Количественная оценка упругих свойств биопленок окружающей среды с помощью оптической когерентной эластографии

Резюме

В данной работе подчеркивается эффективность метода оптической когерентной эластографии (ОЦЭ) для быстрой и неразрушающей характеристики упругих свойств биопленки. Мы разъясняем важнейшие процедуры реализации OCE для точных измерений и представляем значения модуля Юнга для двух гранулированных биопленок.

Аннотация

Биопленки представляют собой сложные биоматериалы, представляющие собой хорошо организованную сеть микробных клеток, заключенных в самостоятельно производимые внеклеточные полимерные вещества (ЭПС). В данной работе представлен подробный отчет о реализации измерений с помощью оптической когерентной эластографии (ОЦЭ), предназначенных для упругой характеризации биопленок. OCE — это неразрушающий оптический метод, который позволяет локально картировать микроструктуру, морфологию и вязкоупругие свойства частично прозрачных мягких материалов с высоким пространственным и временным разрешением. Мы предоставляем подробное руководство с подробным описанием основных процедур для правильного применения этого метода, а также методологию оценки объемного модуля Юнга гранулированных биопленок на основе собранных измерений. Они включают в себя настройку системы, сбор данных и постобработку. В ходе дискуссии мы углубимся в физику, лежащую в основе датчиков, используемых в OCE, и исследуем фундаментальные ограничения, касающиеся пространственных и временных масштабов измерений OCE. В заключение мы расскажем о возможных будущих направлениях развития метода OCE для облегчения упругих измерений биопленок окружающей среды.

Введение

При очистке сточных вод и восстановлении водных ресурсов полезные биопленки в прикрепленных реакторах роста все чаще используются для того, чтобы микробы могли преобразовывать нежелательные загрязнители, такие как органические вещества, азот и фосфаты, в стабилизированные формы, которые могут быть легко удалены^{из воды.} В этих системах эмерджентная функция биопленки, а именно биохимические превращения, тесно связана с разнообразием микробов, находящихся в ней, и питательных веществ, которые эти микробы^{получают}. Соответственно, продолжающийся рост биопленки может представлять проблему для поддержания стабильной функциональ....

протокол

1. Настройка системы

1. Соберите компоненты системы, которые включают в себя коммерческую ОКТ-систему (базовый блок, стойка, головка формирования изображения и компьютер), генератор сигналов, преобразователь, генератор задержки/импульсов, коммутатор с разъемами BNC, кабели и адаптеры BNC, оптические стойки и зажимы.
2. Подключите синхросигнал от генератора функций к переключателю. Подключите другой порт коммутатора к генератору задержки.
3. Подключите выход генератора функций к выводам преобразователя.
4. Подключите выходы генератора задержки к каналу запуска на задней панели базового блока OCT. Выходной сигнал от генератор....

Результаты

В этом исследовании мы использовали гранулированные биопленки (также известные как гранулированный ил), которые были получены в промышленных масштабах. Гранулы представляют собой сферические биопленки, которые образуются путем самоагрегации, что означает, что они не нуждаются в носи?.......

Обсуждение

Достижимая глубина изображения в системе ОКТ определяется степенью проникновения света от источника света, которая зависит от длины волны источника. Кроме того, длина волны определяет осевое разрешение. Более длинные волны могут проникать глубже в образец, но за счет снижения осевого .......

Материалы

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