细菌电分析化学

This project is based on the previous investigation on electroanalytical chemistry study of hemoglobin, red blood cells and artificial red blood cells. Combining with pathogenic & molecular biology, immunoassay, self-assembly & nanometer and electroanalytical chemistry technology, we put forward the concept of “Bacteria Electroanalytical Chemistry” innovatively. By assembling bacteria on the electrodes, the transmembrane electron transfer of the electrical active chemicals inside bacteria will be achieved (Bacteria Direct Electrochemistry). Furthermore, the numbers of transmembrane electron and protons participating in the electron transfer, the thermodynamics parameters (entropy change and enthalpy change) and kinetics parameters (electron transfer rate) will be measured, which can help us to investigate the chemical phenomena in life process and reveal some laws of low-grade life. The high-throughput bacteria electrochemical sensors with the advantages of miniaturization, integration, and automatization will be applied for the real-time, quantitative and simultaneous detection of Vibrio parahaemolyticus, Salmonella and Escherichia coli in foods, clinical & environmental samples. By comparing the differences of the electrochemical signals between the culture medium with and without antibiotics, we can calculate the changes of bacteria quantity to realize the selection of antimicrobial drugs and explain the mechanism of drug resistance of bacteria.

本项目在血红蛋白、血红细胞及人工红细胞等的电分析化学研究基础上，结合病原生物学、分子生物学、免疫分析、自组装、纳米与电分析化学技术，创新性地提出了“细菌电分析化学”概念；通过将细菌组装在电极表面，实现细菌内电活性物质的跨膜电子转移（细菌直接电化学），获取细菌跨膜电子转移数、质子参与数、热力学（熵变）及动力学（电子转移速率）等参数，研究生命过程中的化学现象，揭示低等生命某些规律；构建微型化、集成化、自动化的高通量细菌电化学传感器，实现环境、食品及临床样品中副溶血性弧菌、沙门氏菌及大肠杆菌等的实时、定量监测，控制危害人民健康的由细菌引起的食源性疾病；通过比较添加抗菌药物的培养基与未添加抗菌药物的培养基中细菌电化学信号的差异，计算出细菌数量的变化，实现抗菌药物的筛选，解释细菌的抗药、耐药机制。

无论是食品卫生安全、公共卫生安全还是临床诊疗，实现对细菌的快速检测成为当今卫生检测领域的迫切要求，可通过研究细菌电分析化学达到快速检测的目的。. 一方面在国家授权发明专利“一种保持细菌活性的 dsDNA 微波解链方法”（专利号：ZL202010972319.6）的技术支撑下，成功研制出“单膜腔微波聚焦反应系统”（样机已出，见图24），用该样机处理固定在电极表面的大肠杆菌/沙门氏菌，在保持大肠杆菌/沙门氏菌生物活性的同时，将大肠杆菌/沙门氏菌内 dsDNA 解链成 ssDNA，实现大肠杆菌/沙门氏菌 DNA 内 G 跨细胞膜和细胞壁的电子转移（细菌直接电化学），并获大肠杆菌/沙门氏菌跨膜电子转移数、质子参与数、热力学（熵变、焓变）及动力学（电子转移速率）等参数，提出“细菌直接电化学”概念。. 另一方面构建了“三明治”结构的细菌电化学免疫传感器，通过比较组装病原菌前后辣根过氧化物酶对过氧化氢的催化信号大小的变化，实现沙门氏菌的定量检测；构建了电化学阻抗传感器，研究鼠伤寒沙门氏菌经抗菌药物作用后交流阻抗的改变，实现了对抗菌药物的效果评价，有望用于临床药物敏感性试验的快速判定；构建多通道细菌电化学传感器，有望实现8个样品同时检测。.此外成功获得从烟叶细胞中提取的 RNA 直接电子转移，实现了烟叶细胞内 RNA 中的鸟嘌呤跨细胞膜和细胞壁的直接电子转移。. 最后研究了新冠病毒（新冠病毒-奥密克戎变异毒株和新型冠状病毒核酸检测室内质控品）、艾滋病毒等RNA病毒不需要微波处理就可以获得鸟嘌呤跨蛋白质膜的电子转移信号；正是这种直接电子转移实现条件的差异性，即是否需要解链？ 是否有嘌呤信号？利用其差异性，有望实现细菌和未知病毒的电化学快速分类检测。