抗菌纳米颗粒对几何形状和受限程度不同的微流控通道中细菌运动性的影响：对水消毒的启示

《ACS ES&T Water》：Effect of Antimicrobial Nanoparticles on Bacterial Motility in Microfluidic Channels of Varying Geometry and Confinement: Implications for Water Disinfection

　　

摘要

通过研究微几何结构中的细菌运动，可以理解填充床过滤柱中的水消毒过程。微流控与图像分析相结合，提供了一个理想的平台，以高时空分辨率探测这些动力学过程。本研究旨在阐明铜纳米颗粒（CuNPs）对微流控通道中绿色荧光蛋白标记E. coli运动的影响，该通道具有可调的几何曲率和不同的约束，模拟过滤柱的颗粒碳基质特性。在宽度为 150 或 20 μm 的直通道和柱状通道（模拟非球形碳颗粒）中，CuNPs 的存在分别将细菌的平移动扩散系数降低了两个和三个数量级。这伴随着运动模式的转变：在直通道中从近弹道式运动（反常扩散指数，α ～ 1.8）转变为近平移扩散运动（α ～ 1.2），在柱状通道中则转变为次扩散运动（α ～ 0.6）。同时，旋转运动增加，表现为更高的翻滚频率和旋转速度，并伴有明显的广角重定向（90°–180°）。细菌旋转运动的这种增加被解释为从 CuNPs 诱导的压力环境中逃逸的机制。因此，我们得出结论，水过滤柱中的 CuNPs 通过杀菌作用以及物理约束的组合（几何曲率和通道约束）改变了细菌的运动性。