Refraction and absorption of light in bacterial suspensions

Summary

The apparent average refractive indices of three types of microorganism in liquid suspension have been estimated by two methods. In the first, the refractive index of the aqueous suspension is measured in an interferometer, the bacterial cell volume fraction is estimated from the dilution of an added inert solute, and the refractive index of the disperse phase is calculated with the aid of a mixture rule. In the second method, optical density spectra of suspensions in several concentrated solutions of nonpenetrating solutes are measured as a function of the refractive index,n ₁, of the solution. The value ofn ₁ when the optical density,E, has its smallest value is equated to the average cell refractive index and the constants of the parabolaE (n ₁) are related to the heterogeneity of the cell population in respect to refractive index. The preliminary results obtained by the two methods are in satisfactory agreement and are consistent with the specific refractive increments of protein and nucleic acid and their concentrations in the cell. It is pointed out that measurements of optical density spectra can also give useful information concerning the number and size of cells in a suspension and their optical dispersion constants. To obtain such information, however, a spectrophotometer specially designed to exclude forward-scattered light must be used and an acceptable theory must be available. Finally, the apparent spectral absorption of “clarified” cell suspensions is presented and compared with spectra obtained by other methods. It is pointed out that because of refractive heterodispersity even “clarified” suspensions are turbid, so that this method does not provide a completely satisfactory technique for cell spectrophotometry.

Zusammenfassung

Es wurde der scheinbare mittlere Brechungsindex von 3 Typen von Mikroorganismen in flüssiger Suspension nach zwei Methoden abgeschätzt:

Bei der ersten Methode wird der Brechungsindex der bisherigen Lösung in einem Interferometer gemessen. Die Volumenkonzentration der Bakterienzellen wird aus der Verdünnung mit einer zugesetzten inerten Komponente abgeschätzt. Der Brechungsindex der dispersen Phase wird mit Hilfe der Mischungsregel berechnet.

Nach der 2. Methode werden Spektren der optischen Dichte der Suspensionen in verschiedenen konzentrierten Lösungen von nicht-mischbarer 2. Komponente als Funktion des Brechungsindexn ₁ gemessen. Dieser Brechungsindexn ₁ hat seinen kleinsten Wert, wenn die optische DichteE dem mittleren Brechungsindex der Zellen gleich ist, und die Konstanten der ParabelnE (n ₁) stehen in Beziehung zur Heterogenität der Zellverteilung in Bezug auf den Brechungsindex.

Die vorläufig nach den beiden Methoden erhaltenen Ergebnisse stimmen befriedigend überein und sind konsistent mit den spezifischen Refractionsinkrementen von Eiweiß- und Nukleinsäure und deren Konzentrationen in der Zelle. Es sei betont, daß Messungen der optischen Dichtespektren auch gute Information über Zahl und Größe der Zellen in einer Suspension und über deren optische Dispersionskonstanten geben können. Um diese Information zu erhalten, muß jedoch speziell ein Spektrometer gebaut werden, das gestattet, das vorwärtsgestreute Licht auszuschließen. Außerdem muß eine akzeptable Theorie vorhanden sein. Schließlich wird die scheinbare Spektralabsorption von „geklärten“ Zellsuspensionen dargelegt und mit den Spektren, die nach anderen Methoden erhalten werden, verglichen. Es ist ausgeführt, daß wegen der Heterodispersität auch „geklärte“ Suspensionen streuen, so daß diese Methode keine vollständig befriedigende Technik für Zellspektrometrie darstellt.