Wide-field fluorescentie microscopie en fluorescentie imaging Flowcytometrie op een mobiele telefoon
Summary
Wij evalueren onze recente resultaten op de integratie van fluorescentie microscopie en beeldvorming flowcytometrie tools op een mobiele telefoon met behulp van compacte en kosteneffectieve opto-vloeibare bijlagen. Deze mobiele telefoon op basis van micro-analyse-apparaten kan nuttig zijn voor cytometrische analyse, zoals het uitvoeren van diverse cellen tellen taken alsook voor high-throughput screening van bijvoorbeeld watermonsters in resource minder instellingen.
Abstract
Fluorescentie microscopie en flowcytometrie worden veel gebruikt gereedschap in biomedisch onderzoek en de klinische diagnose. Maar deze apparaten zijn over het algemeen relatief omvangrijk en kostbaar, waardoor ze minder effectief in de resource minder instellingen. Om mogelijk aan te pakken deze beperkingen, hebben we onlangs aangetoond dat de integratie van de wide-field fluorescentie microscopie en beeldvorming flowcytometrie tools op mobiele telefoons met behulp van compacte, lichtgewicht, en kosteneffectieve opto-vloeibare bijlagen. In onze flowcytometrie design, fluorescent gelabelde cellen doorgespoeld een microfluïdisch kanaal dat zich boven de bestaande mobiele telefoon camera unit. Batterijen light-emitting diodes (LEDs) zijn gekoppeld met stompe de zijkant van deze microfluïdische chip, die effectief werkt als een multi-mode plaat golfgeleider, waar het excitatielicht wordt geleid gelijkmatig prikkelen de fluorescerende targets. De mobiele telefoon camera registreert een time lapse film van de fluorescerende cellen die doorde microfluïdische kanalen, waar de digitale beelden van deze film worden verwerkt om het aantal gelabelde cellen tellen in de doeloplossing plaats. Met behulp van een soortgelijke opto-vloeibare ontwerp, kunnen we ook beeld van deze fluorescent gelabelde cellen in statische modus door bijvoorbeeld daartussen de fluorescerende deeltjes tussen twee glazen dia's en het vastleggen van hun fluorescerende beelden met behulp van de mobiele telefoon camera, die een ruimtelijke resolutie van bijvoorbeeld kan bereiken ~ 10 urn over een zeer groot beeldveld gezien ~ 81 mm 2. Deze mobiele telefoon gebaseerd fluorescerende beeldvorming flow cytometrie en microscopie platform kan met name nuttig zijn in resource beperkte instellingen, voor bijvoorbeeld het tellen van CD4 + T-cellen in de richting van de controle van HIV + patiënten of voor de detectie van watergedragen parasieten in het drinkwater.
Introduction
Microscopie en flow-cytometrie worden veel gebruikt technieken 1-12 in biomedisch en wetenschappelijk onderzoek, alsmede de klinische diagnose voor tellen en karakterisatie van verschillende celtypes. Echter, conventionele microscopen en flow-cytometrie instrumenten relatief complex en duur, wat hun gebruik beperkt tot voornamelijk gevestigde centrale laboratoria. Onlangs hebben we een compacte en lichte fluorescerende beeldvorming cytometrie en microscopie apparaat geïntegreerd op een mobiele telefoon, 13,14 waaruit blijkt belofte om kosten-effectief te vertalen fluorescentie microscopie, flow-cytometrie en aanverwante micro-analyse technieken om met beperkte middelen omgevingen voor verschillende telemedicine toepassingen van invloed zijn wereldwijde gezondheid.
In de optofluidic flow-cytometrie configuratie (zie bijvoorbeeld Figuur 1C en 1D), een op maat ontworpen polydimethysiloxane (PDMS) gebaseerd microfluïdische kanaal is positioned voor de mobiele telefoon camera-eenheid, waarbij lichtgevende diodes (LEDs) zijn butt-gekoppeld met de randen van het kanaal. Deze microfluïdische chip samen met het vloeistofmonster binnen vormt een opto-vloeibare planaire golfgeleider (bestaande uit bijvoorbeeld PDMS-liquid-PDMS) zodanig dat het excitatielicht wordt geleid gelijkmatig pomp het fluorescent gemerkte specimens in het micro-kanaal. De fluorescentie emissie van deze gelabelde objecten, bijv. cellen, wordt verder afgebeeld door middel van een extra lens rechts geplaatst na de mobiele telefoon camera-unit en wordt afgebeeld op de mobiele telefoon Complementary Metal-Oxide Semiconductor-(CMOS) beeldsensor. Aangezien de fluorescente emissie loodrecht verzameld om de excitatie lichtpad een goedkoop plastic absorptiefilter voldoende is om het verstrooide excitatielicht verwijderen en kan een goede dark-field achtergrond nodig fluorescerende beeldvorming. Met behulp van een soortgelijke opto-vloeibare ontwerp, kunnen we ook het imago van de fluorescerende objecten in statIC (zie figuur 1A en 1B), waarbij de fluorescerende deeltjes tussen twee glazen objectglaasjes plaats van die door een microfluïdisch kanaal en de fluorescente emissie van deze fluorescerende deeltjes worden opgevangen door de mobiele telefoon CMOS beeldsensor deeltjestelling en karakterisering. Gebaseerd op verschillende toepassingen, flowcytometrie of breedveld fluorescentiemicroscopie kan worden gekozen. Zo kunnen mobiele telefoon flowcytometrie inrichting zijn bijzonder nuttig voor het screenen van grote hoeveelheden vloeistof monsters (bijv. een paar ml) voor de detectie van zeldzame cellen of pathogenen.
In dit manuscript bespreken we een aantal van onze recente resultaten op de integratie van fluorescentie microscopie en beeldvorming flowcytometrie tools op een mobiele telefoon met behulp van compacte en kosteneffectieve opto-vloeibare bijlagen. Deze mobiele telefoon op basis van micro-analyse, beeldvorming cytometrie en sensing platforms kunnen bieden diverse mogelijkhedenvoor telegeneeskunde en point-of-care diagnostiek, in het bijzonder van invloed zijn onze strijd tegen de wereldwijde gezondheidsproblemen in resource beperkte gebieden van de wereld.
Protocol
Representative Results
Discussion
Wij hebben gepresenteerd onze recente resultaten op mobiele telefoon op basis wide-field fluorescentie microscopie en opto-vloeibare beeldvorming flow cytometrie met behulp van licht-gewicht en compacte opto-vloeibare bijlagen mobiele telefoon camera's. Met behulp van dit platform technologie die wij afgebeeld fluorescerende voorwerpen met inbegrip van micro-deeltjes en gelabeld witte bloedcellen in volbloedmonsters. Daarom kan deze compacte en kosteneffectieve mobiele telefoon op basis van fluorescerende beeldvormi…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
A. Ozcan zeer erkentelijk voor de steun van de Presidentiële Early Career Award voor wetenschappers en ingenieurs (PECASE), leger Bureau Onderzoek (ARO) Young Investigator Award, National Science Foundation (NSF) Career Award, Office of Naval Research (ONR) Young Investigator Award en National Institutes of Health (NIH) Nieuwe Innovator Director's Award DP2OD006427 van het Bureau van de directeur van het 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 |
Riferimenti
- 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).
