Summary
荧光显微镜及成像流式细胞仪检测工具，一个手机上使用紧凑和具成本效益的光流体附件的整合，我们回顾我们最近的研究结果。这些手机的微观分析设备可能是有益的，如流式细胞仪分析，以及高通量筛选，例如，水样在资源有限的环境中执行各种细胞计数任务。
Abstract
荧光显微镜和流式细胞仪被广泛应用于生物医学研究和临床诊断的工具。然而，这些设备一般比较笨重和昂贵，使得他们在资源有限的环境。为了解决这些潜在的限制，我们最近展示了集成的宽视场荧光显微镜及成像流式细胞仪检测工具，蜂窝电话用小型，轻重量和成本效益的光流体附件。在我们的流式细胞仪的设计中，荧光标记的细胞通过微流体通道被定位高于现有的手机相机单元被刷新。电池供电的发光二极管（LED）是对接耦合到该微流体芯片的一侧，它有效地作为一种多模式平板波导，其中的激发光被引导至均匀地激发荧光靶。手机的摄像头记录时间的推移电影的荧光细胞流经的微流体通道，在那里该数字这部电影的帧处理的标记的细胞的数量进行计数感兴趣目标溶液内。使用类似的光流体设计，我们也可以形象这些荧光标记的细胞在静态模式下， 例如夹在两片玻璃幻灯片的荧光颗粒和荧光图像捕捉他们使用手机的摄像头，可以实现空间分辨率，如 〜一个非常大的字段的图〜81毫米2的 10微米以上。该手机为基础的荧光成像流式细胞仪和显微镜平台可能是有用的，尤其是在资源有限的环境中， 例如点算的CD4 + T细胞向HIV（+）患者的监测或检测饮用水中的水传播的寄生虫。
Introduction
显微镜和流式细胞仪技术被广泛应用于1-12在生物医学和科研以及临床诊断为不同类型的细胞计数和表征。然而，常规的显微镜和流式细胞仪检测仪器是相对复杂和昂贵的，这限制了它们的使用，主要是行之有效的中央实验室。最近，我们已经开发出一款轻盈，小巧的荧光成像仪和显微镜设备集成在一个手机，13,14这表明承诺，符合成本效益的翻译荧光显微镜，流式细胞仪和相关的微分析技术，资源有限的环境各种远程医疗应用，影响了全球的健康。
在的光流体流式细胞仪的配置（ 例如，参见图1C和1D），定制设计的基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的微流体通道是positioned的前面的手机相机单元，其中发光二极管（LED）是对接耦合的通道的边缘。这种微流体芯片，与里面的液体试样一起，形成一个光电流体的平面波导（例如，PDMS-液体-PDMS组成的），使得激发光被引导，均匀地泵的微通道内的荧光标记标本。从这些标记的对象， 例如 ，细胞的荧光发射，进一步正确放置后，手机相机单元通过一个附加的透镜成像的，被映射到蜂窝电话的互补金属-氧化物-半导体（CMOS）图像传感器。由于收集荧光发射垂直于到激励光路径，廉价的塑料吸收滤波器是足以除去散射的激励光，并能提供一个体面的暗视场的背景荧光成像所需。使用类似的光电流体设计，我们也可以图像的荧光物体在stat集成电路模式（参见图1A和图1B），在该荧光体颗粒被夹在两片玻璃之间的滑动，而不是从这些荧光发色粒子的微流体通道和荧光发射流经由蜂窝电话的CMOS图像传感器，用于颗粒计数和捕获表征。根据不同的应用需求，流式细胞仪和宽视场荧光显微镜可以选择。例如，手机流式细胞仪的移动设备可以是用于筛选大量的稀有细胞或病原体的检测液体样品（ 例如几毫升）特别有用。
在这个手稿中，我们将回顾一些我们最近的研究结果荧光显微镜及成像流式细胞仪检测工具，一个手机上使用紧凑和具成本效益的光流体附件的整合。这些基于手机的微分析，成像仪和传感平台可以提供各种机会，远程医疗和护理点的诊断，尤其在资源有限的世界各地区对全球卫生挑战的斗争。
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Protocol
在本节中，我们介绍了实验方案，为我们的手机为基础的宽视场荧光显微镜13日和光电流体成像仪平台14。我们将使用荧光微球和荧光标记的白血细胞，以测试这些影像平台。
A.制备手机的宽视场荧光显微镜及光电流体成像流式细胞仪
手机为基础的宽视场荧光显微镜或流式细胞仪由两个主要部分组成：摄像头手机和紧凑的光流体添加附件。
1。在拍照手机
虽然技术是适用于几乎所有的拍照手机，我们选择了索尼埃里克森艾诺作为这些设备的基础。这种手机有一个〜800万像素的RGB CMOS传感器，它安装在一个内置镜头的焦距（1）〜4.65毫米。 2。宽视场荧光显微镜的光流体附件
光学附件设计的Autodesk和打印的尺寸精英3-D打印机使用ABSplus热塑性材料。在该印刷过程中，模型和载体材料在打印机内的挤压头被加热，并建模基料层上的沉积层。当这一步完成后，辅助材料可被溶解，留下一个强大的3D模型所需的原型，我们的光学附件的设计包括发光二极体（中心波长在〜470 nm，DIGIKEY），塑料过滤器（NT54-46，埃德蒙光学元件），一个样品盘，和一个平凸的透镜 f 2 = 15毫米（＃NT45-302，爱特蒙特光学）。荧光光谱的基础上，所有的LED和塑料过滤器可以很容易地改变。该光电流体附件组装的步骤包括：
- 到安装在其特定的透镜支架的位置，将镜头。
- 将塑料过滤器的过滤器托盘上，将其滑入附件或磁带的塑料滤光器在手机相机镜头前的。
- 将LED托盘附件。
- 将样品置于载玻片到样品盘。将样品盘到附件。面对朝向样品的LED。
- 剪辑附件到蜂窝电话，例如，额外的透镜是直接在触摸与手机相机透镜。
- 使用附件上的开关打开的LED。
- 图片样品的兴趣使用手机的摄像头单元的“夜间模式”。
3。荧光成像流式细胞仪光电流体附件
当有需要筛选大量罕见的事件的检测液体样品，光流体的流式细胞仪的移动设备可以被优选的。我们可以修改我们的宽视场荧光显微镜的设计，并把它转换成流式细胞仪，W基于的PDMS的微流体通道在这里是用于通过成像容积不断提供的液体试样。光学附件的设计也由Autodesk和精英的3-D打印机打印的尺寸。它还包括发光二极体（DIGIKEY在〜470 nm，中心波长），塑料过滤器（＃，爱特蒙特光学NT54-46），一个样品盘，和一个非球面透镜（= 4.5毫米）（产品＃C230TME-甲; Thorlab）。该光电流体附件组装的步骤包括：
- 的非球面透镜放置到该附件。
- 将塑料过滤器的过滤器托盘上，将其滑入附件或磁带的塑料滤光器的手机相机镜头前。
- 将光电流体连接到同一个微流体通道。
- 剪辑附件到蜂窝电话，使得额外的透镜是直接在触摸与手机相机透镜。
- 使用附件上的开关打开的LED。
- 将微流体集成电路通道的注射器泵，在以恒定的流速，并提供到微流体装置中的液体试样。
- 捕获电影的荧光细胞/颗粒流经微流体通道，使用手机的摄像头的视频模式。
B.样品制备
4。的荧光微粒样品的制备
- 荧光珠用10微米直径的（红色小珠：＃F8834激发/发射580nm/605nm产品;绿色小珠：产品＃F8836：激发/发射505nm/515nm）购自Invitrogen（卡尔斯巴德，加利福尼亚州）。
- 混合绿色荧光珠，与40μlDI水的红色荧光珠的10微升10微升。
- 此珠的混合物在载玻片上，用微量吸移管，并把它的顶部上，以使一个三明治结构的另一个载玻片place10微升。
- 将这种三明治结构样品盘和滑动到手机附件。
5。制备荧光标记的白血细胞
- 就拿SYTO16核酸的荧光标记试剂盒（＃S7578，生命技术）和磷酸盐缓冲盐水（PBS），从冰箱，并为他们带来至室温。
- 从EDTA血液收集管200微升的全血样品转移到1.5毫升聚苯乙烯试管中（＃05-408-129，Fisher Scientific）的。
- 加入1毫升的红血细胞裂解缓冲液（＃R7757，Sigma-Aldrich公司），以200μL全血样品和调匀。
- 5分钟后，离心分离溶解的血液样品，并除去上清液的溶液。
- 的白血细胞沉淀重悬到200μl的PBS缓冲液中，并轻轻混合。
- 加入5μl1mM的SYTO16溶液的白血细胞样品。包裹样品与铝箔和孵育〜30分钟在黑暗的环境。
- 再次离心样品。移去上层清液和标记的白血细胞沉淀重新悬浮到PBS缓冲液中。
- 将5-10微升标记的白血细胞的液体试样的盖滑移，样品的顶部放置一个第二盖滑移。
- 夹持的样品玻片插入到样品托盘和图像使用蜂窝电话的荧光显微镜。
另外
- 不断提供的荧光标记的白血细胞通过微流体通道，使用一个自动注射器泵，同时也捕获在视频模式中使用的蜂窝电话的摄像头的流动细胞的荧光显微镜的电影。我们还应该强调的是，可利用的便携式电池供电的注射器泵甚至重力驱动流过微流体通道。
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Representative Results
我们的光流体泵/激励计划（ 图1C和1D），荧光标记的细胞可以连续使用注射器泵输送到微流体通道，同时手机的摄像头记录随时间推移的流动细胞的荧光显微镜电影。然后，可以快速分析这些荧光电影使用轮廓检测和跟踪算法14,15自动确定的绝对数量和通过微流体通道中流动的细胞密度，同时荧光摄像功能的流式细胞仪。基于上述描述的平台（ 图1C和1D）和样品制备协议，我们表明总的白血细胞（白血球）在人类血液样本的精确计数，实现对一个标准的血细胞分析仪的可比较的结果。14另外，我们可以图像的荧光细胞/颗粒在静态模式中，13个这样的，没有任何流体的流量，实现一个非常大的样本场的图如 〜81毫米2〜10微米的空间分辨率，如例如 图2和图3中示出。通过设计一个更复杂的透镜系统，可以降低光学像差的来源。另外，它也可以被部分校正通过数字图像处理的特征的像差的来源及其空间格局。
图1（A）示意图和（B）的手机为基础的宽视场荧光显微镜图片13（C）示意图（D）一个基于手机的成像流式细胞仪图片14 点击此处查看大图 。
图2。我们的基于手机的荧光显微镜13的性能特点是成像荧光微球（直径为10微米的绿色和红色的珠子，红色的珠子激发/发射：580 nm/605 nm处，绿色珠激励：505 nm/515 nm的）。一个体面的图像质量，取得了一个字段的视图〜81毫米2，（A，B，C）。本场中央的视图的边缘走向，有象差的地区， 如 （DE）。
图3。顶部图像：手机荧光标记的白血细胞的图像13（A-1）：手机数字缩放图像的荧光标记的白血细胞，从最佳图像裁剪。 （A-2）：压缩解码的结果18，用于（A-1）中所示的蜂窝电话的图像。 （A-3）：常规的荧光显微镜（10X目标，NA = 0.25）的比较相同的视场图像。
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Discussion
我们已经提出了我们的最近的结果基于宽视场荧光显微镜及光电流体成像流式细胞仪使用重量轻和紧凑的光电流体附件的手机相机手机。利用这个平台技术，包括微颗粒和全血样品中标记的白血细胞成像荧光物体。因此，此结构紧凑，成本效益的手机基于荧光成像工具包可能是有用的点 - 对 - 护理诊断，尤其是在资源有限的地区为打击各种全球性健康问题，如HIV +病人监测他们的CD4 +Ť淋巴细胞计数。
除了 分析体液，相同的手机为基础的光流体术平台，也可以是其他检测的需求，如在资源有限的环境中， 例如水/食品质量监测的荧光免疫定量非常有用。为此，我们最近演示nstrated敏感，特异，快速检测大肠埃希氏菌O157：H7大肠杆菌（E. coli）中的水和牛奶样品使用相同的的光流体手机附件16。我们利用表面功能化玻璃毛细管特别敏锐地捕捉E.液体样品中的大肠杆菌颗粒，流过每个毛细管。这些捕获E.大肠杆菌颗粒与量子点（QD）标记的二抗标记。从这些官能化的毛细管，然后检测到的荧光发射使用光电流体手机成像平台和集成的荧光强度被用来估计所捕获的大肠杆菌的密度沿毛细管的长度大肠杆菌目标溶液中颗粒随着这种光电流体的方法，我们证明〜5-10在水和牛奶样品16 CFU / ml的检出限为。
最后，我们应该注意，根据对T他的应用需求，这个平台的光学放大倍数和分辨率可以通过改变F / F 2， 其中 ，f是焦距，手机相机透镜和 f 2的外部透镜的焦距（ 图1A）被调谐。在除了系统倍率，我们也应注意的LED的托盘和相关联的过滤器，可以容易地改变为不同的颜色，以适应各种荧光团甚至免疫色谱检测可能会在特定应用中使用。17
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Disclosures
奥兹坎博士是一个初创公司的创始人，其目的是商业化计算和显微镜成像工具。
Acknowledgments
A.奥兹坎衷心感谢支持总统早期职业科学家和工程师奖（PECASE），美国陆军研究办公室（ARO）青年研究者奖，美国国家科学基金会（NSF）CAREER奖，美国海军研究办公室（ONR）青年研究者奖美国国立卫生研究院（NIH）主任的新的的创新奖DP2OD006427从办公室的主任，美国国立卫生研究院。
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 |
References
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