ऑप्टिकल जुटना इलास्टोग्राफी का उपयोग करके पर्यावरण बायोफिल्म के लोचदार गुणों की मात्रा निर्धारित करना
Summary
यह पत्र ऑप्टिकल जुटना इलास्टोग्राफी (ओसीई) तकनीक की प्रभावकारिता को तेजी से और गैर-विनाशकारी रूप से बायोफिल्म लोचदार गुणों की विशेषता पर प्रकाश डालता है। हम सटीक माप के लिए महत्वपूर्ण ओसीई कार्यान्वयन प्रक्रियाओं को स्पष्ट करते हैं और दो दानेदार बायोफिल्म के लिए यंग के मापांक मूल्यों को प्रस्तुत करते हैं।
Abstract
बायोफिल्म जटिल बायोमैटेरियल्स हैं जिनमें स्व-निर्मित बाह्य बहुलक पदार्थों (ईपीएस) में संलग्न माइक्रोबियल कोशिकाओं का एक सुव्यवस्थित नेटवर्क शामिल है। यह पत्र बायोफिल्म के लोचदार लक्षण वर्णन के लिए तैयार ऑप्टिकल जुटना इलास्टोग्राफी (ओसीई) माप के कार्यान्वयन का एक विस्तृत विवरण प्रस्तुत करता है। OCE एक गैर-विनाशकारी ऑप्टिकल तकनीक है जो उच्च स्थानिक और लौकिक संकल्प के साथ आंशिक रूप से पारदर्शी नरम सामग्री के माइक्रोस्ट्रक्चर, आकृति विज्ञान और विस्कोलेस्टिक गुणों के स्थानीय मानचित्रण को सक्षम बनाती है। हम इस तकनीक के सही कार्यान्वयन के लिए आवश्यक प्रक्रियाओं का विवरण देने वाली एक व्यापक मार्गदर्शिका प्रदान करते हैं, साथ ही एकत्रित माप से दानेदार बायोफिल्म के थोक यंग के मापांक का अनुमान लगाने के लिए एक पद्धति के साथ। इनमें सिस्टम सेटअप, डेटा अधिग्रहण और पोस्टप्रोसेसिंग शामिल हैं। चर्चा में, हम OCE में उपयोग किए जाने वाले सेंसर की अंतर्निहित भौतिकी में तल्लीन हैं और OCE माप के स्थानिक और लौकिक तराजू के बारे में मूलभूत सीमाओं का पता लगाते हैं। हम पर्यावरणीय बायोफिल्म के लोचदार माप की सुविधा के लिए ओसीई तकनीक को आगे बढ़ाने के लिए संभावित भविष्य के निर्देशों के साथ निष्कर्ष निकालते हैं।
Introduction
अपशिष्ट जल उपचार और जल संसाधन वसूली में, संलग्न विकास रिएक्टरों में लाभकारी बायोफिल्म तेजी से नियोजित होते हैं ताकि रोगाणुओं को कार्बनिक पदार्थ, नाइट्रोजन और फॉस्फेट जैसे अवांछनीय प्रदूषकों को स्थिर रूपों में परिवर्तित करने में सक्षम बनाया जा सके,जिन्हें आसानी से पानी से हटाया जा सकता है। इन प्रणालियों में, बायोफिल्म का आकस्मिक कार्य, अर्थात् जैव रासायनिक परिवर्तन, इसमें रहने वाले रोगाणुओं की विविधता और इन रोगाणुओंको प्राप्त पोषक तत्वों के साथ निकटता से जुड़ा हुआ है। तदनुसार, चल रही बायोफिल्म वृद्धि लगातार रिएक्टर कार्यक्षमता को बनाए रखने के लिए एक चुनौती पैदा कर सकती है क्योंकि नई बायोफिल्म वृद्धि बायोफिल्म की समग्र चयापचय प्रक्रियाओं, बड़े पैमाने पर हस्तांतरण विशेषताओं और सामुदायिक संरचना को बदल सकती है। जितना संभव हो सके बायोफिल्म पर्यावरण को स्थिर करना इस तरह के परिवर्तनों से बचा सकता है3. इसमें पोषक तत्वों का एक सुसंगत प्रवाह सुनिश्चित करना और बायोफिल्म की संरचना को स्थिर मोटाई के साथ स्थिर रखनाशामिल है। बायोफिल्म की कठोरता और शारीरिक संरचना की निगरानी करने से शोधकर्ताओं को बायोफिल्म के समग्र स्वास्थ्य और कामकाज में अंतर्दृष्टि प्राप्त करने में मदद मिलेगी।
बायोफिल्म विस्कोलेस्टिक गुण 5,6,7 प्रदर्शित करते हैं। इस चिपचिपाहट प्रकृति के परिणामस्वरूप बाहरी यांत्रिक बलों के जवाब में एक तात्कालिक और धीमी, समय-निर्भर विरूपण का संयोजन होता है। बायोफिल्म का एक अनूठा पहलू यह है कि, जब वे पर्याप्त विरूपण के अधीन होते हैं, तो वे चिपचिपा तरल पदार्थ की तरह प्रतिक्रिया करते हैं। इसके विपरीत, जब मामूली विरूपण के अधीन किया जाता है, तो उनकी प्रतिक्रिया ठोस5 के बराबर होती है। इसके अलावा, इस छोटे-विरूपण क्षेत्र के भीतर, एक विरूपण सीमा है जिसके तहत बायोफिल्म एक रैखिक बल-विस्थापन संबंध 5,6,7प्रदर्शित करते हैं। इस रैखिक सीमा के भीतर विकृतियां बायोफिल्म यांत्रिक विशेषताओं का आकलन करने के लिए इष्टतम हैं क्योंकि ये प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य माप उत्पन्न करते हैं। कई तकनीकें इस सीमा के भीतर लोचदार प्रतिक्रिया को निर्धारित कर सकती हैं। ऑप्टिकल जुटना इलास्टोग्राफी (ओसीई) एक उभरती हुई तकनीक है जिसे इस रैखिक रेंज में बायोफिल्म का विश्लेषण करने के लिए अनुकूलित किया जा रहा है (10-4-10-5 के क्रम पर उपभेदों)8,9.
ओसीई का अब तक का सबसे स्थापित अनुप्रयोग बायोमेडिकल क्षेत्र में है, जहां तकनीक को जैविक ऊतकों को चिह्नित करने के लिए लागू किया गया है जिन्हें केवल सतही ऑप्टिकल एक्सेस की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, ली एट अल त्वचा ऊतक10 के लोचदार गुणों को चिह्नित करने के लिए ओसीई का इस्तेमाल किया. अन्य लेखकों ने पोर्सिन और मानव कॉर्नियल ऊतकों के अनिसोट्रोपिक लोचदार गुणों की विशेषता बताई और वे इंट्राओकुलर दबाव 11,12,13,14,15,16से कैसे प्रभावित होते हैं। बायोफिल्म का अध्ययन करने के लिए ओसीई विधि के कुछ फायदे यह हैं कि यह गैर-विनाशकारी है और मेसोस्केल स्थानिक संकल्प प्रदान करता है, इसे किसी भी नमूना तैयार करने की आवश्यकता नहीं है, और विधि स्वयं तेजी से है; यह भौतिक संरचना और लोचदार गुणों (जैसे, सरंध्रता, सतह खुरदरापन, और आकृति विज्ञान)8,9,17,18के सह-पंजीकृत माप प्रदान करता है।
ओसीई विधि चरण-संवेदनशील ऑप्टिकल जुटना टोमोग्राफी (ओसीटी) का उपयोग करके एक नमूने में लोचदार तरंगों के प्रचार के स्थानीय विस्थापन को मापती है। OCT एक कम-जुटना ऑप्टिकल इंटरफेरोमीटर है जो नमूना विस्थापन में स्थानीय परिवर्तनों को एक तीव्रता परिवर्तन में बदल देता है जिसे ऑप्टिकल स्पेक्ट्रोमीटर के साथ दर्ज किया जाता है। ओसीटी तकनीक का उपयोग मेसोस्केल संरचना, तीन आयामों में सरंध्रता वितरण औरबायोफिल्म विरूपण 17,19,20,21के लक्षण वर्णन के लिए बायोफिल्म अनुसंधान में भी किया गया है। इसके अलावा, Picioreanu एट अल अनुमान बायोफिल्म यांत्रिक गुण द्रव संरचना बातचीत उलटा मॉडलिंग का उपयोग कर अक्टूबर पार अनुभागीय विरूपण छवियों22.
दूसरी ओर, ओसीई माप, उलटा इलास्टोडायनामिक तरंग मॉडलिंग के साथ मिलकर, नमूने में लोचदार तरंगों की तरंग गति उत्पन्न करता है, जो नमूने के लोचदार और विस्कोलेस्टिक गुणों के लक्षण वर्णन को सक्षम बनाता है। हमारे समूह ने बायोफिल्म लोचदार और विस्कोलेस्टिक गुणों 8,9,18 के मात्रात्मक माप के लिए ओसीई तकनीक को अनुकूलित किया और अगारोज जेल प्लेट नमूनों18 में कतरनी रियोमेट्री माप के खिलाफ तकनीक को मान्य किया। ओसीई दृष्टिकोण बायोफिल्म गुणों के सटीक और विश्वसनीय अनुमान प्रदान करता है क्योंकि मापा लोचदार तरंग गति नमूने के लोचदार गुणों के साथ सहसंबद्ध है। इसके अलावा, लोचदार तरंग आयाम के स्थानिक क्षय को सामग्री में चिपचिपा प्रभाव के कारण सीधे चिपचिपा गुणों के साथ सहसंबद्ध किया जा सकता है। हम मिश्रित संस्कृति बैक्टीरियल बायोफिल्म के viscoelastic गुणों के oce माप elastodynamic तरंग मॉडल18 का उपयोग कर जटिल ज्यामिति के साथ जटिल ज्यामिति के साथ एक घूर्णन कुंडलाकार रिएक्टर (आरएआर) और दानेदार biofilms में कूपन पर उगाया की सूचना दी है.
ओसीई तकनीक पारंपरिक रियोमेट्री18का एक शक्तिशाली विकल्प भी है जिसका उपयोग विस्कोलेस्टिक लक्षण वर्णन के लिए किया जाता है। प्लानर ज्यामिति वाले नमूनों के लिए रियोमेट्री विधियां सबसे उपयुक्त हैं। इस तरह के रूप में, दानेदार बायोफिल्म्स, जो मनमाना आकार और सतह आकारिकी है, सही ढंग सेएक 8,23 रियोमीटर पर विशेषता नहीं हो सकती. इसके अलावा, ओसीई के विपरीत, रियोमेट्री विधियों वास्तविक समय माप के लिए अनुकूलित करने के लिए चुनौतीपूर्ण हो सकता है, उदाहरण के लिए, प्रवाह कोशिकाओं24,25 में बायोफिल्म वृद्धि के दौरान.
इस पत्र में, हम दिखाते हैं कि सतह तरंगों की आवृत्ति-स्वतंत्र तरंग गति के ओसीई माप का उपयोग जटिल मॉडल की आवश्यकता के बिना बायोफिल्म लोचदार गुणों को चिह्नित करने के लिए किया जा सकता है। यह विकास बायोफिल्म यांत्रिक गुणों का अध्ययन करने के लिए व्यापक बायोफिल्म समुदाय के लिए ओसीई दृष्टिकोण को अधिक सुलभ बना देगा।
चित्रा 1 इस अध्ययन में इस्तेमाल ओसीटी प्रणाली का एक योजनाबद्ध चित्रण दिखाता है। प्रणाली में कई उपकरण शामिल हैं, जिनमें एक वाणिज्यिक वर्णक्रमीय-डोमेन चरण-संवेदनशील ओसीटी प्रणाली, एक देरी जनरेटर, एक फ़ंक्शन जनरेटर और एक पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर शामिल हैं। OCT प्रणाली 930 nm के केंद्र तरंग दैर्ध्य के साथ एक ब्रॉडबैंड प्रकाश स्रोत को नियोजित करके इंटरफेरोमेट्री के सिद्धांत पर संचालित होती है। एकत्रित प्रकाश तीव्रता, जो नमूने में जटिल संरचनात्मक विवरण के साथ सहसंबद्ध है, का विश्लेषण पोस्टप्रोसेसिंग यूनिट में किया जाता है और फिर नमूने की क्रॉस-अनुभागीय छवि में परिवर्तित किया जाता है – जिसे आमतौर पर OCT छवि के रूप में जाना जाता है। ओसीटी इमेजिंग गहराई नमूने में ऑप्टिकल प्रकीर्णन की गंभीरता पर निर्भर करती है जो अपवर्तक सूचकांक में स्थानीय भिन्नता से उपजी है और जैविक ऊतकों और बायोफिल्म में 1- 3 मिमी तक सीमित है। चूंकि नमूने में ऑप्टिकल चरण और हस्तक्षेप की तीव्रता गति से संशोधित होती है, इसलिए ओसीटी का उपयोग स्थानीय नमूना विस्थापन का पता लगाने के लिए किया जा सकता है। हम नमूने में लोचदार तरंगों के स्थिर राज्य विस्थापन क्षेत्र को ट्रैक करने के लिए ओसीई विधि में ओसीटी की विस्थापन संवेदनशीलता का लाभ उठाते हैं। विशेष रूप से, फ़ंक्शन जनरेटर पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर को चलाने के लिए एक साइनसोइडल वोल्टेज आउटपुट करता है। ट्रांसड्यूसर, बदले में, एक दोलन समय इतिहास के साथ फैलता है और अनुबंध करता है। ट्रांसड्यूसर का दोलन विस्थापन ट्रांसड्यूसर के शीर्ष पर एक 3 डी-मुद्रित पच्चर टिप के माध्यम से नमूना सतह पर एक साइनसोइडल बल प्रदान करता है, जिससे नमूने में हार्मोनिक लोचदार तरंगों की पीढ़ी होती है। वेज टिप नमूने के साथ हल्का संपर्क बनाता है, जैसे कि एक्ट्यूएटर के नमूना सतह से वापस लेने के बाद नमूना बरकरार रहता है। नमूने में स्थानीय विस्थापन रिकॉर्ड करने के लिए, आसन्न गहराई स्कैन एक निश्चित समय देरी से अलग नमूना में प्रत्येक पिक्सेल पर अधिग्रहण कर रहे हैं. प्रत्येक पिक्सेल बिंदु पर लगातार स्कैन के बीच ऑप्टिकल चरण अंतर एक ही बिंदु पर स्थानीय ऊर्ध्वाधर विस्थापन के लिए आनुपातिक है। OCT प्रणाली में ट्रांसड्यूसर के विस्थापन और स्कैनिंग ऑप्टिक्स के बीच सिंक्रनाइज़ेशन एक ट्रिगर पल्स के माध्यम से प्राप्त किया जाता है जो फ़ंक्शन जनरेटर से उत्पन्न होता है और देरी जनरेटर में देरी होती है। यह सिंक्रनाइज़ेशन चरण नमूने में स्थानीय ऑप्टिकल चरण वितरण की लगातार क्रॉस-अनुभागीय छवियों के अधिग्रहण की सुविधा प्रदान करता है। ये छवियां नमूने में स्थानीय ऊर्ध्वाधर हार्मोनिक विस्थापन के सीधे आनुपातिक हैं और इन्हें ओसीई छवि के रूप में जाना जाता है। OCE छवियों को आवृत्ति के एक समारोह के रूप में लोचदार तरंग दैर्ध्य और तरंग गति प्राप्त करने के लिए विभिन्न ट्रांसड्यूसर सक्रियण आवृत्तियों पर अधिग्रहित किया जाता है। मापा तरंग गति नमूना के लोचदार गुणों को निर्धारित करने के लिए एक elastodynamic मॉडल के साथ विश्लेषण कर रहे हैं.
Protocol
Representative Results
Discussion
ओसीटी प्रणाली में प्राप्य इमेजिंग गहराई प्रकाश स्रोत से प्रकाश प्रवेश की डिग्री से निर्धारित होती है, जो स्रोत की तरंग दैर्ध्य पर निर्भर करती है। इसके अलावा, तरंग दैर्ध्य अक्षीय संकल्प निर्धारित करत?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखक इस काम में अध्ययन किए गए दानेदार बायोफिल्म प्रदान करने के लिए एक्वा-एरोबिक सिस्टम्स, इंक (रॉकफोर्ड, आईएल, यूएसए) का धन्यवाद करते हैं। लेखक पुरस्कार # 210047 और # 193729 के माध्यम से राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन के समर्थन को भी स्वीकार करते हैं।
Materials
| 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 |
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