Optical Coherence Elastography를 사용한 환경 생물막의 탄성 특성 정량화

요약

이 논문은 생물막 탄성 특성을 빠르고 비파괴적으로 특성화하는 광학 간섭 엘라스토그래피(OCE) 기술의 효능을 강조합니다. 정확한 측정을 위한 중요한 OCE 구현 절차를 설명하고 두 개의 입상 생물막에 대한 영률 값을 제시합니다.

초록

생물막은 자체 생산된 세포외 고분자 물질(EPS)에 둘러싸인 잘 조직된 미생물 세포 네트워크로 구성된 복잡한 생체 재료입니다. 이 논문은 생물막의 탄성 특성화를 위해 맞춤화된 OCE(Optical Coherence Elastography) 측정의 구현에 대한 자세한 설명을 제공합니다. OCE는 높은 공간 및 시간 분해능으로 부분적으로 투명한 연질 재료의 미세 구조, 형태 및 점탄성 특성의 로컬 매핑을 가능하게 하는 비파괴 광학 기술입니다. 우리는 이 기술의 정확한 실시를 위한 근본적인 절차를 선발하는 포괄적인 가이드를, 모은 측정에서 과립상 biofilms의 부피 영의 계수를 추정하는 방법론과 함께 제공합니다. 이는 시스템 설정, 데이터 수집 및 후처리로 구성됩니다. 토론에서는 OCE에 사용되는 센서의 기본 물리학을 탐구하고 OCE 측정의 공간 및 시간 규모와 관련된 근본적인 한계를 탐구합니다. 우리는 환경 생물막의 탄성 측정을 용이하게 하기 위해 OCE 기술을 발전시키기 위한 잠재적인 미래 방향으로 결론을 내립니다.

서문

폐수 처리 및 수자원 회수에서, 부착된 성장 반응기의 유익한 생물막은 미생물이 유기물, 질소 및 인산염과 같은 바람직하지 않은 오염 물질을 물에서 쉽게 제거할 수 있는 안정화된 형태로 전환할 수 있도록 하기 위해 점점 더 많이 사용되고 있다¹. 이러한 시스템에서 생물막의 창발적 기능, 즉 생화학적 변형은 생물막에 거주하는 미생물의 다양성 및 이러한 미생물이 받는 영양분과 밀접하게 관련되어 있습니다². 그러므로, 진행중인 biofilm 성장은 새로운 biofilm 성장이 biofilm의 전반적인 변화 과정, 질량 이동 특성 및 지역 사회 구성을 바꾸기 좋을지도 모르기 때문에 일관된 반응기 기능 유지에 도전을 제기할 수 있습니다. 생물막 환경을 최대한 안정화하면 이러한 변화로부터 보호할 수 있습니다³. 여기에는 영양소의 일관된 흐름을 보장하고 생물막의 구조를 일정한 두께로 안정적으로 유지하는 것이 포함됩니다⁴. 생물막의 뻣뻣함 및 육체적인 구조를 감시하는 것은 연구원이 biofilm의 전반적인 건강 그리고 기능에 통찰력을 얻는 것을 가능하게 할 것입니다.

생물막은 점탄성 특성<....

프로토콜

1. 시스템 설치

1. 상용 OCT 시스템(베이스 유닛, 스탠드, 이미징 헤드 및 컴퓨터), 파형 발생기, 변환기, 지연/펄스 발생기, BNC 연결 스위치, BNC 케이블 및 어댑터, 광 포스트 및 클램프를 포함하는 시스템 구성 요소를 수집합니다.
2. 함수 발생기의 동기 신호를 스위치에 연결합니다. 스위치의 다른 포트를 지연 발생기에 연결합니다.
3. 함수 발생기의 출력을 변환기 리드에 연결합니다.
4. 지연 발생기의 출력을 OCT 베이스 유닛 뒷면의 트리거 채널에 연결합니다. 지연 발생기의 출력 신호는 OCT 시스템에서 스캐닝 광학 장치의 동작을 시작하는 트리거 펄스입니다.
5. 시스템 구성 요소(OCT 기본 장치, 컴퓨터, 함수 발생기 및 지연 발생기)를 켜고 OCT 소프트웨어를 시작합니다.
6. 트랜지스터-트랜지스터 로직 트리거 신호를 OCT 베이스 유닛으로 보내도록 지연 발생기를 구성합니다. 트리거 신호 요구 사항은 OCT 시스템 설명서를 참조하십시오.
7. 변환기를 OCT 렌즈 아래에 놓습니다. 변환기에는 탄성파의 라인 소스 역할을 하는 끝 부분에 3D 프린팅된 쐐기 팁이 붙어 있습니다.

2. ....

토론

OCT 시스템에서 얻을 수 있는 이미징 깊이는 광원의 파장에 따라 달라지는 광원의 빛 투과 정도에 따라 결정됩니다. 또한 파장은 축 분해능을 결정합니다. 더 긴 파장은 시료에 더 깊숙이 침투할 수 있지만 짧은 파장에 비해 축 분해능이 감소합니다. 반면에 횡방향 분해능은 시스템의 개구수와 파장에 따라 달라지며 파장이 짧을수록 더 높은 분해능을 제공합니다. 개구수를 증가시키면 피사계 심도.......

자료

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