开源微孔板兼容照明面板的应用

Summary

微孔板辅助移液光发射器（M.A.P.L.E.）是一种计算机驱动的设备，可系统地照亮微点孔，为微孔板的手动制备提供指导。 M.A.P.L.E. 提高了微孔制备的准确性，同时实现了数据记录的自动化。 此外，它还可以帮助检查微孔板质量或帮助检测错误。

Abstract

微孔板通常用于现代实验室环境，用于小规模实验室台式操作和大规模高通量筛选 （HTS） 活动的各种任务。虽然实验室自动化大大提高了微孔板的效用，但基于自动化的仪器仍然不可行、具有成本效益或与微板格式需求兼容。在这些情况下，必须手动准备微孔板。手动微孔板操作的问题在于，在准确跟踪样品操作、数据记录保存和质量控制 （QC） 检查油井伪像或格式化错误方面可能会出现许多困难。随着微孔孔密度的增加（即96孔、384孔、1536孔），引入误差的可能性也大大增加。 此外，对于小型台式实验室操作，需要以经济高效的方式提高样品处理的简便性和准确性。本文介绍一个系统，它充当称为微孔板辅助移液光发射器 （M.A.P.L.E.） 的半自动移液指南。 M.A.P.L.E. 有多种用途，可用于支持复合打孔和微孔板制备，用于高通量筛选或实验室台式操作中的测定开发，以及微孔板的质量控制/质量保证 （QA） 诊断评估质量或可视化良好的格式错误。

Introduction

正如最近出版的1，Scripps^研究2的铅识别实验室已经开发并发布了一个用于微孔板制备的开源照明面板，称为微孔板辅助移液光发射器（M.A.P.L.E.）。手动制备微孔板，无论是为化合物管理还是生物测定需求，都容易出现人为错误，随着微孔板密度的增加而大大增加。此外，对微板内容/格式进行适当的记录和数据记录也容易出现手动输入错误。在高吞吐量筛选 （HTS） 自动化设施中，通过使用与自动化数据库记录保存集成的计算机驱动的机器人工作站，这些问题得到缓解;尽量减少手动操作，并减少格式化和数据记录错误的可能性。然而，仍然存在许多基于自动化的仪器根本不可行或与微板格式化需求兼容的情况，需要人工干预。此外，还需要支持需要紧凑且经济高效的半自动化设备，以提高其吞吐量、准确性和自动记录微孔板制备的数据记录的小规模实验室操作。

虽然存在其他微板照明系统，但它们是专有的商业解决方案^{3、4、5、6、7，}仅限于选择微孔板格式及其专有闭源特性可防止用户驱动的修改，从而允许将这些设备适应专用操作。 M.A.P.L.E.被设计成一个廉价的开源设备，源代码和所有设计文件都可以免费^在线8。熟悉表面安装焊接技术的用户可以使用 GitHub 上提供的代码和设计文件组装自己的 M.A.P.L.E. 设备，也可以修改提供的印刷电路板 （PCB） 设计、3D 打印外壳计算机辅助设计 （CAD） 模型和代码，以满足其特定需求。在补充表 1和表2中可以找到制造光导多氯联苯所需的部件的完整列表，有关光板设计和实施的进一步详细信息可在最近出版的表格中找到文档¹.用户如果希望购买基于开源文件的预组装光导PCB，可以在网上找到^它们9。

M.A.P.L.E. 为用户提供了易于控制的照明面板，其基于微板的封装和 LED 到 LED 间距与微板¹⁰的生物分子筛选协会 （SBS） 规范相匹配。M.A.P.L.E.开发为支持 96 孔和 384 孔密度微孔板，并允许用户以任何所需的配置、颜色和强度照亮油井。这些光板可用于照亮微孔板进行移液操作^11，以模拟实验室格式化操作或仪器，如微板读取器^12，13用于教育和演示目的。项目的开源特性允许用户轻松修改面板、固件或图形用户界面 （GUI） 软件，以支持任何新的所需功能。指导和数据记录保存由计算机驱动，可与电子表格集成或移植到数据库系统。由于 M.A.P.L.E. 设计用于使用纯文本逗号分隔文件，因此可以轻松扩展任何能够导入或导出 CSV 格式化文件的电子表格或数据库软件，以与 M.A.P.L.E 一起使用。此外，为该系统设计的项目外壳在移液操作期间将微孔板向用户倾斜，通过在实验室工作台上为用户提供更自然的姿势，提高了人体工程学。M.A.P.L.E.系统的具体操作特点包括:（一） 通过在微孔板上照亮单一电源井和目的地，促进复合管理工作，以进行手动移液指导;（二） 促进复合管理工作，在制备定制板材方面进行人工移液指导;协助通过计算机脚本，可以保存为电子记录完成后。（二） M.A.P.L.E. 可以照亮微孔行或柱上任意数量的井;非常适合快速串行稀释指导或放置选择复制控件。（三） M.A.P.L.E.可在示范模式下使用，以促进实验室培训需求，或突出样品和控制放置或专用井使用（例如边缘效应屏障间隙）的格式要求。（四） M.A.P.L.E. 可以背光透明/半透明井，以便对沉淀/结晶、气泡、异质性、空井等伪影进行可视化;这也允许最终用户轻松拍摄板图像，以满足文档需求

Protocol

1. 半自动"板到板"样品转移制备

1. 使用电子表格编辑应用程序生成包含源和目标板的 CSV 文件，如图1所示。生成的 CSV 文件必须按列出的顺序具有以下标头列:Source_条形码;目的地_条形码;来源=井;Dest_well;传输_卷。
2. 在标题列下，请确保在 CSV 文件中包含每个所需移液操作（即样品传输）中的一行，并包含以下信息:
   1. 源条形码:源微板的字母数字条形码，例如 S1007372;如果没有关联的条形码，则留空。
   2. 目的地条形码:目的地微板的字母数字条形码，例如D0573282;如果没有关联的条形码，则留空。
   3. source_well:字母数字行和列标识符，用于从源板中移出井，例如，H 10 的 H10 行（^第8 行）、列 10（ANSI/SLAS 标准井指定，例如 A1、C10...）。
   4. Dest_well:字母数字行和列标识符，用于从目标板中移出井，例如，A 行（^第1 行）的 A3，列 3（ANSI/SLAS 标准井指定，例如 A1、C10...）。
   5. 传输_卷:要从源-条形码中的源井传输到目的地条形码中的 dest_well 的卷（数字和无单位:通常以 μL 为单位）。
3. 打开光导程序（Maple-LightGuide.exe），打开微孔板辅助移位光发射板到板GUI应用，如图2所示。
4. 单击 GUI 左上角的"选择樱桃选取文件"按钮。
5. 使用文件浏览器窗口（如图 3所示）导航到上述步骤 1.1 和 1.2 中生成的 CSV 文件，然后单击"打开"按钮。应用程序将解析 CSV 文件的第一行，并照亮源板和目标板中的相应孔。
6. 使用 GUI 右上角的"上一个井"和"下一个井"按钮（如图4所示）根据需要遍历 CSV 文件。GUI 将以灰色突出显示以前已照亮的任何行，并以棕色突出显示当前活动行。
7. 根据需要执行移液操作，将源板源井之间的样品传输到目的地板的目标井。图 5中可以看到 M.A.P.L.E. 无辅助移液操作的示例，图 4和图 6中是当前用户移液视图的比较。除了用户 GUI 之外，板条码还可以通过连接到照明面板的 LCD 显示屏进行验证。
8. 继续，直到通过"下一个井"按钮到达 CSV 文件的末尾。要加载新的 CSV 文件，可以随时单击"选择樱桃选取"文件。要退出程序，可以单击 GUI 右上角的红色X。

2. 用于平行传输和串行稀释的多井照明

1. 打开串行稀释程序（Maple-串行稀释.exe），打开微孔辅助移液光发射器"串行稀释"应用。
2. 使用GUI（如图 7和图 8所示）指定所需的滴定模式（列或行）、板密度和起始行或列。GUI 还允许用户指定列或行掩码，以控制给定行或列中的 LED 点亮。这允许照亮行或列中的 LED 子集，而不是照亮整个行或列。
3. 使用"下一步"和"上一个"按钮按顺序逐行或列，从初始开始行或列到板中的最后一行或列。每次单击"下一步"或"上一个"按钮时，光面板将照亮微孔板的相应 LED。
4. 继续，直到达到滴定序列的结束。要退出程序，请单击 GUI 右上角的红色X。

3. 实验室培训:测定开发和筛选格式技术

1. 将 96 孔或 384 孔微孔板放入便携式导光器中。便携式导灯装置包含电池和所有必要的电子设备，可独立于计算机使用。这允许便携式光导在手持模式下使用，该模式可以使用内置按钮进行控制，在演示模式之间切换。
2. 使用便携式导灯外壳上的电源切换开关打开系统电源。
3. 确定便携式光导的模式。默认情况下，便携式光导将加载到默认的 HTS 演示模式，该模式为用户提供典型测定板的可视化表示，如图9所示。在此模式下，可以使用便携式光导顶部的右按钮开关切换通过以下示例照明模式。
   1. 所有井均用红色照明，以模拟测定的试剂分配，例如（介质中的悬浮细胞）。
   2. 所有井均以黄色照明，以模拟染料试剂添加。
   3. 第一列和最后一列的井呈绿色照明，其余中间"采样场"列呈蓝色亮起，表示微板读取器上正在读取板。样本字段中的随机井也将具有不同强度的绿色表示命中。
4. 要切换HTS 演示模式和抖动演示模式之间的光导，请按下左侧按钮开关。这样做会将便携式光导切换到滴定演示模式，该模式为用户提供了视觉指南，以便了解如何在复合板中执行滴定。当光导进入滴定演示模式时，将发生以下情况。
   1. 第 3 列和第 13 列中的所有井均以黄色照明。
   2. 右侧按钮开关的后续按下可按顺序照亮列，例如（4 和 14、5 和 15 等）。
   3. 当在到达列 12 和 22 之后按下按钮时，列 4-12 和 13-22 中的井以黄色强度逐渐减小以表示滴定。
5. 要修改光导的默认行为，请通过 USB 电缆将便携式光导插入计算机，并按照详细说明通过 Arduino IDE 更新默认固件，可在项目 GitHub 第⁸页找到。通过更新固件，您可以修改这些模式以显示其他序列或 LED 集。

4. 微孔板中的伪影照明

1. 将 96 孔或 384 孔微孔板放入便携式导光器中。
2. 按下最左侧的按钮开关两次，将灯导切换到照明模式。
   注:此模式的实际应用示例见图 10和图 11，其中化合物已沉淀出溶液，可在微孔板底部观察到。如果没有背光照明，大多数沉淀物肉眼都看不见，但 M.A.P.L.E. 背光显示沉淀物，便于用户检查和拍照记录。
3. 使用右侧按钮根据需要在一组预定义颜色之间切换应用程序。每次按下右键时，光面板会按顺序将所有 LED 指示灯按顺序打开:红色、蓝色、绿色、橙色、白色、紫色、黄色和蓝绿色。
4. 作为可选步骤，请使用相机或智能手机拍摄照明板，以便记录或记录工作。

Results

M.A.P.L.E. 平台能够以各种用户可配置的方式照亮 96 孔和 384 孔微孔板，从而直接、独立地控制每个孔的颜色和光强度。通过帮助减少手动移液操作中出错的机会，M.A.P.L.E. 可帮助用户准备微孔板，并增强对每口井包含所需内容的信心。在板之间转移样品和制备串行稀释板（如图12 和图 13所示）无需担心用户在工作中会分心并失去对移液操作保持不变。移液工作完成后，M.A.P.L.E. 平台可用于帮助照亮微孔板，帮助用户识别潜在的伪影，如沉淀、空井、部分填充的井或气泡。通过在微孔板创建时检测这些伪影，用户可以采取措施改进样品，然后再将其提供给下游实验室过程。

为了演示 M.A.P.L.E. 的功能，进行了头对头测试，以使用打印的工作清单与协议第 1 节中所述的步骤测量移液操作的速度和准确性。对于此测试，铅鉴定实验室中的 7 个用户使用同一工作列表进行脱机和 M.A.P.L.E 引导测试。这七位用户代表了各种移液体验，从在实验室工作多年的新手移液用户。唯一的区...

Discussion

通过发布 M.A.P.L.E.作为开源平台，我们引入了一个实验室工具，提供实用，但也可以轻松扩展以满足最终用户不断变化的需求。Benchtop 微孔板样品制备是在各种实验室环境中执行的常见任务，使用 M.A.P.L.E 等技术可以明显提高此任务。

M.A.P.L.E. 平台经过专门设计，具有适应未来应用的能力。每个组件（电子照明面板、固件、GUI、外壳）都可以提取出来单独使用，作为大型系统的一部分或其任何中间组合使用。例如，无需照明面板即可使用 3D 打印项目外壳，只是为了改进台面移液的人体工程学。照明面板具有简单的三线接口，可连接到能够生成 +5 V 控制信号、+5 V 源和接地 （GND） 的任何系统。可以使用 Python 代码修改软件 GUI 的行为和效用，可以在 KiCad 中修改照明面板电路，在 Arduino IDE 中编辑用于控制面板的微控制器固件。有了这种灵活性，M.A.P.L.E. 平台可扩展以满足未来需求。

M.A.P.L.E.是以前为照亮微孔^{板3、4、5、6、7}

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
96 或 384 孔微孔板			https://en.wikipedia.org/wiki/Microplate
微孔板 辅助移液发光器	开源		https://github.com/pierrebaillargeon/Microplate-Assistive-Pipetting-Light-Emitter
移液器			https://www.jove.com/science-education/5033/an-introduction-to-the-micropipettor
光谱仪	Ocean Optics	USB-650 红潮