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.
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이 논문에서
요약
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.
서론
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<....
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프로토콜
1. 시스템 설치
- 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.
- 함수 발생기의 동기 신호를 스위치에 연결합니다. 스위치의 다른 포트를 지연 발생기에 연결합니다.
- 함수 발생기의 출력을 변환기 리드에 연결합니다.
- 지연 발생기의 출력을 OCT 베이스 유닛 뒷면의 트리거 채널에 연결합니다. 지연 발생기의 출력 신호는 OCT 시스템에서 스캐닝 광학 장치의 동작을 시작하는 트리거 펄스입니다.
- 시스템 구성 요소(OCT 기본 장치, 컴퓨터, 함수 발생기 및 지연 발생기)를 켜고 OCT 소프트웨어를 시작합니다.
- 트랜지스터-트랜지스터 로직 트리거 신호를 OCT 베이스 유닛으로 보내도록 지연 발생기를 구성합니다. 트리거 신호 요구 사항은 OCT 시스템 설명서를 참조하십시오.
- 변환기를 OCT 렌즈 아래에 놓습니다. 변환기에는 탄성파의 라인 소스 역할을 하는 끝 부분에 3D 프린팅된 쐐기 팁이 붙어 있습니다.
2. ....
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결과
이 연구에서 우리는 상업적으로 얻은 입상 생물막(입상 슬러지라고도 함)을 사용했습니다. 과립은 자기 응집을 통해 형성되는 구형 생물막으로,26 성장할 수 있는 운반체 또는 표면이 필요하지 않습니다. 그림 3A 는 입상 생물막에서 국소 굴절률의 공간적 변화로 인해 발생하는 대표적인 단면 OCT 이미지를 보여줍니다. 생물막의 공칭 직경은 3mm입니다. 샘플 표면에 가까운 기공과 공극을 포함한 일부 내부 특징이 이미지에서 볼 수 있습니다. 샘플의 깊이를 따라 광학 산란이 증가하면 OCT 광원이 샘플의 중심에 도달하는 것을 방지하여 중앙 영역에 식별 가능한 정보가 없게 됩니다. 그림 3B 는 5.1kHz의 트랜스듀서 여기 주파수에 대한 샘플의 단면 OCE 이미지를 보여줍니다. 이미지의 국부적 대비는 샘플의 전파 탄성파에 의해 유도된 국부적 수직 변위와 상관.......
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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(29)를 제한함으로써 트레이드오프가 발생한다. 공간 분해능은 충분한 신호 대 잡음비로 검출할 수 있는 가장 짧은 탄성 파장으로 제한됩니다. 현재 OCE 방법론은 0.5mm 9,30으로 제한됩니다. 이 기술은 샘플의 크기에 의해 제한되지만 다양한 생물막 유형에 적용할 수 있어야 합니다. 과립 또는 평평한 생물막의 모양은 기술을 억제하지 않습니다. 샘플의 투명도는 침투 깊이를 결정하는 데에도 중요한 역할을.......
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공개 사항
저자는 이해 상충이 없음을 선언합니다.
감사의 글
저자는 Aqua-Aerobic Systems, Inc.(Rockford, IL, USA)에 이 작업에서 연구된 과립상 생물막을 제공한 것에 대해 감사를 표합니다. 저자들은 또한 Award #210047 및 #193729를 통해 National Science Foundation의 지원을 인정합니다.
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재료
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 3D 프린팅 샘플 홀더 | |||
| 3D 프린트 웨지 팁 | 3mm 폭 | ||
| BNC 케이블 | 모든 브랜드 | ||
| 지연 발전기 | Stanford Research Systems | DG535 | DG535 디지털 지연/ 펄스 발생기 |
| 함수 발생기 | Agilent Technologies | 33250A 80MHz 펑션/임의 파형 발생기 | |
| 호기성 슬러지 반응기(Aqua-Aerobic Systems, Inc.)에서 얻은 | 입상 생물막 | 아쿠아-에어로빅 시스템 | |
| MATLAB | MathWorks | 릴리스 2022a(MATLAB 9.12) | |
| 압전 변환기 | Thorlabs | PK2JUP1 | 개별 피에조 스택, 75V, 30.0 &마이크로; m 변위 |
| SD-OCT 시스템 | Thorlabs | Ganymede II, LSM03 스캔 렌즈 | |
| ThorImageOCT | Thorlabs | 버전 : 5.5.5 |
참고문헌
- Mahto, K. U., Das, S. Bacterial biofilm and extracellular polymeric substances in the moving bed biofilm reactor for wastewater treatment: A review. Bioresour Technol. 345, 126476(2022).
- Pholchan, M. K., Baptista, J. deC., Davenport, R. J., Curtis, T. P.
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재인쇄 및 허가
