细菌低频电荷噪声的测量

细菌精细调控其胞内离子浓度，并在菌膜两侧建立离子浓度梯度。这些离子浓度梯度为众多细胞过程提供自由能，并由跨膜运输维持。鉴于细菌的几何尺度与跨膜运输的随机性，胞内离子浓度乃至细菌的电荷状态必然发生涨落。本文中，我们结合凝聚态物理的电学测量技术与微流控方法，研究了数百个非运动细菌的电荷噪声。实验中，微通道内的细菌因离子的随机流入与流出，在周围电解液中产生电荷密度涨落。该电荷密度涨落被检测为电阻噪声，其功率谱密度在频率 $0.05~{\rm Hz} \leq f \leq 1 ~{\rm Hz}$ 范围内正比于 $1/f^2$。对简单噪声模型的拟合表明，细菌的稳态电荷涨落幅度为 $\pm 1.30 \times 10^6 {e}~({e} \approx 1.60 \times 10^{-19}~{\rm C})$，说明细菌离子稳态极具动态性且受强电荷噪声主导。均方根电荷噪声可用于估算膜电位的涨落；然而，由于我们对胞内浓度梯度的理解有限，此类估算并不可靠。