Method Article
这里介绍的是一个使用温度控制的显微镜级的协议,它允许将样品容器安装在垂直显微镜上。
样品通常放在水平显微镜台上进行微观观察。然而,为了观察重力对样品的影响或研究漂浮行为,有必要使显微镜阶段垂直。为此,设计了一个侧向倒置显微镜,倾斜90°。要用显微镜观察样品,必须将培养皿或玻璃玻片等样品容器垂直固定到舞台上。开发了一种在垂直显微镜舞台上将样品容器固定到位的装置,并在此进行了描述。此器件连接到该级允许观察垂直平面中的样品动力学。使用硅橡胶加热器调节温度的能力还允许观察温度相关样品行为。此外,温度数据传输到互联网服务器。温度设置和日志监控可以从 PC 或智能手机远程控制。
光学显微镜是一种通过放大镜头和可见光的样品来增加可观察细节的技术。在光学显微镜中,光被定向到样品上,然后通过放大镜捕捉透镜进行反射、反射或荧光灯的捕获,以便观察。有多种显微镜在设计上有所不同,以适应不同的用途和观察方法。不同的设计包括立式显微镜,其结构是从下方照亮样品,以便从上面观察,以及倒置显微镜,从上面照亮样品,以便从下方观察。直立显微镜是最常见和广泛使用的设计。倒置显微镜通常用于观察不能让透镜与上方距离接近的样品,例如附着在容器底部的培养细胞。许多研究小组使用倒置显微镜1、2、3、4、5、6、7报告在广泛领域的观测结果。还开发了许多额外的设备,利用倒置显微镜8,9,10,11,12,13的功能.
目前,在所有传统的显微镜设计中,显微镜级是水平的,因此不适合观察在垂直平面上产生的样品运动(由于重力、浮力、运动等)。为了使这些观察成为可能,显微镜级和光路径必须旋转到垂直。垂直舞台需要垂直安装玻璃滑梯或样品容器,如培养皿到舞台上。为了解决这个问题,已经设计了一个侧向倒置显微镜,倾斜90°。但是,用胶带或其他粘合剂连接样品不会产生必要的长期静止状态。此处描述的是一种可实现必要稳定性的设备。此器件允许在垂直平面中观察样本随时间移动的时间。硅橡胶加热器的安装也使得观察温度变化对样品行为的影响成为可能。温度数据通过 Wi-Fi 传输到互联网服务器,温度设置和日志监控可以从 PC 或智能手机远程控制。据我们所知,在以前的研究中尚未报告附着在倾斜 90° 的侧向倾斜显微镜上的阶段。
显微镜阶段由三个铝板组成。中间铝板安装在连接到舞台的下部铝板上。含有温度传感器的硅橡胶连接在中铝板和上部铝板之间。橡皮筋用于粘贴样品。爪子附在上铝板的左右四个点,以固定橡胶带。温度调节器的控制电路接收嵌入硅橡胶的温度传感器的信号,并通过脉冲宽度调制(PWM)方法调节电能。温度可以1°C为增量逐渐升高至50°C。此器件适用于垂直采样运动可能依赖于温度的应用。
本报告提供了温度对硅藻浮现象的影响示例。作为硅藻观测研究的例子,细胞簇的沉积速度测量、运动分析、超细结构研究等已报告14、15、16、17,18,19,20,21,22,23.与光合生物一起漂浮在水中的硅藻的具体重力略高于水,因此容易下沉;然而,如果发生轻微的对流,它们也会上升。为了研究这一现象,玻璃滑动垂直地贴在显微镜的舞台上,并观察到温度升高对硅藻垂直运动的影响。
1. 设计
2. 硬件设计大纲
3. 软件设计大纲
4. 系统配置
5. 侧向倒置显微镜的设计
6. 操作方法
注:此处使用的样品是大胆改性基础淡水营养液液体培养基、元硅酸钠、维生素和无菌水的混合物。该样品的800μL在10mL的淡水介质中稀释。
7. 橡胶加热器表面温度分布的测量
8. 温度响应测试
图 2显示了橡胶加热器的温度分布。橡胶加热器的表面温度在每个温度下都是均匀的。图 3显示了测量温度对设置温度变化的响应能力。橙色线显示设定的温度,蓝线显示样品温度的变化。测得的值对设置更改的过冲很小,跟踪速度很快。
观察到硅藻细胞,以提供使用此设备的特定示例。运动硅藻细胞的轨迹分析是评估硅藻细胞运动性的有用方法。然而,虽然正常的倒置显微镜水平观察样品,但它不适合观察重力或垂直方向的浮动运动的影响。
在本实验中,带温度控制器的显微镜阶段被连接到旋转90°的倒置显微镜上。成功记录了硅藻与温度相关的垂直运动。用这种方法,检测到硅藻垂直运动轨迹,如图4所示。通过观察100个个体的硅藻,室温下的平均速度为7.01μm/s,40°C时的平均速度为470.1μm/s。通过直接观察,对热对流对硅藻细胞垂直浮动现象的影响进行了可视化。
图1:固定在显微镜阶段的设备照片。固定在显微镜阶段的设备的外观。该装置用四颗螺钉固定在显微镜台上。请点击此处查看此图的较大版本。
图2:橡胶加热器的温度分布。热成像测量的橡胶加热器的分布。加热器温度从环境温度逐步变化到35°C、45°C、55°C和65°C。温度在每个温度下均匀地分布在加热器上。请点击此处查看此图的较大版本。
图3:温度信号的响应能力。这显示了当设定温度从 30°C 提高到 50°C 并从 50°C 降至 30°C 时的响应。设定温度以 5 °C 的增量更改。在稳定状态下,测量温度在设定值的 ± 1.5 °C 内。请点击此处查看此图的较大版本。
图4:硅藻运动轨迹。绘制了由于温度变化引起的硅藻运动的垂直轨迹。蓝线显示25°C的硅藻细胞的轨迹,为27.06s,在40°C为0.2s。
补充图1:铝板设计图(带尺寸)。(A) 板为 2 毫米厚 x 150 mm 宽 x 200 毫米长,其中心直径为 101 mm 的孔,允许插入橡胶加热器。每个板边缘有两个加工的爪子,橡皮筋可以连接到舞台上固定样品。为了将此垂直级连接到带有 4 mm 螺钉的显微镜上,在中心孔周围的四个位置对称地钻孔了 4.2 mm 的螺钉孔。(B) 板为 5 毫米厚 x 150 毫米宽 x 200 毫米长,中心直径为 130 mm 孔。机器凹槽位置,使爪位置与最前沿板上的爪位置相匹配,以便在舞台上连接样品固定橡皮筋。为了将舞台连接到显微镜,在与最前沿板的匹配位置钻了四个 4.2 mm 螺钉孔。(C) 板厚 4 毫米 x 150 毫米宽 x 200 毫米长,中心直径为 130 mm 孔。30 mm 的跨度从板的右侧 200 mm 面的中心切出,切至中心孔的深度。切口的这个用途是允许将加热器接头连接到右侧。在与前板相同的位置,钻了四个 4.2 mm 螺钉孔,用于将舞台连接到显微镜。(D) 板厚 1.5 毫米 x 150 毫米宽 x 200 毫米长,有一个直径 30 mm 的中心孔。在与前板相同的位置,钻了四个 4.2 mm 螺钉孔,用于将舞台连接到显微镜。请点击此处查看此图的较大版本。
补充图2:铝板设计图(无尺寸)。请点击此处查看此图的较大版本。
补充图3:铝基座设计图。(A) 要安装在上侧:直径为100毫米,厚度为3毫米。在中心钻出一个直径为 30 mm 的孔,一侧切口宽度为 42 mm 宽度 x 30 mm 深度。(B) 安装在下侧:直径为100毫米,厚度为4毫米。在中心钻出一个直径为 30 mm 的孔,在距离中心 25 mm 处,将三个 3 mm 孔放置在彼此 120° 处。请点击此处查看此图的较大版本。
补充图4:压软盘的设计图。(A) 安装在硅橡胶加热器和上铝底座之间的上侧:直径为100毫米,厚度为2毫米。在中心钻出一个直径为 20 mm 的孔,在圆盘两侧以直角进行两个切口(42 mm 宽 x 30 mm 深、4 mm 宽 x 40 mm)。(B) 安装在硅橡胶加热器和下部铝底座之间的下侧:直径为100毫米,厚度为1毫米。在中心钻出一个直径为 20 mm 的孔。(C) 此支撑宽 42 mm × 30 mm 深,并且从直径为 100 mm 的圆盘的周长切割。请点击此处查看此图的较大版本。
补充图5:硅橡胶加热器规格。直径为100毫米,厚度为2.5毫米。在中心钻出一个直径为 20 mm 的孔。电源为 12 V,负载容量为 18 W。加热器由 Nichrome 导线组成,引线连接到电极。请点击此处查看此图的较大版本。
补充图6:显微镜阶段的横截面。这是显微镜阶段的剖面视图。铝底座连接到背面铝板,橡胶加热器安装在最外层。压软木塞安装在橡胶加热器和铝底座之间进行绝缘。请点击此处查看此图的较大版本。
补充图7:电路图的详细信息。这表示内置于控制器中的电路。电路图根据各部分按各部分划分。请点击此处查看此图的较大版本。
补充图8:塑料控制器外壳的设计图。尺寸为 143.9 mm 长度 x 85.3 mm 深度 x 25 mm 宽度。温度设置旋钮、工作/过热灯和指示灯位于塑料控制器外壳上。通过转动设置的旋钮,可以在观察指示器时设置温度。按下此旋钮可启动温度控制器。测量温度实时显示,加热器受到控制,使其达到并保持设定温度。当温度控制器打开时,蓝色 LED 指示灯亮起,并在加热器运行时保持亮起。当加热器过热时,红色 LED 指示灯打开,加热器自动停止。再次按下温度控制器旋钮将停止它。请点击此处查看此图的较大版本。
补充图9:系统配置。带有集成控制器的显微镜级通过专用电缆连接到橡胶加热器。接收测量的样品温度信号,控制器向橡胶加热器传输电流。来自控制器的测量信号通过 Internet 路由器以无线方式发送到服务器。服务器编译测量数据进行分析和绘图。温度日志监控和温度设置可通过 PC 或智能手机进行远程控制。请点击此处查看此图的较大版本。
补充图10:热成像温度分布测量。请点击此处查看此图的较大版本。
运动硅藻细胞的轨迹分析是评估硅藻动性的有用方法。然而,虽然正常的倒置显微镜水平观察样品,但它不适合观察重力或垂直方向的浮动运动的影响。这里开发和描述的是一个垂直显微镜阶段,具有温度控制,并连接到倒置显微镜,已旋转90°。这种具有温度控制的显微镜阶段允许观察硅藻细胞的温度相关垂直运动。
协议中的一个关键步骤是控制器电路设计。为保证安全,采用了断路器电路。当传感器与样品断开或微控制器无法正常工作时,加热器的电流会通过不同于微控制器的电路切断。
由于控制系统采用PID系统来控制加热器的电流,因此需要一种寻找PID最佳参数的技术。与现有方法相比,通过Wi-Fi功能、服务器上的数据收集和温度设置功能,可以进行远程操作和监控。由于附着在显微镜上的阶段部分的结构复杂,因此简化这种结构值得今后研究。
本设备使用加热器来提高温度,但冷却没有动力;因此,设定的温度不能低于室温。冷却样品到低于室温的温度将需要一个复杂的冷却设备,这是正在考虑在未来的工作。
作者没有冲突要披露。
作者没有承认。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
AC adapter 12V2A | Akizuki Denshi Tsusho Co., Ltd. | AD-D120P200 | Tokyo, Japan |
ADS1015 Substrate | Akizuki Denshi Tsusho Co., Ltd. | adafruit PRODUCT ID: 1083 | Tokyo, Japan |
Alminium Plate (Back Side Plate) | Inoval Co., Ltd. | W 150mm×L 200?×T 1.5mm | Gifu, Japan |
Alminium Plate (Forefront Plate) | Inoval Co., Ltd. | W 150mm×L 200?×T 2mm | Gifu, Japan |
Alminium Plate (Middle Lower Plate) | Inoval Co., Ltd. | W 150mm×L 200?×T 4mm | Gifu, Japan |
Alminium Plate (Middle Upper Plate) | Inoval Co., Ltd. | W 150mm×L 200?×T 5mm | Gifu, Japan |
Aluminum Pedestal (Lower Plate) | Inoval Co., Ltd. | D 100mm×T 3mm (30Φ) | Gifu, Japan |
Aluminum Pedestal (Upper Plate) | Inoval Co., Ltd. | D 100mm×T 3mm (30Φ) | Gifu, Japan |
Bold Modified Basal Freshwater Nutrient Solution | Sigma-Aldrich Co. LLC | B5282-500ML | St. Louis, USA |
Controller Case | Marutsu Elec Co., Ltd. | pff-13-3-9 | Tokyo, Japan |
CPU | Akizuki Denshi Tsusho Co., Ltd. | ESP-WROOM-02D | Tokyo, Japan |
Inverted microscope | Olympus Corporation | CKX 53 | Tokyo, Japan |
Low temperature hardening epoxy resin adhesive | ThreeBond Co., Ltd. | TB2086M | Tokyo, Japan |
Multi-turn semi-fixed volume Vertical type 500 Ω | Akizuki Denshi Tsusho Co., Ltd. | 3296W-1-501LF | Tokyo, Japan |
OLED module | Akihabara Inc. | M096P4W | Tokyo, Japan |
Pressed Cork (For supporting electrode ) | Tera Co., Ltd. | W 42mm×L 30? | Ishikawa, Japan |
Pressed Cork (Lower Disk) | Tera Co., Ltd. | D 100mm×T 0.5mm (20Φ) | Ishikawa, Japan |
Pressed Cork (Upper Disk) | Tera Co., Ltd. | D 100mm×T 2.5mm (20Φ) | Ishikawa, Japan |
Rotary encoder with switch with 2 color LED | Akizuki Denshi Tsusho Co., Ltd. | P-05772 | Tokyo, Japan |
Silicone rubber heater | Three High Co., Ltd. | D 100mm×T 2.5mm (20Φ) | Kanagawa, Japan |
Substrate | Seeed Technology Co., Ltd. | mh5.0 | Shenzhen, China |
Temperature sensor | Akizuki Denshi Tsusho Co., Ltd. | NXFT15XH103FA2B050 | Tokyo, Japan |
Three-terminal DC / DC regulator 3.3 V | Marutsu Elec Co., Ltd. | BR301 | Tokyo, Japan |
Universal Flexible Arm | Banggood Technology Co., Ltd. | YP-003-2 | Hong Kong, China |
USB cable USB-A - MicroUSB | Akizuki Denshi Tsusho Co., Ltd. | USB CABLE A-MICROB | Tokyo, Japan |
Video Canera | Sony Corporation | HDR-CX590 | Tokyo, Japan |
请求许可使用此 JoVE 文章的文本或图形
请求许可This article has been published
Video Coming Soon
版权所属 © 2025 MyJoVE 公司版权所有,本公司不涉及任何医疗业务和医疗服务。