PL232525B1 - Method for characterizing and identifying bacterial colonies and the axial system of digital holography for the characterization and identification of bacterial colonies - Google Patents
Method for characterizing and identifying bacterial colonies and the axial system of digital holography for the characterization and identification of bacterial coloniesInfo
- Publication number
- PL232525B1 PL232525B1 PL410681A PL41068114A PL232525B1 PL 232525 B1 PL232525 B1 PL 232525B1 PL 410681 A PL410681 A PL 410681A PL 41068114 A PL41068114 A PL 41068114A PL 232525 B1 PL232525 B1 PL 232525B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- bacterial
- colonies
- light
- bacteria
- optical
- Prior art date
Links
Landscapes
- Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Description
Opis wynalazkuDescription of the invention
Przedmiotem wynalazku jest sposób charakteryzacji i identyfikacji kolonii bakterii przeznaczony do badań diagnostycznych, w szczególności do badania skażenia bakteriologicznego wody, produktów spożywczych, tkanek i krwi oraz dedykowany do tego celu układ do charakteryzacji i identyfikacji kolonii bakterii, którym jest optyczny holograficzny układ pomiarowy rejestrujący osiowe hologramy cyfrowe kolonii bakterii hodowanych na podłożach stałych.The subject of the invention is a method for characterizing and identifying bacterial colonies intended for diagnostic tests, in particular for examining bacteriological contamination of water, food products, tissues and blood, and a dedicated system for characterization and identification of bacterial colonies, which is an optical holographic measuring system recording axial holograms digital colonies of bacteria grown on solid media.
Znane są układy i sposoby badania obiektów za pomocą holografii cyfrowej w celu ich obrazowania, charakteryzacji ich właściwości fizycznych lub cech morfologicznych.There are known systems and methods of examining objects by means of digital holography for the purpose of their imaging, characterization of their physical properties or morphological features.
Sposób charakteryzacji właściwości fizycznych erytrocytów znany jest z amerykańskiego zgłoszenia patentowego nr US2014113323 (A1). Wynalazek dotyczy wykorzystania hologramów cyfrowych zarejestrowanych w wyniku interferencji wiązki referencyjnej oraz wiązki ugiętej/rozproszonej na erytrocycie w celu określenia średniej objętości, koncentracji hemoglobiny oraz saturacji tlenu w erytrocycie.The method of characterizing the physical properties of erythrocytes is known from the US patent application No. US2014113323 (A1). The invention relates to the use of digital holograms recorded due to the interference of a reference beam and a diffracted / scattered beam on an erythrocyte to determine the mean volume, hemoglobin concentration and oxygen saturation in the erythrocyte.
Z chińskiego opisu wzoru użytkowego nr CN201974574 (U) znany jest odwrócony cyfrowy mikroskop holograficzny składający się z lasera generującego wiązkę świetlną sprzęganą za pomocą sprzęgacza światłowodowego, który połączony jest z dwoma kolimatorami światłowodowymi, z których jeden oświetla badaną próbkę umieszczoną na stoliku przesuwu XY a drugi przewodzi wiązkę referencyjną. Za próbką znajduje się mikroobiektyw, który wraz z drugim kolimatorem wiązki referencyjnej jest połączony za pomocą elementu krystalicznego nakładającego na siebie wiązkę przedmiotową i referencyjną, których interferencję rejestruje kamera CCD w postaci hologramu cyfrowego.The Chinese description of the utility model No. CN201974574 (U) discloses an inverted digital holographic microscope consisting of a laser generating a light beam coupled with a fiber coupler, which is connected to two fiber optic collimators, one of which illuminates the test sample placed on the XY shift table, and the other conducts a reference beam. Behind the sample there is a micro lens which, together with the second collimator of the reference beam, is connected by a crystal element overlapping the object beam and the reference beam, the interference of which is registered by a CCD camera in the form of a digital hologram.
Sposób i układ opierający się na interferometrze Macha-Zehndera do wielowymiarowego rozpoznawania z wykorzystaniem pozaosiowej holografii cyfrowej ujawniono w zgłoszeniu patentowym US2002181781 (A1). Sposób i układ polega na rozpoznawaniu trójwymiarowych rozkładów pola optycznego za pomocą układu interferometrycznego z przesunięciem fazy, które pozwalają na pozyskanie informacji na temat kształtu, położenia oraz orientacji przestrzennej badanych obiektów.A method and system based on a Mach-Zehnder interferometer for multi-dimensional recognition using off-axis digital holography is disclosed in patent application US2002181781 (A1). The method and system is based on the recognition of three-dimensional distributions of the optical field by means of a phase shift interferometric system, which allows obtaining information on the shape, position and spatial orientation of the examined objects.
W międzynarodowym zgłoszeniu patentowym WO2011149405 (A1) ujawniono sposób i układ opierający się na interferometrze Michelsona do analizy przeźroczystych obiektów biologicznych. Układ składa się z przynajmniej jednego źródła światła w celu generacji przynajmniej jednej wiązki światła koherentnego, gdzie przynajmniej jedna wiązka stanowi przynajmniej jedną wiązkę przedmiotową, sensora, na który kierowana jest przynajmniej jedna wiązka przedmiotowa powstała w wyniku transformacji na badanym obiekcie umieszczonym w statywie. Próbka znajduje się na płaskiej powierzchni odbiciowej. Druga płaska powierzchnia odbiciowa zorientowana prostopadle do pierwszej powierzchni odbiciowej i wykorzystywana jest do wprowadzenia przesunięcia fazowego wiązki referencyjnej.The international patent application WO2011149405 (A1) discloses a method and system based on a Michelson interferometer for analyzing transparent biological objects. The system consists of at least one light source for generating at least one coherent light beam, where at least one beam constitutes at least one object beam, a sensor to which at least one object beam is directed by transformation on the test object placed in a tripod. The sample is on a flat reflective surface. A second flat reflecting surface oriented perpendicular to the first reflecting surface and is used to introduce the phase shift of the reference beam.
Znane są sposoby identyfikacji gatunku i/lub szczepów bakterii obejmujące pojedynczy gatunek bakterii albo konkretne ich szczepy. Metody te polegają na barwieniu metodą Grama, barwieniu kwasowym, barwieniu metodą Ziehla-Nielsena, a identyfikacja odbywa się na podstawie obserwacji wzrostu w pożywkach, metody serologiczne, immunologiczne czy też molekularne.Methods of identifying a species and / or strains of bacteria are known involving a single species of bacteria or specific strains thereof. These methods consist of Gram staining, acid staining, Ziehl-Nielsen staining, and identification is based on the observation of growth in media, serological, immunological or molecular methods.
Sposób ilościowej identyfikacji gatunku i/lub szczepów bakterii znany jest z opisu patentowego FR2649411 (B1), który dotyczy sposobu do ilościowego wykrywania i identyfikacji bakterii w biologicznym podłożu poprzez wzmocnienie bakterii w taki sposób, aby mogły zostać wykryte na podłożu, które jest półselektywne w stosunku do danych bakterii. Następnie wykonywana jest detekcja danych bakterii. Wzmocnienie wykonywane jest na podłożu, które jest albo powierzchnią pożywki, albo wsparciem membrany umieszczonej na podłożu. Detekcja jest wykonywana, w zależności od przypadku, na wsparciu membrany, które posłużyło jako powierzchnia do amplifikacji, lub na innym wsparciu membrany niosącej syntetyczną charakteryzację kolonii bakterii, które zostaną zidentyfikowane.The method of quantifying a species and / or strains of bacteria is known from the patent description FR2649411 (B1), which relates to a method for quantifying and identifying bacteria in a biological medium by strengthening the bacteria so that they can be detected on a medium that is semi-selective in relation to to the bacteria concerned. Then, detection of the bacteria in question is performed. The reinforcement is performed on the substrate, which is either the surface of the medium or the support of a membrane placed on the substrate. Detection is performed, as the case may be, on a membrane support that served as the amplification surface, or on another membrane support carrying a synthetic characterization of the bacterial colonies to be identified.
Układ i sposób szybkiego wykrywania i charakteryzowania gatunku i/lub szczepów bakterii za pomocą rozpraszania światła padającego na kolonie bakterii znane są z opisu patentowego nr US7465560 (B2). Zgodnie ze sposobem kolonię bakterii na podłożu stałym w szalce Petriego umieszcza się pomiędzy laserem a detektorem światła z lasera, które jest rozpraszane przez kolonie bakterii. Światło rozproszone jest wykrywane przez optyczny czujnik, z którego sygnał jest analizowany przez analizator i wyświetlany na ekranie lub zapisywany na nośniku danych. Różne szczepy bakterii posiadają unikalne właściwości rozpraszania światła padającego, co pozwala na identyfikowanie szczególnych szczepów. Układ ten nie zawiera żadnych elementów optycznych lub optoelektronicznych modulujących front falowy wiązki oświetlającej kolonię bakterii.A system and method for rapidly detecting and characterizing a species and / or strains of bacteria by light scattering on bacterial colonies is known from US7465560 (B2). According to the method, a colony of bacteria on a solid medium in a petri dish is placed between the laser and the laser light detector, which is scattered by the bacterial colonies. The scattered light is detected by an optical sensor from which the signal is analyzed by the analyzer and displayed on the screen or recorded on a data carrier. Different strains of bacteria have unique scattering properties for incident light, which allows specific strains to be identified. This system does not contain any optical or optoelectronic elements modulating the wave front of the beam illuminating the bacterial colony.
Sposób badania kolonii bakterii hodowanych na podłożach stałych i układ do badania kolonii bakterii na podłożach stałych znany z polskiego opisu patentowego nr PL218010 (B1) polega na tym,The method of testing colonies of bacteria grown on solid media and the system for testing colonies of bacteria on solid media known from the Polish patent description No. PL218010 (B1) consists in:
PL 232 525 B1 iż kolonia bakterii oświetlana jest pojedynczą, zbieżną sferyczną wiązką oświetlającą, a zarejestrowane widma dyfrakcyjne są wykorzystywane do identyfikacji gatunku bakterii.The bacterial colony is illuminated by a single, converging spherical illuminating beam, and the recorded diffraction spectra are used to identify the bacterial species.
Z amerykańskiego zgłoszenia patentowego nr US2006172370 (A1) znany jest układ do badania kolonii bakterii zawierający źródło światła, które generuje wiązkę oświetlającą transparentną płytkę na której znajdują się kolonie bakterii i detektor w postaci matrycy CCD lub kamery, przy czym długość fali wiązki jest z zakresu 300-800 nm.From the US patent application No. US2006172370 (A1), a system for examining bacterial colonies is known, containing a light source that generates a beam illuminating a transparent plate on which bacterial colonies are located and a detector in the form of a CCD matrix or a camera, with the beam wavelength in the range of 300 -800 nm.
Międzynarodowe zgłoszenie patentowe nr WO9859314 (A1) ujawnia natomiast układ do badania bakterii, w którym zastosowano przesuwny stolik.International patent application no. WO9859314 (A1), on the other hand, discloses a system for testing bacteria in which a sliding table is used.
Istota sposobu według wynalazku, polega na tym, że wiązkę światła z koherentnego źródła światła ogniskuje się za pomocą optycznych lub optoelektronicznych modulatorów fazowych na przesłonie otworowej, który generuje rozbieżną wiązkę świetlną oświetlającą kolonię bakterii umieszczoną na transparentnym podłożu umieszczonym na transparentnej płytce zamocowanej w statywie z możliwością przesuwu w kierunku XYZ. Następnie na detektorze podaje się detekcji wynik interferencji wiązki transmitowanej/nieugiętej/nierozproszonej i ugiętej/rozproszonej na kolonii bakterii na detektorze w postaci osiowego hologramu cyfrowego, po czym rejestruje się i analizuje w komputerze dwuwymiarowy osiowy hologram cyfrowy charakterystyczny dla danego gatunku i/lub szczepu bakterii, które umożliwiają identyfikację bakterii w wyniku ich porównania z wcześniej zarejestrowanymi wzorcowymi osiowymi hologramami cyfrowymi kolonii o znanym gatunku i/lub szczepie. Ponadto, zarejestrowane hologramy dzięki rekonstrukcji umożliwiają charakteryzację właściwości transmisyjnych oraz fazowych kolonii bakterii.The essence of the method according to the invention consists in the fact that the beam of light from a coherent light source is focused by means of optical or optoelectronic phase modulators on the aperture diaphragm, which generates a divergent light beam illuminating a colony of bacteria placed on a transparent substrate placed on a transparent plate mounted in a stand with the possibility of travel in the XYZ direction. Then on the detector the result of the interference of the transmitted / unbent / non-diffused and diffracted / diffused beam on the bacterial colony is displayed on the detector in the form of an axial digital hologram, then a two-dimensional axial digital hologram characteristic for a given species and / or strain of bacteria is recorded and analyzed in a computer which enable the identification of the bacteria as a result of their comparison with previously recorded reference axial digital holograms of colonies of a known species and / or strain. Moreover, the recorded holograms, thanks to the reconstruction, enable the characterization of the transmission and phase properties of bacterial colonies.
Korzystnie, rejestruje się serię dwuwymiarowych osiowych hologramów cyfrowych kolonii wybranych gatunków bakterii, które są wykorzystywane w procesie identyfikacji bakterii jako wzorcowe osiowe hologramy cyfrowe kolonii danego gatunku i/lub szczepu bakterii.Preferably, a series of two-dimensional axial digital holograms of the colonies of the selected bacterial species are recorded, which are used in the process of bacterial identification as reference axial digital holograms of the colonies of a given species and / or bacterial strain.
Korzystnie, rejestruje się i analizuje w komputerze dwuwymiarowe osiowe hologramy cyfrowe badanych kolonii bakterii o nieznanym gatunku i/lub szczepie i porównuje się je z wzorcowymi osiowymi hologramami cyfrowymi kolonii o znanym gatunku i/lub szczepie w celu identyfikacji gatunku i/lub szczepu bakterii.Preferably, two-dimensional axial digital holograms of test colonies of unknown species and / or strain of bacteria are recorded and analyzed on a computer and compared with standard axial digital holograms of colonies of known species and / or strain to identify species and / or strain of bacteria.
Korzystnie, rejestruje się i analizuje w komputerze dwuwymiarowe osiowe hologramy cyfrowe kolonii bakterii uzależnione od gatunku i/lub szczepu bakterii.Preferably, two-dimensional axial digital holograms of bacterial colonies depending on the species and / or strain of bacteria are recorded and analyzed on a computer.
Korzystnie, rejestruje się i analizuje w komputerze dwuwymiarowe osiowe hologramy cyfrowe kolonii bakterii uzależnione od struktury morfologicznej kolonii bakterii.Preferably, two-dimensional axial digital holograms of bacterial colonies depending on the morphological structure of the bacterial colony are recorded and analyzed on a computer.
Korzystnie, rejestruje się i analizuje na komputerze dwuwymiarowe osiowe hologramy cyfrowe kolonii bakterii, które są numerycznie rekonstruowane w celu charakteryzacji właściwości optycznych kolonii bakterii.Preferably, two-dimensional axial digital holograms of bacterial colonies that are numerically reconstructed to characterize the optical properties of the bacterial colonies are recorded and analyzed on a computer.
Korzystnie, rejestruje się i analizuje na komputerze dwuwymiarowe osiowe hologramy cyfrowe kolonii o znanym gatunku i/lub szczepie bakterii, które są numerycznie rekonstruowane w celu analizy rozkładu przestrzennego amplitudy i fazy światła transformowanego na kolonii bakterii, które są kolejnymi wzorcami optycznymi.Preferably, two-dimensional axial digital holograms of colonies of known species and / or strain of bacteria, which are numerically reconstructed, are recorded and analyzed on a computer in order to analyze the spatial distribution of the amplitude and phase of light transformed on the bacterial colony, which are further optical patterns.
Korzystnie, rejestruje się i analizuje na komputerze dwuwymiarowe osiowe hologramy cyfrowe kolonii o nieznanym gatunku i/lub szczepie bakterii, które są numerycznie rekonstruowane w celu uzyskania rozkładu przestrzennego amplitudy i fazy światła transformowanego na kolonii bakterii w celu ich porównania z wzorcowymi rozkładami przestrzennymi amplitudy i fazy światła transformowanego na koloniach znanych gatunków i/lub szczepów bakterii oraz ich identyfikacji.Preferably, two-dimensional axial digital holograms of colonies of unknown species and / or bacterial strain, which are numerically reconstructed to obtain a spatial distribution of the amplitude and phase of light transformed on the bacterial colony, are recorded and analyzed on a computer in order to compare them with the standard spatial amplitude and phase distributions. light transformed on colonies of known species and / or strains of bacteria and their identification.
Istota holograficznego układu do charakteryzacji kolonii bakterii według wynalazku, polega na tym, że składa się on z zestawionych osiowo wzdłuż osi optycznej układu: przynajmniej jednego koherentnego źródła światła generującego przynajmniej jedną wiązkę świetlną, przynajmniej jednego optycznego lub optoelektronicznego modulatora fazowego, przynajmniej jednej przesłony otworowej, na którym ogniskowana jest wiązka świetlna, generującego przynajmniej jedną rozbieżną wiązkę świetlną, badanej próbki w postaci przynajmniej jednej kolonii bakterii umieszczonych na stałym podłożu hodowlanym umieszczonym na transparentnej płytce na stoliku przesuwu poprzecznego i przynajmniej jednego detektora umieszczonego na stoliku przesuwu osiowego do rejestracji przynajmniej jednego osiowego hologramu cyfrowego kolonii bakterii powstałyc h w wyniku interferencji światła przechodzącego oraz ugiętego na kolonii bakterii, który połączony jest z komputerem do akwizycji i analizy hologramów.The essence of the holographic system for characterization of bacterial colonies according to the invention consists in the fact that it consists of at least one coherent light source generating at least one light beam, at least one optical or optoelectronic phase modulator, at least one aperture diaphragm arranged axially along the optical axis of the system, on which the light beam is focused, generating at least one diverging light beam, of the tested sample in the form of at least one colony of bacteria placed on a solid culture medium placed on a transparent plate on the cross slide table and at least one detector located on the axial slide table to record at least one axial hologram digital bacterial colonies created as a result of the interference of transmitted light and diffracted light on the bacterial colony, which is connected to a computer for the acquisition and analysis of holograms.
Korzystnie, w układzie wykorzystuje się koherentne źródło światła generujące promieniowanie świetlne o długościach fali z zakresu UV-VIS (300-800 nm) w celu uwzględnienia dyspersji kolonii bakterii.Preferably, the system uses a coherent light source that generates light radiation in wavelengths in the UV-VIS range (300-800 nm) to account for the dispersion of bacterial colonies.
PL 232 525 B1PL 232 525 B1
Korzystnie, w układzie zwielokrotnia się liczbę wiązek oświetlających więcej niż jedną kolonię bakterii poprzez zastosowanie dodatkowych dzielników wiązki świetlnej oraz zwielokrotnienie liczby soczewek oraz przesłon otworowych w celu jednoczesnej rejestracji osiowych hologramów cyfrowych więcej niż jednej kolonii bakterii.Preferably, the system multiplies the number of beams illuminating more than one bacterial colony by using additional light beam splitters and multiplying the number of lenses and apertures to simultaneously record axial digital holograms of more than one bacterial colony.
Korzystnie, w układzie stosuje się więcej niż jedno źródło światła o wybranej długości fali oraz dodatkowy dichroiczny dzielnik wiązki świetlnej w celu oświetlenia kolonii bakterii za pomocą wiązki świetlnej o wybranej długości fali, co pozwoli na uzyskanie osiowych hologramów cyfrowych o lepszej rozdzielczości.Preferably, the system uses more than one light source of a selected wavelength and an additional dichroic light beam splitter to illuminate the bacterial colonies with a light beam of the selected wavelength, which will result in better resolution axial digital holograms.
Korzystnie, w układzie badana kolonia bakterii umieszczona na transparentnym podłożu umieszczonym na transparentnej płytce zamocowana jest przesuwnie w statywie umożliwiającym regulację położenia w kierunkach XYZ.Preferably, in the system, the tested bacterial colony placed on a transparent substrate placed on a transparent plate is slidably mounted in a tripod that allows you to adjust its position in the XYZ directions.
Korzystnie, w układzie kolonie bakterii hoduje się na podłożu hodowlanym charakteryzującym się wysoką transmisją dla światła emitowanego przez źródło światła w celu poprawy kontrastu rejestrowanych hologramów osiowych kolonii bakterii.Preferably, in the system, bacterial colonies are grown on a culture medium characterized by a high light transmission for the light emitted by the light source in order to improve the contrast of the recorded holograms of the axial bacterial colonies.
Korzystnie, detektorem jest matryca CCD/CMOS albo kamera CCD/CMOS.Preferably, the detector is a CCD / CMOS array or a CCD / CMOS camera.
Korzystnie, w układzie jako optyczny lub optoelektroniczny modulator fazowy stosuje się soczewki optyczne, obiektywy optyczne oraz przestrzenne ciekłokrystaliczne modulatory fazowe światła.Preferably, optical lenses, optical lenses, and liquid crystal phase modulators of light are used in the system as an optical or optoelectronic phase modulator.
Korzystnie, w układzie pomiędzy źródłem światła a elementami modulującymi fazę wiązki świetlnej umieszczony jest element modulujący amplitudę wiązki świetlnej w celu kontroli amplitud interferujących ze sobą wiązek świetlnych: transmitowanych oraz ugiętych/rozproszonych na kolonii bakterii.Preferably, in the system between the light source and the light beam phase modulating elements there is a light beam amplitude modulating element in order to control the amplitudes of interfering light beams: transmitted and diffracted / scattered on the bacteria colony.
Korzystnie, w układzie pomiędzy źródłem światła a przesłoną otworową, znajduje się polaryzator zwiększający stopień polaryzacji wiązki oświetlającej.Preferably, in the arrangement between the light source and the aperture, there is a polarizer increasing the degree of polarization of the lighting beam.
Korzystnie, w układzie pomiędzy źródłem światła a przesłoną otworową znajdują się płytki fazowe wprowadzające przesunięcie fazowe wiązki oświetlającej próbkę.Preferably, in the system between the light source and the aperture diaphragm there are phase plates introducing a phase shift of the sample illuminating the sample.
Korzystnie, w układzie pomiędzy źródłem światła a elementami modulującymi fazę wiązki świetlnej umieszczone są elementy optyczne poszerzające i kolimujące wiązkę świetlną.Preferably, the optical elements widening and collimating the light beam are arranged in the system between the light source and the light beam phase modulating elements.
Korzystnie, w układzie detektor umieszcza się na statywie z możliwością przesuwu wzdłuż osi optycznej (osi Z) układu w celu doboru płaszczyzny rejestracji dwuwymiarowych hologramów osiowych kolonii bakterii.Preferably, in the system, the detector is placed on a tripod that can be slid along the optical axis (Z axis) of the system to select the registration plane of the two-dimensional axial holograms of bacterial colonies.
Zaletą sposobu i układu holograficznego według wynalazku, jest możliwość rejestracji hologramów osiowych kolonii bakterii o charakterystycznym dla każdego gatunku i/lub szczepu bakterii dwuwymiarowym rozkładzie przestrzennym natężenia światła ugiętego na podstawie których możliwa jest charakteryzacja i identyfikacja ich gatunku i/lub szczepu przy znacznym ograniczeniu liczby wykorzystanych elementów optycznych. Ponadto, rejestracja dwuwymiarowych hologramów osiowych kolonii bakterii dzięki ich rekonstrukcji numerycznej umożliwia charakterystykę właściwości optycznych amplitudowych (transmisyjnych) i fazowych (rozkładu przestrzennego współczynnika załamania światła oraz geometrii przestrzennej) kolonii bakterii, której nie umożliwiają dotychczas stosowane optyczne metody do identyfikacji i charakteryzacji bakterii. Jednocześnie możliwa jest rekonstrukcja na podstawie dwuwymiarowego hologramu osiowego kolonii bakterii również rozkładu przestrzennego amplitudy i fazy światła transformowanego na kolonii bakterii w dowolnej odległości pomiędzy płaszczyzną rekonstrukcji a płaszczyzną badanej próbki, który pozwala na uzyskanie dwuwymiarowych rozkładów przestrzennych światła rozproszonego/ugiętego na koloniach bakterii tożsamych z widmami dyfrakcyjnymi kolonii bakterii wykorzystywanymi do identyfikacji gatunku bakterii przy znacznym ograniczeniu wymaganych i stosowanych elementów optycznych, jak również wyeliminowaniu konieczności eksperymentalnego wyboru odpowiedniej płaszczyzny ich rejestracji, która w rozważanym przypadku realizowana jest komputerowo. Ponadto, identyfikacji gatunku i/lub szczepu bakterii dokonuje się na podstawie dwuwymiarowych osiowych hologramów cyfrowych kolonii bakterii i/lub dwuwymiarowych rozkładów przestrzennych amplitudy i fazy światła transformowanego na koloniach bakterii zrekonstruowanych na podstawie zarejestrowanych osiowych hologramów cyfrowych.The advantage of the method and the holographic system according to the invention is the possibility of recording axial holograms of bacterial colonies with a two-dimensional spatial distribution of the diffracted light intensity, characteristic for each species and / or strain, on the basis of which it is possible to characterize and identify their species and / or strains with a significant reduction in the number of used optical elements. In addition, the registration of two-dimensional axial holograms of bacterial colonies thanks to their numerical reconstruction enables the characterization of the optical properties of amplitude (transmission) and phase (spatial distribution of the refractive index and spatial geometry) of bacterial colonies, which is not possible thanks to the optical methods used so far for identification and characterization of bacteria. At the same time, it is possible to reconstruct on the basis of a two-dimensional axial hologram of bacterial colonies also the spatial distribution of the amplitude and phase of light transformed on the bacterial colony at any distance between the reconstruction plane and the tested sample plane, which allows for obtaining two-dimensional spatial distributions of light scattered / diffracted on bacterial colonies identical to the spectra diffractive colonies of bacteria used to identify the species of bacteria with a significant reduction in the required and used optical elements, as well as the elimination of the need to experimentally select the appropriate plane for their registration, which in the case under consideration is performed by computer. In addition, identification of the species and / or strain of bacteria is made on the basis of two-dimensional axial digital holograms of bacterial colonies and / or two-dimensional spatial distributions of the amplitude and phase of light transformed on the bacterial colonies reconstructed from the recorded axial digital holograms.
W odróżnieniu do sposobów znanych ze stanu techniki osiowa technika holografii cyfrowej jest wykorzystywana do charakteryzacji obiektów makroskopowych, jakimi są kolonie bakterii hodowane na podłożach stałych oraz identyfikacji gatunku i/lub szczepu bakterii. Ponadto, w celu określenia gatunku i/lub szczepu bakterii wykorzystuje się osiowe hologramy cyfrowe kolonii bakterii oraz/lub zrekonstruowane na ich podstawie przestrzenne rozkłady amplitudy i fazy pola optycznego transformowanego na koloniach bakterii. Ponadto, metoda ta ma nieniszczący i bezkontaktowy charakter pomiaru w stosunku do badanej próbki biologicznej.Unlike prior art methods, the axial digital holography technique is used to characterize macroscopic objects such as bacterial colonies grown on solid media and to identify the species and / or strain of bacteria. Moreover, axial digital holograms of bacterial colonies and / or spatial distributions of the amplitude and phase of the optical field transformed on the bacterial colonies are used to determine the species and / or strain of bacteria. Moreover, this method has a non-destructive and non-contact nature of the measurement in relation to the tested biological sample.
PL 232 525 B1PL 232 525 B1
Przedmiot wynalazku objaśniony jest w przykładach wykonania i na rysunku, który przedstawia układ holograficzny do identyfikacji kolonii bakterii hodowanych na podłożach stałych w ujęciu schematycznym.The subject matter of the invention is elucidated in the working examples and in the drawing, which shows a holographic system for identifying colonies of bacteria grown on solid media in schematic form.
P r z y k ł a d 1P r z k ł a d 1
Sposób charakteryzacji i identyfikacji gatunku i/lub szczepu bakterii za pomocą osiowej holografii cyfrowej polega na tym, że wiązkę światła z koherentnego źródła światła (1) ogniskuje się za pomocą optycznego modulatora fazowego (2) w postaci soczewki optycznej lub układu soczewek na przesłonie otworowej (3), która generuje rozbieżną wiązkę świetlną oświetlającą kolonię bakterii (4) umieszczoną na transparentnym podłożu umieszczonym na transparentnej płytce zamocowanej w statywie. Następnie na detektorze (5) w postaci matrycy CCD/CMOS podaje się detekcji wynik interferencji wiązki transmitowanej/nieugiętej/nierozproszonej i ugiętej/rozproszonej na kolonii bakterii na detektorze w postaci osiowego hologramu cyfrowego, po czym rejestruje się i analizuje w komputerze (6) dwuwymiarowy osiowy hologram cyfrowy charakterystyczny dla danego gatunku i/lub szczepu bakterii. Na podstawie porównania osiowych hologramów cyfrowych kolonii nieznanego gatunku i/lub szczepu bakterii z wzorowymi osiowymi hologramami cyfrowymi kolonii znanego gatunku i/lub szczepu bakterii możliwa jest identyfikacja bakterii.The method of characterizing and identifying the species and / or strain of bacteria by means of axial digital holography consists in focusing a beam of light from a coherent light source (1) with an optical phase modulator (2) in the form of an optical lens or a lens system on the aperture diaphragm ( 3), which generates a divergent light beam illuminating a colony of bacteria (4) placed on a transparent substrate placed on a transparent plate mounted on a tripod. Then, on the detector (5) in the form of a CCD / CMOS matrix, the result of the interference of the transmitted / unbent / non-diffused and diffracted / scattered beam on the bacterial colony is reported on the detector in the form of an axial digital hologram, and then a two-dimensional digital hologram is recorded and analyzed in a computer (6) axial digital hologram characteristic for a given species and / or strain of bacteria. By comparing the axial digital holograms of the colonies of an unknown species and / or bacterial strain with the exemplary axial digital holograms of the colonies of a known species and / or bacterial strain, the identification of the bacteria is possible.
P r z y k ł a d 2P r z k ł a d 2
Sposób charakteryzacji i identyfikacji gatunku i/lub szczepu bakterii za pomocą osiowej holografii cyfrowej polega na tym, że wiązkę światła z koherentnego źródła światła (1) ogniskuje się za pomocą optoelektronicznego modulatora fazowego (2) w postaci przestrzennego ciekłokrystalicznego modulatora fazowego na przesłonie otworowej (3), która generuje rozbieżną wiązkę świetlną oświetlającą kolonię bakterii (4) umieszczoną na transparentnym podłożu umieszczonym na transparentnej płytce zamocowanej w statywie.The method of characterizing and identifying the species and / or bacterial strain by means of axial digital holography consists in focusing a beam of light from a coherent light source (1) with an optoelectronic phase modulator (2) in the form of a spatial liquid crystal phase modulator on the aperture diaphragm (3). ), which generates a divergent light beam illuminating a colony of bacteria (4) placed on a transparent substrate placed on a transparent plate mounted in a tripod.
Następnie na detektorze (5) w postaci kamery CCD/CMOS podaje się detekcji wynik interferencji wiązki transmitowanej/nieugiętej/nierozproszonej i ugiętej/rozproszonej na kolonii bakterii na detektorze w postaci osiowego hologramu cyfrowego, po czym rejestruje się i analizuje w komputerze (6) dwuwymiarowy osiowy hologram cyfrowy charakterystyczny dla danego gatunku i/lub szczepu bakterii. Następnie dokonuje się rekonstrukcji zarejestrowanego hologramu z tą różnicą, że uzyskuje się rozkłady przestrzenne amplitudy i/lub fazy światła ugiętego na kolonii bakterii w wybranej płaszczyźnie obserwacji pomiędzy detektorem a kolonią bakterii. Rekonstruuje się osiowe hologramy cyfrowe kolonii nieznanych gatunków i/lub szczepów bakterii a rozkłady przestrzenne amplitudy i/lub fazy światła transformowanego na koloniach nieznanych gatunków i/lub szczepów porównuje się z rozkładami przestrzennymi amplitudy i/lub fazy światła transformowanego na koloniach znanych gatunków i/lub szczepów bakterii zrekonstruowanych na podstawie wzorcowych osiowych hologramów cyfrowych kolonii znanych gatunków i/lub szczepów bakterii.Then, on the detector (5) in the form of a CCD / CMOS camera, the result of the interference of the transmitted / unbent / undistracted and diffracted / scattered beam on the bacterial colony on the detector in the form of an axial digital hologram is reported and analyzed in a two-dimensional computer (6). axial digital hologram characteristic for a given species and / or strain of bacteria. Then, the recorded hologram is reconstructed, with the difference that spatial distributions of the amplitude and / or phase of the diffracted light on the bacterial colony in the selected observation plane between the detector and the bacterial colony are obtained. Axial digital holograms of colonies of unknown species and / or bacterial strains are reconstructed and the spatial amplitude and / or phase distributions of transformed light on colonies of unknown species and / or strains are compared with the spatial amplitude and / or phase distributions of transformed light in colonies of known species and / or bacterial strains reconstructed from standard axial digital holograms of colonies of known species and / or strains of bacteria.
P r z y k ł a d 3P r z k ł a d 3
Układ holograficzny do charakteryzacji i identyfikacji gatunku i/lub szczepu bakterii ma zestawione osiowo wzdłuż osi optycznej układu koherentne źródło światła generującego wiązkę świetlną (1), optyczny modulator fazowy (2) w postaci obiektywu optycznego, przesłonę otworową (3), na której ogniskowana jest wiązka świetlna generującego rozbieżną wiązkę świetlną, badanej próbki w postaci kolonii bakterii (4) umieszczonych na stałym podłożu hodowlanym umieszczonym na transparentnej płytce na stoliku przesuwu poprzecznego i detektor (5) w postaci matrycy CCD/CMOS umieszczony na stoliku przesuwu osiowego do rejestracji osiowego hologramu cyfrowego kolonii bakterii powstałego w wyniku interferencji światła przechodzącego oraz ugiętego na kolonii bakterii, który połączony jest z komputerem (6) do akwizycji i analizy hologramów.The holographic system for the characterization and identification of the species and / or strain of bacteria has a coherent light source generating the light beam (1) arranged axially along the optical axis of the system, an optical phase modulator (2) in the form of an optical lens, a hole diaphragm (3) on which it is focused a light beam generating a divergent light beam, of the tested sample in the form of a colony of bacteria (4) placed on a solid culture medium placed on a transparent plate on a transverse shift table and a detector (5) in the form of a CCD / CMOS matrix placed on an axial shift table for registration of an axial digital hologram bacterial colonies resulting from the interference of transmitted light and diffracted light on a bacterial colony, which is connected to a computer (6) for the acquisition and analysis of holograms.
P r z y k ł a d 4P r z k ł a d 4
Układ holograficzny do charakteryzacji i identyfikacji kolonii bakterii wykonany jak w przykładzie pierwszym, z tą różnicą, że stosuje się przynajmniej jedno źródło światła (1) oraz przynajmniej jeden dzielnik wiązki świetlnej wraz z przynajmniej jednym optycznym lub optoelektronicznym modulatorem fazowym (2) oraz przesłoną otworową (3), które umożliwiają wielokanałową rejestrację osiowych hologramów cyfrowych więcej niż jednej kolonii bakterii (4) dla więcej niż jednej długości fali stosowanego światła laserowego.Holographic system for the characterization and identification of bacterial colonies, made as in the first example, with the difference that at least one light source (1) and at least one light beam splitter are used with at least one optical or optoelectronic phase modulator (2) and a hole diaphragm ( 3) that enable multi-channel registration of axial digital holograms of more than one colony of bacteria (4) for more than one wavelength of the laser light used.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL410681A PL232525B1 (en) | 2014-12-30 | 2014-12-30 | Method for characterizing and identifying bacterial colonies and the axial system of digital holography for the characterization and identification of bacterial colonies |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL410681A PL232525B1 (en) | 2014-12-30 | 2014-12-30 | Method for characterizing and identifying bacterial colonies and the axial system of digital holography for the characterization and identification of bacterial colonies |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL410681A1 PL410681A1 (en) | 2016-02-01 |
| PL232525B1 true PL232525B1 (en) | 2019-06-28 |
Family
ID=55178470
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL410681A PL232525B1 (en) | 2014-12-30 | 2014-12-30 | Method for characterizing and identifying bacterial colonies and the axial system of digital holography for the characterization and identification of bacterial colonies |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL232525B1 (en) |
-
2014
- 2014-12-30 PL PL410681A patent/PL232525B1/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL410681A1 (en) | 2016-02-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9546952B2 (en) | Distribution of refractive index measurement by synthetic aperture tomography | |
| US8184298B2 (en) | Spatial light interference microscopy and fourier transform light scattering for cell and tissue characterization | |
| US8149416B2 (en) | Apparatus and method for dynamic cellular probing and diagnostics using holographic optical forcing array | |
| Kemper et al. | Label-free quantitative in vitro live cell imaging with digital holographic microscopy | |
| Stockton et al. | Single pixel quantitative phase imaging with spatial frequency projections | |
| CN113960010B (en) | Dark field confocal Raman polarization spectrum measurement device and method based on vortex beam | |
| Mirsky et al. | Dynamic tomographic phase microscopy by double six-pack holography | |
| JP2013519087A (en) | Method and use of digital holographic microscopy and imaging of labeled cell samples | |
| JP7174604B2 (en) | Optical image measuring device, optical image measuring method | |
| CN110857908B (en) | Biological sample analysis and test system based on off-axis digital holographic microscopy and spectral analysis method | |
| PL232525B1 (en) | Method for characterizing and identifying bacterial colonies and the axial system of digital holography for the characterization and identification of bacterial colonies | |
| Peña et al. | Classification of urine sediments using quantitative phase imaging by digital holographic microscopy | |
| Creath | Dynamic quantitative phase images of pond life, insect wings, and in vitro cell cultures | |
| Rathor et al. | Single-Shot Quantitative Polarization Imaging of Live Cancer Cells | |
| Belashov et al. | Dry mass and average phase shift dynamics in HeLa cells subjected to low-dose photodynamic treatment | |
| WO2020037837A1 (en) | Three-dimensional imaging apparatus based on k space transformation and imaging method thereof | |
| PL218010B1 (en) | Method for testing bacterial colonies grown on solid substrates and optical system for testing bacterial colonies grown on solid substrates | |
| EP1862759A1 (en) | Multiwavelength interference reflection microscopy | |
| US20230105170A1 (en) | Pre-scan focus and scan focus methods | |
| JP2013174848A (en) | Observation device with illuminating light intensity distribution measurement function and illuminating light intensity distribution measurement method for observation device and illuminating light illumination method for observation device | |
| Liu | Configurations on polarized imaging optimization | |
| De Angelis et al. | Analysis of bovine sperm cells by a combined holographic and Raman microscopy approach | |
| Marquet et al. | Exploring cell structure, dynamics and homeostasis with a multimodal microscopy approach based on digital holographic microscopy: towards identifying early biomarkers of cell viability and cytotoxicity | |
| Kastl et al. | Biophysical monitoring of cell cultures for quality assessment utilizing digital holographic microscopy | |
| CN116337811A (en) | Optical diffraction tomography microscopic imaging method based on opposite illumination |