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一种由细菌驱动和光控制的微电机

实验帮| 2017-7-20 15:11

如图所示,是一种微型马达,内部柱状结构中是显示的微室,图片来源《自然通讯》杂志。当研究人员在一组微型电机中滴入一滴含有成千上万用于基因工程学应用的大肠杆菌溶液,并等溶液沉积下来,几分钟后,电机开始旋转 ...
  

如图所示,是一种微型马达,内部柱状结构中是显示的微室,图片来源《自然通讯》杂志。

当研究人员在一组微型电机中滴入一滴含有成千上万用于基因工程学应用的大肠杆菌溶液,并等溶液沉积下来,几分钟后,电机开始旋转。一些单个的细菌的头部进入每个电机的外边缘15个微蚀刻凹槽中的一个之中,另外保持鞭毛外微凸,这些细菌会一起游动从而让电机开始转动,有点类似于流动河流中转动水车。

研究人员,在罗马大学国家纳米科研中心的物理系教授Roberto Di Leonardo的带领下,在最新一期的《自然通讯》杂志上发表了关于对细菌动力学电机的有关研究的论文。

Di Leonardo说:“我们的设计结合了以前的基于野生细菌和扁平结构的尝试,大大提高了电机的转速,并大大减少了波动。我们可以用光作为最终能源生产大型独立控制转子阵列。这些装置可以用于为期一天的廉价的一次性的单个细胞内收集和整理作用的微型生物医学实验室微型机器人。”

在这里使用的液体,如含有大量游泳细菌的液体,由于其所含的机械能而被称为“活性流体”。为了仍这种流体作为推进微型燃料,细菌的无序运动必须加以控制,使所有(或大部分)的细菌在同一方向移动。

这是就是微电机所要实现的。让每个边微微倾斜45°角,从而增加总转矩,让这种细菌可以引起电动机的转动。在他们的设计中,研究人员还建立了一个弧形坡道障碍,可以让细菌直接游泳进入微室中。在实验中,研究人员发现微电机的转速随着捕获的细菌数量的增加而线性增加,并且很容易达到每分钟20转的转速。

任何细菌驱动的微电机的另一个重要目标是能够控制微电机的运动。为此,研究转基因的大肠杆菌菌株表达光驱动质子泵称为遗传工程,利用光子的能量将质子对电化学梯度,从而增加细菌的游泳速度。通过与不同的光照强度发光细菌动力电机,研究人员可以控制微电机的速度。

为了使这些系统能够在实际应用中变得有用,同样重要的是,一个数组中的所有电机的平均速度是均匀的,波动很小。利用反馈算法,在每10秒一次的均匀照明系统的帮助下,研究人员表明,电机可以有效地在速度很小的变化上实现同步。使用这种灯的控制方法,研究人员可以在一个特定的速度下旋转一套电机统。

细菌驱动微电机具有潜在的医学应用,如药物和靶向的交付,研究人员已计划在未来进行相关研究。

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