光干渉エラストグラフィを用いた環境バイオフィルムの弾性特性の定量化

要約

この論文では、バイオフィルムの弾性特性を迅速かつ非破壊的に特性評価する上での光干渉エラストグラフィ(OCE)技術の有効性に焦点を当てています。正確な測定のための重要なOCE実装手順を解明し、2つの粒状バイオフィルムのヤング率値を提示します。

要約

バイオフィルムは、自己産生の細胞外高分子物質(EPS)に包まれた微生物細胞のよく組織化されたネットワークで構成される複雑な生体材料です。この論文では、バイオフィルムの弾性特性評価用に調整された光干渉エラストグラフィ(OCE)測定の実装について詳しく説明します。OCEは、半透明の軟質材料の微細構造、形態、粘弾性特性を高い空間分解能と時間分解能で局所的にマッピングできる非破壊光学技術です。この手法を正しく実施するための重要な手順を詳述した包括的なガイドと、収集した測定値から粒状バイオフィルムのバルクヤング率を推定する方法を提供します。これらは、システムのセットアップ、データ取得、および後処理で構成されます。このディスカッションでは、OCEで使用されるセンサーの根底にある物理学を掘り下げ、OCE測定の空間的および時間的スケールに関する基本的な制限を探ります。最後に、環境バイオフィルムの弾性測定を容易にするためのOCE技術を進歩させるための潜在的な将来の方向性を示します。

概要

廃水処理や水資源回収では、微生物が有機物、窒素、リン酸塩などの望ましくない汚染物質^を水から容易に除去できる安定した形に変換できるようにするために、付着した成長反応器内の有益なバイオフィルムがますます採用されています1。これらの系では、バイオフィルムの創発機能、すなわち生化学的変換は、そこに生息する微生物の多様性と、これらの微生物が受け取る栄養素と密接に関連しています²。したがって、進行中のバイオフィルムの成長は、新しいバイオフィルムの成長がバイオフィルムの全体的な代謝プロセス、物質移動特性、およびコミュニティ組成を変化させる可能性があるため、一貫した反応器の機能を維持することに課題をもたらす可能性があります。バイオフィルムの環境を可能な限り安定させることで、^{このような変化を防ぐ}ことができます3。これには、栄養素の一貫した流れを確保し、バイオフィルムの構造を安定した厚さで安定させること^{が含まれます4。}バイオフィルムの剛性と物理的構造をモニタリングすることで、研究者はバイオフィルムの全体的な健康状態と機能に関する洞察を得ることができます。

バイオフィルムは粘弾性特性を示す^5,6,7

プロトコル

1. システムのセットアップ

1. 市販のOCTシステム(ベースユニット、スタンド、イメージングヘッド、コンピュータ)、波形発生器、トランスデューサ、遅延/パルス発生器、BNC接続付きスイッチ、BNCケーブルとアダプタ、光ポスト、クランプなどのシステムコンポーネントを収集します。
2. 関数発生器からの同期信号をスイッチに接続します。スイッチのもう一方のポートを遅延発生器に接続します。
3. 関数発生器の出力をトランスデューサのリード線に接続します。
4. 遅延発生器の出力をOCTベースユニットの背面にあるトリガーチャンネルに接続します。遅延発生器からの出力信号は、OCTシステムにおける走査光学系の動きを開始するためのトリガパルスである。
5. システムコンポーネント(OCTベースユニット、コンピューター、関数発生器、遅延発生器)の電源を入れ、OCTソフトウェアを起動します。
6. トランジスタ-トランジスタ間のロジックトリガ信号をOCTベースユニットに送信するように遅延発生器を設定します。トリガー信号の要件については、OCTシステムマニュアルを参照してください。
7. トランスデューサーをOCTレンズの下に配置します。トランスデューサには、3Dプリントされたウェッジチップが端の1つに接着されており、弾性波のラインソースとして機能します。

ディスカッション

OCTシステムで達成可能なイメージング深度は、光源からの光の透過度によって決まり、光源の波長によって異なります。さらに、波長は軸方向の分解能を決定します。波長が長いほどサンプルの奥深くまで浸透できますが、その代償として、波長が短い場合に比べて軸方向分解能が低下します。一方、横方向の分解能は、システムの開口数と波長の両方に依存し、波長が短いほど分解能が高?.......

資料

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