Quantifizierung der elastischen Eigenschaften von Umweltbiofilmen mittels optischer Kohärenzelastographie

Zusammenfassung

Dieser Artikel hebt die Wirksamkeit der optischen Kohärenz-Elastographie (OCE) bei der schnellen und zerstörungsfreien Charakterisierung der elastischen Eigenschaften von Biofilmen hervor. Wir erläutern kritische OCE-Implementierungsverfahren für genaue Messungen und präsentieren Youngs Modulwerte für zwei granulare Biofilme.

Zusammenfassung

Biofilme sind komplexe Biomaterialien, die aus einem gut organisierten Netzwerk mikrobieller Zellen bestehen, die von selbst produzierten extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) umhüllt sind. In diesem Artikel wird eine detaillierte Darstellung der Implementierung von optischen Kohärenzelastographie-Messungen (OCE) vorgestellt, die auf die elastische Charakterisierung von Biofilmen zugeschnitten sind. OCE ist ein zerstörungsfreies optisches Verfahren, das die lokale Abbildung der Mikrostruktur, Morphologie und viskoelastischen Eigenschaften von teiltransparenten weichen Materialien mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung ermöglicht. Wir bieten einen umfassenden Leitfaden, der die wesentlichen Verfahren für die korrekte Implementierung dieser Technik beschreibt, zusammen mit einer Methodik zur Schätzung des Elastizitätsmoduls von granularen Biofilmen aus den gesammelten Messungen. Diese bestehen aus dem Systemaufbau, der Datenerfassung und der Nachbearbeitung. In der Diskussion tauchen wir in die zugrunde liegende Physik der in OCE verwendeten Sensoren ein und untersuchen die grundlegenden Einschränkungen hinsichtlich der räumlichen und zeitlichen Skalen von OCE-Messungen. Wir schließen mit möglichen zukünftigen Richtungen für die Weiterentwicklung der OCE-Technik, um elastische Messungen von Umweltbiofilmen zu erleichtern.

Einleitung

In der Abwasserbehandlung und Wasserressourcenrückgewinnung werden zunehmend nützliche Biofilme in angeschlossenen Wachstumsreaktoren eingesetzt, um Mikroben in die Lage zu versetzen, unerwünschte Schadstoffe wie organische Stoffe, Stickstoff und Phosphat in stabilisierte Formen umzuwandeln, die leicht aus dem Wasser entfernt werden können¹. In diesen Systemen ist die emergente Funktion des Biofilms, nämlich biochemische Transformationen, eng mit der Vielfalt der darin lebenden Mikroben und den Nährstoffen, die diese Mikroben erhalten, verbunden². Dementsprechend kann das anhaltende Biofilmwachstum eine Herausforderung f....

Protokoll

1. Systemeinrichtung

1. Sammeln Sie die Systemkomponenten, zu denen das kommerzielle OCT-System (Basiseinheit, Stativ, Bildkopf und Computer), Signalgenerator, Wandler, Verzögerungs-/Impulsgenerator, ein Schalter mit BNC-Anschlüssen, BNC-Kabel und -Adapter, optische Stifte und Klemmen gehören.
2. Schließen Sie das Sync-Signal vom Funktionsgenerator an einen Schalter an. Verbinden Sie den anderen Port des Switches mit dem Verzögerungsgenerator.
3. Verbinden Sie den Ausgang des Funktionsgenerators mit den Wandlerleitungen.
4. Verbinden Sie die Ausgänge des Delay-Generators mit dem Trigger-Kanal auf der Rückseite der OCT-Basis....

Diskussion

Die erreichbare Abbildungstiefe im OCT-System wird durch den Grad der Lichtdurchdringung von der Lichtquelle bestimmt, der von der Wellenlänge der Quelle abhängt. Darüber hinaus bestimmt die Wellenlänge die axiale Auflösung. Längere Wellenlängen können tiefer in die Probe eindringen, jedoch auf Kosten einer geringeren axialen Auflösung im Vergleich zu kürzeren Wellenlängen. Die transversale Auflösung hingegen hängt sowohl von der numerischen Apertur des Systems als auch von der Wellenlänge ab, wobei kürzer.......

Materialien

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