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使用 VisiSens™ A1 進行氧成像可以對微生物培養(yǎng)物內的耗氧量進行二維映射。緊湊的測量系統(tǒng)可用于直接監(jiān)測培養(yǎng)箱內的代謝活動。例如，研究了瓊脂上的大腸桿菌培養(yǎng)物，以證明成像設備能夠可視化整個培養(yǎng)表面的氧梯度。結果清楚地顯示了氧氣梯度如何圍繞單一培養(yǎng)物演變，以及氧氣水平如何隨著時間的推移隨著與其他培養(yǎng)物的距離而降低。

圖 2：多孔板中的傳感器集成：傳感器箔片粘在孔的底部（A）；使用 VisiSens™ 檢測器單元 (B) 讀取的非侵入式傳感器的圖示。

微生物和細胞/組織培養(yǎng)在生物和醫(yī)學研究或生物技術中發(fā)揮著重要作用并且是重要的工具。了解菌落內細胞和結構的局部代謝活動可能有助于理解和控制復雜的生長過程。栽培控制中的一個關鍵參數是氧氣。氧氣消耗或生產可以提供有關培養(yǎng)物代謝狀態(tài)的有價值的信息。因此，精確的氧氣測量系統(tǒng)是必要的。然而，傳統(tǒng)的測量技術，例如電極，僅允許單點測量，缺乏關于樣品中氧分布的空間信息。即使使用氧氣微傳感器進行橫斷面測量也不能*克服這一限制。VisiSens™ A1 系統(tǒng)將平面熒光傳感器箔與數碼相機技術相結合，現在可以對樣品表面的氧氣分布進行二維評估。熒光傳感器箔片無毒，在測量過程中不消耗氧氣。整個區(qū)域的信息可以以 µm 分辨率記錄，以延長測量周期。使用緊湊型熒光顯微鏡非接觸式讀取傳感器箔片。它可以很容易地安裝在培養(yǎng)箱內，并通過 PC 或筆記本電腦從外部進行控制（圖 1）。能夠可視化和評估由于代謝和擴散過程引起的氧分壓變化，使 VisiSens™ 成為細胞和組織培養(yǎng)監(jiān)測的理想工具。我們測試了這種測量技術，調查不同植物組織中的氧氣分布，并在非植物應用中進行了嘗試。在此處描述的實驗中大腸桿菌 被用作模型微生物。培養(yǎng)箱內的 VisiSens™ A1 系統(tǒng)監(jiān)測培養(yǎng)物，并觀察單個菌落的耗氧量。

材料與方法

在實驗開始和結束時，通過記錄亞硫酸鈉溶液（0% 空氣飽和度）和空氣飽和蒸餾水（100%空氣飽和度）。大腸桿菌菌落在瓊脂板上生長，傳感器箔直接放在培養(yǎng)物上。VisiSens™ 檢測器單元（DU01，PreSens）安裝在培養(yǎng)箱內，并通過筆記本電腦從外部進行控制。使用 VisiSens™ AnalytiCal 1 軟件實現了檢測器單元控制和后續(xù)圖像分析。將培養(yǎng)物放入培養(yǎng)箱中培養(yǎng)20分鐘后立即開始圖像記錄；圖像以 30 秒的間隔拍攝。

成像大腸桿菌菌落

使用氧傳感器進行短期孵育（5-20 分鐘）會產生清晰的氧分布圖像，其中單個菌落可通過其耗氧量識別（圖 3）。菌落位置的氧氣濃度在 20 分鐘內迅速下降（圖 4 + 5）。氧氣圖像進一步揭示了氧氣減少如何取決于與其他菌落的距離（圖 4）。在擴散和多個相鄰大腸桿菌菌落耗氧的驅動下，培養(yǎng)基內的氧含量也會隨著時間而變化（圖 6）。

圖 3：在瓊脂上生長的大腸桿菌菌落的氧氣圖像；黃色表示高氧，藍色表示低氧濃度。

圖 4：短期孵化期間大腸桿菌菌落的時間序列記錄。可以清楚地確定氧氣分布隨時間的變化和消耗。黃色表示高氧，藍色表示低氧濃度。

圖 5：由耗氧量直接驅動的大腸桿菌菌落部位的氧氣發(fā)展。使用 VisiSens™ AnalytiCal 1 軟件分析的感興趣區(qū)域如左圖所示。

圖 6：由擴散和幾個相鄰大腸桿菌菌落的氧氣消耗驅動的培養(yǎng)基內的氧氣發(fā)展。使用 VisiSens™ AnalytiCal 1 軟件分析的感興趣區(qū)域如左圖所示。

結論

VisiSens™ 能夠可視化多孔板或培養(yǎng)皿中的不同位點。應用于微生物培養(yǎng)，可以區(qū)分單個菌落的耗氧量。通過可視化樣品中的氧氣分布及其隨時間的變化，可以獲得有價值的信息，這些信息可用于監(jiān)測代謝狀態(tài)或調節(jié)氧氣供應，以更好地控制細胞或組織培養(yǎng)中的某些過程。VisiSens™ 的使用促進了呼吸動力學的研究，并將有助于更好地理解許多應用領域，例如酵母中呼吸表型的篩選。