一种采用液滴微流控技术提高微生物燃料电池的输出功率的实验方法

摘要

本发明提出一种采用液滴微流控技术提高微生物燃料电池的输出功率的方法，该方法包括步骤：（1）建立液滴微流控实验装置平台：（2）建立微量（picoinjection）实验溶液注入实验装置；（3）建立菌种数据库；（4）建立基质材料数据库；（5）制作具有晃动阳极的微生物燃料电池装置；（6）采用步骤（4）的基质数据库中的基质材料与步骤（3）中的菌种数据库中的液滴菌种采用步骤（5）的微生物燃料电池装置，测量特定基质材料和特定菌种条件下的，电池装置的输出功率；筛选出能够使微生物燃料电池达到最大功率的菌种和最优的基质材料。我们采用的液滴微流控实验方法具有成本低，可以大批量实验的优势。

说明书

技术领域

本发明涉及可持续发展和再生的新能源技术领域，特别涉及一种能够提高目前限制微生物燃料电池大规模推广应用的输出功率低的一种液滴微流控技术的实验方法。

背景技术

最近的诺贝尔奖得主理查德斯莫利(RichardSmalley)经常说“能源问题是人类面临的最大挑战”。科学家们尝试能够寻找到石油的替代品，比如甲烷水合物和把煤转化成沼气，但是这些替代品都存在一个副作用，它们会释放二氧化碳，从而加剧全球温室效应，核能虽然能够提供无碳排放的清洁能源，但是目前缺乏行之有效的安全的办法来处理核废弃物。因此一系列可持续的替代能源应该满足零碳排放和可再生的要求，比如目前已有的太阳能，风能和生物质能量都能够满足我们未来对能量的需求。微生物燃料电池，是一种把生物化学能转化成电能的装置，是其中一个很有前景的可持续发展的能源。微生物燃料电池不仅是一种新能源而且还可以进行废水处理和进行生物降解，具有非常广泛的应用。但是，使其作为可再生的清洁能源输出并且大规模的推广应用还面临很多的挑战。

近些年研究人员从各个方面对微生物燃料电池进行改进使其能够推广应用，取得了很大进展。首先，基质材料被认为是影响微生物燃料电池输出功率的其中一个重要参数。几乎所有的可以进行生物降解的有机物质都可以作为为生物燃料电池的基质来产生电能，包括简单的分子，比如碳水化合物和蛋白质；以及人体，动物和食物加工过程中所产生废水中复杂的有机物的混合物。Angenent等人研究表明，包含有能够转化成燃料的化学成分的基质材料是理想的微生物燃料电池的基质材料，这些成分还会影响阳极表面生物膜中的细菌群落的组成，以及微生物燃料电池的输出功率和库仑效率。通常用到的基质材料主要有醋酸盐，葡萄糖，木质纤维素生物质，人工合成废水，啤酒制造废水，淀粉加工废水，染料废水，垃圾渗出液，纤维素和甲壳素，太阳光等。

电荷传输机理是决定微生物燃料电池输出功率的其中一个重要因素。细菌细胞通过呼吸代谢产生电荷，不同的菌种以及不同的电极势都会有不同的代谢过程。然后,这些电荷通过物理传输系统(胞外电荷传递)从细胞转移到电极。这一过程可以通过多种途径来实现，一种是采用可溶性的电荷载体或者某种表面可以粘附电荷的成分；另一方法是通过人工添加或者细菌分泌的介质来传导电荷；还有一种是细菌细胞产生的纳米导线来传导电荷。

还有其他非常多的重要参数会影响微生物燃料电池的输出功率，比如阳极表面生物膜的形成过程会受到细菌菌种、环境因素、阳极材料和阳极电势以及生物膜中电荷流动的影响。电极结构和材料也是影响参数之一，比如采用碳纳米管制成的多孔隙结构的阳极会大大提高微生物燃料电池的输出功率。最近Peter等人通过采用调整阳极工作周期办法来提高功率，即调整阳极与电路接通的时间间隔。这样克服了由于基质的扩散时间以及电荷在胞外或者细胞膜内传输时间的延迟导致的功率减小。研究表明尽管很多种微生物都可以产生电流，但是大多数单一菌种溶液产生的电荷密度比较小，而不同菌种的混合溶液会提高电荷密度。因此选择合适的菌种或者菌种组合对提高微生物燃料电池的性能很有必要。

发明内容

因此本发明将设计新的动态胶体电极来改善电荷在电极表面的传输。我们还利用微流控技术对细菌菌种和基质材料进行高速率筛选，选择出能够产生最高电荷密度的菌种或者菌种组合，以及基质材料，最终通过优化这些因素来提高微生物燃料电池的性能。

本发明提供一种采用液滴微流控技术提高微生物燃料电池的输出功率的实验方法，包括以下步骤：

(1)建立液滴微流控实验装置平台：将水相溶液和油相溶液以不同流速从不同的方向共同流经微管道产生的油相溶液包裹水相溶液的液滴，油相溶液形成液滴外壳，可密封任何水相溶液中细胞，颗粒或者分子等；培养包含一定数量菌种的液滴，将液滴收集在微管中。

(2)建立微量(picoinjection)实验溶液注入实验装置，将醋酸盐电解液注入到上述包含有细菌细胞的液滴中，并对醋酸盐溶液添加有机染料，便于显微镜观测。

(3)建立菌种数据库，选取不同的细菌菌种，每个液滴包含相同数量的一种菌种，或者某几种菌种的组合，采用步骤(2)的方法在细菌溶液液滴中添加不同的染料颜色进行染色，从而进行分类，即每一种颜色对应一种细菌或者细菌组合，从而建立菌种数据库。

(4)建立基质材料数据库，采用(2)的方法对每一种基质材料进行染色，及每一种颜色对应一种基质材料，从而建立菌种数据库。

(5)制作具有晃动阳极的微生物燃料电池装置；在特定胶体液滴中培养生物膜，利用不同的胶体液滴来培养生物膜，所述特定胶体液滴是加入胶体和碳导线丝的不同液滴表面的液滴；并在胶粒的胶体内部加入碳导线丝，增加胶粒的导电性，通过一定频率周期性晃动阳极溶液，来更换阳极表面的已经释放到电荷的生物膜胶粒，而电解液中产生电子的生物膜胶粒会吸引到阳极，被置换的生物膜胶粒在电解液中进行恢复；所述一定频率周期性晃动是通过调整晃动的频率和幅度，调整细胞恢复时间，提高置换效率。

(6)采用步骤(4)的基质数据库中的基质材料与步骤(3)中的菌种数据库中的液滴菌种采用步骤(5)的微生物燃料电池装置，测量特定基质材料和特定菌种条件下的，电池装置的输出功率；从而筛选出能产生最大电流功率的生物菌种，将细菌细胞，DNA或者其他的分子颗粒包裹在体积从0.05微微升到1纳升的反应液滴中来测量输出功率，这么小的液滴体积极大地缩短了反应时间，使得高速率的测量以建立不同细菌液滴数据库，从而筛选出能够使微生物燃料电池达到最大功率的菌种；这种方法最大的优点是非常经济和高效。

通过液滴微流控技术，采用步骤1～6的筛选方法定量分析各种基质材料在相同的条件下能够产生的电流密度，从而挑选出最优的基质材料，提高微生物燃料电池的输出功率。把各种基质材料按照不同的浓度和成分包裹在很小体积的反应液滴中，建立基质材料数据库。可以实现每天对10⁸个反应液滴进行制作和测量。通过这种方法，可以用最低的成本对不常见的比较贵的基质材料进行实验测量分析。

通过以上实验数据得到的优化方案，在微生物燃料电池装置中进行实验，经过大量的不同菌种，基质和液滴生物膜的组合，得到最优的设计方案，使微生物燃料电池的输出功率达到最大。

进一步的，所述步骤(1)中的水相溶液采用Luria-Bertani细菌培养溶液，每1升Luria-Bertani溶液包括10克蛋白胨、5克氯化钠、5克酵母提取物和1升蒸馏水，把混合物溶液进行高温灭菌，可以储存到零下4度的冰箱中备用。

进一步的，所述步骤(3)中不同的细菌菌种包括地杆菌，希瓦氏菌，绿脓杆菌，产琥珀酸放线杆菌，嗜水气单胞菌，粪产碱杆菌，丁酸梭菌，脱硫脱硫弧菌，欧文氏菌，大肠杆菌，氧化葡糖杆菌，肺炎杆菌，植物乳杆菌，奇异变形杆菌，嗜甜微生物，乳酸链球菌。每个液体包含相同数量的一种菌种，测量它们产生电荷的多少，从而对菌种液滴进行分类，类似方法测试不同菌种组合的液滴，产生的电荷数进行分类。即在细菌溶液液滴中添加不同的染料颜色进行染色。进行数据分析，得到不同菌种产生电荷的数据库。

进一步的，所述步骤(2)的有机染料是靛蓝染料(一种从植物中提取的有机染料，化学表达式为C₁₆H₁₀N₂O₂)，也可以采用其他颜色染料，

进一步的，所述步骤(4)，基质材料为醋酸盐，阿糖醇，葡萄糖，羧甲基纤维素，纤维素颗粒，玉米秸秆生物质，半胱氨酸，1,2-二氯乙烷，酒精或糠醛。并且比较不同浓度下产生电荷数，建立电解液基质材料数据库。

进一步的，所述步骤(5)中不同的胶体液滴是单表面胶体液滴，双层表面胶体液滴和三层胶体表面液滴中的一种，

进一步的，所述步骤(5)中晃动幅度和晃动频率需要根据对应的输出功率测量值确定，保证输出功率测量值为输出功率测量值范围内最高值上下5～20％的范围值内(优选保证输出功率测量值为输出功率测量值范围内最高值上下10％的范围值内)，所述输出功率测量值为微生物燃料电池装置，测量特定基质材料和特定菌种条件下的，电池装置的输出功率。

进一步的，所述步骤(5)中细胞恢复时间为3～10s；优选的，细胞恢复时间可缩短至3～5s。

比如每秒钟周期性往复晃动一次，保证输出功率测量值为输出功率测量值范围内最高值上下10％的范围值内，来更换阳极表面的已经释放到电荷的生物膜胶粒，而电解液中产生电子的生物膜胶粒会吸引到阳极，被置换的生物膜胶粒在电解液中进行恢复。我们称之为动态胶体电极，如示意图4所示，是细菌生物膜在液滴中生长，细胞会经历三种细菌类型的转化，通过细胞生长在液滴中来控制细胞与阳极的接触，方便置换掉阳极表面释放完电荷后的细胞到电解液中进行恢复，补剂新的产生电荷的细胞液滴到阳极表面。采用本发明的方法得到的细胞恢复时间为5s左右，将远远低于文献中目前微生物燃料电池中负载周期中的的恢复时间15秒，从而增加阳极电荷保持在峰值状态的时间。克服由于电荷在电极传输恢复时间引起的功率减小，能够极大提高微生物燃料电池装置的输出功率。

本发明将利用液滴微流控技术来提高微生物燃料电池的输出功率，主要包括以下三个方面：

a)对微生物燃料电池进行优化设计.近年来负载周期对微生物燃料电池性能的影响受到了关注。通过调节外电路与阳极连接与断开的时间来优化功率输出。其原理是因为基质和电荷在微生物燃料电池中的传输以及他们在生物膜中的传输需要扩散时间。我们的项目将利用微流控技术来改善这一问题。我们用生长在胶体液滴中的生物膜代替传统的粘附在阳极表面的生物膜，并在生长有生物膜的胶体液滴中加入导线丝比如碳纳米管，来增加生物膜胶粒的导电性。这样与电极接触的每个长有生物膜的胶体液滴具有相同的结构，而且由于细菌细胞被胶体包裹，因此每个生物膜胶粒是相互独立的。我们通过晃动阳极溶液，来更换阳极表面的生物膜胶粒，被置换的生物膜胶粒在电解液中进行恢复，我们称之为动态胶体电极。采用本发明的方法得到的细胞恢复时间在3～10秒，远远低于文献中目前微生物燃料电池中负载周期中的的恢复时间15秒，从而增加阳极电荷保持在峰值状态的时间。克服由于电荷在电极传输恢复时间引起的功率减小；会极大提高微生物燃料电池装置的输出功率。

b)采用液滴微流控技术来优化微生物菌种或者菌落.我们利用液滴微流控技术采用超高速率筛选出能够产生高电流密度的生物菌种或者菌种组合。最近的研究显示，尽管非常多的细菌都可以使微生物燃料电池产生电流，但是大多数用单一菌种的培养液得到的电流密度比较低。为提高电流密度，我们需要量化出哪一种菌种能够产生高电流密度。本发明采用液滴微流控技术建立超高吞吐量的测量平台，筛选出能产生最大电流功率的生物菌种，这种方法最大的优点是非常经济和高效。我们可以将细菌细胞，DNA或者其他的分子颗粒包裹在体积从0.05微微升到1纳升的反应液滴中来进行测量，这么小的液滴体积极大地缩短了反应时间，使得高速率的测量成为可能。这样我们就可以建立不同细菌液滴数据库，从而筛选出能够使微生物燃料电池达到最大功率的菌种。

c)基质材料的超高速率筛选.在微生物燃料电池中，基质材料被认为是其中一个非常重要的影响输出功率的因素。基质材料的种类非常广泛，可以是单一成分的材料或者是废水中各种有机物的组合。到目前为止，研究人员罗列出了能够用于微生物燃料电池发电的基质材料的清单,但是由于不同的实验环境，实验条件，电极材料和表面特性以及不同的菌种选用，很难定量比较这些基质材料对输出功率的影响。我们将通过液滴微流控技术来解决这一问题，采用超高速筛选方法定量分析各种基质材料在相同的条件下能够产生的电流密度，从而挑选出最优的基质材料。我们可以把各种基质材料按照不同的浓度和成分包裹在很小体积的反应液滴中，建立基质材料数据库，可以实现每天对108个反应液滴进行制作和测量。通过这种方法，我们可以用最低的成本对不常见的比较贵的基质材料进行实验测量分析。

附图说明

图1为本发明制备的传统的的微生物燃料电池实验装置；

图2a为本发明设计的具有晃动阳极的微生物燃料电池装置；

图2b为本发明设计的具有晃动阳极的微生物燃料电池装置中的液滴胶粒生物膜的放大图；

图3A是制作微液滴的的实验装置；

图3B制备生长有生物膜的液滴的实验装置；

图3C是由图3B产生的双面乳化的液滴显微镜图片；

图4A是液滴中的生物膜不同的生长阶段的细胞类型；

图4B是液滴中的生物膜在2小时时的细胞类型的显微镜拍摄图片；

图4C是液滴中的生物膜在24小时时的细胞类型的显微镜拍摄图片；

图4D是液滴中的生物膜在72小时时的细胞类型的显微镜拍摄图片；

图5A所示具有双乳化层的含有细菌生物膜的液滴比其他不含生物膜的液滴对比显微镜图片；

图5B所示具有单乳化层的含有细菌生物膜的液滴比其他不含生物膜的液滴对比显微镜图片；

图5C所示不同双乳化成液滴壳的厚度对生物膜形成的影响，图片为显微镜拍摄的三种液滴壳厚度的液滴在24小时时刻的图片；

图6为本发明用来进行细菌和基质材料进行超高速筛选的微流控装置；

图6a所示用于超高速率帅选的制备液滴的实验装置；

图6b所示1百万个直径为25微米的液滴储存在微管中；

图6c所示液滴再喷入实验装置；

图6d所示微微尺度液滴的再喷入实验装置；

图6e所示液滴分离装置；

图6f所示液滴的筛选装置；

图7a所示采用微流控方法进行超高速筛选时液滴库的建立；

图7b所示是液滴库用于检测抗菌剂的微量成分的筛选。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

一种采用液滴微流控技术提高微生物燃料电池的输出功率的实验方法，包括以下步骤：

(1)建立液滴微流控实验装置平台：将水相溶液和油相溶液以不同流速从不同的方向共同流经微管道产生的油相溶液包裹水相溶液的液滴，油相溶液形成液滴外壳，可密封任何水相溶液中细胞，颗粒或者分子等；培养包含一定数量菌种的液滴，将液滴收集在微管中。其中的水相溶液采用Luria-Bertani细菌培养溶液，每1升Luria-Bertani溶液包括10克蛋白胨、5克氯化钠、5克酵母提取物和1升蒸馏水，把混合物溶液进行高温灭菌，可以储存到零下4度的冰箱中备用。

(2)建立微量(picoinjection)实验溶液注入实验装置，将醋酸盐电解液注入到上述包含有细菌细胞的液滴中，并对醋酸盐溶液添加有机染料，便于显微镜观测。其中的有机染料是靛蓝染料(一种从植物中提取的有机染料，化学表达式为C₁₆H₁₀N₂O₂)，也可以采用其他颜色染料，

(3)建立菌种数据库，选取不同的细菌菌种，每个液滴包含相同数量的一种菌种，或者某几种菌种的组合，采用步骤(2)的方法在细菌溶液液滴中添加不同的染料颜色进行染色，从而进行分类，即每一种颜色对应一种细菌或者细菌组合，从而建立菌种数据库。所述步骤(3)中不同的细菌菌种包括地杆菌，希瓦氏菌，绿脓杆菌，产琥珀酸放线杆菌，嗜水气单胞菌，粪产碱杆菌，丁酸梭菌，脱硫脱硫弧菌，欧文氏菌，大肠杆菌，氧化葡糖杆菌，肺炎杆菌，植物乳杆菌，奇异变形杆菌，嗜甜微生物，乳酸链球菌。每个液体包含相同数量的一种菌种，测量它们产生电荷的多少，从而对菌种液滴进行分类，类似方法测试不同菌种组合的液滴，产生的电荷数进行分类。即在细菌溶液液滴中添加不同的染料颜色进行染色。进行数据分析，得到不同菌种产生电荷的数据库。

(4)建立基质材料数据库，采用(2)的方法对每一种基质材料进行染色，及每一种颜色对应一种基质材料，从而建立菌种数据库。基质材料为醋酸盐，阿糖醇，葡萄糖，羧甲基纤维素，纤维素颗粒，玉米秸秆生物质，半胱氨酸，1,2-二氯乙烷，酒精或糠醛。并且比较不同浓度下产生电荷数，建立电解液基质材料数据库。

(5)制作具有晃动阳极的微生物燃料电池装置；在特定胶体液滴中培养生物膜，利用不同的胶体液滴来培养生物膜，所述特定胶体液滴是加入胶体和碳导线丝的不同液滴表面的液滴；并在胶粒的胶体内部加入碳导线丝，增加胶粒的导电性，通过一定频率周期性晃动阳极溶液，来更换阳极表面的已经释放到电荷的生物膜胶粒，而电解液中产生电子的生物膜胶粒会吸引到阳极，被置换的生物膜胶粒在电解液中进行恢复；所述一定频率周期性晃动是通过调整晃动的频率和方式，调整细胞恢复时间，提高置换效率。晃动幅度和晃动频率需要根据对应的输出功率测量值确定，保证输出功率测量值为输出功率测量值范围内最高值上下5～20％的范围值内(优选保证输出功率测量值为输出功率测量值范围内最高值上下10％的范围值内)，所述输出功率测量值为微生物燃料电池装置，测量特定基质材料和特定菌种条件下的，电池装置的输出功率。通过特定的基质材料和特定菌种的选用，及上述方法可调整细胞恢复时间为3～10s其中不同的胶体液滴是单表面胶体液滴，双层表面胶体液滴和三层胶体表面液滴中的一种。

比如每秒钟周期性往复晃动一次，保证输出功率测量值为输出功率测量值范围内最高值上下10％的范围值内，来更换阳极表面的已经释放到电荷的生物膜胶粒，而电解液中产生电子的生物膜胶粒会吸引到阳极，被置换的生物膜胶粒在电解液中进行恢复。我们称之为动态胶体电极，如示意图4所示；是细菌生物膜在液滴中生长，细胞会经历三种细菌类型的转化，通过细胞生长在液滴中来控制细胞与阳极的接触，方便置换掉阳极表面释放完电荷后的细胞到电解液中进行恢复，补剂新的产生电荷的细胞液滴到阳极表面。

采用本发明的方法得到的细胞恢复时间为5s左右，将远远低于文献中目前微生物燃料电池中负载周期中的的恢复时间15秒，从而增加阳极电荷保持在峰值状态的时间。克服由于电荷在电极传输恢复时间引起的功率减小，能够极大提高微生物燃料电池装置的输出功率。

(6)采用步骤(4)的基质数据库中的基质材料与步骤(3)中的菌种数据库中的液滴菌种采用步骤(5)的微生物燃料电池装置，测量特定基质材料和特定菌种条件下的，电池装置的输出功率；从而筛选出能产生最大电流功率的生物菌种，将细菌细胞，DNA或者其他的分子颗粒包裹在体积从0.05微微升到1纳升的反应液滴中来测量输出功率，这么小的液滴体积极大地缩短了反应时间，使得高速率的测量以建立不同细菌液滴数据库，从而筛选出能够使微生物燃料电池达到最大功率的菌种；这种方法最大的优点是非常经济和高效。

通过液滴微流控技术，采用步骤1～6的超高速筛选方法定量分析各种基质材料在相同的条件下能够产生的电流密度，从而挑选出最优的基质材料。把各种基质材料按照不同的浓度和成分包裹在很小体积的反应液滴中，建立基质材料数据库。可以实现每天对10⁸个反应液滴进行制作和测量。通过这种方法，可以用最低的成本对不常见的比较贵的基质材料进行实验测量分析。

通过以上实验数据得到的优化方案，在微生物燃料电池装置中进行实验，经过大量的不同菌种，基质和液滴生物膜的组合，得到最优的设计方案，使微生物燃料电池的输出功率达到最大。

以下结合附图描述根据本发明实验的主要装备制作方法和步骤。

如图1所示是微生物燃料电池的实验室装置。

图1微生物燃料电池的组成部分主要包括阳极，阴极和电解液，附着在阳极端的微生物催化氧化阳极室中的基质材料，微生物细胞通过呼吸向阳极释放出电子，这些电子由外电路传递到阴极从而产生电流。微生物细胞每产生一个电子就会同时产生一个质子，质子通过电解液传递到阴极来维持电流。通常情况下，电子和质子在阴极与氧气在铂的催化作用下发生反应生成水.阳极和阴极的反应如下所示，这里选用醋酸盐为例作为基质材料。

Cathodicreaction:O₂+4e^-+4H⁺→2H₂O(2)

图2是本发明设计的具有晃动阳极的微生物燃料电池装置，

图2a.是微生物燃料电池示意图，左侧为阳极反应室，右侧为阴极反应室，中间由质子交换膜隔离。阳极反应室中的电解液处于晃动状态，阳极表面被细菌胶体包裹的生物膜液滴所覆盖。

图2b.是生物膜胶粒的放大示意图，生物膜生长在胶粒的内表面，在胶体中均匀分布着导线丝(炭黑)，增加生物膜胶粒的导电性。我们通过晃动阳极室中的电解液，来置换阳极表面的生物膜胶粒，被置换下来的生物膜胶粒在电解液中进行恢复。

图3所示是制备胶粒中生长生物膜的装置。

图3A是制作微液滴的的实验装置，W代表水相，O代表油相，我们采用玻璃管微流控实验装置，当水相和油相以一定的速度流过特定的玻璃管装置，就会形成油相包裹着水相的微液滴，液滴的大小根据玻璃管的半径来决定。

图3B把图3A中内管道中的水相由培养生物膜的溶液和枯草杆菌细胞代替，其中细胞的密度为OD₆₀₀外＝1，培养生物膜的溶液为MSgg溶液，成分为5mM磷酸钾(pH7)/100mM3-(N-morpholino)propanesulfonate(MOPS)(pH7)/2mM氯化镁/700μMCaCl₂/50μMMnCl₂/50μMFeCl₂/1μMZnCl₂/2μMthiamine/0.5％glycerol/0.5％glutamate/50g/mltryptophan/50g/mlphenylalanine和水，上述个化学成分需要消毒或者高温灭菌。管道中的油相是硅油和表面活性剂(10cStDC200PDMSwith2％(w/v)DC749)，外管道中的液相成分为MSgg溶液其中包含10％(w/v)聚乙烯醇(polyvinylalcohol,87％-89％hydrolyzed,Mw13000-23000,Sigma-Aldrich)。把两个外径为1毫米的锥形的玻璃管放置在一个内径为1.05毫米的方形管内来制作液滴。

图3C是由图3B产生的双面乳化的液滴显微镜图片。图中的标尺为200微米。

图4所示是由图3的制备液滴中生长生物膜的显微镜图片。实验中我们采用双标记的枯草芽孢杆菌菌种3610(amyE::P_tapA-yfp,lacA::P_hag-cfp)

图4A是液滴中的生物膜不同的生长阶段的细胞类型。在初始的几个小时细菌细胞是游离状态的运动性细胞，如图3A左侧图所示；在12-24小时的时候细胞分化成分泌基质的细胞，如图3A中间的图所示；在48-72小时转变为孢子细胞，如图3A右侧图所示。

图4B是液滴中的生物膜不同的生长阶段的细胞类型的显微镜拍摄图片。

如图4B左侧图片所示在2小时时，大多数细胞呈现蓝色(P_hag-cfp,这里hag产生鞭毛)，表明是运动性细胞。显微镜拍摄的图片是液滴的中心截面。

如图4B中间图片所示在24小时时，大多数细胞呈现黄色，表明细胞转变为分泌基质的细胞，并且在液滴的内表面形成生物膜。显微镜拍摄的图片靠近液滴的底部。

如图4B右侧图片所示在72小时时候，大多数细胞没有荧光显示，并且在液滴底部形成球星的孢子细胞。图片的标尺为50微米。通过细胞生长在液滴中来控制细胞与阳极的接触，方便置换掉阳极表面释放完电荷后的细胞到电解液中进行恢复，补剂新的产生电荷的细胞液滴到阳极表面。

图5所示表示不同液滴壳厚度对生物膜的影响。

图5A所示具有双乳化层的含有细菌生物膜的液滴比其他不含生物膜的液滴，体积会减小，表明还有生物膜的液滴中的水分从液滴的油层壳流出。

图5B所示具有单乳化层的含有细菌生物膜的液滴比其他不含生物膜的液滴，体积也会减小，表明同样有水分从液滴的油层壳流出。

图5C所示不同双乳化成液滴壳的厚度对生物膜形成的影响，图片为显微镜拍摄的三种液滴壳厚度的液滴在24小时时刻的图片，表明三种液滴壳厚度的液滴都会有生物膜。其中4A中的标尺代表200微米，4B中的标尺代表25微米，4A中的标尺代表50微米。

图6所示采用微流控方法进行超高速筛选时液滴制备装置。

图6a所示制备液滴的实验装置。一种液体溶液(W)与油相溶液(O)共同流过微流管道形成油相内部包裹水相的液滴(WO)。液滴中的水相可以包含细胞，粒子和分子。

图6b所示1百万个直径为25微米的液滴储(所占体积大约20微升)存在200微升的微管中。

图6c所示液滴再喷入实验装置，取出由图6a所示装置制备的液滴(WO)，再喷入微流管装置。在出口处，我们加入油相(O)来分离紧密排列的液滴。

图6d所示微微尺度液滴的再喷入实验装置，由图6a所示装置制备的液滴(WO)从左侧通过T型微管道装置，蓝色液体(W)从T型微管道装置上方注入液滴中,T型微管道装置下方的粗黑线代表电极，用来使液滴壳失稳，从而是蓝色液体注入液滴。这样就是从T型微管道装置右侧产生的新的液滴包含有蓝色液体，而且蓝色液体会迅速扩散到整个液滴中。

图6e所示液滴分离装置。由图5A所示装置制备的液滴(WO)通过T型微管道装置，液滴会分解成两个液滴，可以通过调节T型微管道装置的几何参数控制分解的新的液滴的大小。

图6f所示液滴的筛选装置，装置最左侧的黑色液滴包含有蓝色染料，白色的液滴包含有荧光标记的粒子，两种液滴混合在一起。图中绿色箭头下方的白色圆圈是激光光斑，用来对液滴进行筛选。装置下方的粗黑线代表电极用来激发荧光显示，用来检测到浅色的含有荧光标记的液滴。图中的标尺代表100微米。箭头代表不同相液体的流动方向。

图7所示采用微流控方法进行超高速筛选时液滴库的建立和微小成分的筛选。

图7a所示采用图6a的液滴制备装置与包含有多个能够放置多种微量液体井的板，我们可以同时对板每个井里的液体制作成液滴，然后把各种包含不同溶液的液滴储存在一起形成液滴库每一个存储溶液的井里又含有特定的条形码，图7a中用不同的颜色代替，形成的相应的每个液滴中也具有与井中溶液对应的条形码，以便用来筛选。

图7b所示是液滴库用于检测抗菌剂的微量成分的筛选。把由图7a制备的液滴库中的液滴液滴制备中进行再喷入，并采用图6d的方法给每个液滴中注入单个细菌细胞，进行培养，然后通过检测液滴中的细胞的生死对液滴进行筛选，找出特定的条形码的溶液的抗菌性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。