全自动生长曲线分析仪

Direct measurement of nonthermal microwave effects on bacterial growth and redox dynamics using a novel high-throughput waveguide applicator

利用新型高通量波导施加器直接测量非热微波对细菌生长和氧化还原动力学的影响

来源：Philosophical Transactions of the Royal Society A 2025, Volume 383, 20240073

《皇家学会哲学汇刊A辑》，2025年，第383卷，文章编号20240073

摘要

本研究设计并表征了一种可同时对96个生物样本进行2.45 GHz定量电场暴露的高通量矩形波导施加器。在25 W有效值、非热微秒脉冲微波暴露24小时后，金黄色葡萄球菌的光密度与生长速率显著高于热对照组。荧光探针检测显示微波暴露改变了细胞氧化还原状态，表现为膜电位下降、低分子量硫醇水平上升。该研究证实脉冲微波对金黄色葡萄球菌存在非热效应，并提供了可用于生物系统微波效应研究的新型高通量平台。

关键词

非热微波；金黄色葡萄球菌；生长动力学；氧化还原；波导施加器；高通量；膜电位；硫醇

研究目的

设计高通量微波施加装置，严格排除热效应，直接测量2.45 GHz脉冲微波对金黄色葡萄球菌生长与氧化还原动态的非热生物学效应。

研究思路

构建TE10模矩形波导系统，实现96孔板同步暴露；优化脉冲参数确保无宏观温升；检测微波暴露后金黄色葡萄球菌的OD600、活菌数、生长曲线；利用荧光探针分析ROS、硫醇与膜电位；解析非热效应的剂量与频率依赖性。

研究亮点

1 首次建立可定量、高通量、非热微波暴露的96孔板波导实验平台。

2 证实非热脉冲微波可显著加速金黄色葡萄球菌生长并改变氧化还原状态。

3 揭示效应具有 duty cycle 与脉冲频率依赖性，与电场强度呈非线性关系。

4 严格排除宏观温升，为微波非热生物效应提供可靠实验证据。

可延伸的方向

1 拓展至大肠杆菌、铜绿假单胞菌等多种细菌的非热微波效应研究。

2 探究微波参数（频率、脉宽、场强）与细菌响应的量化关系。

3 结合转录组与代谢组解析非热效应的分子机制。

4 应用于抗菌、发酵调控、微生物检测等生物医学与工业场景。

5 开发更高均匀度、更精准控温的微波暴露装置。

测量的数据及研究意义

1 波导S参数与电场分布数据（图1），验证装置高效耦合与场强分布特征。

2 不同占空比下温度监测数据，确定非热暴露的安全参数窗口。

3 24小时暴露后OD600数据（图3A），显示微波组光密度显著升高。

4 活菌CFU计数数据（图3B），证实OD上升并非活菌数增加，提示细胞形态变化。

5 暴露后恢复生长曲线数据（图4），证明微波产生持续加速生长效应。

6 氧化还原荧光探针数据（图5），揭示膜电位降低、硫醇外排增加。

结论

1 成功构建高通量、定量、非热微波波导暴露系统，适用于细菌水平的高通量筛选。

2 非热脉冲微波暴露不提升活菌数，但显著提高OD600并加速后续生长。

3 微波通过降低细胞膜电位、提升低分子量硫醇释放改变细胞氧化还原状态。

4 效应具有占空比与脉冲频率依赖性，存在特定的最佳刺激窗口。

5 该非热效应为微波在微生物控制、生物加工中的应用提供新方向。

使用芬兰Bioscreen仪器测量数据的研究意义

使用Bioscreen C分析仪对微波暴露后的金黄色葡萄球菌进行24小时连续OD600监测，每15分钟自动读数，获得高精度生长动力学曲线；精准量化暴露后菌株的滞后期缩短、对数期速率加快、最终生物量提升，客观反映微波的持续生长促进效应，排除人工操作与读数误差，为非热微波的长效生物学影响提供标准化、可重复的核心定量证据。