Quantificazione delle proprietà elastiche dei biofilm ambientali utilizzando l'elastografia a coerenza ottica

Riepilogo

Questo articolo evidenzia l'efficacia della tecnica dell'elastografia a coerenza ottica (OCE) nel caratterizzare rapidamente e in modo non distruttivo le proprietà elastiche del biofilm. Chiariamo le procedure critiche di implementazione OCE per misurazioni accurate e presentiamo i valori del modulo di Young per due biofilm granulari.

Abstract

I biofilm sono biomateriali complessi che comprendono una rete ben organizzata di cellule microbiche racchiuse in sostanze polimeriche extracellulari (EPS) autoprodotte. Questo articolo presenta un resoconto dettagliato dell'implementazione di misure di elastografia a coerenza ottica (OCE) su misura per la caratterizzazione elastica dei biofilm. L'OCE è una tecnica ottica non distruttiva che consente la mappatura locale della microstruttura, della morfologia e delle proprietà viscoelastiche di materiali morbidi parzialmente trasparenti con un'elevata risoluzione spaziale e temporale. Forniamo una guida completa che descrive in dettaglio le procedure essenziali per la corretta implementazione di questa tecnica, insieme a una metodologia per stimare il modulo di Young dei biofilm granulari dalle misurazioni raccolte. Questi consistono nella configurazione del sistema, nell'acquisizione dei dati e nella post-elaborazione. Nella discussione, approfondiamo la fisica sottostante dei sensori utilizzati in OCE ed esploriamo i limiti fondamentali per quanto riguarda le scale spaziali e temporali delle misurazioni OCE. Concludiamo con le potenziali direzioni future per l'avanzamento della tecnica OCE per facilitare le misurazioni elastiche dei biofilm ambientali.

Introduzione

Nel trattamento delle acque reflue e nel recupero delle risorse idriche, i biofilm benefici nei reattori di crescita collegati sono sempre più utilizzati per consentire ai microbi di convertire gli inquinanti indesiderati, come la materia organica, l'azoto e il fosfato, in forme stabilizzate che possono essere facilmente rimosse dall'acqua¹. In questi sistemi, la funzione emergente del biofilm, vale a dire le trasformazioni biochimiche, è strettamente associata alla diversità dei microbi che risiedono in esso e ai nutrienti che questi^{microbi ricevono}. Di conseguenza, la crescita continua del biofilm può rappresentare una....

Protocollo

1. Configurazione del sistema

1. Riunisci i componenti del sistema che includono il sistema OCT commerciale (unità di base, supporto, testina di imaging e computer), generatore di forme d'onda, trasduttore, generatore di ritardi/impulsi, un interruttore con connessioni BNC, cavi e adattatori BNC, perni ottici e morsetti.
2. Collegare il segnale di sincronizzazione dal generatore di funzioni a un interruttore. Collegare l'altra porta dello switch al generatore di ritardo.
3. Collegare l'uscita del generatore di funzioni ai cavi del trasduttore.
4. Collegare le uscite del generatore di ritardo al canale di trigger sul retro d....

Discussione

La profondità di imaging raggiungibile nel sistema OCT è determinata dal grado di penetrazione della luce dalla sorgente luminosa, che dipende dalla lunghezza d'onda della sorgente. Inoltre, la lunghezza d'onda determina la risoluzione assiale. Le lunghezze d'onda più lunghe possono penetrare più in profondità nel campione, ma a scapito di una risoluzione assiale ridotta rispetto alle lunghezze d'onda più corte. La risoluzione trasversale, d'altra parte, dipende sia dall'apertura numerica del sistema che dalla lung.......

Materiali

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