القياس الكمي للخصائص المرنة للأغشية الحيوية البيئية باستخدام التصوير الإلستوجرافي للتماسك البصري

Summary

يسلط هذا البحث الضوء على فعالية تقنية التصوير الإلستوجرافي للتماسك البصري (OCE) في توصيف خصائص مرونة الأغشية الحيوية الرقيقة بسرعة ودون تدمير. نوضح إجراءات تنفيذ OCE الهامة لإجراء قياسات دقيقة ونقدم قيم معامل Young لاثنين من الأغشية الحيوية الحبيبية.

Abstract

الأغشية الحيوية هي مواد حيوية معقدة تضم شبكة جيدة التنظيم من الخلايا الميكروبية المغلفة بمواد بوليمرية خارج الخلية منتجة ذاتيا (EPS). تقدم هذه الورقة وصفا مفصلا لتنفيذ قياسات التصوير الإلستوجرافي للتماسك البصري (OCE) المصممة خصيصا للتوصيف المرن للأغشية الحيوية. OCE هي تقنية بصرية غير مدمرة تتيح رسم الخرائط المحلية للبنية المجهرية والتشكل والخصائص اللزجة المرنة للمواد اللينة الشفافة جزئيا بدقة مكانية وزمانية عالية. نحن نقدم دليلا شاملا يوضح بالتفصيل الإجراءات الأساسية للتنفيذ الصحيح لهذه التقنية ، إلى جانب منهجية لتقدير معامل يونغ الأكبر للأغشية الحيوية الحبيبية من القياسات التي تم جمعها. تتكون هذه من إعداد النظام والحصول على البيانات والمعالجة اللاحقة. في المناقشة ، نتعمق في الفيزياء الأساسية لأجهزة الاستشعار المستخدمة في OCE ونستكشف القيود الأساسية فيما يتعلق بالمقاييس المكانية والزمانية لقياسات OCE. نختتم بالاتجاهات المستقبلية المحتملة لتطوير تقنية OCE لتسهيل القياسات المرنة للأغشية الحيوية البيئية.

Introduction

في معالجة مياه الصرف الصحي واستعادة الموارد المائية ، يتم استخدام الأغشية الحيوية المفيدة في مفاعلات النمو المرفقة بشكل متزايد لتمكين الميكروبات من تحويل الملوثات غير المرغوب فيها ، مثل المواد العضوية والنيتروجين والفوسفات ، إلى أشكال مستقرة يمكن إزالتها بسهولة من الماء¹. في هذه الأنظمة ، ترتبط الوظيفة الناشئة للغشاء الحيوي ، أي التحولات الكيميائية الحيوية ، ارتباطا وثيقا بتنوع الميكروبات الموجودة فيه والعناصر الغذائية التي تتلقاها هذه الميكروبات². وبناء على ذلك، يمكن أن يشكل النمو المستمر للأغشية الحيوية تحديا للحفاظ على وظائف متسقة للمفاعل لأن نمو الأغشية الحيوية الجديدة قد يغير عمليات التمثيل الغذائي الشاملة للغشاء ال....

Protocol

1. إعداد النظام

1. اجمع مكونات النظام التي تشمل نظام OCT التجاري (الوحدة الأساسية ، والحامل ، ورأس التصوير ، والكمبيوتر) ، ومولد الشكل الموجي ، ومحول الطاقة ، ومولد التأخير / النبض ، ومفتاح مع وصلات BNC ، وكابلات ومحولات BNC ، والمشاركات البصرية ، والمشابك.
2. قم بتوصيل إشارة المزامنة من مولد الوظائف بمحول. قم بتوصيل المنفذ الآخر للمفتاح بمولد التأخير.
3. قم بتوصيل خرج مولد الوظائف بأسلاك محول الطاقة.
4. قم بتوصيل مخرجات مولد التأخير بقناة الزناد في الجزء الخلفي من وحدة قاعدة OCT. إشارة الخرج من مولد التأخير هي نبضة الزناد لبدء حركة بصريات المسح في نظام OCT.
5. قم بتشغيل مكونات النظام (وحدة OCT الأساسية والكمبيوتر وم....

النتائج

في هذه الدراسة ، استخدمنا الأغشية الحيوية الحبيبية (المعروفة أيضا باسم الحمأة الحبيبية) ، والتي تم الحصول عليها تجاريا. الحبيبات هي أغشية حيوية كروية تتشكل من خلال التجميع الذاتي ، مما يعني أنها لا تتطلب حاملا أو سطحا تنمو عليه²⁶. يوضح الشكل 3 أ صورة OCT .......

Discussion

يتم تحديد عمق التصوير الذي يمكن تحقيقه في نظام OCT من خلال درجة تغلغل الضوء من مصدر الضوء ، والذي يعتمد على الطول الموجي للمصدر. علاوة على ذلك ، يحدد الطول الموجي الدقة المحورية. يمكن للأطوال الموجية الأطول أن تخترق العينة بعمق أكبر ولكن على حساب الدقة المحورية المنخفضة مقارنة بالأطوال المو.......

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D printed sample holder
3D printed wedge tip			3 mm width
BNC cables	Any brand
Delay generator	Stanford Research Systems	DG535	DG535 Digital delay/ Pulse Generator
Function generator	Agilent Technologies		33250A 80 MHz Function / Arbitrary Waveform Generator
Granular biofilm	Aqua-Aerobic Systems		Obtained from an Aerobic Granular Sludge reactor (Aqua-Aerobic Systems, Inc.)
MATLAB	MathWorks		Release 2022a (MATLAB 9.12)
Piezoelectric transducer	Thorlabs	PK2JUP1	Discrete Piezo Stack, 75 V, 30.0 µm Displacement
SD-OCT System	Thorlabs		Ganymede II, LSM03 scan lens
ThorImageOCT	Thorlabs		Version: 5.5.5