Wide-området fluorescensmikroskopi och fluorescerande Imaging flödescytometri på en mobiltelefon
Summary
Vi granskar våra senaste resultat på integrering av fluorescerande mikroskopi och imaging flöde verktyg cytometry på en mobiltelefon med kompakta och kostnadseffektiva opto-fluidic bilagor. Dessa mobiltelefon baserade mikro-analys enheter kan vara användbara för cytometrisk analys, till exempel att utföra olika cellräkning uppgifter samt för high-throughput screening av t.ex. vattenprover i Resurs begränsade inställningar.
Abstract
Fluorescensmikroskopi och flödescytometri används allmänt verktyg i biomedicinsk forskning och klinisk diagnos. Men dessa enheter är i allmänhet relativt skrymmande och dyra, vilket gör dem mindre effektiva i resursen begränsade inställningar. Att eventuellt ta itu med dessa begränsningar har vi nyligen visat att integrera breda fält fluorescerande mikroskopi och imaging flöde verktyg cytometry på mobiltelefoner med kompakta, lätta och kostnadseffektiva opto-fluidic bilagor. I vår flödescytometri konstruktion, är fluorescensmärkta celler spolas genom en mikroflödessystem kanal som är placerad ovanför befintliga mobiltelefon kameraenheten. Batteridrivna lysdioder (LED) är stum-kopplad till sidan av denna mikroflödessystem chip, som effektivt verkar som ett multimodalt plattvågledare, där excitationsljuset styrs till likformigt excitera de fluorescerande mål. Mobiltelefonen Kameran spelar en film tid förfaller de fluorescerande celler som flyter genommikroflödessystem kanalen, där de digitala ramarna för denna filmen behandlas för att räkna antalet av de märkta cellerna i mållösningen av intresse. Med hjälp av en liknande opto-fluid design, kan vi också bilden här fluorescensmärkta celler i statiskt läge genom att t.ex. sandwich de fluorescerande partiklar mellan två glasskivor och fånga deras fluorescerande bilder med mobiltelefon kamera, som kan uppnå en rumslig upplösning på t.ex. ~ 10 um över en mycket stor fält-av-vy av ~ 81 mm 2. Denna mobiltelefon baserad fluorescerande cytometri avbildning flöde och mikroskopi plattform kan vara användbart särskilt i resurser begränsade inställningar, t.ex. för räkning av CD4 + T-celler mot övervakning av HIV + patienter eller för detektion av vattenburna parasiter i dricksvattnet.
Introduction
Mikroskopi och flödescytometri används i stor utsträckning metoder 1-12 i biomedicinsk och vetenskaplig forskning samt klinisk diagnos för att räkna och karakterisering av olika celltyper. Emellertid, konventionella mikroskop och flödescytometri instrument är relativt komplexa och dyra, vilket begränsar deras användning till huvudsakligen väletablerade centrala laboratorier. Nyligen har vi utvecklat en kompakt och lätt fluorescerande avbildning cytometri och mikroskopi enhet som är integrerad i en mobiltelefon, 13,14 som visar löfte till kostnadseffektivt översätta fluorescensmikroskopi, flödescytometri och relaterade mikro-analysmetoder för att begränsade resurser miljöer för olika telemedicinska tillämpningar som påverkar den globala hälsan.
I optofluidic flödescytometri konfiguration (se t ex Figur 1C och 1D), är en specialdesignad polydimethysiloxane (PDMS) baserad mikroflödessystem kanal positionedi framför mobiltelefonen kamera-enhet, där ljus-emitterande-dioder (LED) är stum-kopplade till kanterna av kanalen. Denna mikroflödessystem chip, tillsammans med det flytande provet inuti, bildar en opto-fluider plan vågledare (bestående av till exempel PDMS-vätska-PDMS) så att exciteringsljus styrs till likformigt pumpa de fluorescerande märkta proverna inuti mikro-kanalen. Fluorescensemissionen från dessa märkta objekt, t.ex. celler, ytterligare avbildas genom en extra lins placeras direkt efter mobiltelefonen kamera-enheten och avbildas på mobiltelefonen Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) bildsensor. Eftersom den fluorescerande emissionen uppsamlas vinkelrätt excitationsljuset banan, är en billig plast absorptionsfilter tillräcklig för att avlägsna spritt excitationsljus och kan ge en ordentlig mörkfält bakgrund som krävs för fluorescerande avbildning. Med hjälp av en liknande opto-fluid design, kan vi också bilden de fluorescerande objekt i static (se figur 1A och 1B), i vilken de fluorescerande partiklar inklämt mellan två glas glider i stället för att strömma genom ett mikroflödessystem kanal och den fluorescerande emissionen från dessa fluorescerande partiklar fångas upp av mobiltelefonen CMOS-bildsensor för partikelräkning och karakterisering. Baserat på olika tillämpningsområden krav, flödescytometri eller brett fält fluorescerande mikroskopi kan väljas. Till exempel kan mobiltelefon flödescytometri anordningen vara speciellt användbar för screening av stora volymer av vätskeprover (t.ex. några få ml) för detektering av sällsynta celler eller patogener.
I detta manuskript vi igenom några av de senaste resultaten på integration av fluorescerande mikroskopi och imaging flöde verktyg cytometry på en mobiltelefon med kompakta och kostnadseffektiva opto-fluidic bilagor. Dessa mobiltelefon-baserade mikro-analys, bildbehandling cytometri och avkänning plattformar kan ge olika möjligheterför telemedicin och point-of-care diagnostik, speciellt påverkar vår kamp mot globala hälsoproblem i Resurs begränsade delar av världen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi har presenterat våra senaste resultat på mobiltelefon baserad brett fält fluorescerande mikroskopi och opto-fluid avbildning flödescytometri med användning lätta och kompakta opto-fluidic bilagor till mobiltelefon kameror. Med hjälp av denna plattform teknik vi avbildas fluorescerande föremål, inklusive mikro-partiklar och märkta vita blodkroppar i helblodsprover. Därför kan detta kompakta och kostnadseffektiva mobiltelefon baserad fluorescerande avbildning verktygen vara användbar för point-of-care dia…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
A. Ozcan tacksam stöd av presidentens tidiga karriär Award för forskare och ingenjörer (PECASE), Army Research Office (ARO) Young Investigator Award, National Science Foundation (NSF) KARRIÄR Award, Office of Naval Research (ONR) Young Investigator Award och National Institutes of Health (NIH) direktörens nya Innovator Award DP2OD006427 från kontoret av direktören, National Institutes of Health.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Cell-phone | Sony | Sony Ericsson Aino | |
| Plano-convex lens | Edmund Optics | # NT45-302 | |
| Aspherical lens | Thorlab | # C230TME-A | |
| Filter | Edmund Optics | #NT54-46 | |
| Blue LED | Digikey | #365-1201-ND | |
| Battery | Digikey | #P032-ND | |
| Polystyrene tube | Fisher Scientific | #05-408-129 | |
| Red blood cell lysing buffer | Sigma Aldrich | R7757 | |
| SYLGARD 184 SILICONE ELASTOMER KIT | Dow Corning | ||
| Red fluorescent beads (10 μm) | Life Technologies | #F8834 | |
| Green fluorescent beads (10 μm) | Life Technologies | #F8836 | |
| SYTO16 nucleic acid fluorescent labeling | Life Technologies | # S7578 |
References
- Sklar, L. A. . Flow Cytometry for BioTechnology. , (2005).
- Nunez, R. . Flow cytometry for research scientists: principle and applications. , (2001).
- Mertz, J. . Introduction to optical microscopy. , (2010).
- Ntziachristos, V. Going deeper than microscopy: the optical imaging frontier in biology. Nature Methods. 7, 603-614 (2010).
- Hell, S. W. Toward fluorescence nanoscopy. Nature Biotechnology. 21, 1347-1355 (2003).
- Gustafsson, M. G. Nonlinear structured-illumination microscopy: wide-field fluorescence imaging with theoretically unlimited resolution. Proceedings of the National Academy of Science U.S.A. 102, 13081-13086 (2005).
- Betzig, E., Patterson, G. H., Sougrat, R., Lindwasser, O. W., Olenych, S., Bonifacino, J. S., Davidson, M. W., Lippincott-Schwartz, J., Hess, H. F. Imaging intracellular fluorescent proteins at nanometer resolution. Science. 313, 1642-1645 (2006).
- Rust, M. J., Bates, M., Zhuang, X. Sub-diffraction-limit imaging by stochastic optical reconstruction microscopy (STORM. Nature Methods. 3, 793-796 (2006).
- Hess, S. T., Girirajan, T. P., Mason, M. D. Ultra-high resolution imaging by fluorescence photoactivation localization microscopy. Biophysical Journal. 91, 4258-4272 (2006).
- Ma, Z., Gerton, J. M., Wade, L. A., Quake, S. R. Fluorescence near-field microscopy of DNA at sub-10 nm resolution. Physical Review Letters. 97, 260801 (2006).
- Chung, E., Kim, D., Cui, Y., Kim, Y., So, P. T. Two-dimensional standing wave total internal reflection fluorescence microscopy: superresolution imaging of single molecular and biological specimens. Biophysical Journal. 93, 1747-1757 (2007).
- Greenbaum, A., Luo, W., Su, T. -. W., Göröcs, Z., Xue, L., Isikman, S. O., Coskun, A. F., Mudanyali, O., Ozcan, A. Imaging without lenses: achievements and remaining challenges of wide-field on-chip microscopy. Nature Methods. 9, 889-895 (2012).
- Zhu, H., Yaglidere, O., Su, T. -. W., Tseng, D., Ozcan, A. Cost-effective and compact wide-field fluorescent imaging on a cell-phone. Lab on a Chip. 11 (2), 315-322 (2011).
- Zhu, H., Mavandadi, S., Coskun, A. F., Yaglidere, O., Ozcan, A. Optofluidic fluorescent imaging cytometry on a cell phone. Analytical Chemistry. 83, 6641-6647 (2011).
- Suzuki, S., Abe, K. Computer Visualand Graphics. Image Processing. 30, 32-46 (1985).
- Zhu, H., Sikora, U., Ozcan, A. Quantum dot enabled detection of Escherichia coli using a cell-phone. Analyst. 137, 2541-2544 (2012).
- Mudanyali, O., Dimitrov, S., Sikora, U., Padmanabhan, S., Navruz, I., Ozcan, A. Integrated Rapid-Diagnostic-Test Reader Platform on a Cellphone. Lab on a Chip. 12 (15), (2012).
- Candes, E. J., Romberg, J. K., Tao, T. Stable signal recovery from incomplete and inaccurate measurements. Communication of Pure and Applied Mathematics. 59, 1207-1223 (2006).
