使用光学相干弹性成像量化环境生物膜的弹性特性

摘要

本文重点介绍了光学相干弹性成像（OCE）技术在快速、无损地表征生物膜弹性特性方面的功效。我们阐明了用于精确测量的关键OCE实施程序，并提出了两种颗粒生物膜的杨氏模量值。

摘要

生物膜是复杂的生物材料，由包裹在自产细胞外聚合物物质 （EPS） 中的组织良好的微生物细胞网络组成。本文详细介绍了为生物膜弹性表征量身定制的光学相干弹性成像 （OCE） 测量的实施情况。OCE是一种无损光学技术，能够以高空间和时间分辨率对部分透明软材料的微观结构、形态和粘弹性进行局部映射。我们提供了一个全面的指南，详细介绍了正确实施该技术的基本程序，以及从收集的测量值中估计颗粒生物膜的体积杨氏模量的方法。这些包括系统设置、数据采集和后处理。在讨论中，我们深入研究了OCE中使用的传感器的基本物理特性，并探讨了OCE测量的空间和时间尺度的基本限制。我们总结了推进OCE技术以促进环境生物膜弹性测量的潜在未来方向。

引言

在废水处理和水资源回收中，越来越多地使用附属生长反应器中的有益生物膜，使微生物能够将不需要的污染物（如有机物、氮和磷酸盐）转化为易于从水中去除的稳定形式¹。在这些系统中，生物膜的涌现功能，即生化转化，与居住在其中的微生物的多样性以及这些微生物接受的营养密切相关²。因此，持续的生物膜生长可能会对维持一致的反应器功能构成挑战，因为新的生物膜生长可能会改变生物膜的整体代谢过程、传质特性和群落组成。尽可能稳定生物膜环境可以防止这种变化³.这包括确保营养物质的一致流动，并保持生物膜的结构稳定，厚度稳定⁴。监测生物膜的硬度和物理结构将使研究人员能够深入了解生物膜的整体健康状况和功能。

生物膜表现出粘弹性 ^5,6,7。这种粘弹性导致响应外部机械力的瞬时和缓慢、随时间变化的变形的结合。生物膜的一个独特之处在于，当它们发生重大变形时，它们会像粘稠液体一样做出反应。相反，当受到轻微变形时，它们的响应与固体⁵ 相当。此外，在这个小变形区域内，存在一个变形范围，在该范围内，生物膜....

研究方案

1. 系统设置

1. 收集系统组件，包括商用 OCT 系统（基本单元、支架、成像头和计算机）、波形发生器、传感器、延迟/脉冲发生器、带 BNC 连接的开关、BNC 电缆和适配器、光学柱和夹具。
2. 将函数发生器的同步信号连接到交换机。将交换机的另一个端口连接到延迟发生器。
3. 将函数发生器的输出连接到换能器引线。
4. 将延迟发生器的输出连接到 OCT 基本单元背面的触发通道。延迟发生器的输出信号是一个触发脉冲，用于启动OCT系统中扫描光学器件的运动。
5. 打开系统组件（OCT 基本单元、计算机、函数发生器和延迟发生器）并启动 OCT 软件。
6. 配置延迟发生器以将晶体管-晶体管逻辑触发信号发送到 OCT 基本单元。有关触发信号要求，请参阅 OCT 系统手册。
7. 将换能器放置在 OCT 镜头下方。换能器的一端粘有一个3D打印的楔形尖端，用作弹性波的线源。

2. 图像采集

1. 在 OCT 软件上，选择 多普勒采集模式 并启用外部触发器。
2. 将颗粒状生物膜放在样品架中的透镜下方，并使用平移台将其移向换能器的尖端。确保传感器与样品表面轻轻接触，如 图 2 所示。我们使用....

讨论

OCT系统中可达到的成像深度由光源的光穿透程度决定，这取决于光源的波长。此外，波长决定了轴向分辨率。较长的波长可以更深入地穿透样品，但与较短的波长相比，轴向分辨率会降低。另一方面，横向分辨率取决于系统的数值孔径和波长，波长越短，分辨率越高。增加数值孔径通过限制景深²⁹ 来引入权衡。空间分辨率被限制为以足够的信噪比可以检测到的最短弹性波长。目?.......

材料

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