使用 VisiSens™ A1 進行氧成像可以對微生物培養(yǎng)物內(nèi)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(nèi)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(shè)備能夠可視化整個培養(yǎng)表面的氧梯度。結(jié)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(xué)研究或生物技術(shù)中發(fā)揮著重要作用并且是重要的工具。了解菌落內(nèi)細胞和結(jié)構(gòu)的局部代謝活動可能有助于理解和控制復(fù)雜的生長過程。栽培控制中的一個關(guān)鍵參數(shù)是氧氣。氧氣消耗或生產(chǎn)可以提供有關(guān)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(shù)，例如電極，僅允許單點測量，缺乏關(guān)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(shù)碼相機技術(shù)相結(jié)合，現(xiàn)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(nèi)，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(shù)，調(diào)查不同植物組織中的氧氣分布，并在非植物應(yīng)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(nèi)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(jié)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(nèi)，并通過筆記本電腦從外部進行控制。使用 VisiSens™ AnalytiCal 1 軟件實現(xiàn)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(chǎn)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(nèi)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(qū)動下，培養(yǎng)基內(nèi)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(qū)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(qū)動的培養(yǎng)基內(nèi)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(jié)論

VisiSens™ 能夠可視化多孔板或培養(yǎng)皿中的不同位點。應(yīng)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(diào)節(jié)氧氣供應(yīng)，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(xué)的研究，并將有助于更好地理解許多應(yīng)用領(lǐng)域，例如酵母中呼吸表型的篩選。