Bygga ett skräddarsytt mikroskop för en mikrofluidikapplikation

Flera företag erbjuder mikroskop speciellt utformade för mikrofluidapplikationer och cellavbildning.

Men de är ofta oöverkomliga för priserna och i de flesta fall passar de inte lätt de specifika kraven för en viss mikrofluidapplikation.

Om ett kommersiellt tillgängligt mikroskop uppfyller alla krav i applikationen är det ofta lämpligt att använda ett sådant mikroskop.

Men för applikationer som kräver specifika justeringar och anpassningar, beskriver den här bloggen idéer för att bygga ett prisvärt anpassat mikroskop för övervakning av droppgenerering i ett mikrofluidformat.

Ett standardmikroskop är inte idealiskt eller lämpligt på grund av det utrymme som krävs för att placera den mikrofluidiska enheten tillsammans med alla dess nödvändiga gränssnitt och kontakter. Det finns applikationsspecifika mikroskop tillgängliga kommersiellt, men att anpassa dem till mikrofluidiska ändamål kan kräva anpassning och ytterligare fixturer.

Ett sådant mikroskop kan kräva en annan ljuskälla eller vätskefixturer, och linserna kan behöva ersättas med objektivlins med stort arbetsavstånd för att ge utrymme för mikroflödesanordningen och dess tillbehör ovanpå eller under linsen.

Lista kraven

Som det första steget i designprocessen är det viktigt att identifiera dina krav. Dessa kommer att fungera som en guide för att designa och bygga ett mikroskop som är lämpligt för din applikation.

Vårt mål för den här bloggen är att designa och bygga ett mikroskop för att övervaka droppgenerering. Övervakning av dropparna när de strömmar genom mikrofluidkanalerna är viktigt för kvalitetskontrollsyften. Genom att titta på dropparna kan operatören justera parametrar som flödeshastighet, genomströmning och storlek på dropparna.

Den mikrofluidiska patronen kräver ett kanaldjup på 50 um och en bredd på 100 um och kräver 20 um öppningar. Betraktningsytan måste vara cirka 1 cm x 1.5 cm med ett arbetsavstånd från linsen till kassetten på minst 50 mm. En stark fältbelysning med LED är en bra lösning.

Systemet måste ha en lättfokuseringsfunktion och möjlighet att digitalt zooma in och ut. Det måste finnas en bildskärm som kan anslutas till kameran via HDMI. Mikroskopet måste innehålla ett aktiveringssystem för vätskeflöde och måste vara portabelt för skrivbordsanvändning.

Slutligen måste den totala kostnaden vara mindre än 2500 XNUMX USD inklusive kapslingen och det optiska undersystemet.

Identifiera kritiska komponenter

En skiss av systemarkitektur inkluderar följande:

(1) ett hölje med ett topplock för att skydda patronen från kontaminering och för att montera ljuset för att lysa upp patronen från toppen, och ett bottenhölje för att inrymma de andra huvudkomponenterna,

(2) en kamera som kan fånga och spara högupplösta bilder och video som kan visas på monitorn,

(3) ett optiskt delsystem som inkluderar en objektivlins, filter och ett vertikalt translationssteg för fokusering av patronkanalen,

(4) peristaltiska pumpar med en styrenhet för att strömma vätskorna från en extern reservoar till kanalen,

(5) en ljuskälla för att belysa dropparna inuti kanalen när de genereras,

(6) en HDMI- eller USB-kontakt för bildvisning,

(7) en klämanordning för att placera och rikta in patronen mot visningsområdet, och slutligen,

(8) en 12 V DC-källa för att driva hela systemet.

De kritiska komponenterna för den här konstruktionen är (a) kameran och optiska vägar, (b) vätskeaktivering och (c) kapslingen för att inrymma komponenterna med ett användargränssnitt.

(a) Kamera och optisk väg. Att välja en lämplig kamera och optiska komponenter är knepigt med tanke på de identifierade kraven. På den tekniska sidan finns det flera överväganden att tänka på såsom sensorstorlek, typ, pixelstorlek, bildhastighet, upplösning, optisk prestanda för den avsedda användningen och kostnad.

För denna konstruktion är kostnaden den primära drivkraften, och därför skapades en matris av potentiella kameror som passar budgeten och prestanda. De flesta kameror som vanligtvis används för mikroskop uppfyller dessa krav och inkluderar programvara för bildvisning, fånga och analys.

En kamera med autofokus är önskvärt, men sådana kameror brukar vara dyra. Istället kommer manuell fokusering med hjälp av ett Z-översättningssteg att fungera som ett alternativ. De optiska komponenterna valdes baserat på leverantörens specifikation och ger ett arbetsavstånd på 50-80 mm med ett skärpedjup på 0.018-6.24 mm.

En valfri 2x linsfäste lades till för att öka förstoringen.

(b) Vätskeaktivering. Alternativet för laddning av topppatroner är mer praktiskt och enklare att använda. Operatören kan visuellt placera mikrofluidikpatronen och rikta in den mot linsen och kameran.

Flödande vätskor till patronen kräver två peristaltiska pumpar installerade på sidan av höljet för att undvika att vätskor droppar inuti mikroskopet om det finns läckor. Aktiveringstidpunkten och flödeshastigheterna styrs av de peristaltiska pumparna, som är anslutna till externa reservoarer.

(c) Kapsling och användargränssnitt. Kapslingen designades utifrån kamerans fotavtryck, de optiska vägkomponenterna, arbetsavståndet och dimensionerna på patronerna och deras tillbehör. Den mikrofluidiska droppgeneratorn är placerad på toppen av höljet medan kameran och det optiska systemet är inuti bottenhöljet.

Materialet som används för kapslingen är akryl, som enkelt kan skäras till lämpliga paneler med en laserskärare. Akrylpanelerna skruvas ihop för att bilda höljet, vilket möjliggör enkel reparation och underhåll.

Ett minimalt användargränssnitt användes som inkluderar strömbrytare och rattar för vätskeaktivering.

Upprätthålla byggkostnaden till målet

Målet är att göra kostnaden så låg som möjligt samtidigt som vi uppnår maximal funktionalitet för vår avsedda användning.

Den totala kostnaden är den begränsande faktorn. För konstruktionen användes endast delar som var nödvändiga för att köra mikroskopets funktioner. En annan viktig faktor var tillgängligheten av de utvalda delarna i termer av ledtid, samt frakt, tullar och skatter, vilket avsevärt skulle kunna öka kostnaderna.

Nedan finns en lista över delarna och komponenterna, deras specifikationer och deras kostnader.

Delar	Specifikationer	Kostnad (USD)
1.        Kapsling	Akryl ½ tum och 6 mm tjock Laserskärning enligt CAD-design	155
2.        Kamera	4K-kamera @60fps, 12MP 1” Sony CMOS IMX-sensor, Pixelstorlek: 1.55 x 1.55um	900
3.        Optisk väg och linser	Ett kompakt objektiv, 145 mm med objektiv Fäste, manuell fokus WD=86mm	650
4.        Vätskepumpar	0-50 mL/min Lågflöde peristaltisk pump, 12 Vdc Lågt ljud: 55 dB	105
5.        Ljuskälla	RGB LED flerfärgad 2500-9000K dimbar med diffusor	30
6.        Vertikal scen	Litet X-översättningssteg för fokusering	220
7.        HDMI- eller USB-kontakter	Kontakt för monitor och LED-lampor.	25
8.        Spännanordning	Skruvklämma för mikrofluidikpatron	10
9.        Strömförsörjning	12 VDC 3A, 90-240 Vac	70
10.     Övervaka	15.6-tums LCD IPS-skärm med hög upplösning 1080p FHD	160
11.     Andra delar	PWM-kontroller, pluggar, uttag och slangar	110
	Total kostnad	US $ 2,435

Utvärdera bildkvalitet

Det färdiga mikroskopet utvärderades baserat på bildkvalitet och prestanda. Det första testet som genomfördes var att utvärdera det optiska systemets förmåga att fokusera på patronkanalen och producera en acceptabel bild av dropparna när de genereras. Ljusinställningarna justerades för att optimera bildkvaliteten.

Det andra testet är integrationen av ett fluidiskt flöde till kanalen för att generera droppar. Med hjälp av olika flödeshastigheter var den fångade videon av dropparna som flödade inuti kanalen av god kvalitet.

Slutligen gjordes ett enkelt test för tillförlitlighet. Det specialbyggda mikrofluidmikroskopet fick köras i 48 timmar oavbrutet samtidigt som man regelbundet kontrollerade bildkvaliteten över tid. Det finns några brister och begränsningar för utskriftskvaliteten, men enligt den avsedda applikationen och budgeten fungerade konstruktionen perfekt!

takeaways

Ett mikroskop för att fånga bilder eller video är avgörande för att förstå processerna och styrparametrarna i många mikrofluidapplikationer. Vår skräddarsydda mikroskopuppsättning ger en lämplig lösning för att se droppar när de genereras.

Kamerans kvalitet (sensorstorlek, pixelstorlek, etc.) och val av objektiv med avseende på arbetsavståndet är avgörande aspekter för att producera tillräcklig bildkvalitet. Manuell bildfokusering är svårt och därför rekommenderas en autofokuskamera (om tillgänglig) eller ett fokuseringssteg.

Sammantaget är vi nöjda med bygget och kommer att använda det som ett bänkverktyg för mikrofluidforskning och produktutvecklingsarbete.

Om du är intresserad av att få steg-för-steg-proceduren för att bygga vårt skräddarsydda mikroskop, reservdelsspecifikationer, designen och/eller leverantörer, vänligen kontakta oss.

Bilder: StarFish Medical

Lorenzo Gutierrez är den StarFish Medical Microfluidics Manager. Lorenzo har lång erfarenhet av att översätta point of care-analyser till mikrofluidiska patroner. Hans portfölj med mikrofluidik inkluderar utveckling av ett polyvalensinstrument för tidig spädbarnsdiagnostik på Chipcare.



---

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Minting the Future med Adryenn Ashley. Tillgång här.
• Källa: https://starfishmedical.com/blog/building-a-customized-microscope-for-a-microfluidics-application/