IDT轉(zhuǎn)換為SAW信號(hào)并向PDMS容器方向傳播，當(dāng)SAW傳播到達(dá)PDMS容器后，SAW能量耦合進(jìn)入含有大腸桿菌的培養(yǎng)液，通過(guò)控制耦合進(jìn)入培養(yǎng)液的SAW能量以及對(duì)培養(yǎng)液的擾動(dòng)情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)大腸桿菌生長(zhǎng)的有效控制。

關(guān)于本發(fā)明技術(shù)方案需要說(shuō)明的是：

SAW傳播路徑上涂覆有疏水層，PDMS容器是頂部開(kāi)口和底部開(kāi)口的容器，底部緊貼連接于疏水層上。IDT叉指換能器可以采用Al和Au等金屬薄膜制成。壓電材料和襯底材料可以為壓電單晶(石英，鈮酸鋰，鉭酸鋰等)，也可以是壓電薄膜材料(ZnO、AlN、PZT)。射頻信號(hào)輸入頻率和輸入功率均可以調(diào)節(jié)，且輸入不同頻率和功率的的射頻信號(hào)對(duì)大腸桿菌的生長(zhǎng)影響不同，通過(guò)調(diào)節(jié)這兩個(gè)重要參數(shù)，以及輸出不同的SAW模式就可以控制大腸桿菌的生長(zhǎng)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：由于SAW器件的尺寸可以調(diào)節(jié)，目前可以做到1mm²以下，因此可以對(duì)局部區(qū)域控制大腸桿菌的生長(zhǎng)。利用SAW技術(shù)促進(jìn)大腸桿菌的生長(zhǎng)無(wú)需使用生物化學(xué)試劑，完全依靠外部的物理環(huán)境調(diào)節(jié)，因此無(wú)其他化學(xué)試劑的污染。同時(shí)利用SAW技術(shù)抑制和殺滅大腸桿菌，不需要使用抗生素，不會(huì)影響周?chē)渌⑸锏纳L(zhǎng)。僅僅采用SAW技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)SAW參數(shù)能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)促進(jìn)和抑制大腸桿菌的生長(zhǎng)。

附圖說(shuō)明

圖1為利用SAW技術(shù)控制大腸桿菌生長(zhǎng)的示意圖。

圖2為輸入SAW器件功率為2W，吸光度(optical density，OD)和溫度隨著SAW處理時(shí)間的變化曲線。

圖3為輸入SAW器件功率為8W，OD和溫度隨著SAW處理時(shí)間的變化曲線。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)附圖和實(shí)例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

實(shí)施例1：

采用ZnO薄膜沉積在Si襯底上作為壓電材料，通過(guò)沉積Al薄膜并利用光刻技術(shù)制備IDT和反射柵，IDT的叉指寬度和指條間距均為50微米，孔徑為10mm。IDT指條數(shù)為80對(duì)，反射柵的條數(shù)為100對(duì)。PDMS容器的尺寸為10×10×10mm³，容器壁厚度為1mm。PDMS容器放置于IDT前面2mm處。將OD值為0.23的大腸桿菌溶液分成兩組，一組作為對(duì)照組，不加載SAW處理；；另一組放入PDMS容器中。輸入SAW器件的射頻信號(hào)的頻率為SAW器件的諧振頻率22.4MHz，當(dāng)輸入功率為2W，經(jīng)過(guò)10min處理后，從圖2中可以看到OD值從開(kāi)始的0.23快速上升到0.73，這比對(duì)照組的0.25增加很多，表明通過(guò)SAW處理后，大腸桿菌數(shù)量急劇增加，當(dāng)進(jìn)一步增加SAW處理時(shí)間時(shí)，OD值增加更加明顯。表明SAW處理確實(shí)能夠促進(jìn)大腸桿菌的生長(zhǎng)。測(cè)量SAW處理后溫度隨著時(shí)間的變化曲線如圖2所示，起初10min溫度從28℃上升到35℃左右，然后隨著時(shí)間增加溫度基本穩(wěn)定，這個(gè)溫度比較適合大腸桿菌的繁殖，這是其中一個(gè)SAW促進(jìn)大腸桿菌生長(zhǎng)的原因，但不是最重要的原因。SAW采用的是高頻低能“微擾動(dòng)”，微擾動(dòng)一方面能夠?qū)⑴囵B(yǎng)液中的營(yíng)養(yǎng)成分快速傳輸?shù)酱竽c桿菌的周?chē)硪环矫婺軌蚩焖俎D(zhuǎn)移新陳代謝產(chǎn)生的排泄物，另外微擾動(dòng)還能夠?qū)τ诩?xì)胞的生長(zhǎng)有益，因此能夠顯著增強(qiáng)大腸桿菌的生長(zhǎng)。

實(shí)施例2：

采用同實(shí)施例1相同的SAW器件和PDMS容器，PDMS容器放置于IDT前面2mm處。將OD值為0.95的大腸桿菌溶液分成兩組，一組作為對(duì)照組，不加載SAW處理；另一組放入PDMS容器中。輸入SAW器件的射頻信號(hào)的頻率為SAW器件的諧振頻率22.4MHz，當(dāng)輸入功率為8W時(shí)，經(jīng)過(guò)10min處理后，從圖3中可以看到OD值從開(kāi)始的0.95快速下降到0.53，這比對(duì)照組的1.02顯著降低，表明通過(guò)高能SAW處理后，大腸桿菌數(shù)量急劇下降，當(dāng)進(jìn)一步增加SAW處理時(shí)間時(shí)，OD值進(jìn)一步降低，經(jīng)過(guò)30min處理后，OD值降到0.1以下，為對(duì)照組1.26的十分之一不到。表明高能SAW處理確實(shí)能夠抑制大腸桿菌的生長(zhǎng)甚至殺滅大腸桿菌。高能SAW處理大腸桿菌，一方面顯著提高溶液的溫度，從圖3所示，最高溫度已經(jīng)超過(guò)47℃。另外一方面，高能SAW產(chǎn)生溶液的激烈擾動(dòng)，從而影響大腸桿菌內(nèi)細(xì)胞的生長(zhǎng)，因此能夠顯著抑制大腸桿菌的生長(zhǎng)，甚至殺滅大腸桿菌。