חלון מולקולרי: שיטות ספציפיות של אנליסטים עבור אנליסטים מהנדסי ביופיל משטחים להנדסה סביבתית

ביופילים מהנדס הם יותר ויותר מרכזי פתרונות הנדסיים סביבתיים מודרניים, מפירוק אבקות תעשייתיות ביולוגיים כדי להסיר חומרים מזינים בצמחים מתקדמים לטיפול במים שפכים.משטח של ביופילם הוא ממשק שלה עם הסביבה הגדולה; זה קובע כיצד הביופילם לדבוק substrates, חילופי חומרים מזינים ומטבוליטים מתקדמים, ומגיב ללחצים רעילים אלה ברמה המולקולרית חיוני עבור שיטות מיקרוסקופיות מורכבות יותר, אשר משמשים את שיטות בדיקה סביבתית.

טכניקות ספציפיות ל-Biofilm Surface Analysis

כל שיטת spectroscopic ממנת עיקרון פיזי אחר כדי לחלץ מידע על ההרכב הכימי, המבנה המולקולרי, או מצב אלקטרוני של חומרים פולימרים פולימריים חוץ-קולאריים של ביופיל (EPS), תאים, ומינים מעוקלים על פני השטח.הבחירה של טכניקה תלויה בשאלה הספציפית המדוברת - בין אם היא ממיפוי קבוצות פונקציונליות, זיהוי מצבי חמצון של מתכת, ניטור אמיתי או שינויים בזמן ההשפלה.

Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR)

FTIR הוא אחד הטכניקות של ספקטרוסקופיה הרטטים הנפוצים ביותר עבור ניתוח ביו-סרטים.זה מודד את ספיגה של אור אינפרא אדום על ידי אג"ח מולקולרית, מתן טביעת אצבע ייחודית של קבוצות פונקציונליות כגון הידרוקסיל, amines, carboxylates, ו- phostphs. in aplatboxs, FTIR יכול להבדיל בין polysaccharides, חלבונים, חומצות יקרות ערך, ושפת שפה בתוך ה-Stram כולל בדיקות ביו-ATM (מחדש) מאפשר תובנות ביו-TRS.

X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS)

XPS היא טכניקה רגישה פני השטח אשר חוקרת את הננומטרים הראשונים של מדגם מוצק.זה מודד את האנרגיה הקינטית של photoelectrons מוזרק כאשר צילומי רנטגן להכות את פני השטח, חושף את ההרכב האלמנטלי ואת מצבים כימיים של אטומים.עבור ניתוח ביו-סרט, XPS מספק נתונים כמותיים על פחמן, חמצן, חנקן, תותרפימוס, ומתכות, כמו גם מידע פונקציונלי כגון ניתוח C-O=C.

ראומן Spectroscopy

Raman spectroscopy מסתמכ על פיזור לא פולשני של אור מונוכרומטי, מתן מידע משלים ל FTIR.זה רגיש במיוחד אג"ח לא קוטבי ורטטים סימטריים, מה שהופך אותו אידיאלי לגילוי תרכובות ארומטיות, לימפונים לא רוויים, ומינרלים מסוימים.אחד היתרון העיקרי של Raman הוא היכולת שלה לפעול בסביבות מזעריות עם הפרעה מים, בניגוד רטיק מיקרוסקופית של מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית של מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית של מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית מיקרוסקופית

אולטרה סגול-Visible (UV-Vis) Spectroscopy

UV-Vis spectroscopy מודד את הקליטה של אור אולטרה סגול ו גלוי על ידי chromophores ביופיל. בעוד פחות ספציפי מאשר שיטות רטט, זה יקר לכמת ביומסה הכוללת, estimating צפיפות תאים, וגילוי נוכחות של פיגמנטים כגון chlorophyll בצילומים ביופילטיים או ochro במערכות אלקטרואקטיביות.

טכניקות מתפתחות ומשתלבות

(ב) כמה שיטות מתקדמות של ספקטרום (spectroscopic) צוברות את האנליזה של כימיה ביו-סרטית (Biofilm) ו-(FLT:0) באמצעות ספקטרום של חלקיקים (Surface-enth-enthanced Raman spectroscopy) ו-DNorects-Flastating (D) הוא לעתים קרובות מממשקים אופטיים של DIRSTFSTFSTROSTROSTRO) על פני השטח (D) אשר מספק LTSTAR) באופן ספציפי על ידי LT2FSTFSTEROSTFSTEROSTEROSTFSTFSTERD) על ידי LTSTAR) על ידי LT2 (D) LTSTAR) LTSSTSTSTSTSTSTSTSTSTERDISTSTSTSTERD (D.

ירידה בביופיל על פני הכימיה: מה הספקטרום אומר לנו

הנתונים ספקטרוסקופיים מאפשרים לחוקרים לגוון כמה היבטים קריטיים של כימיה על פני כדור הארץ ביופיל השולטים בביצועים סביבתיים.

תכונת הקבוצה הפונקציונלית והפעילות

FTIR ו- XPS מספקים זיהוי ישיר של קבוצות פונקציונליות האחראיות על מתכת מחייבת, משככי כאבים מזוהים, ודבקות תא-surface קדמית (לדוגמה, היחס של deprotonated to Protonated carboxyl קבוצות (COOLACFLT:0-FLT:1 לעומת COOH) נקבע על ידי FTIR תואמים עם יכולת החלפת biofilms, פרמטר עבור פרמטרים כבדים של מערכת העיכול (xicial) אשר יכול להבחין בין מצבי מתכת שונים של פרמטרים).

טעינה וחשמליות

בעוד שיטות spectroscopic לא למדוד ישירות את הפוטנציאל zeta, הם מספקים תובנות ברמה מולקולרית למקור של טעינת פני השטח.נוכחות קבוצות amine (NHoriFLT:0203FLT:1) וקבוצות carboxyl (COOH) מכתיב את הנקודה האופטית ואת המטען על פני השטח תלוי pH.

פיזור פולימרי (EPS) Spatial Distribution

מיקרוסקופית Confocal ראמן מאפשרת לחוקרים למפות את ההפצה של חלבונים, פולישביקים וחומצות נוקליות על פני עובי biofilm.מפות כאלה לחשוף מבנים שכבתיים, כגון שכבת חיצוני עשירה פוליסכרד המגנה על פנים עשירי חלבון, אשר הם קריטיים להבנת מגבלות דיפוזיה ואזורי תגובה בכורי ביופילם.

יישומים בהנדסה סביבתית

האופיוסקופי של ביופילים מהונדסים יש השפעה ישירה על עיצוב ואופטימיזציה של תהליכים סביבתיים.

המונחים: Heavy Metals

(המכונים ביו-סרטים המבטאים מתכתלוטהנים או פיטולקטינים על פני השטח שלהם פותחו עבור לכידת קיבולת גבוהה של מתכות כבדות. XPS ו FTIR משמשים באופן שגרתי כדי לאשר את שילוב של ligands מתכת-binding לתוך ה-EPS ממטריקס וכדי לכמת את הסטומטריה החייבת של , ניתוח XPS של Ramodramemation for ULT (UVI) ל- URVS ⁇ 1 (ב- URV) של תאים ביולוגיים).

דירוג של זיהום אורגני

ביו-סרטים המשמשים להשפלה של אורגנים של סלקנט כגון פנולקטים, צבעים או תרופות, כימיה פני השטח קובע את הצעד הראשוני של המודעות והאנזימים הבאים. FTIR מעקב אחר שינויים שיא ב C-O ו- C=O אזורים יכול לחשוף את היווצרות של מטבוליטים או קוהור של חומרים ל-EPS-TRFTIR הועסק כדי לפקח על צריכת ה-Fluant: 1.

מערכות ביו-אלקטרוניקה

ביופילים אלקטרואקטיביים שמעבירים אלקטרונים לאלקטרודות מוצקות הם הליבה של תאי דלק מיקרוביאליים ותאים אלקטרוליטיים מיקרוביאליים.כימיה פני השטח של biofilms אלה, במיוחד ההפצה של membrane חיצוני Cytochromes ו piliive piliive, שולט על יעילות העברת אלקטרונים.Raman spectroscopy יכול לזהות את מצב החמצן האדום של c-typetrotrastrosto-trasto-a באמצעות אלקטרואקטיבית של אלקטרו-Freton-Fretonstroscores.

Anti-biofoulings for Membranes

ב bioreactors membrane, היווצרות ביופיל על membranes להפחית את flux מגביר צריכת האנרגיה. שיטות ספקטרוסקופיות לעזור לאפיון השלבים הראשונים של דבקות ביופיל על ידי זיהוי קבוצות פונקציונליות אשר מקדם החזקות בלתי הפיך. XPS ניתוח של משטחים membrane לפני ואחרי החשיפה biofilms מגלה את deposition של פולינזה חומצות חומצה פולינזית ובטיחות מידע זה מצופה כי הם ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

שיקולים מעשיים: חיזוקים, מגבלות ועיסוקים טובים

כל טכניקה ספקטרוסקופית מגיעה עם מערך יתרונות ומגבלות משלה, שיש לקחת בחשבון במהלך עיצוב ניסיוני.

רגישות וספקטרום

FTIR ו-Raman מציעים מפרט מצוין עבור קבוצות פונקציונליות אבל עשוי להיות מוגבל ברגישות עבור מינים בעלי ריכוז נמוך. XPS הוא רגיש מאוד עבור קוונטיזציה אלמנטרית אבל מספק מידע מולקולרי מוגבל.Ss וטכניקות המבוססות על פלואורס מתבגרים מגבירים את הרגישות אבל להציג את הסיכון של חפצי אמנות מן המצע או צבעי התווית שיפור.

דוגמאות סביבה

האופי המומה של ביו-סרטים מהווה אתגר לטכניקות המבוססות על ואקום כמו XPS ו-ToF-SIMS. Cryogenic הכנת דגימות או הקפאה יכולה לשמר מבנה, אך עשוי לשנות מצבים כימיים.Aambient-pressure XPS הוא חלופה מתפתחת המאפשרת ניתוח ברמות היממה כמעט-native.converse, טכניקות רטט (FTIR, Raman) לעבוד היטב בסביבות queous עבור ניטור אידיאלי.

החלטה חשאית נגד נסיגת תפוצה

Confocal Raman ו FTIR microscopies לספק פתרון מרחבי בקנה מידה מיקרומטר, מספיק לפתרון מיקרוקווני ביופילי. עבור רזולוציה nanoscale, סריקה טכניקות בדיקה כגון AFM-IR או ננו-FTIR נדרשים, אבל הם מורכבים יותר איטי יותר. XPS דגימות בעומק של 1-10 nm, אידיאלי עבור לימוד שכבת פני השטח החיצוני, בעוד FTIR בדרך כלל חוקר כמה שכבות חיוני או עמוק.

המונחים

ניתוח קוונטי של כימיה משטח ביו-סרט על ידי ספקטרוסקופיה הוא מאתגר בשל ההטרוגני ולעתים קרובות לא אחידה הפצה של רכיבים. עבור FTIR, מהירויות ספיגה ניתן לנרמל עד שיא ההתייחסות (למשל, amide I עבור חלבון מוחלט) כדי לאפשר השוואות חצי-אנטיות XP מספק ריכוז אבל דורש רקע מוכן של פונקציות דיוק של פונקציות סטנדרטיות.

כיוונים עתידיים: ממעבדה ועד שדה וזמן אמת

הדור הבא של יישומים ספקטרוסקופיים בכימיה של פני כדור הארץ ביופיל עובר לכיוון יציבות, ניטור בזמן אמת ואינטגרציה רב-ממדית.

ספקטרום אלקטרוניקה ו-Miniaturated Spectrometers

FTIR קומפקטי ו-Raman spectrometers זמינים כעת עבור פריסת שדה.מכשירים אלה יכולים לשמש כדי לאפיון ביו-סרטים בסביבות טבעיות, כגון משקעים בנהר או משטחים בנוי, או בתוך פעילות ביולוגיים ללא מפריע למערכת.מכשירים של XPS הם עדיין נדירים אך אבטיפוסי מחקר הוכחו.

זמן אמיתי בניתוח

ATR-FTIR ו-Raman בדיקות ניתן להכניס ישירות לתוך bioreactors כדי לפקח באופן רציף על כימיה משטח ביופילמה. בשילוב עם תאי זרימה מיקרו-fluidic, חיישנים אלה יכולים לעקוב אחר שינויים טרנסיים בתגובה להפרעות כגון שינויים pH, מחיקה תזונתית, או זעזועים רעילים. אלגוריתמים למידת מכונות יכולים לנתח את סדרת הזמן הספקטרום וכתוצאה מכך כדי לחזות ביצועים ביו-סרטטיים כמו פעילות מטבולית או ניתוח מתמטי, לדוגמה, לדוגמה, עבור ניתוחים מתמטיים, המשמשות, פיזיולוגיים פעיל.

גישות מרובות ושחיתות

שילוב שיטות spectroscopic מרובות על אותו מדגם מספק תמונה מלאה יותר של כימיה על פני כדור הארץ biofilm. phostative עבודה כי משלבת מיקרוסקופי רכז ראמן, XPS, ו-ToF-SIMS על אותו שדה מיקרוסקופי מפותחים.אסטרטגיות היתוך נתונים מתקדמות מאפשרות מיפוי של חומר אלמנט, מולקולרי, ואפילו מידע על אותו מיקום מרחבי.

מסקנה

שיטות ספציפיות-קופטיות פתחו חלון מולקולרי ישיר על הכימיה של ביו-סרטים מהונדסים, המאפשרים למהנדסים סביבתיים לנוע מעיצוב אמפירי של ארגז שחור ועד לאופטימיזציה רציונלית, כימיה מונחת על פני השטח של FTIR, XPS, Raman, ו-UV-Vis spectros-Vis spectroscopy כל אחד מהם תורם חתיכות ייחודיות של פאזל, מקבוצת פונקציונליות ועד ניטור בזמן אמת.

(ב) [ה] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]] ב[[המאה ה'], ראו: [ה'] [ה'] [ה'] [ה'] [ה']'[ה']'[ה']'[ה']'[ה']'[ה']']'[ה']']']'[ה'[ה']']']'[ה']'[ה'[ה']']'[ה'[ה'[ה']'[ה'[ה'[ה']']'[ה'[ה'[ה'[ה']']']'[ה']']'[ה'[ה'[ה'[ה']']']']']'[ה'[ה']']'[ה']']'[ה']']'[ה']']']'[ה'[ה'[ה'[ה']'[ה']']']'[ה'[ה'[ה'[ה'[