科学家将烧烤打火机改造成高科技实验室设备

乔治亚理工大学本科生高拉夫·拜亚加瓦利和助理教授萨德·巴姆拉举了丁烷打火机的例子，他们用来制造廉价的电穿孔设备——一种在生命科学研究中有用的电穿孔设备。(信用:克里斯托弗·摩尔，佐治亚理工学院)

研究人员已经设计出一种简单的技术，用廉价的部件，包括从丁烷打火机中取出的压电晶体，来建造一种被称为电穿孔仪的实验室设备——这种设备可以通过电击来暂时打开细胞壁。

这种被称为电镀机的设备的计划，以及创建3D打印外壳所必需的文件，正在准备中。

“我们使用电穿孔的目标是让高中、注重预算的实验室，甚至那些在没有电的偏远地区工作的人能够进行电穿孔实验或过程，”他说M.Saad Bhamla佐治亚理工学院的助理教授化学和生物分子工程学院。“这是另一个例子，通过把这种能力交到更多科学家和有抱负的科学家手中，来寻找绕过经济限制推进科学研究的方法。”

在1月10日《华尔街日报》报道的一项研究中公共科学图书馆生物学由美国国家科学基金会和美国国立卫生研究院赞助，研究人员详细介绍了构建电脉冲的方法，电脉冲能够产生大量实验室任务所需的2000伏以上的短脉冲。

细胞膜的主要工作之一是充当保护边界，保护活细胞的内部工作不受外界环境的影响。

但只需短暂的电击，膜就会暂时打开，让外来分子流入——这一过程称为电穿孔，几十年来，分子生物学实验室一直在使用这一过程来完成从细菌检测到基因工程的任务。

尽管这种做法已经变得非常普遍，电穿孔的高成本和对电源的依赖使得这项技术大部分局限于学术或专业实验室。巴姆拉和本科生高拉夫·拜亚加瓦利在合作者索哈姆·辛哈、张燕、马克·斯蒂钦斯基助理教授和兰伯特高中老师珍妮特·斯坦德甚至的帮助下，着手改变这种状况。

Byagathvalli说:“一旦我们决定解决这个问题，我们就开始探索电穿孔剂的内部工作原理，以理解它们为什么如此庞大和昂贵。”。“自20世纪80年代初构思以来，电穿孔仪在设计上没有重大变化，这引发了一个问题，即我们是否能以很小的成本获得同样的产量。当我们发现一种可以通过压电产生这些高电压的打火机时，我们兴奋地发现了这个普通工具背后的新秘密。”

除了压电打火机晶体(当压力施加到它身上时会产生电流)，该装置的其他部件还包括镀铜导线、热收缩导线绝缘体和铝带。为了将它们结合在一起，研究人员设计了一个3D打印的外壳，它也可以作为激活器。研究人员报告说，所有部件都在手边，该设备可以在15分钟内组装完毕。

尽管电泳仪的设计并不是为了取代实验室级的电穿孔仪，这种电穿孔仪成本高达数千美元，能够处理多种细胞混合物，但在不需要大容量的情况下，这种仪器仍然具有很强的执行任务的能力。

研究人员测试了几种不同的较轻晶体，利用基于弹簧的机制找到产生一致电压的晶体。为了更好地了解打火机的功能，该团队使用了一台每秒1057帧的高速摄像机来观察慢动作中的设备力学。

“这种装置工作的一个基本原因是压电晶体产生持续的高电压，与使用者施加的力无关，”巴姆拉说。“我们的实验表明，这些打火机中的锤子能够达到3000克的加速度，这解释了为什么它能够产生如此高的电压脉冲。”

为了测试它的能力，研究人员在大肠杆菌样本上使用该设备添加一种化学物质，使细菌细胞在特殊光线下发出荧光，照亮细胞部分，使它们更容易识别。类似的技术可用于实验室或远程现场操作，以检测细菌或其他细胞的存在。

该小组还评估了该设备是否易于使用，并将组装好的电子设备运送给其他大学和高中的学生。

巴姆拉说:“研究小组成功地获得了相同的荧光表达，我认为这验证了这些设备在全球学生中传播和采用的难易程度。”

为此，研究人员提供了如何制造该设备的计划，以及3D打印机用来制造外壳和致动器的数字文件。接下来的研究步骤包括测试更大范围的打火机，在更大范围内寻找一致的电压，目的是创造不同电压的电子产品。

这项研究得到了国家科学基金会(NSF)第1817334号赠款、明德林基金会第MF19-1T1P03号赠款和国家卫生研究院(NIH)第R01-EB022592号赠款的支持。本材料中表达的任何意见、发现和结论或建议都是作者的意见、发现和结论或建议，不一定反映赞助组织的意见。

引用:Gaurav Byagathvalli，Soham Sinha，Yan Zhang，Mark P. Styczynski，Janet Standeven，和M. Saad Bhamla，“电疗:超低成本的无电便携式电疗仪”（公共科学图书馆生物学，2020年1月）