抽象的
考虑到解决其致病作用和探索其潜在应用，细菌菌落的机械特性至关重要。粘弹性是对细胞形状和功能有重大影响的关键力学性能，反映了细胞包膜成分的信息。因此，我们提出应用光声粘弹性（PAVE）来研究细菌菌落的流变特性。在这方面，我们采用强度调制激光束作为激发源，然后对生成的 PA 信号和参考之间的相位延迟测量，以表征两种不同类型的革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌的菌落。我们的研究结果表明金黄色葡萄球菌菌落与革兰氏阴性菌鲍曼不动杆菌的粘弹性比相比，革兰氏阳性菌的粘弹性比显着更高（77％的差异）。这可能是由于两个物种之间的细胞包膜结构不同，但我们不能排除菌落中生物膜形成的影响。此外，还提供了细菌菌落机械特性的集总模型。
介绍
细胞机械特性在各种细胞功能中发挥着至关重要的作用，包括细胞生长和分裂1 , 2。粘弹性作为细胞的重要力学指标，可以被视为监测生理功能、病理状态和疾病诊断的参数3 , 4。生物细胞由一些具有不同机械作用的成分组成，例如，细胞骨架相对刚性，而细胞膜可以假设为粘弹性成分5 , 6。
细胞膜包含一系列生物分子，不仅必须是刚性的以维持正膨胀压和细胞的形状，而且还必须是柔性的以允许营养物质和废物进出细胞以及生长和生长。细胞的分裂7．细菌是普遍存在的没有核膜的单细胞微生物，负责生物世界中物质的分解和重新排列。它们被称为简单的生物体，但拥有复杂的细胞包膜，使它们能够在不可预测和恶劣的环境中生存8 , 9 , 10。一般来说，细菌根据其包膜结构组织可分为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌两类。革兰氏阴性细胞的包膜由两个被周质隔开的脂质双层组成，其中包含厚度为3-8 nm的薄肽聚糖层，而革兰氏阳性细胞的包膜由厚度为20-80 nm的厚肽聚糖层组成，周质和质膜10、11、12。_
有不同的技术来测量细胞的粘弹性。镊子方法，在悬浮液中施加剪切应力或压力梯度并测量细胞变形。镊子可分为光镊子13、14、15、16 ，声镊子17，磁镊子18、19 ，微移液器抽吸20、21和变形细胞计数22、23、24 。这些方法主要是侵入性的，并且会受到非线性影响13 , 25。用于测量细胞粘弹性的另一种技术基于原子力显微镜(AFM)，其中可以通过施加外力5、26、27、28、29、30来测量细胞压痕或高度。顺便说一下，机械负载有可能造成一定的损坏。此外，技术实现上的困难限制了其应用。
光声 (PA) 技术作为一种快速发展的混合成像技术，可提供超出光学传输平均自由程的光学对比度的高分辨率传感，具有广泛的应用，包括疾病诊断31、32、33、34和不同水平的病理生理状态监测35 , 36 , 37 , 38，图像引导给药39 , 40 , 41 , 42 , 43和临床前诊断44 , 45 , 46 , 47、48、49。近年来，开发了多种 PA 成像系统，包括 PA 显微镜 (PAM) 29、50、51、52、53，PA 断层扫描 (PAT) 54、55、56、57和 PA 内窥镜 (PAE) 58，59、60、61、62。_ _ _ _ _ _ 尽管传统的 PA 系统设计用于测量光吸收，但粘弹性等机械特性也可以通过 PA 粘弹性 (PAVE) 来提取63。在这方面，可以测量激发光和生成的 PA 信号之间的相位延迟，以计算 PAVE 中样品的粘弹性比。与传统方法相比，PAVE 具有多种优点，例如无创、成本低、无需外在机械载荷。PAVE已被用于肿瘤检测63、动脉斑块评估64、肝硬化检测65、食管疾病识别66和急性肝炎检测67。。虽然测量粘弹性的方法有多种，例如 AFM、镊子和其他提到的技术，并且每种方法都有自己的优点，但考虑到细菌菌落所需的长度尺度，PAVE 是最好的方法，不仅因为成本低，而且不需要-破坏性，但也因为提供深度分辨率、非操作员依赖性、线性度和最低样品制备要求的能力。
在本研究中，我们采用 PAVE 系统来研究菌落规模中细菌的粘弹性。在这方面，对作为革兰氏阴性菌的鲍曼不动杆菌菌落和作为革兰氏阳性菌的金黄色葡萄球菌菌落进行了分析。系统的能力和准确性已通过明胶模型进行了验证。此外，还提出了基于开尔文-沃伊特模型的细菌菌落机械模型。
结果
明胶模型的 PAVE
制备浓度为100 g/L和200 g/L的明胶样品，并计算激光照射后产生的PA信号的相位延迟。图 1a显示了样品不同点处测得的相位延迟的散点图。正如预期的那样，与明胶浓度较低的样品相比，密度较高的样品的相位延迟较低。为了表明机械性能主要体现在相位延迟（而不是PA幅度）上，明胶样品的信号幅度和相位延迟的测量值如图1 所示b. 通过将样品浓度加倍，PA振幅仅变化2.3 mV（从100 g/L浓度样品的17.7 mV到200 g/L浓度明胶样品的15.4 mV）。然而，通过将样本密度加倍，相位延迟从 55.93° 大幅减少到 43.15°。
