Wykorzystanie widm dyfrakcyjnych Fresnela w diagnostyce mikrobiologicznej

Czasopismo : Acta Bio-Optica et Informatica Medica. Inżynieria Biomedyczna
Tytuł artykułu : Wykorzystanie widm dyfrakcyjnych Fresnela w diagnostyce mikrobiologicznej

Autorzy :
Mikołajewska, E.
Klinika Rehabilitacji, 10 Wojskowy Szpital Kliniczny z Polikliniką SP ZOZ w Bydgoszczy, ul. Powstańców Warszawy 5, 85-681 Bydgoszcz, tel. + 48 607 887 707, e.mikolajewska@wp.pl,
Mikołajewski, D.
Katedra Informatyki Stosowanej, Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, ul. Grudziądzka 5/7, 87-100 Toruń,
Fiodorenko-Dumas
Zakład Fizjoterapii, Wydział Nauk o Zdrowiu AM we Wrocławiu, ul. Grunwaldzka 2, 50-355 Wrocław, tel. +48 71 78-40-186, z.fiodorenko@poczta.onet.pl,
Paprocka-Borowicz, M.
Zakład Rehabilitacji w Dysfunkcjach Narządu Ruchu, Wydział Nauk o Zdrowiu AM we Wrocławiu, ul. Grunwaldzka 2, 50-355 Wrocław,
Dumas, I.
Zakład Klinicznych Podstaw Fizjoterapii, Wydział Nauk o Zdrowiu AM we Wrocławiu, ul. Grunwaldzka 2, 50-355 Wrocław,
Konieczny, G.
Katedra Fizjoterapii w Dysfunkcjach Narządu Ruchu, Zakład Fizjoterapii w Ortopedii i Traumatologii, Akademia Wychowania Fizycznego we Wrocławiu, al. Ignacego Jana Paderewskiego 35, 51-612 Wrocław, tel. +48 71 347 30 99, grzegorz.konieczny@awf.wroc.pl,
Soroko, M.
Wydział Biologii i Hodowli Zwierząt, Zakład Hodowli Koni i Jeździectwa, Uniwersytet Przyrodniczy, ul. Kożuchowska 7, 51-631 Wrocław,
Ptak, A.
Katedra Fizjoterapii w Dysfunkcjach Narządu Ruchu, Zakład Fizjoterapii w Ortopedii i Traumatologii, Akademia Wychowania Fizycznego we Wrocławiu, al. Ignacego Jana Paderewskiego 35, 51-612 Wrocław, tel. +48 71 347 30 99,
Kuciel, N.
Katedra Ortopedii i Traumatologii Narządu Ruchu, Zakład Rehabilitacji, Akademia Medyczna, ul. Borowska 213, 50-556 Wrocław,
Giemza, C.
Katedra Fizjoterapii i Terapii Zajęciowej, Akademia Wychowania Fizycznego we Wrocławiu, al. I.J. Paderewskiego 35, 51-612 Wrocław, tel. +48 71 347 30 86, czeslaw.giemza@awf.wroc.pl,
Gajda, K.
Katedra Fizjoterapii i Terapii Zajęciowej, Akademia Wychowania Fizycznego we Wrocławiu, al. I.J. Paderewskiego 35, 51-612 Wrocław, tel. +48 71 347 30 86,
Ostrowska, B.
Katedra Fizjoterapii i Terapii Zajęciowej, Akademia Wychowania Fizycznego we Wrocławiu, al. I.J. Paderewskiego 35, 51-612 Wrocław, tel. +48 71 347 30 86,
Skrzek, A.
Katedra Fizjoterapii i Terapii Zajęciowej w Dysfunkcjach Narządu Ruchu, Akademia Wychowania Fizycznego we Wrocławiu, al. I.J. Paderewskiego 35, 51-612 Wrocław,
Kuciel-Lewandowska, J.
Katedra Fizjoterapii. Akademia Medyczna, 50-355 Wrocław, ul. Grunwaldzka 2, tel. +48 71 784 01 83, jadwiga.kuciel-lewandowska@am.wroc.pl,
Paprocka-Borowicz, M.
Katedra Fizjoterapii. Akademia Medyczna, 50-355 Wrocław, ul. Grunwaldzka 2, tel. +48 71 784 01 83,
Jagucka, B.
Katedra Fizjoterapii. Akademia Medyczna, 50-355 Wrocław, ul. Grunwaldzka 2, tel. +48 71 784 01 83,
Kierzek, A.
Katedra Fizjoterapii. Akademia Medyczna, 50-355 Wrocław, ul. Grunwaldzka 2, tel. +48 71 784 01 83,
Pozowski, A.
Katedra Fizjoterapii. Akademia Medyczna, 50-355 Wrocław, ul. Grunwaldzka 2, tel. +48 71 784 01 83,
Ratajczak, B.
Katedra Fizjoterapii. Akademia Wychowania Fizycznego, 51-617 Wrocław, ul. Paderewskiego 35,
Boerner, E.
Katedra Fizjoterapii. Akademia Wychowania Fizycznego, 51-617 Wrocław, ul. Paderewskiego 35,
Pawlak, J.
Collegium Medicum im. Ludwika Rydygiera w Bydgoszczy UMK, Katedra i Zakład Higieny i Epidemiologii, ul. M. Skłodowskiej-Curie 9, 85-094 Bydgoszcz, tel. +48 52 585 36 15,
Zalewski, P.
Collegium Medicum im. Ludwika Rydygiera w Bydgoszczy UMK, Katedra i Zakład Higieny i Epidemiologii, ul. M. Skłodowskiej-Curie 9, 85-094 Bydgoszcz, tel. +48 52 585 36 15, p.zalewski@cm.umk.pl,
Klawe, J.
Collegium Medicum im. Ludwika Rydygiera w Bydgoszczy UMK, Katedra i Zakład Higieny i Epidemiologii, ul. M. Skłodowskiej-Curie 9, 85-094 Bydgoszcz, tel. +48 52 585 36 15,
Tafil-Klawe, M.
Collegium Medicum im. Ludwika Rydygiera w Bydgoszczy UMK, Katedra Fizjologii, Zakład Fizjologii Człowieka, ul. Karłowicza 24, 85-092 Bydgoszcz,
Karpowicz, J.
Centralny Instytut Ochrony Pracy – Państwowy Instytut Badawczy (CIOP-PIB), Pracownia Zagrożeń Elektromagnetycznych, ul. Czerniakowska 16, 00-701 Warszawa, tel. +48 22 623 46 50, jokar@ciop.pl,
Gryz, K.
Centralny Instytut Ochrony Pracy – Państwowy Instytut Badawczy (CIOP-PIB), Pracownia Zagrożeń Elektromagnetycznych, ul. Czerniakowska 16, 00-701 Warszawa, tel. +48 22 623 46 50,
Buzalewicz, I.
Grupa Bio-Optyki, Instytut Inżynierii Biomedycznej i Pomiarowej, Politechnika Wrocławska, Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław, igor.buzalewicz@pwr.wroc.pl,
Wieliczko, A.
Katedra Epizootiologii z Kliniką Ptaków i Zwierząt Egzotycznych, Wydział Medycyny Weterynaryjnej, Wrocławski Uniwersytet Przyrodniczy, Plac Grunwaldzki 45, 50-366 Wrocław,
Podbielska, H.
Grupa Bio-Optyki, Instytut Inżynierii Biomedycznej i Pomiarowej, Politechnika Wrocławska, Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław,
Abstrakty : Zaproponowano nową technikę pomiarową opartą na analizie zjawiska dyfrakcji światła na koloniach bakterii hodowanych na podłożach stałych w układzie optycznym ze zbieżną sferyczną wiązką oświetlającą. Hodowla bakterii na podłożach stałych należy do najpopularniejszych procedur laboratoryjnych wykorzystywanych w mikrobiologii. Zaproponowana konfiguracja układu optycznego daje możliwość rejestracji widm dyfrakcyjnych zarówno Fresnela, jak i Fraunhofera w tym samym układzie i w skończonym obszarze przestrzeni obserwacji, możliwość regulacji rozmiarów poprzecznych widm dyfrakcyjnych, łatwy sposób kalibracji układu oraz niski poziom zniekształcenia widm przez aberracje optyczne. Zaproponowany model fizyczny oparty na skalarnej teorii dyfrakcji pozwolił na wyjaśnienie transformacji światła przez kolonie bakterii w rozważanym układzie optycznym. Uzyskane wyniki badań eksperymentalnych przeprowadzonych na bakteriach: Escherichia coli (0119), Citrobacter freundii, Proteus mirabilis oraz Staphylococcus aureus wykazały, iż kolonie tych bakterii generują widma dyfrakcyjne Fresnela o unikalnej strukturze przestrzennej, co może być wykorzystane w celu ich klasyfikacji. Ponadto wykazano związek pomiędzy zmianami strukturalnymi kolonii bakterii wywołanymi warunkami inkubacji kolonii a ich widmami dyfrakcyjnymi. Uzyskane wyniki wskazują na możliwość zastosowania zaproponowanej techniki pomiarowej w laboratoriach diagnostyki mikrobiologicznej.

The novel measurement method based on analysis of the light diffraction on bacterial colonies grown on solid nutrient media in optical system with converging spherical wave illumination, is proposed. Proposed configuration of optical system enables recording of both Fresnel and Fraunhofer diffraction patterns in the same setup in the finite region of observation space, lateral scaling of diffraction patterns, simple adjusting and low level of optical aberration and coherent noises. Moreover, proposed physical model based on scalar theory of diffraction enables the explanation of light transformation on bacterial colonies in analyzed optical system. Obtained results of experimental examination performed on bacterial colonies of Escherichia coli, Citrobacter freundii, Proteus mirabilis and Staphylococcus aureus species indicated that their colonies generate unique Fresnel diffraction patterns, which can be used for their species classification. Moreover, they the significant correlation between spatial changes of diffraction patterns and the morphological changes of bacterial colonies structure caused by their incubation conditions, is observed. The proposed method has a high application potential for microbiological studies.

Słowa kluczowe : skaterometria, dyfrakcja światła, rozpraszanie światła, bakteria, identyfikacja bakterii, widmo Fresnela, scatterometry, light diffraction, light scattering, bacteria, bacteria identification, Fresnel pattern,
Wydawnictwo : Indygo Zahir Media
Rocznik : 2012
Numer : Vol. 18, nr 3
Strony : 213 – 219
Bibliografia : 1. S.G.B. Amyes: The rise in bacterial resistance, BMJ, 320, p. 199-200, 2000.
2. A.S. Colsky, R.S. Kirsner, F.A. Kedrel: Analysis of antibiotic susceptibilities of skin wound flora in hospitalized dermatology patients: The crisis of antibiotic resistance has been come to the surface, Arch Dermatol, 134, p. 1006-1009, 1998.
3. R.P. Leclercq, P. Courvalin: Bacterial resistance to macrolide, linosamide and streptogramin antibiotics by target modification, Antibacterial Agents and Chemotherapy 35(7), p. 1267-1272, 1991.
4. S.B. Levy: The challenge of antibiotic resistance, Scientific American, 278, p. 46-53, 2008.
5. S.B. Levy: Antibacterial resistance worldwide: causes, challenges and responses, Nature Medicine Supplement, Vol. 10, p. 122-129, 2008.
6. A.C. Samuels, A.P. Snyder et al.: Classification of Select Category A and B Bacteria by Fourier Transform Infrared Spectroscopy, Applied Spectroscopy 63(1), p. 14-24, 2009.
7. D. Ivnitski, I. Abdel-Hamid, P. Atanasov, E. Wilkins: Biosensors for detection of pathogenic bacteria, Biosensors & Bioelectronics 14, p. 599-624, 1999.
8. S. Holler, R.G. Pinnick et al.: Single – shot fluorescence spectra of individual micrometer – sized bioaerosols illuminated by a 351- or a 266 – nm ultraviolet laser, Optics Letters, 24(2), 1999, 116-118.
9. R.G. Pinnick, S.C. Hills, S. Niels, N.F. Fell, Y.L. Pan, J. Bottiger,
B.V. Bronk, S. Holler, R.K. Chang: Fluorescence from airborne microparticles: dependence on size, concentration of fluorophores, and illumination intensity, Applied Optics, 40 (18), p. 3005-3013, 1995.
10. R.G. Pinnick, S.C. Hill: Real – time measurement of fluorescence spectra from single airborne biological particles, Field Analytical Chemistry and Technology, 3, p. 221-239, 1999.
11. A. Maninien, M. Putkiranta et al.: Instrumentation for measuring fluorescence cross sections from airborne microsized particle, Applied Optics, 47(7), p. 110-115, 2008.
12. L.J. Rodziemski: From LASER to LIBS, the path of technology development, Spectrochim. Acta Part B, 57, p. 1109-1113, 2002.
13. S. Morel, N. Leone, P. Adam et al.: Detection of bacteria by time-resolved laser-induced breakdown spectroscopy, Applied Optics 42(30), p. 6184-6191, 2003.
14. D.L. Rosen: Bacterial endospore detection using photoluminescence from terbium dipicolinate, Rev. Anal. Chem. 18, p. 1-21, 1999.
15. S. Santra, K. Wang et al.: Development of novel dye – doped silica nanoparticles for biomarker application, J. Biomed. Opt. 6, p. 160-166, 2001.
16. W. Lian, S.A. Litherland et al.: Ultrasensitive detection of biomolecules with dye – doped nanoparticles, Analytical Biochemistry 334, p. 135-144, 2004.
17. S.F. Al-Khaldi, M.M. Mossoba, A.A. Ismail, F.S. Fry: Accelerating bacterial identification by infrared spectroscopy by employing microarray deposition of microorganisms, Foodborne pathogens and disease 1(3), p. 172-177, 2004.
18. D.Y. Duygu, T. Baykal, I. Acikgoz, K. Yildiz: Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy for biological studies, G.U. Journal of Science, 22( 3), p. 117-121, 2009.
19. O. Preisner, J. Lopes, R. Guimar, J. Machado, J. Menezes: Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy in bacteriology: towards a reference method for bacteria discrimination, Analytical and Bioanalytical Chemistry 387(5), p. 1739-1748, 2007.
20. G. Naja, P. Bouvrette, S. Hrapovic, J.H.T. Luong: Raman-based detection of bacteria using silver nanoparticles conjugated with antibodies, Analyst. 132, p. 679-686, 2007.
21. J. Homola: Spectral surface plasmon resonance biosensor for detection of staphylococcal enterotoxin B in milk, International Journal of Food Microbiology, 75(1-2), p. 61-69, 2002.
22. P. Leonard, S. Hearty, J. Quinn, R. O’Kennedy: A generic approach for the detection of whole Listeria monocytogenes cells in contaminated samples using surface plasmon resonance, Biosensors and Bioelectronics 19(10), p. 1331-1335, 2004.
23. A. Subramanian, J. Irudayaraj, T. Ryan: A mixed self-assembled monolayer- based surface plasmon immunosensor for detection of E. coli O157:H7, Biosensors & Bioelectronics 21(7), p. 998-1006, 2006.
24. G.E. Fernandes, Y.G. Pan et al.: Simultaneous forward- and backwardhemisphere elastic- light- scattering patterns of respirable- size aerosols, Optics Letters 31(20), p. 3034-3036, 2006.
25. P.J. Wyatt: Differential light scattering: a physical method for identifying living bacterial cells, Applied Optics 7(10), p. 1879-1895, 1968.
26. P.H. Kaye, J.E. Barton et al.: Simultaneous light scattering and intrinsic fluorescence measurement for the classification of airborne particles, Applied Optics 39(21), p. 3738-3745, 2000.
27. Y.L. Pan, K.B. Aptowicz et al.: Characterizing and monitoring respiratory aerosols by light scattering, Optics Letters 28(8), p. 589-591, 2003.
28. S. Holler, S. Zomer et al.: Multivariate analysis and classification of two-dimensional angular optical scattering patterns from aggregates, Applied Optics 43(33), p. 6198-6206, 2004.
29. J.C. Auger, K.B. Aptowicz et al.: Angularly resolved light scattering from aerosolized spores: Observations and calculations, Optics Letters 32(22), p. 3358-3360, 2007.
30. Ch. Li, G.W. Kattawar et al.: Identification of aerosols by their backscattered Mueller images, Optics Letters 14(8), p. 3616-3621, 2006.
31. P.E. Bae, P.P. Banada, K. Huff, A.K. Bhunia, J.P. Robinson, E.D. Hirleman: Biophysical modeling of forward scattering form bacterial colonies using scalar diffraction theory, Applied Optics 46(7), p. 3639-3648, 2007.
32. E. Bae, P.P. Banada, K. Huff, A.K. Bhunia, J.P. Robinson, E.D. Hirleman: Analysis of time – resolved scattering from macroscale bacterial colonies, Journal of Biomedical Optics 13(1), p. 014010 -1-8, 2008.
33. E. Bae, N. Bai, A. Aroonnual, J.P. Robinson, A.K. Bhunia, E.D. Hirleman: Modeling light propagation through bacterial colonies and its correlation with forward scattering, J. Biomed. Opt. 15(4), p. 045001-1–10, 2010.
34. I. Buzalewicz, K. Wysocka-Król, H. Podbielska: Exploiting of optical transforms for bacteria evaluation in vitro, Proc. SPIE 7371, p. 73711H-73711H-6, 2009.
35. I. Buzalewicz, K. Wysocka-Król, H. Podbielska: Image processing guided analysis for estimation of bacteria colonies number by means of optical transforms, Optics Express 18(12), p. 12992-13005, 2010.
36. I. Buzalewicz, K. Wysocka-Król, K. Kowal, H. Podbielska: Evaluation of antibacterial agents efficiency, Information Technologies in Biomedicine 2, E. Pietka, J. Kawa ed., Springer-Verlag, Berlin, 2010.
37. I. Buzalewicz: Pomiary optyczne w mikrobiologii, Metrologia dziś i jutro, J. Jakubiec, Z. Moroń, H. Juniewicz (Eds.), Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, p. 357-368, 2010.
38. I. Buzalewicz, A. Wieliczko, H. Podbielska: Novel optical sensor for bacteria detection as the way to combat pathogenic microbes, Biomedical Engineering Acta 4, Podbielska H., Trziszka T. (Eds.), Indygo Zahir Media Wrocław, p. 97-106, 2011.
39. I. Buzalewicz, A. Wieliczko, H. Podbielska: Influence of various growth conditions on Fresnel diffraction patterns of bacteria colonies examined in the optical system with converging spherical wave illumination, Optics Express 19(22), p. 21768-21785, 2011.
40. A. Suchwałko, I. Buzalewicz, H. Podbielska: Computer-based classification of bacteria species by analysis of their colonies Fresnel diffraction patterns, Proceedings of SPIE vol. 8212, p. 82120R-1-13, 2012.
DOI :
Cytuj : Mikołajewska, E. ,Mikołajewski, D. ,Fiodorenko-Dumas ,Paprocka-Borowicz, M. ,Dumas, I. ,Konieczny, G. ,Soroko, M. ,Ptak, A. ,Kuciel, N. ,Giemza, C. ,Gajda, K. ,Ostrowska, B. ,Skrzek, A. ,Kuciel-Lewandowska, J. ,Paprocka-Borowicz, M. ,Jagucka, B. ,Kierzek, A. ,Pozowski, A. ,Ratajczak, B. ,Boerner, E. ,Pawlak, J. ,Zalewski, P. ,Klawe, J. ,Tafil-Klawe, M. ,Karpowicz, J. ,Gryz, K. ,Buzalewicz, I. ,Wieliczko, A. ,Podbielska, H. , Wykorzystanie widm dyfrakcyjnych Fresnela w diagnostyce mikrobiologicznej. Acta Bio-Optica et Informatica Medica. Inżynieria Biomedyczna Vol. 18, nr 3/2012
facebook