研究多孔介质中生物堵塞的微流体平台

该方法可以系统研究孔径和流速对天然和人工多孔介质中生物膜形成的影响，从而可以揭示多孔介质生物堵塞的基本机制。该技术的主要优点是改变的最高空间和时间分辨率，以及平台对一系列实验条件和要求的适应性。首先在实验前三小时打开显微镜的箱式培养箱，以确保25摄氏度的稳定温度。

将入口和出口管连接到微流体装置。通过将外径为0.6毫米的针头插入入口管中来确保管道和注射器之间的连接。将微流体装置，30毫升去离子水和30毫升培养基放入真空干燥器中，并脱气至少一小时。

完成后，缓慢地将培养基和去离子水拉入两个单独的30毫升注射器中。然后，将微流体装置安装在显微镜上，并将出口管放入废物容器中。通过微流体管将装满去离子水的注射器连接到微流体通道，然后缓慢注入水，直到水从压力传感器出口流出。

用水填充压力传感器，并冲洗连接微流体通道和压力传感器的管道中的所有气泡。用专用于压力传感器的螺钉关闭压力传感器的出口。用去离子水填充微流体通道的其余部分。

接下来，在培养基注射器上放置一个1.2微米的过滤器。取出水注射器并小心地将注射器连接到入口微流体管。将注射器安装在注射泵上后，用培养基以每小时两毫升的流速冲洗通道一小时。

此后，在实验过程中将注射泵设置为所需的流速，并将压力传感器的压力读数设置为零。接下来，在1.5毫升离心瓶中移取一毫升光密度为0.1的600纳米波长的枯草芽孢杆菌NCIB 3610培养物。要将细菌培养物加载到微流体通道中，请将出口管放入离心机小瓶中，等待五分钟以去除管出口中的任何潜在气泡。

完成后，以每小时一毫升的流速提取150微升细菌溶液，直到微流体通道充满细菌培养物。然后，小心地取出培养基注射器过滤器并将出口放入废物容器中。将细菌细胞在微流体通道中的零流量条件下放置三个小时，以允许它们在多孔介质中的表面附着。

要开始实验，通过将注射泵设置为所需的流速来开始流动，并以一赫兹开始压力读数，然后以所需的时间间隔，光学配置和放大倍率获取生长的生物膜的图像。使用明场显微镜可视化生物膜形成过程，其中细菌细胞和生物膜在图像中显示为较暗的像素。在24小时的实验中，最初随机生长的生物膜几乎定植了整个多孔介质。

在20小时时，生物膜的表面覆盖在最小孔径下比在最大孔径下快10%。生物膜表面覆盖与压力积聚的相关性表明，与较大孔径相比，孔径较小的微流控通道中的堵塞导致入口和出口之间的压差更高。要记住的最重要的方面是在温度稳定的环境中运行实验，并对微流体装置和溶液进行脱气，以避免形成气泡。

该方法允许系统研究，以揭示工业和天然多孔介质中生物膜生长的基本机制，涉及流速和孔径的影响。