1. التصوير الإعداد يمكن تجميعها الكثير في مجال الهندسة المعمارية المحمولة مدمجة وخفيفة الوزن 8، وبدلا من ذلك كما مجهر optofluidic مع قدرة التصوير المقطعية. (9) وفي هذا التقرير، إلا أننا سوف يصف الإعداد التصوير الأساسية لتنفيذ مقاعد البدلاء أعلى نحو ثابت من التصوير المقطعي عينات. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> وحدة إضاءة: في الكثير، ويمكن استخدام مصادر الضوء متماسك جزئيا مثل الثنائيات الباعثة للضوء (المصابيح). المرونة التجريبية، استخدمنا مستوحد اللون مع مصباح زينون (حجر الزاوية T260، نيوبورت كورب). تم تعديل مستوحد اللون لتوفير الانتاج مع عرض ~ الطيفية 1-10 نانومتر طول موجي حول مركز من 450-650 نانومتر على سبيل المثال. ويقترن هذا ثم خرج متماسك جزئيا إلى الألياف الضوئية المتعدد (Thorlabs AFS105/125Y) لتسليم ضوء متماسكة جزئيا إلى النظام. تم تركيب الألياف البصرية في مرحلة التناوب بمحركات (ThorlabsPRM-1Z8 يقودها Thorlabs TDC001 تحكم) لتغيير زاوية الإضاءة. المرحلة الآلية، مع مصدر الضوء المرفقة، هي التي شنت على المسرح ثنائي الأبعاد XY الخطي (نيوبورت ILS50CC يقودها تحكم MFA-PPD نيوبورت)، والذي تم استخدامه لتحقيق التحولات في الطائرة من مصدر الضوء في زاوية معينة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> كشف: Lensfree التصوير المقطعي البصري هو تقنية قابلة للتطوير بحيث يمكن اختيار مجموعة للكشف عن وفقا لمتطلبات من التطبيقات من دون تغيير كبير في خطوات الحصول على الصور أو معالجة البيانات. في هذا التقرير، يعمل لدينا مجموعة أجهزة الاستشعار CMOS بعد 5 ميغا بيكسل، مع حجم بكسل من 2.2 ميكرون (IDS التصوير، UI-1485LE-M). يستخدم كاشف لتسجيل واسع مجال للرؤية (مثلا 24 ملم 2) الصور الثلاثية الأبعاد من العينات، التي تم وضعها مباشرة في الجزء العلوي من منطقة نشطة للكشف. إذا كان الإعداد التصوير المقطعي مزدوج محور يجب أن ينفذ 7، ينبغي للكشف عن 1يقام ليسوتو في مرحلة التناوب أفقي (فيما يتعلق جدول بصري) (على سبيل المثال Thorlabs RP-01) لتدوير العينة (مع كاشف) في الطائرة العادية إلى المحور البصري. 7 </li></ol> 2. عينة تحضير في حين lensfree التصوير المقطعي البصري يمكن صورة مجموعة متنوعة من الكائنات مثل الخلايا والكائنات الحية الدقيقة، فإننا سوف توضح المبادئ الأساسية عن طريق أداء ثلاثي الأبعاد المجهري لC. ايليجانس عينة. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> باستخدام مشرط أو ملعقة أ، تأخذ قطعة صغيرة من أجار من طبق بيتري الذي يحتوي على C. ايليجانس ثقافة. وهناك قطعة مكعب من عدة مليمترات على طول كل البعد تحتوي على مئات من الديدان الخيطية. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ضع قطعة صغيرة من أجار في قارورة تحتوي على مادة البولي بروبيلين 1 مل دي المتأينة (دي) للمياه. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> دوامة بلطف ل0،5-1 دقيقة، وانتظر 10-15 دقيقة حتى الديدان تزحف من قطعة أجار في الماء DI. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> من أجلجمد مؤقتا الديدان، إضافة 1 مل من 5-10 ملي حل ليفاميزول (سيغما الدريخ)، وانتظر لمدة 10 دقيقة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ماصة 5-10 ميكروليتر من عينة من الجزء السفلي من قنينة، وشطيرة بين زلات الغلاف اثنين. يمكن وضع هذه العينة، التي تحتوي على عدد كبير من الديدان يجمد مؤقتا (على سبيل المثال 50-100 الديدان)، وعلى كاشف للبدء في الحصول على البيانات. </li></ol> 3. الحصول على البيانات هنا، نحن تلخيص خطوات الحصول على الصور لتجربة الكثير نموذجي، الذي تم آليا باستخدام واجهة مخصصة وضعت ابفيف. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ضبط زاوية الأولية للمرحلة التناوب إلى -50 درجة مئوية، حيث 0 درجة يتوافق مع الوضع العمودي من مصدر الضوء. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ضبط الموقف الأولي للمرحلة XY إلى (0،0)، والذي هو موقف HOME. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ضبط الوقت التعرض للكاشف للاستفادة من أفضل مجموعتها في مثل هذه الدينامية أن الصورة مشرقة وقت ممكن دون أي قaturated بكسل. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> دون تغيير زاوية للمرحلة التناوب، والقبض على 9 صور. عن كل صورة، حرك مرحلة XY إلى موقع جديد في شبكة مربعة 3X3 ان كل هذه التحولات صورة بواسطة ما يقرب من ربع بكسل مقارنة مع سابقتها. الحصول على المزيد من الصور في كل زاوية، على سبيل المثال في شبكة 6μ6، قد تحسن القرار اعتمادا على نوع الكائن، وإشارة إلى نسبة الضوضاء (SNR) 10 </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ضبط الموقف الأولي للمرحلة XY إلى (0،0)، والذي هو موقف HOME. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> زيادة زاوية مرحلة التناوب بزيادات من 2 درجة مئوية، حتى تصل إلى +50 درجة. بعد كل طريقة، أي في كل زاوية جديدة، كرر الخطوات 3-5. يمكن أن تكون الزيادات زاوي أدق أو خشونة اعتمادا على تعظيم الاستفادة من الوقت في مقابل الحصول على قرار التصوير. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> (خطوة اختيارية إذا كان نظام التصوير المقطعي مزدوج هو محور لاستخدامها) تدوير مرحلة الأفقي الذي تم تنظيمها من قبل للكشف عن 90 درجة. ثم،كرر الخطوات 1-6. </li></ol> 4. تحليل البيانات اتباع الخطوات 1-6 في القسم 3، مجموعة من 459 صور ويكتسب، والذي يحتوي على 9 الفرعي بكسل تحول الصور لكل من زوايا مختلفة للإضاءة 51. أولا، تتم معالجتها رقميا لكل مجموعة من 9 صور، وذلك باستخدام بكسل فائقة قرار خوارزميات 10، الحصول على واحدة عالية الدقة (HR) الهولوغرام إسقاط لكل زاوية. تجدر الإشارة إلى أن بيكسل فائقة يشير القرار إلى التغلب على الحد من حجم بكسل، بدلا من الحد الحيود، وعلى القرار المكانية من الصور lensfree. ثم يتم بكسل الصور ثلاثية الأبعاد فائقة حل بناؤها رقميا 7-10 للحصول على صور الإسقاط 51. هذه مجموعة من الصور إسقاط 51 ومن ثم العودة المتوقعة باستخدام TomoJ، والمكونات في ليماغيج (صورة مفتوحة المصدر برامج التحليل) 11 هذه العملية مرة أخرى الإسقاط إخراج صورة ثلاثية الأبعاد (tomograms) من العينة. على الرغم من عدم تنفيذها هنا،ويمكن أيضا نظام التصوير المقطعي المزدوج محور يمكن استخدامها على النحو المبين في المرجع. 7. في هذا المخطط، يتم الحصول على المجموعة الثانية من tomograms من خلال تناوب مصدر الضوء على امتداد محور متعامد فيما يتعلق محور دوران الاولى، والتي توفر المزيد من المعلومات المكانية المتعلقة عينة، ويحسن القرار المحوري. 5. ممثل النتائج ويتجلى في حقل كبير للرؤية (FOV) من التصوير المقطعي lensfree بصري في الشكل 1. كما يتم وضع عينة مباشرة على الجزء العلوي من الصفيف، كاشف، يمكن تسجيل الصور الثلاثية الأبعاد من الكائنات على مدى ملم FOV من 24 2، والتي يمكن زادت من استخدام المصفوفات للكشف عن المناطق الناشئة مع أكبر نشط. على الرغم من حجم بكسل من الصفيف، كشف يحد من قرار من الصور الثلاثية الأبعاد والمسجل، بكسل فائقة قرار تقنيات التخفيف من هذه المشكلة. ويبين الشكل 2 بكسل فائقة حل الهولوغرام على طولمع الصور التي أعيد بناؤها (صور إسقاط أي) التي تقدم شبه ميكرومتر القرار المكانية، لمدة ثلاث زوايا مختلفة من الإضاءة. ويمكن الجمع بين هذه الصور الإسقاط باستخدام تقنيات تصوير الشعاعي الطبقي اعادة الاعمار صورة (على سبيل المثال تصفية الخلفية الإسقاط) لحساب tomograms (أي ثلاث صور ثلاثية الأبعاد) من العينة. ويبين الشكل 3 صور شريحة الثلاثة في طائرة س ص من خلال الأمامي للدودة، حيث أنبوب بلعومي مرئيا فقط في شريحة من خلال Z ميكرومتر = 8، كما هو متوقع من هذا الهيكل أسطواني تقريبا مع قطر ~ 5 ميكرومترات الخارجي. وعلاوة على ذلك، فإن صورة مقطعية في الطائرة XZ (أقحم في الشكل (3) أعلى لوحة) ويبين بوضوح حدود دودة وأنبوب بلعومي داخل (واشار من قبل سهام)، مما يدل على التصوير 3D الناجح للبلعوم. <img src="/files/ftp_upload/4161/4161fig1.jpg" alt="الشكل 1" /> <strأونج&gt; ويظهر الشكل 1 كامل مجال للرؤية (24 ملم 2) صورة ثلاثية الأبعاد باستخدام التصوير المقطعي سجلت lensfree الضوئية (الكثير) الإعداد لإضاءة رأسية. نظرا لمساحة كبيرة من التصوير الكثير، ويمكن تصوير العديد من البرامج الدودية في وقت واحد مع خطوة واحدة للحصول على البيانات. <img src="/files/ftp_upload/4161/4161fig2.jpg" alt="الشكل 2" /> ويبين الشكل 2 بكسل فائقة حل الصور المجسمة (اللوحة اليسرى)، وإسقاط الصور التي أعيد بناؤها رقميا (اللوحة اليمنى) لجيم ايليجانس دودة (اقتصاص من حقل كبير للرؤية، من) في ثلاث زوايا إضاءة مختلفة. كل صورة الإسقاط تحتوي على معلومات تتعلق بزاوية عرض مختلفة، والتي تمكن من حساب هيكل 3D من خلال عملية الإسقاط الخلفية التي تمت تصفيتها. <img src="/files/ftp_upload/4161/4161fig3.jpg" alt="الشكل (3)" /> ويبين الشكل 3 tomograms المحسوبة لC. ايليجانس دودة سو الشكل رقم 2. (الصف الأعلى) يظهر صورة شريحة من الدودة كامل في زي ميكرومتر 3 =. وأقحم يظهر صورة مستعرضة من الأمامي للدودة. شريط مقياس أقحم هو 50 ميكرون. (الصف السفلي) يظهر صورا شريحة الثلاث من خلال الأمامي للدودة، مما يدل على القدرة البصرية باجتزاء من التصوير المقطعي البصري lensfree. الأسهم في جميع أنحاء الرقم يشير إلى نفس النقطة على أنبوب البلعوم من الدودة. وتقدم أيضا صورة مجهر (X40، 0.65-NA) للمقارنة البصرية.

<ol>
	<li>Schmitt, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+coherence+tomography+(OCT):+a+review,+J.+Sel.+Top.">Optical coherence tomography (OCT): a review, J. Sel. Top.</a> Quant. Elect. 5, 1205-1215 (1999).</li><li>Keller, P. J., Schmidt, A. D., Wittbrodt, J., Stelzer, E. H. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reconstruction+of+zebrafish+early+embryonic+development+by+scanned+light+sheet+microscopy.">Reconstruction of zebrafish early embryonic development by scanned light sheet microscopy.</a> Science. 322, 1065-1069 (2008).</li><li>Sharpe, J., Ahlgren, U., Perry, P., Hill, B., Ross, A., Hecksher-S&#248;rensen, J., Baldock, R., Davidson, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+Projection+Tomography+as+a+Tool+for+3D+Microscopy+and+Gene+Expression+Studies.">Optical Projection Tomography as a Tool for 3D Microscopy and Gene Expression Studies.</a> Science. 296, 541-545 (2002).</li><li>Sung, Y., Choi, W., Fang-Yen, C., Badizadegan, K., Dasari, R. R., Feld, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+diffraction+tomography+for+high+resolution+live+cell+imaging.">Optical diffraction tomography for high resolution live cell imaging.</a> Opt. Exp. 17, 266-277 (2009).</li><li>Debailleul, M., Simon, B., Georges, V., Haeberle, O., Lauer, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Holographic+microscopy+and+diffractive+microtomography+of+transparent+samples.">Holographic microscopy and diffractive microtomography of transparent samples.</a> Meas. Sci. Technol. 19, 074009 (2008).</li><li>Charri&#232;re, F., Pavillon, N., Colomb, T., Depeursinge, C., Heger, T. J., Mitchell, E. A. D., Marquet, P., Rappaz, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Living+specimen+tomography+by+digital+holographic+microscopy:+Morphometry+of+testate+amoeba.">Living specimen tomography by digital holographic microscopy: Morphometry of testate amoeba.</a> Opt. Exp. 14, 7005-7013 (2006).</li><li>Isikman, S. O., Bishara, W., Mavandadi, S., Yu, S. W., Feng, S., Lau, R., Ozcan, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lens-free+optical+tomographic+microscope+with+a+large+imaging+volume+on+a+chip.">Lens-free optical tomographic microscope with a large imaging volume on a chip.</a> Proc. Nat. Acad. Sci. 108, 7296-7301 (2011).</li><li>Isikman, S. O., Bishara, W., Sikora, U., Yaglidere, O., Yeah, J., Ozcan, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Field-portable+Lensfree+Tomographic+Microscope.">Field-portable Lensfree Tomographic Microscope.</a> Lab Chip. 11, 2222-2230 (2011).</li><li>Isikman, S. O., Bishara, W., Zhu, H., Ozcan, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optofluidic+tomography+on+a+chip.">Optofluidic tomography on a chip.</a> App. Phys. Lett. 98, 161109 (2011).</li><li>Bishara, W., Su, T. W., Coskun, A., Ozcan, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lensfree+on-chip+microscopy+over+a+wide+field-of-view+using+pixel+super-resolution.">Lensfree on-chip microscopy over a wide field-of-view using pixel super-resolution.</a> Opt. Exp. 18, 11181-11191 (2010).</li><li>Messaoudi, C., Boudier, T., Sorzano, C. O. S., Marco, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=TomoJ:+tomography+software+for+three-dimensional+reconstruction+in+transmission+electron+microscopy.">TomoJ: tomography software for three-dimensional reconstruction in transmission electron microscopy.</a> BMC Bioinformatics. 8, 288 (2007).</li><li>Heng, X., Erickson, D., Baugh, L. R., Yaqoob, Z., Sternberg, P. W., Psaltis, D., Yang, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optofluidic+Microscopy:+A+Method+for+Implementing+High+Resolution+Optical+Microscope+On+A+Chip.">Optofluidic Microscopy: A Method for Implementing High Resolution Optical Microscope On A Chip.</a> Lab on a Chip. 6, 1274-1276 (2006).</li></ol>

الإعلان عن أي تضارب في المصالح.

من المهم التأكيد على أن علم الهندسة الفريدة من المجهري على رقاقة lensfree الثلاثية الأبعاد هي أساسية تمكن من تحقيق بكسل فائقة الدقة والتصوير تصوير الشعاعي الطبقي. منذ لا يفترض أن تكون الصور المسجلة صور الإسقاط كما هو الحال في التصوير اتصال غير متماسكة يقترب 12، ولك?...

<table border="1" style=";text-align:right;direction:rtl"><tbody><tr><td> اسم </td><td> كومباي </td><td> كتالوج # </td><td> تعليق </td></tr><tr><td> خطي مراحل XY </td><td> نيوبورت كورب </td><td> وزارة الخارجية، PP </td><td> خطي المرحلة مصغر </td></tr><tr><td> بمحرك مرحلة التناوب </td><td> Thorlabs </td><td> PRM1Z8 </td><td> آلية دقيقة دوران جبل </td></tr><tr><td> الألياف البصرية المتعدد </td><td> Thorlabs </td><td> AFS105/125Y </td><td> المتعدد الألياف </td></tr><tr><td> مصدر الضوء </td><td> نيوبورت كورب </td><td> 6255 </td><td> الأوزون خالية من مصباح زينون </td></tr><tr><td> مستوحد اللون </td><td> نيوبورت كورب </td><td> 74100 </td><td> حجر الزاوية 260 1/4 م مستوحد اللون </td></tr><tr><td> جهاز استشعار CMOS مجموعة </td><td> Aptina المؤتمر الوطني العراقي. </td><td> MT9P031STC </td><td> 5 ميغا بكسل المكمل الاستشعار </td></tr><tr><td> جيم ايليجانس عينة </td><td> كارولينا Biosupply </td><td> 173500 </td><td> البرية من نوع C. ايليجانس </td></tr><tr><td> يفاميزول </td><td> سيجما ألدريتش </td><td> L9756-5G </td><td> تتراميزول هيدروكلوريد </td></tr></tbody></table>

lensfree on-chip tomographic microscopy employing multi-angle illumination and pixel super-resolution

وكان تصوير الشعاعي الطبقي التصوير أداة تستخدم على نطاق واسع في الطب لأنها يمكن أن توفر ثلاثية الأبعاد (3D) معلومات حول هيكلية الكائنات من جداول مختلفة الحجم. في موازين ميكرومتر والمليمتر، وطرائق المجهر الضوئي تجد الاستخدام المتزايد بسبب الطبيعة غير المؤينة من الضوء المرئي، وتوفر مجموعة غنية من مصادر الإضاءة (مثل أشعة الليزر والاضاءة الثنائيات-) وعناصر الكشف (مثل كبير CCD شكل وصفائف كاشف CMOS). بين البلدان المتقدمة مؤخرا البصرية طرائق تصوير الشعاعي الطبقي المجهري، يمكن للمرء أن تشمل التصوير المقطعي التماسك البصري، البصرية التصوير المقطعي الحيود، والبصرية، والتصوير المقطعي إسقاط المجهر الضوئي ورقة. 1-6 توفير هذه المنصات التصوير المقطعية من الكائنات الدقيقة، والخلايا والحيوانات مثل نموذج C. ايليجانس، الزرد وأجنة الفئران. القائمة التصوير الضوئي 3D عموما أبنية ضخمة ومعقدة نسبيا، والحد من اله توافر هذه المعدات في المختبرات المتقدمة، والتي تعوق اندماجها مع المختبر على واحد في رقاقة المنابر ورقائق ميكروفلويديك. لتوفير بديل مجهر تصوير الشعاعي الطبقي، ونحن وضعت مؤخرا lensfree البصرية التصوير المقطعي (الكثير) كطريقة التصوير المقطعي البصرية عالية الإنتاجية، والتعاقد وفعالة من حيث التكلفة. المرتجع LOT (7) واستخدام العدسات والمكونات البصرية الضخمة، وتعتمد بدلا من ذلك على زاوية متعددة الإضاءة والحساب الرقمي لتحقيق معمق حل تصوير الكائنات الدقيقة على مدى حجم التصوير كبير. يمكن LOT عينة صورة البيولوجية في القرار المكانية من ميكرون 1 &lt;س &lt;1 ميكرومتر X &lt;3 ميكرومتر في سين وصاد وأبعاد Z، على التوالي، أكثر من حجم التصوير كبيرة من 15-100 ملم 3، ويمكن أن تكون مفيدة بشكل خاص لل المختبر على واحد في رقاقة المنصات.

Watch this Scientific Journal Video about Lensfree On-chip Tomographic Microscopy Employing Multi-angle Illumination and Pixel Super-resolution at JoVE.com

Lensfree On-chip Tomographic Microscopy Employing Multi-angle Illumination and Pixel Super-resolution

Lensfree البصرية التصوير المقطعي هو تقنية المجهر ثلاثي الأبعاد الذي يوفر القرار المكانية من ميكرون 1 &lt;× &lt;× 1 ميكرومتر &lt;3 ميكرومتر في سين وصاد وأبعاد Z، على التوالي، أكثر من حجم التصوير كبيرة من 15-100 مم<sup&gt; 3</sup&gt;، والتي يمكن أن تكون مفيدة بشكل خاص لتحقيق التكامل مع المختبر على واحد في رقاقة المنصات.

Lensfree الميكروسكوب تصوير الشعاعي الطبقي على رقاقة ويعمل لدى الشركة متعددة زاوية الإضاءة وبكسل سوبر قرار

Tomographic imaging has been a widely used tool in medicine as it can provide three-dimensional (3D) structural information regarding objects of different ...

lensfree-on-chip-tomographic-microscopy-employing-multi-angle

Research

JoVE Journal

Bioengineering

11.4K Views.  University of California, Los Angeles. Lensfree البصرية التصوير المقطعي هو تقنية المجهر ثلاثي الأبعاد الذي يوفر القرار المكانية من ميكرون 1 

Video: Lensfree On-chip Tomographic Microscopy Employing Multi-angle Illumination and Pixel Super-resolution

Biomolecular Detection employing the Interferometric Reflectance Imaging Sensor (IRIS)

The sensitive measurement of biomolecular interactions has use in many fields and industries such as basic biology and microbiology, environmental/agricultural/biodefense monitoring, nanobiotechnology, and more. For diagnostic applications, monitoring (detecting) the presence, absence, or abnormal expression of targeted proteomic or genomic biomarkers found in patient samples can be used to determine treatment approaches or therapy efficacy. In the research arena, information on molecular affinities and specificities are useful for fully characterizing the systems under investigation.
Many of the current systems employed to determine molecular concentrations or affinities rely on the use of labels. Examples of these systems include immunoassays such as the enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA), polymerase chain reaction (PCR) techniques, gel electrophoresis assays, and mass spectrometry (MS). Generally, these labels are fluorescent, radiological, or colorimetric in nature and are directly or indirectly attached to the molecular target of interest. Though the use of labels is widely accepted and has some benefits, there are drawbacks which are stimulating the development of new label-free methods for measuring these interactions. These drawbacks include practical facets such as increased assay cost, reagent lifespan and usability, storage and safety concerns, wasted time and effort in labelling, and variability among the different reagents due to the labelling processes or labels themselves. On a scientific research basis, the use of these labels can also introduce difficulties such as concerns with effects on protein functionality/structure due to the presence of the attached labels and the inability to directly measure the interactions in real time.
Presented here is the use of a new label-free optical biosensor that is amenable to microarray studies, termed the Interferometric Reflectance Imaging Sensor (IRIS), for detecting proteins, DNA, antigenic material, whole pathogens (virions) and other biological material. The IRIS system has been demonstrated to have high sensitivity, precision, and reproducibility for different biomolecular interactions [1-3]. Benefits include multiplex imaging capacity, real time and endpoint measurement capabilities, and other high-throughput attributes such as reduced reagent consumption and a reduction in assay times. Additionally, the IRIS platform is simple to use, requires inexpensive equipment, and utilizes silicon-based solid phase assay components making it compatible with many contemporary surface chemistry approaches.
Here, we present the use of the IRIS system from preparation of probe arrays to incubation and measurement of target binding to analysis of the results in an endpoint format. The model system will be the capture of target antibodies which are specific for human serum albumin (HSA) on HSA-spotted substrates.

Biomolecular Detection employing the Interferometric Reflectance Imaging Sensor IRIS

Quantitative, high-throughput, real-time, and label-free biomolecular detection (DNA, protein, etc.) on SiO2 surfaces can be achieved using a simple interferometric technique which relies on LED illumination, minimal optical components, and a camera. The Interferometric Reflectance Imaging Sensor (IRIS) is inexpensive, simple to use, and amenable to microarray formats.

اكتشاف الجزيئية البيولوجية توظيف الانعكاس التداخل التصوير الاستشعار (IRIS)

The sensitive measurement of biomolecular interactions has use in many fields and industries such as basic biology and microbiology, ...

On-chip Isotachophoresis for Separation of Ions and Purification of Nucleic Acids

Electrokinetic techniques are a staple of microscale applications because of their unique ability to perform a variety of fluidic and electrophoretic processes in simple, compact systems with no moving parts. Isotachophoresis (ITP) is a simple and very robust electrokinetic technique that can achieve million-fold preconcentration1,2 and efficient separation and extraction based on ionic mobility.3 For example, we have demonstrated the application of ITP to separation and sensitive detection of unlabeled ionic molecules (e.g. toxins, DNA, rRNA, miRNA) with little or no sample preparation4-8 and to extraction and purification of nucleic acids from complex matrices including cell culture, urine, and blood.9-12
ITP achieves focusing and separation using an applied electric field and two buffers within a fluidic channel system. For anionic analytes, the leading electrolyte (LE) buffer is chosen such that its anions have higher effective electrophoretic mobility than the anions of the trailing electrolyte (TE) buffer (Effective mobility describes the observable drift velocity of an ion and takes into account the ionization state of the ion, as described in detail by Persat et al.13). After establishing an interface between the TE and LE, an electric field is applied such that LE ions move away from the region occupied by TE ions. Sample ions of intermediate effective mobility race ahead of TE ions but cannot overtake LE ions, and so they focus at the LE-TE interface (hereafter called the "ITP interface"). Further, the TE and LE form regions of respectively low and high conductivity, which establish a steep electric field gradient at the ITP interface. This field gradient preconcentrates sample species as they focus. Proper choice of TE and LE results in focusing and purification of target species from other non-focused species and, eventually, separation and segregation of sample species.
We here review the physical principles underlying ITP and discuss two standard modes of operation: "peak" and "plateau" modes. In peak mode, relatively dilute sample ions focus together within overlapping narrow peaks at the ITP interface. In plateau mode, more abundant sample ions reach a steady-state concentration and segregate into adjoining plateau-like zones ordered by their effective mobility. Peak and plateau modes arise out of the same underlying physics, but represent distinct regimes differentiated by the initial analyte concentration and/or the amount of time allotted for sample accumulation.
We first describe in detail a model peak mode experiment and then demonstrate a peak mode assay for the extraction of nucleic acids from E. coli cell culture. We conclude by presenting a plateau mode assay, where we use a non-focusing tracer (NFT) species to visualize the separation and perform quantitation of amino acids.

Isotachophoresis (ITP) is a robust electrokinetic separation and preconcentration technique with applications ranging from toxin detection to sample preparation. We review the physical principles of ITP and the methodology of applying this technique to two specific example applications: separation and detection of small molecules and purification of nucleic acids from cell culture lysate.

على رقاقة Isotachophoresis للفصل بين الأيونات والتنقية من الأحماض النووية

Electrokinetic techniques are a staple of microscale applications because of their unique ability to perform a variety of fluidic and electrophoretic ...

On-Chip Endothelial Inflammatory Phenotyping

Atherogenesis is potentiated by metabolic abnormalities that contribute to a heightened state of systemic inflammation resulting in endothelial dysfunction. However, early functional changes in endothelium that signify an individual's level of risk are not directly assessed clinically to help guide therapeutic strategy. Moreover, the regulation of inflammation by local hemodynamics contributes to the non-random spatial distribution of atherosclerosis, but the mechanisms are difficult to delineate in vivo. We describe a lab-on-a-chip based approach to quantitatively assay metabolic perturbation of inflammatory events in human endothelial cells (EC) and monocytes under precise flow conditions. Standard methods of soft lithography are used to microfabricate vascular mimetic microfluidic chambers (VMMC), which are bound directly to cultured EC monolayers.1 These devices have the advantage of using small volumes of reagents while providing a platform for directly imaging the inflammatory events at the membrane of EC exposed to a well-defined shear field. We have successfully applied these devices to investigate cytokine-,2 lipid-3, 4 and RAGE-induced5 inflammation in human aortic EC (HAEC). Here we document the use of the VMMC to assay monocytic cell (THP-1) rolling and arrest on HAEC monolayers that are conditioned under differential shear characteristics and activated by the inflammatory cytokine TNF-&alpha;. Studies such as these are providing mechanistic insight into atherosusceptibility under metabolic risk factors.

Microfluidic flow chambers etched by photolithography and fabricated from PDMS are applied to probe functional outcomes associated with EC dysfunction and inflammation. In a representative experiment, the ability of differential shear stress to modulate monocytic cell adhesion to cytokine activated EC monolayers is demonstrated.

على رقاقة Phenotyping التهاب غشائي

Atherogenesis is potentiated by metabolic abnormalities that contribute to a heightened state of systemic inflammation resulting in endothelial ...

A Guide to Structured Illumination TIRF Microscopy at High Speed with Multiple Colors

Optical super-resolution imaging with structured illumination microscopy (SIM) is a key technology for the visualization of processes at the molecular level in the chemical and biomedical sciences. Although commercial SIM systems are available, systems that are custom designed in the laboratory can outperform commercial systems, the latter typically designed for ease of use and general purpose applications, both in terms of imaging fidelity and speed. This article presents an in-depth guide to building a SIM system that uses total internal reflection (TIR) illumination and is capable of imaging at up to 10 Hz in three colors at a resolution reaching 100 nm. Due to the combination of SIM and TIRF, the system provides better image contrast than rival technologies. To achieve these specifications, several optical elements are used to enable automated control over the polarization state and spatial structure of the illumination light for all available excitation wavelengths. Full details on hardware implementation and control are given to achieve synchronization between excitation light pattern generation, wavelength, polarization state, and camera control with an emphasis on achieving maximum acquisition frame rate. A step-by-step protocol for system alignment and calibration is presented and the achievable resolution improvement is validated on ideal test samples. The capability for video-rate super-resolution imaging is demonstrated with living cells.

This article provides an in depth guide for the assembly and operation of a structured illumination microscope operating with total internal reflection fluorescence illumination (TIRF-SIM) to image dynamic biological processes with optical super-resolution in multiple colors.

دليل لهيكلة الإضاءة TIRF المجهري بسرعة عالية مع الألوان متعددة

Optical super-resolution imaging with structured illumination microscopy (SIM) is a key technology for the visualization of processes at the molecular ...

Dry Film Photoresist-based Electrochemical Microfluidic Biosensor Platform: Device Fabrication, On-chip Assay Preparation, and System Operation

In recent years, biomarker diagnostics became an indispensable tool for the diagnosis of human disease, especially for the point-of-care diagnostics. An easy-to-use and low-cost sensor platform is highly desired to measure various types of analytes (e.g., biomarkers, hormones, and drugs) quantitatively and specifically. For this reason, dry film photoresist technology - enabling cheap, facile, and high-throughput fabrication - was used to manufacture the microfluidic biosensor presented here. Depending on the bioassay used afterwards, the versatile platform is capable of detecting various types of biomolecules. For the fabrication of the device, platinum electrodes are structured on a flexible polyimide (PI) foil in the only clean-room process step. The PI foil serves as a substrate for the electrodes, which are insulated with an epoxy-based photoresist. The microfluidic channel is subsequently generated by the development and lamination of dry film photoresist (DFR) foils onto the PI wafer. By using a hydrophobic stopping barrier in the channel, the channel is separated into two specific areas: an immobilization section for the enzyme-linked assay and an electrochemical measurement cell for the amperometric signal readout.
The on-chip bioassay immobilization is performed by the adsorption of the biomolecules to the channel surface. The glucose oxidase enzyme is used as a transducer for electrochemical signal generation. In the presence of the substrate, glucose, hydrogen peroxide is produced, which is detected at the platinum working electrode. The stop-flow technique is applied to obtain signal amplification along with rapid detection. Different biomolecules can quantitatively be measured by means of the introduced microfluidic system, giving an indication of different types of diseases, or, in regard to therapeutic drug monitoring, facilitating a personalized therapy.

A microfluidic biosensor platform was designed and fabricated using low-cost dry film photoresist technology for the rapid and sensitive quantification of various analytes. This single-use system allows for the electrochemical readout of on-chip-immobilized enzyme-linked assays by means of the stop-flow technique.

الفيلم الجافة على أساس مقاوم الضوء Biosensor موائع جزيئية الكهروكيميائية منصة: تصنيع الجهاز وإعداد مقايسة على شريحة، ونظام التشغيل

In recent years, biomarker diagnostics became an indispensable tool for the diagnosis of human disease, especially for the point-of-care diagnostics. An ...

Fabrication and Validation of an Organ-on-chip System with Integrated Electrodes to Directly Quantify Transendothelial Electrical Resistance

Organs-on-chips, in vitro models involving the culture of (human) tissues inside microfluidic devices, are rapidly emerging and promise to provide useful research tools for studying human health and disease. To characterize the barrier function of cell layers cultured inside organ-on-chip devices, often transendothelial or transepithelial electrical resistance (TEER) is measured. To this end, electrodes are usually integrated into the chip by micromachining methods to provide more stable measurements than is achieved with manual insertion of electrodes into the inlets of the chip. However, these electrodes frequently hamper visual inspection of the studied cell layer or require expensive cleanroom processes for fabrication. To overcome these limitations, the device described here contains four easily integrated electrodes that are placed and fixed outside of the culture area, making visual inspection possible. Using these four electrodes the resistance of six measurement paths can be quantified, from which the TEER can be directly isolated, independent of the resistance of culture medium-filled microchannels. The blood-brain barrier was replicated in this device and its TEER was monitored to show the device applicability. This chip, the integrated electrodes and the TEER determination method are generally applicable in organs-on-chips, both to mimic other organs or to be incorporated into existing organ-on-chip systems.

This publication describes the fabrication of an organ-on-chip device with integrated electrodes for direct quantification of transendothelial electrical resistance (TEER). For validation, the blood-brain barrier was mimicked inside this microfluidic device and its barrier function was monitored. The presented methods for electrode integration and direct TEER quantification are generally applicable.

تلفيق والتحقق من صحة نظام الجهاز على رقاقة مع أقطاب متكاملة لقياس المقاومة الكهربائية ترانسيندوثيليال مباشرة

Organs-on-chips, in vitro models involving the culture of (human) tissues inside microfluidic devices, are rapidly emerging and promise to provide useful ...

Methanol Independent Expression by Pichia Pastoris Employing De-repression Technologies

Methanol is a well-established carbon source and inducer for efficient protein production employing Pichia pastoris (P. pastoris) as a host on micro-, lab and industrial scale. However, due to its toxicity and flammability, there is a desire to avoid methanol while maintaining the high productivity of P. pastoris. Small scale bioreactor cultivations (0.5-5 L working volume) are commonly used to evaluate a strain and its protein production characteristics since microscale cultivation in deep well plates can be hardly controlled or relies on expensive equipment. Furthermore, traditional protocols for the cultivation and induction of P. pastoris were established for constitutive expression or methanol induction and so far, no reliable protocols were described to screen P. pastoris expression strains with derepressible promoters in (controlled and monitored) parallel cultivations. To simplify such initial cultivations to characterize and compare new protein production strains, we established a simple shake flask cultivation system for methanol free expression that simulates bioreactor conditions including a constant slow glycerol feed and online monitoring, thereby coming closer to the real conditions in bioreactors compared to mostly applied small scale batch cultivations. To drive recombinant protein expression in P. pastoris, the carbon source repressed promoters PDC and PDF were applied. Polymer discs with embedded carbon source, releasing a constant amount of glycerol, assured a feed rate delivering the necessary energy for maintaining the promoters active while keeping the biomass generation low.

Methanol Independent Expression by Pichia Pastoris Employing De-repression Technologies

This method for the first time describes reliable experimental procedures for efficient inducible methanol-free recombinant protein production in Pichia pastoris (Komagataella phaffii), employing the carbon source regulated promoters PDCand PDF in small scale experiments while cultivation parameters can be monitored online, and a constant glycerol feed is applied.

التعبير المستقلة الميثانول بسطورس بيشيا تستخدم تكنولوجيات إزالة القمع

Methanol is a well-established carbon source and inducer for efficient protein production employing Pichia pastoris (P. pastoris) as a host on micro-, lab ...

CRISPR/Cas12a Multiplex Genome Editing of Saccharomyces cerevisiae and the Creation of Yeast Pixel Art

High efficiency, ease of use and versatility of the clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9 (CRISPR/Cas9) system has facilitated advanced genetic modification of Saccharomyces cerevisiae, a model organism and workhorse in industrial biotechnology. CRISPR-associated protein 12a (Cas12a), an RNA-guided endonuclease with features distinguishable from Cas9 is applied in this work, further extending the molecular toolbox for genome editing purposes. A benefit of the CRISPR/Cas12a system is that it can be used in multiplex genome editing with multiple guide RNAs expressed from a single transcriptional unit (single CRISPR RNA (crRNA) array). We present a protocol for multiplex integration of multiple heterologous genes into independent loci of the S. cerevisiae genome using the CRISPR/Cas12a system with multiple crRNAs expressed from a single crRNA array construct. The proposed method exploits the ability of S. cerevisiae to perform in vivo recombination of DNA fragments to assemble the single crRNA array into a plasmid that can be used for transformant selection, as well as the assembly of donor DNA sequences that integrate into the genome at intended positions. Cas12a is pre-expressed constitutively, facilitating cleavage of the S.&#160;cerevisiae genome at the intended positions upon expression of the single crRNA array. The protocol includes the design and construction of a single crRNA array and donor DNA expression cassettes, and exploits an integration approach making use of unique 50-bp DNA connectors sequences and separate integration flank DNA sequences, which simplifies experimental design through standardization and modularization and extends the range of applications. Finally, we demonstrate a straightforward technique for creating yeast pixel art with an acoustic liquid handler using differently colored carotenoid producing yeast strains that were constructed.

CRISPR/Cas12a Multiplex Genome Editing of Saccharomyces cerevisiae and the Creation of Yeast Pixel Art

The CRISPR/Cas12a system in combination with a single crRNA array enables efficient multiplex editing of the S.&#160;cerevisiae genome at multiple loci simultaneously. This is demonstrated by constructing carotenoid producing yeast strains which are subsequently used to create yeast pixel art.

كريسبر / Cas12a متعددة الجينوم التحرير من Saccharomyces سيريفيسياي وخلق الخميرة بكسل الفن

High efficiency, ease of use and versatility of the clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9 (CRISPR/Cas9) ...

Applications for Open Source Microplate-Compatible Illumination Panels

Microplates are commonly used in the modern laboratory environment for a wide variety of tasks both in small-scale laboratory benchtop operations as well as large-scale high-throughput screening (HTS) campaigns. Though laboratory automation has greatly increased the utility of microplates there remain instances where automation-based instrumentation is not feasible, cost-effective or compatible with microplate formatting needs. In these cases, microplates must be manually prepared. Problematic to manual microplate manipulations is that a number of difficulties can arise pertaining to the accurate tracking of sample operations, data record keeping and quality control (QC) inspection for well artifacts or formatting errors. As microplate well densities increase (i.e., 96-well, 384-well, 1536-well) the potential for introducing errors also drastically increases.&#160; Moreover, for small bench-top laboratory operations there exists a need to improve the ease and accuracy of sample handling in a cost-effective fashion. Herein, we describe a system that acts as a semi-automated pipetting guide referred to as the Microplate Assistive Pipetting Light Emitter (M.A.P.L.E.). &#160;M.A.P.L.E. has multiple uses for supporting compound hit-picking and microplate preparation for assay development in high-throughput screening or laboratory benchtop operations, as well as QC/quality assurance (QA) diagnostic evaluation of microplate quality or visualizing well formatting errors.

Microplate Assistive Pipetting Light Emitter (M.A.P.L.E.) is a computer-driven device that systematically illuminates microtiter wells to provide guidance for the manual preparation of microplates.&#160; M.A.P.L.E. improves the accuracy of microplate preparation while automating data recordkeeping. &#160;In addition, it can assist with examining microplate quality or aid in the detection of errors.&#160; &#160;

تطبيقات للواح الاضاءه المتوافقة مع اللوحة المفتوحة المصدر

Microplates are commonly used in the modern laboratory environment for a wide variety of tasks both in small-scale laboratory benchtop operations as well ...

Building a Simple and Versatile Illumination System for Optogenetic Experiments

Controlling biological processes using light has increased the accuracy and speed with which researchers can manipulate many biological processes. Optical control allows for an unprecedented ability to dissect function and holds the potential for enabling novel genetic therapies. However, optogenetic experiments require adequate light sources with spatial, temporal, or intensity control, often a bottleneck for researchers. Here we detail how to build a low-cost and versatile LED illumination system that is easily customizable for different available optogenetic tools. This system is configurable for manual or computer control with adjustable LED intensity. We provide an illustrated step-by-step guide for building the circuit, making it computer-controlled, and constructing the LEDs. To facilitate the assembly of this device, we also discuss some basic soldering techniques and explain the circuitry used to control the LEDs. Using our open-source user interface, users can automate precise timing and pulsing of light on a personal computer (PC) or an inexpensive tablet. This automation makes the system useful for experiments that use LEDs to control genes, signaling pathways, and other cellular activities that span large time scales. For this protocol, no prior expertise in electronics is required to build all the parts needed or to use the illumination system to perform optogenetic experiments.

This protocol describes how to perform optogenetic experiments for controlling gene expression with red and far-red light using PhyB and PIF3. Included are step-by-step instructions for building a simple and flexible illumination system, which enables the control of gene expression or other optogenetics with a computer.

بناء نظام إضاءة بسيط ومتعدد الاستخدامات لتجارب البصريات الوراثية

Controlling biological processes using light has increased the accuracy and speed with which researchers can manipulate many biological processes. Optical ...