Name: 为光遗传学实验构建简单通用的照明系统 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-01-12T15:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 41 s
Description: 学习构建用于光遗传学实验的多功能照明系统，利用红光和远红光精确控制基因表达。本方案提供详细的电路搭建、LED编程及自动化控制步骤，帮助研究人员以低成本实现可编程的光照调控。

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我们感谢王英晓（Peter）博士、黄子梁和莫莉·艾伦在LED系统开发过程中测试了不同版本的系统。本研究得到了加州大学圣地亚哥分校和索尔克研究所Kavli脑与心智研究所、美国国家科学基金会通过信息科学中心（资助号CCF-0939370）、美国国立卫生研究院资助NS060847以及美国国立卫生研究院资助R21DC018237的支持。

1. 构建电路
注意：此处描述的是为一个可用的LED构建单个电路的方案。扩展至最多四个LED的说明包含在补充信息中。
<ol>
	<li>打开烟雾吸收器和电烙铁。将水加入清洁海绵中，并准备好焊锡。 
	警告：务必采取安全措施，以排除烟雾并防止烫伤。</li>
	<li>按照补充图示中所示顺序，开始将电路元件焊接到印刷电路板（PCB板）上。 
	注意：在烙铁头使用少量焊锡，先加热元件金属部分和PCB板，再将额外焊锡直接熔化到元件上；助焊剂可显著提高焊接效果。</li>
	<li>焊接跳线和元件（补充图2 和 补充图3）。
	<ol>
		<li>对于跳线（连接电路板上两点的绝缘导线），从跳线套件中取两段导线：橙色 [7.6 mm (0.3 英寸)] 和黄色 [12 mm (0.4 英寸)] 各一段。</li>
		<li>将PCB板夹在“辅助手”支架上，将跳线插入以下孔位，将端子弯折45度，并添加助焊剂（图2、补充图2 和 补充图3）：a1 和 a3 → 接地 (-)（橙色），a7 → 电源 (+) #7（黄色），d2 → d6（黄色）。</li>
		<li>焊接后修剪导线背面。</li>
		<li>将LM317T电压调节器插入以下孔位，弯折引脚并添加助焊剂（图2 和 补充图4）：Adj → e5，Vout → e6，Vin → e7。</li>
		<li>先焊接左右两端并修剪，然后焊接并修剪中间引脚。</li>
		<li>为设定电路的低电压范围，将一个820 Ω电阻完全插入c2 → c5孔位，焊接后修剪（图2 和 补充图5）。</li>
		<li>为实现微控制器对LED的控制，将晶体管插入b3–b5（图2 和 补充图6）：集电极 → b3，基极 → b4，发射极 → b5。 
		注意：注意晶体管的方向，确保正确插入；查阅规格书以确认集电极、基极和发射极的标识。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>焊接用于电位器（POT）、LED、微控制器和电源的线对线连接器。 
	注意：注意线对线连接器导线的颜色，以及使用的是公头还是母头线对线连接器。
	<ol>
		<li>确定所需LED需要“低压”电路还是“高压”电路（图1C）。 
		注意：如果LED在“低压”列表中，则需要在电位器（POT）上并联一个电阻。</li>
		<li>对于“低压”或“高压”电路，将母头线对线连接器的一根导线穿过a5孔（补充图7）。如果制作的是低压电路，暂时不要焊接。 
		注意：将裸露的导线末端拧紧，防止细小线丝散开。如果导线过粗，难以穿过孔位而不散开，可剪除2–6股后再重新拧紧（补充图7B–D）。</li>
		<li>如果制作“高压”电路，请跳至步骤1.4.5。如果制作“低压”电路，则将一个560Ω电阻穿过同一孔（a5），并与线对线连接器的引线一起焊接。</li>
		<li>将电阻的另一端连接至接地端（补充图7G）。</li>
		<li>将已焊接至a5孔的母头线对线连接器的另一端连接至接地端并进行焊接（补充图8A,B）。</li>
		<li>对于微控制器连接，将一段公头线对线连接器的一端插入a4孔，另一端插入与接地端相连的孔位（补充图9A–C）。</li>
		<li>对于LED连接，将一段母头线对线连接器的一端插入a2孔，另一端插入与接地端相连的孔位（补充图9D,E）。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 构建电源、手动电源开关、电位器和微控制器连接
<ol>
	<li>构建电源。
	<ol>
		<li>从 a29 焊接一根橙色 [7.6 mm (0.3 英寸)] 跳线至接地端（补充图 10）。</li>
		<li>从 a30 焊接一个母对母线对线连接器至电源正极（+）（补充图 11A–C）。</li>
		<li>从 c29 至 c30 焊接一个公对公线对线连接器（补充图 11D–F）。</li>
		<li>剪下电源线上的连接器，露出导线并剥去绝缘层（补充图 12A–C）。</li>
		<li>使用助焊剂笔在焊接前向导线添加助焊剂（补充图 3G）。</li>
		<li>将一段直径为 3.18 mm (1/8 英寸) 的热缩管套在公对公线对线连接器上，另将一段较粗的 4.76 mm (3/16 英寸) 热缩管套在电源线上（补充图 12D）。</li>
		<li>将电源线与公对公线对线连接器的导线拧在一起并进行焊接（补充图 12E, 13A,B）。</li>
		<li>将直径较小的热缩管（3.18 mm，1/8 英寸）套在连接处，并使用热风枪加热收缩（补充图 13C,D）。</li>
		<li>将直径较大的热缩管（4.76 mm，3/16 英寸）套在已收缩的小热缩管外，再次加热使其收缩（补充图 13E,F）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>构建手动电源开关。
	<ol>
		<li>将直径为 3.18 mm (1/8 英寸) 的热缩管套在开关的导线上（补充图 14A）。</li>
		<li>将公对公线对线连接器的导线拧在一起并焊接（补充图 14B,C）。</li>
		<li>将直径为 3.18 mm (1/8 英寸) 的热缩管套在焊接部位，并使用热风枪加热收缩（补充图 14D,E）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将公对公线对线连接器连接至电位器（POT）。
	<ol>
		<li>将线对线连接器的黑色导线绕接在电位器（POT）的中间端子上（补充图 15B）。</li>
		<li>将绕接在端子上的导线紧密拧紧并焊接（补充图 15C）。 
		注：可使用小型精密镊子辅助完成紧密缠绕。</li>
		<li>参照 补充图 15D，对红色导线与端子的连接重复相同操作。</li>
		<li>使用镊子折断红色箭头附近的金属片（补充图 15E,F）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>构建微控制器连接（仅适用于计算机控制的 LED）。
	<ol>
		<li>若制作用于多个 LED 的驱动器，则除一个母对母线对线连接器外，将其余所有连接器的黑色导线剪除（补充图 16A）。</li>
		<li>按照图示对线对线连接器的端部进行压接（补充图 16B–D）。</li>
		<li>将压接好的端部插入矩形连接器中（补充图 16E）。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 构建LED
<ol>
	<li>剥去电线末端约 5 mm 的绝缘层，并使用助焊剂笔涂抹助焊剂，如 补充图 3G 所示。 
	注意：为了高效地将导线焊接到 LED 底座上，必须在 LED 底座的触点和导线上添加助焊剂。</li>
	<li>通过从下方加热导线并从上方添加焊料的方式对导线进行镀锡（补充图 17B）。</li>
	<li>使用助焊剂笔将助焊剂涂在 LED 底座的表面触点上（补充图 17C）。</li>
	<li>在较大的烙铁头（约 4–5 mm）上放置足量焊料（补充图 17D），用其加热 LED 底座上的触点（补充图 17E）。数秒后，将焊料拖过触点（补充图 17F）。在另一个触点上重复步骤 3.3–3.4（补充图 17G）。 
	警告：焊接过程中 LED 底座可能变得非常烫。应将 LED 底座放置在不会熔化或烧毁的表面上。</li>
	<li>使用鳄鱼夹将黑色导线夹在“C+”触点（阴极）上（补充图 18A）。</li>
	<li>在大尺寸烙铁头上放置足量焊料（补充图 18B），然后将其压在导线上，直到 LED 底座上的焊料熔化（补充图 18C）。固定住导线（补充图 18D），在保持导线位置的同时移开电烙铁（补充图 18E）。</li>
	<li>在用于连接 LED 的焊盘上涂抹少量焊膏（补充图 19A,B），然后使用镊子将 LED 放置在焊盘上（补充图 19C）。 
	注意：如果位置略有偏差，无需担心；当焊膏熔化后，LED 会自动对齐。</li>
	<li>将红色导线放在“A+”（阳极）上，并用鳄鱼夹夹紧（补充图 20A–C）。</li>
	<li>在大尺寸烙铁头上放置足量焊料（补充图 20D），然后将其压在导线上，直到 LED 底座上的焊料以及 LED 下方的焊膏完全熔化（补充图 20E）。 
	注意：焊膏熔化后，颜色会变为银白色（补充图 20H,I）。</li>
	<li>根据所需装置选择合适的导线长度。剥去 LED 导线以及公对公线缆连接器的绝缘层（补充图 21A），然后按照 补充图 3G 所示添加助焊剂。</li>
	<li>将热缩管套在导线上。在线对线连接器上使用 3.18 mm（1/8 英寸）热缩管，在导线上使用 4.76 mm（3/16 英寸）热缩管（补充图 21B）。</li>
	<li>使用“辅助手”夹具夹住线对线连接器，将连接器端与导线拧在一起（补充图 21C），然后进行焊接。另一根导线同样操作（补充图 21D,E）。</li>
	<li>将 3.18 mm（1/8 英寸）热缩管套在焊点上并加热收缩（补充图 21F–G）。</li>
	<li>将 4.76 mm（3/16 英寸）热缩管套在已收缩的 3.18 mm（1/8 英寸）热缩管外，再次加热使其收缩（补充图 21H–I）。</li>
	<li>使用带有下方垫有胶带的“辅助手”夹具夹住 LED 导线（补充图 22A）。</li>
	<li>按照制造商说明混合环氧树脂，并将其涂覆在焊接好的 LED 顶部（补充图 22B）。静置过夜使其固化。</li>
	<li>若使用魔术贴进行安装，可剪下一小块魔术贴（补充图 23A），并将其紧压在 LED 背面持续 30 秒。</li>
	<li>使用高速旋转工具在黑色盒子的盖子上切出一个缺口（补充图 23C–E）。</li>
	<li>通过磨砂膜构建单个 LED 的安装结构。
	<ol>
		<li>使用平头钻头在黑色盒子顶部钻一个直径为 1.75 cm（11/16 英寸）的孔，用于放置 LED（补充图 24A）。</li>
		<li>使用高速旋转工具在孔的一侧切出一个缺口，以为 LED 导线留出空间，如 补充图 24A 所示。</li>
		<li>裁剪一块 25–30 mm 的磨砂膜，并用胶带将其固定在黑色盒子内部，覆盖 LED 将要透光的孔洞（补充图 24A）。</li>
		<li>将 LED 放置在黑色盒子外部的孔洞上方，确保磨砂膜和胶带已就位，并使用电工胶带固定（补充图 24B–E）。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 为照明系统配备一个黑色遮光箱
<ol>
	<li>对于四 LED 系统，在盖子上钻四个直径为 0.83 cm（21/64 英寸）的孔，孔间距为 3.81 cm（1.5 英寸），用于安装电位器（补充图 25）。</li>
	<li>使用高速旋转工具，在左上角切出一个 1.19 cm × 1.90 cm（0.47 英寸 × 0.75 英寸）的矩形孔（补充图 25）。</li>
	<li>使用平头钻头，在黑色盒体上钻一个直径为 1.75 cm（11/16 英寸）的孔（补充图 26）。</li>
	<li>修整孔的边缘，并将护线套插入步骤（补充图 26）中钻出的孔内。</li>
	<li>对于计算机控制的 LED 系统，使用砂纸打磨单片机将要粘接的黑色盒体内部区域，以及单片机支架的底面。</li>
	<li>先将单片机卡入支架中，再将支架固定在黑色盒体内，并用环氧树脂将其粘牢（补充图 27A）。</li>
	<li>使用砂纸打磨两个卡扣的底部以及黑色盒体内将要放置电路板的区域，并用环氧树脂将卡扣固定在黑色盒体内（补充图 27A）。</li>
	<li>将 PCB 板插入卡扣中固定（补充图 27B）。</li>
	<li>将电源开关从盖子上的方形孔（补充图 25 中制作）中穿过，并卡入到位（补充图 28A）。</li>
	<li>将电位器（POT）穿过盖子上的孔，旋紧固定（补充图 28A），并将旋钮安装到电位器上（补充图 28B）。</li>
</ol>
5. 连接所有线路和设备
<ol>
	<li>标记线对线连接器（例如，LED、POT、COM）（补充图29A）。</li>
	<li>将步骤2.4中制作好的压接连接器（补充图16）连接到两个母头连接器（POT和LED）之间的公头线对线连接器上（补充图7A和S37）。</li>
	<li>将压接端插入微控制器（补充图30）。</li>
	<li>将USB线穿过橡胶护套并插入微控制器。</li>
	<li>将LED的导线穿过橡胶护套，并连接至微控制器连接端左侧的母头线对线连接器（补充图9D和38）。</li>
	<li>将电源线穿过橡胶护套，并连接至PCB板右侧的公头线对线连接器（补充图11D）。</li>
	<li>将电源开关的公头线对线连接器连接至PCB板右侧的母头线对线连接器（补充图11A）。</li>
	<li>将盖板上电位器（POT）的公头线对线连接器连接至PCB板上的母头线对线连接器（补充图8和36）。 
	注意：未连接电位器时，切勿开启电路。</li>
</ol>
6. 安装LED控制软件
注意：请参阅 GitHub 补充文件中的详细软件安装说明。https://github.com/BreakLiquid/LED-Control-User-Interfaces
<ol>
	<li>下载并安装用于编程微控制器的软件</li>
	<li>下载并安装包管理器</li>
	<li>对微控制器进行编程</li>
	<li>下载并安装运行时引擎</li>
	<li>下载用户界面</li>
</ol>
7. 用光刺激细胞
<ol>
	<li>转染 HEK293 细胞。
	<ol>
		<li>将 HEK293 细胞以每孔 100k 的密度接种至 24 孔板中。</li>
		<li>参考示例表格计算无血清培养基、聚乙烯亚胺（Polyethylenimine, PEI）和 DNA 的体积（补充图 39），并按照试剂生产商的说明书进行转染。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>用光刺激细胞。 
	注意：转染后细胞必须保持在黑暗环境中，或使用不会激活光遗传系统的光源进行操作。
	<ol>
		<li>确定将对细胞使用的刺激类型（持续光照、脉冲强度等）。</li>
		<li>将电位器（POTs）调至关闭状态（逆时针旋转），然后打开 LED 电源。</li>
		<li>将光强计置于黑色盒子内细胞将要放置的位置，盖上带有 LED 的盖子，根据需要调节光照强度。</li>
		<li>若使用计算机控制 LED，请打开用户界面软件。</li>
		<li>设置用户界面（图 5A,B）。
		<ol>
			<li>在左上方面板中，选择微控制器对应的 COM 端口，然后点击 连接。</li>
			<li>使用右侧面板对每个 LED 进行编程。若需持续光照，请在“开启时间”中设置任意非零时间，并将“关闭时间”设为零。</li>
			<li>在右下方面板中设置主定时控制。
			<ol>
				<li>如需延迟光照，可在“启动延迟”中设置延迟时间（HH:MM）。</li>
				<li>如需在指定时间后关闭所有 LED，请在“运行时间”中设置时长（HH:MM）。</li>
				<li>点击 运行 按钮（图 5A）以启动光照程序。</li>
			</ol>
			</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
8. 使用双荧光素酶报告基因检测法测定基因表达
<ol>
	<li>将10 mL荧光素酶缓冲液与荧光素酶试剂混合，配制荧光素酶试剂，并分装至1 mL离心管中，于-80 °C保存，可保存长达1年。</li>
	<li>将5倍浓度的裂解缓冲液稀释为1倍浓度，每孔使用100 µL，用于N + 2个孔。例如，对于30个样品，使用30 × 20 µL的5X裂解缓冲液和30 × 80 µL的MQ H2O。</li>
	<li>配制Renilla底物溶液：每1 mL Renilla缓冲液中加入20 µL Renilla底物（此用量适用于10个检测反应）。</li>
	<li>从培养箱中取出细胞，吸除培养基，每孔加入100 µL 1x裂解缓冲液，置于100 RPM摇床上振荡15分钟。</li>
	<li>置于-20 °C环境中至少1小时。</li>
	<li>向白色96孔板的每个孔中加入100 µL荧光素酶试剂。</li>
	<li>设置酶标仪用于检测发光信号。使用酶标仪的发光检测模块，设定积分时间为1秒。</li>
	<li>将解冻后的裂解液加入荧光素酶试剂下方的孔中。使用多通道移液器将20 µL样品与荧光素酶试剂混合，并立即检测发光信号。</li>
	<li>待读数达到平台期后，每孔加入100 µL Renilla底物溶液，再次进行扫描检测。</li>
	<li>用荧光素酶信号除以Renilla信号，以校正转染效率。</li>
	<li>比较经转染效率归一化后的荧光素酶信号（例如，比较红光照射与远红光照射样品的信号）。</li>
</ol>

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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

本实验室已使用此处所述的LED系统来优化、表征并操作多种光遗传学工具。在Kyriakakis等人的研究4中，我们并行测试了多种PhyB-PIF基因开关的组合。随后，我们利用该系统测试不同频率的光脉冲，以测量基因开关的动力学特性及有效光强度。该系统还被用于优化和表征两种使用蓝光进行激活的光遗传学系统5,6。由于大多数光遗传学工具仅需一个足够亮的LED即可激活，因此为每个孔配备大量LED的系统并非总是必要。该装置成本低廉、性能可靠、易于重新配置，且组装过程中无需任何前期电子学专业知识。
在补充的补充图31–38中，我们描述了如何将最多四个LED集成到该系统中。尽管这可能会限制某些需要大量平行条件的实验，但可以通过将本方案中使用的9伏电源替换为更高功率的电源来增加更多LED。类似地，多个低功率LED也可以并联连接到每个电路上。在后一种配置中，部分LED将无法单独控制，但当需要多个LED覆盖更大区域时，这种设计非常实用。一旦熟悉了该系统的电子结构，便可通过多种方式对其进行定制。定制系统的其他策略包括：调节LED与样品之间的距离，或通过滤光片/散射片进行照射，以实现均匀的光照条件，或防止加热，如（补充图23）及Allen等5所述。我们LED设计的另一个显著特点是其被环氧树脂封装，并在背面配有搭扣固定装置；这使得LED能够方便而牢固地安装在几乎任何位置：如培养箱、鱼缸、动物笼具、墙壁等。
许多利用光遗传学控制基因、信号通路及其他细胞活动的实验通常需要脉冲式光照，持续时间较长，或需在培养箱中进行，因此需要实现自动化或无需显微镜的远程操控。该LED系统已在湿润的CO2培养箱内连续运行数月，未出现任何问题。此外，对于PhyB等可逆光遗传系统，实验人员可能需要编程设定特定的脉冲照明方案。在我们之前的研究4中，曾通过用户界面使用脉冲程序测试了哺乳动物细胞中PhyB-PIF3开关的可逆动力学特性。根据本文所述方法，编程设定脉冲方案十分简便，能够以用户友好的方式为多种类型的光遗传学实验提供所需的灵活性与自主性。
构建该系统的最关键步骤包括在PCB板上组装电路以及连接各个元器件，这些内容在第1节和第2节中有详细说明。必须严格遵循这两个部分中的每一步操作，并在焊接每个元器件之前逐行仔细核对焊盘编号。第2节解释了如何安装将连接到电路的元器件。为确保元器件以正确方向连接，特别重要的是要保证线对线连接器上黑色和红色导线的颜色匹配。在这两个部分中出现的任何微小疏忽都极有可能影响系统的正常功能。事实上，排查此方法故障的第一步就是检查电路是否正确搭建，以及所有连接是否到位。第二步尤为重要的是检查焊接质量，查看是否存在松动的连接，以及导线是否存在散开的金属丝可能导致电路短路。第三步是确保LED正常工作，可通过电源或1.5 V电池配合鳄鱼夹夹住LED的两个电极进行测试。另一个潜在的关键考虑因素是防止高功率使用LED时产生过热，或实现更广范围的照明以扩散光线。为解决这些问题，可将LED安装在一个黑色盒子外部，盒子内侧贴有“隐私膜”，如补充图23及Allen等5所述。由于该系统结构简单，拆卸以验证、修改、升级或维修模块化组件并不困难。
对于诱导型基因系统而言，另一个关键因素是需要考虑所需的激活程度，或受控生物系统可接受的泄漏表达水平。如图6所示，这些参数会随报告基因DNA的用量而变化。此外，转染效率以及因此导致的每个细胞中报告基因载体的拷贝数也会存在差异。对于某些实验而言，构建含有固定量报告基因或PhyB基因开关元件的细胞系，并筛选出具有理想诱导表达范围的克隆，可能更具优势，这在药物诱导系统中是常见的做法。由于慢病毒质粒pPK-2304的尺寸较大且不稳定，我们还构建了基于pcDNA骨架的非慢病毒质粒版本PhyB开关，即pPK-351（Addgene #157921）和pPK-352（Addgene #157922）。
通过按照本方案构建此LED照明系统，用户将拥有在体外和体内开展多种光遗传学实验所需的所有组件。结合在哺乳动物细胞中使用PhyB-PIF3的说明，本方案将使非工程背景的研究人员和生物学家能够在多种实验条件下灵活且有效地应用基于PhyB的光遗传学技术。

光遗传学工具正变得无处不在，新的技术也在不断被开发，用于光学控制基因表达、细胞信号传导以及更多生物学过程1,2,3。利用光来控制细胞过程的能力，可实现快速的动力学响应、精确的空间控制以及剂量依赖性的调控，且这些调控可通过光照强度和照射时间加以控制。为了使用这些工具，必须具备能够调控这些参数的装置。我们近期开发了一种基因编码的PhyB-PIF3哺乳动物基因开关，该系统可分别利用红光/远红光可逆地激活和失活基因4。该系统已在多种哺乳动物细胞系中进行了测试，即使在极微弱光照条件下（包括脉冲光照）也能实现卓越的基因表达诱导效果。研究人员在使用PhyB开关及类似工具5,6时，常常需要了解如何控制光照强度和持续时间的方法。因此，我们制定了本实验方案，提供详细的分步操作说明，以促进这些光遗传学工具的广泛应用。
在LED广泛应用之前，研究人员使用带有滤光片的宽带光源来研究光响应蛋白，例如光敏色素7。近年来，一些与光遗传学工具同时发表的LED照明系统相继出现8,9,10,11,12，但这些方案可能需要研究人员具备较强的电子学或软件专业知识，或依赖专用设备（例如3D打印机、激光切割机或光刻掩模），且未提供某些研究人员在实际研究中所需的分步操作说明。虽然在多孔板中对各个孔进行独立控制在某些情况下具有优势，但当研究人员仅需比较明暗条件或红光与远红光下的不同样本时，这种独立控制通常并非必要。此外，许多现有的商用系统价格昂贵，且定制化能力有限。相比之下，本方案中描述的LED具有成本低、亮度高、安装方式多样等优点，因此可用于照射多种类型的样本。结合本方案提供的操作流程和软件，可使用从紫外（UV）到近红外（NIR）范围的各种LED，并通过软件控制，用于开展基于UVR813,14、Dronpa15,16、LOV结构域17,18、阶梯函数视蛋白19,20、CRY221,22、PhyB4,23,24,25、细菌光敏色素26,27,28,29以及其他光响应系统30,31,32的光遗传学实验。
本方案提供了用于组装光刺激实验所需电路及其他硬件的详细教程，涵盖对光刺激不同参数的控制，以及开展光遗传学实验所需的分子/细胞工具。此外，我们还报告了由 Kyriakakis 等人4优化的质粒，其尺寸更小、克隆稳定性更高。通过本方案，即使不具备电子学和光学专业知识的生物学家，也能构建出灵活且可靠的照明系统。我们以分步方式演示如何搭建 LED 系统，从而消除光遗传学工具广泛应用中的技术瓶颈。该系统可轻松用于大多数细胞培养孵箱，即使孵箱未配备穿线孔亦可使用。例如，我们将该 LED 系统持续置于加湿的 CO2 孵箱中超过 6 个月，性能未见下降。我们还说明了如何将 LED 系统连接至计算机，并与我们在 GitHub 上提供的开源软件进行交互（https://github.com/BreakLiquid/LED-Control-User-Interfaces）。采用本方案构建系统，可使研究人员掌握排查潜在问题、更换部件以及改进或扩展功能所需的基础知识。
系统概述
构建照明系统包括以下步骤：（1）构建电子电路，（2）构建外设（电源线、电源开关等），（3）构建LED灯，（4）组装所有这些组件，以及（5）安装用于通过用户界面控制LED的软件（图1A）。完成后，该照明系统可通过用户界面独立控制最多四个LED（图1B）。用户界面可使每个LED按指定时间间隔脉冲，并在设定时间后关闭。系统还设有启动延迟功能，可设定照明程序的开始时间。电位器（POT）可独立调节每个LED的强度，也可用于在无计算机情况下手动控制LED。连接LED的导线可为任意自定义长度，便于将其放置于培养箱或实验空间内。由于这些LED具有高功率，单个LED即可在一定距离外照亮较大区域。
LED驱动器说明
为了提供电源并控制LED的亮度，本方案将详细介绍构建“LED驱动器”的步骤。每个LED都有其特定的工作电压范围（图1C）。在运行过程中，可通过电位器调节稳压器的输出电压，从而控制光强。电位器（POT）通过改变电阻来调节输出电压/亮度。使用1kΩ（1千欧姆）电位器调节时，构成我们所称的“高压电路”，其电压调节范围为1.35 V至2.9 V。由于2.9 V对于低电压LED而言过高（图1C），我们展示了一种改进方法（电阻3或“R3”，见补充图1A），可将电压范围限制在与低电压LED匹配的水平。当R3与电位器并联时，可将施加到LED的最大电压降低至1.85 V（组装细节见补充图8）。通过使用电压而非电流来控制亮度，该系统能够更灵活地适配不同工作电压的LED。图1C列出了高电压和低电压LED的类型，以指导选择最合适的电路。该设计确保最小电压足够低，使电位器关闭时LED完全熄灭，同时防止电压超过LED的典型工作电压。在PhyB光遗传学实验中，我们使用深红光和远红光LED，这些LED采用低电压电路。
LED计算机控制系统说明
该LED照明系统可在不连接计算机或微控制器的情况下用于持续照明。然而，若需执行脉冲程序或控制单个LED的时序，则必须安装微控制器。为了使用微控制器控制LED，需要一个晶体管将微控制器连接至电路。该晶体管可感应微控制器输出的电压，并在导通与绝缘状态之间切换。为了控制“开启”和“关闭”，我们采用一种称为“NPN开关型晶体管”（2N2222）的元件，作为R2上的可控分流开关（补充图1A）。当微控制器的电压施加到晶体管基极时，晶体管变为导通状态，使LED电压降低，从而关闭LED。因此，LED与晶体管的开关状态均由微控制器直接控制，而微控制器则由安装在个人计算机（PC）上的软件进行调控。
构建照明系统需要完成以下步骤：搭建电路；搭建电源、手动电源开关、电位器（POTs）和微控制器连接；组装LED；准备一个黑色盒子以容纳整个照明系统；连接所有线路和设备；安装LED控制软件，用光刺激细胞；使用双荧光素酶报告基因检测法测定基因表达。

<table><tbody><tr><td>18AWG 2芯 红色 黑色电线</td><td>亚马逊</td><td>15M-28AWG-2468</td><td>连接LED与电源电路的廉价导线。&lt;br/&gt; https://www.amazon.com/gp/product/B072KGYH1M/ref=oh_aui_detailpage_o05_s00?ie=UTF8&amp;amp;psc=1</td></tr><tr><td>1K 欧姆电位器</td><td>亚马逊</td><td>52161500</td><td>2 个 1 kΩ 电位器电位 + 2 个黑色控制旋钮&lt;br/&gt; https://www.amazon.com/gp/product/B00XIWA2GO/ref=oh_aui_detailpage_o00_s00?ie=UTF8&amp;amp;psc=1</td></tr><tr><td>20号硅胶JST连接器</td><td>亚马逊</td><td>SIM&amp;amp;NAT 5.9 英寸 2 针公母 JST RCY 插头连接器</td><td>这些非常常见，且存在多种等效型号。&lt;br/&gt; https://www.amazon.com/gp/product/B071XN7C43/ref=oh_aui_detailpage_o00_s01?ie=UTF8&amp;amp;psc=1</td></tr><tr><td>22 AWG 实心跳线</td><td>亚马逊</td><td>WJW-60B-R</td><td>Jameco Valuepro WJW-60B-R 跳线套件，每包350根，22 AWG，14种长度，10种颜色，每种长度各25根。&lt;br/&gt; https://www.amazon.com/Jameco-Valuepro-WJW-60B-R-Jumper-Lengths/dp/B01KHWEB3W/ref=sr_1_5?s=industrial&amp;amp;ie=UTF8&amp;amp;qid=1519261370&amp;amp;sr=1-5&amp;amp;实心导线 面包板&amp;amp;dpID=51UopZhPJeL&amp;amp;preST=_SX342_QL70_&amp;amp;dpSrc=搜索</td></tr><tr><td>560 欧姆 1/2 瓦特 1% 容差</td><td>亚马逊</td><td>a14051600ux0301</td><td>Uxcell a14051600ux0301 60个轴向引线1%精度彩环金属膜电阻器，560 欧姆 1/2瓦&lt;br/&gt; 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https://www.digikey.com/product-detail/en/arduino/X000018/1050-1150-ND/8135632</td></tr><tr><td>电路与光室的黑色屏蔽箱</td><td>亚马逊</td><td>1591ESBK</td><td>Hammond 1591ESBK ABS 工程盒 黑色&lt;br/&gt; https://www.amazon.com/gp/product/B0002BSRIO/ref=oh_aui_detailpage_o07_s00?ie=UTF8&amp;amp;psc=1</td></tr><tr><td>蓝色LED</td><td>Digikey</td><td>LXML-PB01-0040</td><td>LED LUXEON REBEL 蓝色贴片。用途 &quot;Saber 20 mm 星形底座&quot;&lt;br/&gt; https://www.digikey.com/product-detail/en/lumileds/LXML-PB01-0040/1416-1029-1-ND/3961134</td></tr><tr><td>扎带</td><td>亚马逊</td><td>sd027</td><td>Tarvol 尼龙扎带（100 根装）8 英寸自锁式电缆扎带（白色）&lt;br/&gt; https://www.amazon.com/Tarvol-Nylon-Locking-Cable-White/dp/B01MRD0JRR/ref=sr_1_7?s=hi&amp;amp;ie=UTF8&amp;amp;qid=1519261882&amp;amp;sr=1-7&amp;amp;扎带&amp;amp;dpID=51zUNmuUjyL&amp;amp;preST=_SY300_QL70_&amp;amp;dpSrc=srch</td></tr><tr><td>命令冰箱夹</td><td>亚马逊</td><td>17210CLR</td><td>用于固定黑色盒内电路板的夹子。也可使用魔力贴胶条。&lt;br/&gt; https://www.amazon.com/gp/product/B0084M69YM/ref=oh_aui_detailpage_o00_s01?ie=UTF8&amp;amp;psc=1</td></tr><tr><td>青色LED</td><td>Digikey</td><td>LXML-PE01-0070</td><td>LED LUXEON REBEL 青色表面贴装器件。用途 &quot;Saber 20 mm 星形底座&quot;&lt;br/&gt; https://www.digikey.com/products/en?keywords=1416-1031-1-nd</td></tr><tr><td>电工胶带 - 3M Scotch #35 电工胶带经济装</td><td>亚马逊</td><td>03429NA</td><td>Scotch 700 电工胶带，03429NA，3/4 英寸 × 66 英尺&lt;br/&gt; https://www.amazon.com/Scotch-Electrical-Tape-4-Inch-66-Foot/dp/B001ULCB1O/ref=psdc_256161011_t1_B001B19FDK</td></tr><tr><td>远红光LED 720nm</td><td>Luxeon Star LED</td><td>LXML-PF01</td><td>远红光（720 nm）LUXEON Rebel LED。用途 &quot;Saber 20 mm Star 底座&quot;&lt;br/&gt; https://www.luxeonstar.com/lxml-pf01-far-red-luxeon-rebel-led-260mW</td></tr><tr><td>远红光LED 740nm</td><td>Ushio</td><td>EDC740D-1100-S5</td><td>用途 &quot;STAR XP 3535&quot; 基础&lt;br/&gt; https://www.ushio-optosemi.com/jp/products/led/power/pdfs/edc/EDC740D-1100-S5.pdf</td></tr><tr><td>远红光 LED 780 nm</td><td>Ushio</td><td>EDC780D-1100</td><td>用途 &quot;STAR XP 3535&quot; 基础&lt;br/&gt; http://www.ushio-optosemi.com/jp/products/led/power/pdfs/edc/EDC780D-1100.pdf</td></tr><tr><td>远红光LED 810nm</td><td>Ushio</td><td>EDC810D-1100</td><td>用途 &quot;STAR XP 3535&quot; 基础&lt;br/&gt; http://www.ushio-optosemi.com/jp/products/led/power/pdfs/edc/EDC810D-1100.pdf</td></tr><tr><td>远红光LED 850nm</td><td>Ushio</td><td>EDC850D-1100</td><td>用途 &quot;STAR XP 3535&quot; 基础&lt;br/&gt; http://www.ushio-optosemi.com/jp/products/led/power/pdfs/edc/EDC850D-1100.pdf</td></tr><tr><td>衬套</td><td>亚马逊</td><td>Pico 6120D</td><td>这些元件非常常见，且有许多等效型号。&lt;br/&gt; https://www.amazon.com/Pico-6120D-Vinyl-Grommets-Package/dp/B0002ZG47G</td></tr><tr><td>导线/鳄鱼夹</td><td>亚马逊</td><td></td><td>1-3/4 英寸（45 毫米）单齿金属鳄鱼夹发夹 发饰 - 银色，50 个装&lt;br/&gt; https://www.amazon.com/gp/product/B00K09T3L8/ref=oh_aui_detailpage_o00_s00?ie=UTF8&amp;amp;psc=1</td></tr><tr><td>LED底座</td><td>Luxeon Star LED</td><td>LXB-RS20A</td><td>用于 Rebel LED 的 20 毫米星形空白铝制 MCPCB 基板，Saber 品牌&lt;br/&gt; https://www.luxeonstar.com/saber-20mm-star-blank-mcpcb-base-for-a-rebel-leds</td></tr><tr><td>用于Ushio LED的LED PCB</td><td>Adura LED 解决方案</td><td>STAR XP 3535 封装 LED</td><td>适配 Ushio 的多种其他 LED 灯珠&lt;br/&gt; http://aduraled.com/product/pcb/1901-star-xp-3535-package-led</td></tr><tr><td>Loctite 品牌环氧树脂透明多功能胶，0.85液量盎司注射器装</td><td>亚马逊</td><td>1943587</td><td>Loctite Epoxy Clear 多用途环氧树脂，0.85液量盎司注射器装&lt;br/&gt; https://www.amazon.com/Loctite-Multi-Purpose-0-85-Fluid-Syring-1943587/dp/B011INNBN0/ref=psdc_256243011_t4_B0044FBB8C</td></tr><tr><td>NTE 热缩管 2:1 多种颜色和尺寸 160 件套</td><td>亚马逊</td><td>B000FIDTYG</td><td>这些非常常见，且有许多等效型号。&lt;br/&gt; https://www.amazon.com/NTE-Heat-Shrink-Assorted-Colors/dp/B000FIDTYG/ref=sr_1_1?s=hi&amp;amp;ie=UTF8&amp;amp;qid=1519261282&amp;amp;sr=1-1&amp;amp;关键词=nte+shrink&amp;amp;dpID=41L5l7LCfiL&amp;amp;preST=_SX342_QL70_&amp;amp;dpSrc=srch</td></tr><tr><td>图片悬挂魔术贴条</td><td>亚马逊</td><td>PH204-16NA</td><td>使用这些配件，您可以将LED灯安装在多个位置。&lt;br/&gt; https://www.amazon.com/Command-Picture-Hanging-16-Pairs-PH204-16ES/dp/B073XS3CHV/ref=pd_sim_60_5?_encoding=UTF8&amp;amp;pd_rd_i=B073XS3CHV&amp;amp;pd_rd_r=112KGQJNRRYD0RAT598H&amp;amp;pd_rd_w=3n34Q&amp;amp;pd_rd_wg=sRvec&amp;amp;psc=1&amp;amp;refRID=112KGQJNRRYD0RAT598H</td></tr><tr><td>电源供应</td><td>亚马逊</td><td>tb013</td><td>任何其他 9V 1.5Z 交流/直流转换器均可使用，因为我们反正在使用时会剪掉插头部分。&lt;br/&gt; https://www.amazon.com/gp/product/B06Y1LF8T5/ref=oh_aui_detailpage_o07_s01?ie=UTF8&amp;amp;psc=1</td></tr><tr><td>电源开关 摇杆开关</td><td>亚马逊</td><td>SIXQJZML</td><td>这些非常常见，且有许多等效的型号。&lt;br/&gt; https://www.amazon.ca/COOLOOdirect-Solder-Rocker-Switch-Toggle/dp/B071Y7SMVQ/ref=sr_1_31?_encoding=UTF8&amp;amp;c=ts&amp;amp;dchild=1&amp;amp;关键词=船型摇杆开关&amp;amp;qid=1594434474&amp;amp;s=体育&amp;amp;sr=1-31&amp;amp;ts_id=2438617011</td></tr><tr><td>矩形连接器 - 用于压接导线</td><td>Digikey</td><td>2183-1905-ND</td><td>6 个矩形连接器 - 黑色外壳 0.100&quot; (2.54毫米)&lt;br/&gt; https://www.digikey.com/product-detail/en/pololu-corporation/1905/2183-1905-ND/10450382?utm_adgroup=矩形连接器%20-%20外壳&amp;amp;utm_source=google&amp;amp;utm_medium=cpc&amp;amp;utm_campaign=购物_产品_连接器%2C%20互连_NEW&amp;amp;utm_term=&amp;amp;utm_content=矩形连接器 - 外壳&amp;amp;gclid=Cj0KCQjwvIT5BRCqARIsAAwwD-QmETT-ko07ote5VQgodKvWU0uDG8GYN7Vj-6WVBBOWdSgPaPd9azAaAhVLEALw_wcB</td></tr><tr><td>红色LED</td><td>Digikey</td><td>LXM3-PD01</td><td>LED LUXEON REBEL 深红光 SMD。用途 &quot;Saber 20 mm 星形底座&quot;&lt;br/&gt; https://www.digikey.com/products/zh?keywords=1416-1701-1-nd</td></tr><tr><td>砂纸</td><td>亚马逊</td><td>B002NEV6GS</td><td>3M 湿对干砂纸，03022，800目，3 2/3英寸 × 9英寸&lt;br/&gt; https://www.amazon.com/3M-03022-Imperial-Wetordry-Sandpaper/dp/B002NEV6GS/ref=sr_1_1?dchild=1&amp;amp;关键词=3M+Imperial+Wetordry+3-2/3 英寸 x 9 英寸 800目砂纸片（10片/包）&amp;amp;qid=1594435012&amp;amp;sr=8-1</td></tr><tr><td>焊接导线和电路元件用焊料</td><td>亚马逊</td><td>Mudder 无铅焊锡丝 Sn99 Ag0.3 Cu0.7，含松香芯，适用于电气焊接，0.22磅（0.6 mm）</td><td>这些元件非常常见，且存在多种等效型号。&lt;br/&gt; https://www.amazon.com/Mudder-Solder-Electrical-Soldering-0-22lbs/dp/B01B61TWGY</td></tr><tr><td>可焊接面包板，用于构建电路</td><td>亚马逊</td><td>GK1007</td><td>Gikfun 可焊接面包板 镀金成品原型板 PCB DIY 套件（适用于 Arduino，5 片装）GK1007&lt;br/&gt; https://www.amazon.com/gp/product/B071R3BFNL/ref=oh_aui_detailpage_o04_s00?ie=UTF8&amp;amp;psc=1</td></tr><tr><td>平刃钻头</td><td>亚马逊</td><td>Irwin 88811</td><td>这些非常常见，且有许多等效型号。&lt;br/&gt; https://www.amazon.com/Speedbor%C2%AE-Blue-GrooveTM-Standard-Length-Woodboring/dp/B017S9JXB2/ref=sr_1_10?ie=UTF8&amp;amp;qid=1519516560&amp;amp;sr=8-10&amp;amp;关键词=11/16 斗形钻头</td></tr><tr><td>晶体管</td><td>纽瓦克</td><td>2N2222A</td><td>可从多个地方购买。&lt;br/&gt; http://www.newark.com/nte-electronics/2n2222a/bipolar-transistor-npn-40v-to/dp/10M4197</td></tr><tr><td>电压调节器</td><td>纽瓦克</td><td>LM317T</td><td>等同于 NTE956。&lt;br/&gt; https://www.newark.com/stmicroelectronics/lm317t/adjustable-linear-regulator-1/dp/89K0685?gclid=CjwKCAiAu9vwBRAEEiwAzvjq-1rmUi6lvOIFFt-BxttHXvmAeUoni4NM0BW-BtM_LMliSqxA9Xq4KxoCfikQAvD_BwE&amp;amp;mckv=sQqHZDDRz_dc|pcrid|219869297712|plid||kword|lm317t|match|p|slid||product||pgrid|35966450488|ptaid|kwd-541160713&amp;amp;s_kwcid=AL!8472!3!219869297712!p!!g!!lm317t&amp;amp;CMP=KNC-GUSA-SKU-MDC</td></tr><tr><td>Windows 10 平板电脑</td><td>亚马逊</td><td>B08BYTT79Y</td><td>任何 Windows 10 电脑均可使用。&lt;br/&gt; https://www.amazon.com/gp/product/B08BYTT79Y/ref=ppx_yo_dt_b_asin_title_o01_s00?ie=UTF8&amp;amp;psc=1</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;细胞培养试剂&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>人胚肾293细胞 HEK293</td><td>ATCC</td><td>ATCC CRL-1573</td><td>常用细胞系。&lt;br/&gt; https://www.atcc.org/products/all/CRL-1573.aspx</td></tr><tr><td>胎牛血清</td><td>ThermoFisher</td><td>26140079</td><td>这些非常常见，且存在多种等效型号。&lt;br/&gt; https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/26140079#/26140079</td></tr><tr><td>杜尔贝科&amp;rsquo;高糖改良型伊格尔培养基</td><td>ThermoFisher</td><td>11965&amp;minus;092</td><td>这些元件非常常见，且存在多种等效型号。&lt;br/&gt; https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/11965118?SID=srch-srp-11965118#/11965118?SID=srch-srp-11965118</td></tr><tr><td>10,000 单位/毫升的青霉素和 10,000 &amp;micro;g/mL 链霉素</td><td>ThermoFisher</td><td>15140122</td><td>这些元件非常常见，且存在多种等效型号。&lt;br/&gt; https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/15140122?SID=srch-srp-15140122#/15140122?SID=srch-srp-15140122</td></tr><tr><td>白色康宁96孔实心黑色或白色聚苯乙烯微孔板</td><td>ThermoFisher</td><td>07-200-589</td><td>首选白色培养板。请勿使用透明培养板。&lt;br/&gt; https://www.fishersci.com/shop/products/costar-96-well-black-white-solid-plates-8/p-152852</td></tr><tr><td>PEI MAX - 转染级线性聚乙烯亚胺盐酸盐（分子量 40,000）</td><td>PolySciences</td><td>24765-1</td><td>可用其他转染试剂替代。&lt;br/&gt; https://www.polysciences.com/default/catalog-products/life-sciences/transfection-reagents/polyethylenimine-max-mw40000-high-potency-linear-pei/</td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;设备名称&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>斜口剪线钳（110 mm）</td><td>亚马逊</td><td>Proskit 1PK-037S</td><td>这些元件非常常见，且存在多种等效型号。&lt;br/&gt; https://www.amazon.com/iExcell-Diagonal-Cutting-Nippers-Chrome-Vanadium/dp/B076XYVS6Y/ref=sr_1_11?dchild=1&amp;amp;关键词=斜口钳&amp;amp;qid=1594436230&amp;amp;sr=8-11</td></tr><tr><td>Dremel 3000 配备切割工具和研磨机</td><td>亚马逊</td><td>Dremel 3000</td><td>Dremel 3000-2/28 可调速旋转工具套装 - 1 个附件 &amp;amp; 28 种配件——研磨机、砂光机、抛光机、路由器和雕刻机&lt;br/&gt; https://www.amazon.com/Dremel-3000-2-28-Attachments-Accessories/dp/B005JRJE7Y/ref=sr_1_3?dchild=1&amp;amp;关键词=Dremel 200-1/15 两速旋转工具套装&amp;amp;qid=1594436404&amp;amp;s=hi&amp;amp;sr=1-3</td></tr><tr><td>Dremil 切割和研磨工具</td><td>亚马逊</td><td>Dremel 200-1/15</td><td>任何类似的Dremel均可使用。&lt;br/&gt; https://www.amazon.com/Dremel-200-1-Two-Speed-Rotary-Tool/dp/B002BAHF8W/ref=sr_1_1?s=hi&amp;amp;ie=UTF8&amp;amp;qid=1519268058&amp;amp;sr=1-1&amp;amp;关键词=dremel+200&amp;amp;dpID=41h9ZucnTYL&amp;amp;preST=_SY300_QL70_&amp;amp;dpSrc=srch</td></tr><tr><td>Dremil 磨削头</td><td>亚马逊</td><td>Dremel 84922</td><td>碳化硅磨石&lt;br/&gt; https://www.amazon.com/Dremel-84922-Silicon-Carbide-Grinding/dp/B00004UDKD/ref=sr_1_fkmr0_1?s=hi&amp;amp;ie=UTF8&amp;amp;qid=1519268585&amp;amp;sr=1-1-fkmr0&amp;amp;关键词=dremel+提示+84922</td></tr><tr><td>EDSYN 原装豪华型 SOLDAPULLT</td><td>亚马逊</td><td>DS017</td><td>用于清除焊料/纠正错误。&lt;br/&gt; https://www.amazon.com/EDSYN-The-Original-Deluxe-SOLDAPULLT/dp/B006GOKVKI</td></tr><tr><td>带放大镜的辅助手</td><td>亚马逊</td><td>SE MZ101B</td><td>这些非常常见，并且有许多等效的型号。&lt;br/&gt; https://www.amazon.com/SE-MZ101B-Helping-Magnifying-Glass/dp/B000RB38X8/ref=sr_1_4?s=hi&amp;amp;ie=UTF8&amp;amp;qid=1519268108&amp;amp;sr=1-4&amp;amp;关键词=辅助工具&amp;amp;dpID=31GEhMw7WvL&amp;amp;preST=_SX300_QL70_&amp;amp;dpSrc=搜索</td></tr><tr><td>尖嘴微型钳</td><td>亚马逊</td><td>Hakko CHP PN-20-M</td><td>钢制超精细尖嘴微型钳，带光滑钳口，尖端直径1.0 mm&lt;br/&gt; https://www.amazon.com/Hakko-PN-20-M-Specialty-Pointed-Pliers/dp/B00FZPGUBI/ref=sr_1_1?s=hi&amp;amp;ie=UTF8&amp;amp;qid=1519268153&amp;amp;sr=1-1&amp;amp;Hakko CHP PN-20-M 钢制超精细尖嘴微型镊子（平口，尖端1.0 mm）&amp;amp;dpID=3109XRgwn3L&amp;amp;preST=_SX342_QL70_&amp;amp;dpSrc=srch</td></tr><tr><td>小螺丝刀</td><td>亚马逊</td><td>Wiha 26197</td><td>这些非常常见，且有许多等效型号。&lt;br/&gt; https://www.amazon.com/26197-Precision-Slotted-Phillips-Screwdrivers/dp/B01L46TEN2/ref=sr_1_1?s=hi&amp;amp;ie=UTF8&amp;amp;qid=1519268018&amp;amp;sr=1-1&amp;amp;Wiha 精密工具套装</td></tr><tr><td>电烙铁</td><td>亚马逊</td><td>Yihua 939D+ 数字化焊台</td><td>这些非常常见，并且有许多等效类型。&lt;br/&gt; https://www.amazon.com/Professional-Digital-Soldering-Station-Switch/dp/B07YSCBZ4F/ref=psdc_13837391_t1_B07RVMZNYR</td></tr><tr><td>TraceTech 免清洗助焊剂笔</td><td>亚马逊</td><td>2507-N</td><td>Tech Spray 2507-N 无残留助焊剂点胶笔，11.5 mL&lt;br/&gt; https://www.amazon.com/Tech-Spray-2507-N-No-Clean-Dispensing/dp/B00DDF2FYS/ref=sr_1_1?dchild=1&amp;amp;关键词=2507-N&amp;amp;qid=1595469618&amp;amp;sr=8-1</td></tr><tr><td>Weller WSA350 120v 台式烟雾吸收器</td><td>亚马逊</td><td>WSA350</td><td>用于焊接安全。&lt;br/&gt; https://www.amazon.com/Weller-WSA350-Bench-Smoke-Absorber/dp/B000EM74SK</td></tr><tr><td>剥线钳</td><td>亚马逊</td><td>CSP-30-7</td><td>这些非常常见，且有许多等效型号。&lt;br/&gt; https://www.amazon.com/Hakko-CSP-30-7-Stripper-Maximum-Capacity/dp/B00FZPHY7M/ref=psdc_553398_t5_B00FZPHMUG</td></tr><tr><td>IWISS IWS-3220M 微型连接器端子压接工具 0.03-0.52mm&amp;sup2; 32-20AWG</td><td>亚马逊</td><td>IWS-3220M</td><td>这些元件非常常见，且存在多种等效型号。&lt;br/&gt; https://www.amazon.com/gp/product/B078WPT5M1/ref=ppx_yo_dt_b_search_asin_title?ie=UTF8&amp;amp;psc=1</td></tr></tbody></table>

构建用于光遗传学实验的简易多功能照明系统

Building a Simple and Versatile Illumination System for Optogenetic Experiments

利用光来控制生物过程，已显著提高了研究人员操控多种生物过程的精确性和速度。光学控制为解析功能提供了前所未有的能力，并有望推动新型基因治疗的发展。然而，光遗传学实验需要具备空间、时间或强度控制能力的合适光源，而这往往是研究人员面临的技术瓶颈。本文详细介绍了如何构建一种低成本且多功能的LED照明系统，该系统可根据不同的现有光遗传学工具轻松进行定制。该系统可配置为手动或计算机控制，并可调节LED的光强。我们提供了图文并茂的分步指南，介绍电路的搭建、实现计算机控制以及LED组件的构造。为了便于设备组装，我们还讨论了一些基本的焊接技术，并解释了用于控制LED的电路原理。通过使用我们的开源用户界面，用户可在个人计算机（PC）或廉价平板电脑上自动实现光刺激的精确时序和脉冲控制。这种自动化功能使该系统适用于利用LED调控基因、信号通路及其他跨越较长时间尺度的细胞活动的实验。本实验方案无需使用者具备电子学方面的先验知识，即可完成所需部件的制作，或使用该照明系统开展光遗传学实验。

本方案介绍了如何利用红光和远红光通过PhyB和PIF3控制基因表达来进行光遗传学实验。内容包括构建一个简单且灵活的照明系统的分步说明，该系统可实现通过计算机控制基因表达或其他光遗传学实验。

利用光控制生物过程已显著提高了研究人员操控多种生物过程的精确度与速度。光学控制为解析功能提供了前所未有的能力，并有望推动新型基因疗法的发展。然而，光遗传学实验需要具备空间、时间或强度调控能力的合适光源，这往往是研究人员面临的技术瓶颈。本文详细介绍了如何构建一种低成本且多功能的LED照明系统，该系统可根据不同的光遗传学工具进行灵活定制。该系统可配置为手动或计算机控制，并支持调节LED光强。我们提供了图文并茂的分步指南，涵盖电路搭建、实现计算机控制以及LED组件的制作过程。为便于设备组装，本文还介绍了一些基本的焊接技术，并解释了用于控制LED的电路原理。通过我们开源的用户界面，用户可在个人计算机（PC）或廉价平板电脑上实现光照时序与脉冲的精确自动化控制。这种自动化特性使该系统适用于利用LED调控基因、信号通路及其他跨越较长时间尺度的细胞活动的实验。本方案无需使用者具备电子学方面的专业知识，即可完成所需部件的制作并使用该照明系统开展光遗传学实验。

该系统使研究人员能够轻松构建用于光遗传学实验的低成本且多功能的照明系统。该技术的优点包括能够使用覆盖可见光至近红外光谱范围的可用波长来编程控制LED照明的时间，且LED可在多种实验环境中使用。构建电路时，将印刷电路板夹在辅助夹具上，插入跳线，将其连接至A1和A3针孔并接地，将D2跳线插入D6针孔，将电源正极与七根编号跳线接入A7针孔。将引脚弯折45度，并添加助焊剂。焊接完成后，剪短导线背面的引线。将焊接好的母对母杜邦线一端插入 A5 孔，然后将电阻一端连接到 A5 孔。将连接器的另一端连接至接地端，然后将电阻器的另一端连接至接地端并焊接该连接点。对于 Arduino 连接器，将导线端部压接至导线连接器上，并将压接好的端部插入矩形连接器中。安装LED时，从下方加热导线的同时从上方加焊料，对导线进行上锡。在较大的烙铁头表面涂上足量焊料，用烙铁头加热LED基座上含有助焊剂的触点。数秒后，将焊料逐一拖过每个触点，并使用发夹将黑色导线固定在阴极上。在较大的烙铁头上取适量焊料，将烙铁头压在导线上，直至LED基座上的焊料熔化。按住导线，保持其位置不动，然后移开电烙铁。在LED焊盘上涂抹少量焊膏，用镊子将LED放置在焊盘上。将预上锡的红色导线放在阳极上，并使用发夹将导线固定。如图所示，在大号烙铁头处添加焊料，然后将烙铁头压在连接处，直至LED基座上的焊料和焊膏熔化并呈现银色。制作LED导线时，将一段长度合适的4.76毫米热缩管套在导线上，再将一段3.18毫米热缩管套在导线与导线连接器上。剥离导线端部并添加助焊剂。使用辅助夹具将导线固定到导线连接器上，并将连接器一端与一根导线端部拧在一起。将材料焊接在一起，并以相同方式将另一根导线连接到装置上并进行焊接。然后用胶带将LED引线固定在帮助手工具上，位置位于LED底座下方。接着，按照制造商的说明混合环氧树脂，并将环氧树脂涂抹在焊接好的LED顶部。使用平头钻头，在将要安装LED的盒子顶部钻一个1.5厘米的孔，并使用高速旋转工具在孔的一侧开一个缺口，以便为LED导线留出空间。将一块25至30毫米的隐私膜用胶带粘贴在黑盒上，覆盖LED将要透光的孔洞，并将LED用胶带固定在黑盒外部，正对孔洞上方。对于四LED控制系统，在盒盖上钻四个直径为0.83厘米的孔，孔间距为3.81厘米，并使用高速旋转工具在左上角切割一个1.19厘米×1.90厘米的矩形孔。使用平口钻头在盒子背面钻一个1.5厘米的孔，并将护线环插入孔中。对于计算机控制的LED，需用砂纸打磨微控制器将要粘接的盒子区域以及微控制器支架的底面。将微控制器卡入支架后，使用环氧树脂将支架与盒子粘合，再将支架固定在黑色盒子内。然后在卡扣上贴上双面胶，并将卡扣固定在盒子内部。在转染表达光敏色素B但不表达藻青蛋白胆绿素的样本中，随着报告基因DNA量的增加，泄漏表达也随之升高。此外，当包含藻青蛋白胆绿素发色团合成质粒在内的完整光敏色素B基因开关系统受到远红光照射时，荧光素酶的表达也随转染体系中报告基因构建体含量的增加而升高。同样地，当光敏感细胞受到红光照射时，荧光素酶的表达亦随报告基因量的增加而上升。在比较红光处理细胞与远红光处理细胞的诱导水平时，随着报告基因量的增加，倍数激活程度略有下降。在构建电路时，必须严格遵循每一步操作，并在焊接每个元件之前逐行仔细核对针孔编号。本方案可用于利用多种波长对多种类型的样本或光遗传学工具进行光刺激，并支持编程控制照明时间表。

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Research

科研

JoVE Journal

Bioengineering

生物工程

为光遗传学实验构建简单通用的照明系统

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in vivo 光遗传学刺激啮齿类动物中枢神经系统

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本文介绍了一种构建组织穿透式照明装置的方案，该装置可实现大范围体积的光递送，同时具有最小的直径。...

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生物发光光遗传学2.0：利用生物发光激活光感受蛋白 体外 和 体内

本文介绍了用于光传递的光纤和用于神经记录的电极阵列组成的光遗传探针系统的制备方法。体内实验利用表达通道视紫红质-2的转基因小鼠，验证了该系统实现光遗传学刺激与电生理记录同步进行的可行性。...

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我们描述了一种可重复、自动化且无偏倚的成像系统，该系统利用人源工程化骨骼肌组织和光遗传学运动神经元来表征神经肌肉接头功能。该系统能够随时间对神经肌肉连接的功能进行定量分析，并可检测由神经毒素及重症肌无力患者血清引起的神经肌肉功能下降。...

构建与表征人源神经肌肉接头的光遗传学模型

本方案涉及转染cAMP传感器和一种光遗传学蛋白bPAC-nLuc，以精确追踪其在细胞内的分布及对光刺激的响应。利用点扫描系统构建cAMP响应图谱的创新方法，有望推动光遗传学蛋白在不同研究领域的应用进展。...

使用光刺激网格绘制光遗传学蛋白的细胞分布图

利用光遗传学手段调控信号通路，是研究发育、再生、稳态及疾病过程中信号如何被解码的一种强有力策略。本方案提供了在早期斑马鱼胚胎中使用基于光-氧-电压感应结构域的 Nodal...

斑马鱼胚胎中的光遗传学信号激活

学习构建用于光遗传学实验的多功能照明系统，利用红光和远红光精确控制基因表达。本方案提供详细的电路搭建、LED编程及自动化控制步骤，帮助研究人员以低成本实现可编程的光照调控。

构建用于光遗传学实验的简易多功能照明系统

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