Fabrication de l'étape du microscope pour l'observation verticale avec fonction de contrôle de la température

Engineering

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Summary

Présenté ici est un protocole à l'aide d'un stade de microscope à température contrôlée qui permet à un récipient d'échantillon d'être monté sur un microscope vertical.

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Matsukawa, Y., Ide, Y., Umemura, K. Fabrication of Microscope Stage for Vertical Observation with Temperature Control Function. J. Vis. Exp. (149), e59799, doi:10.3791/59799 (2019).

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Abstract

Les échantillons sont habituellement placés sur un stade de microscope horizontal pour l'observation microscopique. Cependant, pour observer l'influence de la gravité sur un échantillon ou étudier le comportement à flot, il est nécessaire de rendre le stade du microscope vertical. Pour ce faire, un microscope inversé sur le côté incliné par 90 degrés a été conçu. Pour observer les échantillons avec ce microscope, les contenants d'échantillon tels que la vaisselle Petri ou les lames de verre doivent être fixés à la scène verticalement. Un dispositif qui peut fixer des contenants d'échantillon en place sur une étape de microscope vertical a été développé et est décrit ici. L'attachement de ce dispositif à la scène permet l'observation de la dynamique de l'échantillon dans le plan vertical. La capacité de réguler la température à l'aide d'un chauffe-caoutchouc en silicone permet également d'observer les comportements de l'échantillon dépendant de la température. En outre, les données de température sont transférées à un serveur Internet. Les paramètres de température et la surveillance du journal peuvent être contrôlés à distance à partir d'un PC ou d'un smartphone.

Introduction

La microscopie optique est une technique utilisée pour augmenter les détails observables par grossissement d'un échantillon avec des lentilles et de la lumière visible. Dans la microscopie optique, la lumière est dirigée sur un échantillon, puis transmise, réfléchie ou la lumière fluorescente est capturée par des lentilles grossissantes pour observation. Différents types de microscope sont disponibles qui diffèrent dans la conception pour accueillir différentes utilisations et méthodes d'observation. Les différentes conceptions incluent un microscope droit, qui est structuré pour éclairer un échantillon d'en bas pour l'observation d'en haut, et un microscope inversé, qui éclaire l'échantillon d'en haut pour l'observation d'en bas. Les microscopes droits sont la conception la plus commune et largement utilisée. Les microscopes inversés sont souvent utilisés pour observer des échantillons qui ne peuvent pas permettre à une lentille de se rapprocher à distance du dessus, comme les cellules cultivées adhérentes au fond d'un récipient. De nombreux groupes de recherche ont rapporté des observations dans un large éventail de champs à l'aide de microscopes inversés1,2,3,4,5,6,7. Beaucoup d'appareils supplémentaires ont également été développés qui tirent parti des caractéristiques des microscopes inversés8,9,10,11,12,13 .

Actuellement, dans toutes les conceptions conventionnelles de microscope, l'étape de microscope est horizontale et est donc impropre à l'observation des échantillons produisant le mouvement dans le plan vertical, (en raison de la gravité, de la flottabilité, du mouvement, etc.). Pour rendre ces observations possibles, l'étape du microscope et le chemin de lumière doivent être tournés vers la verticale. L'étape verticale est nécessaire pour monter verticalement des glissières en verre ou des récipients d'échantillon tels qu'un plat De Petri à la scène. Pour remédier à cette situation, un microscope inversé sur le côté incliné par 90 degrés a déjà été conçu. Cependant, attacher des échantillons avec du ruban adhésif ou d'autres adhésifs ne donne pas l'immobilité nécessaire à long terme. Décrit ici est un dispositif qui peut atteindre la stabilité nécessaire. Ce dispositif permet l'observation au fil du temps du mouvement de l'échantillon dans le plan vertical. Le montage d'un chauffe-caoutchouc en silicium a également permis d'observer l'influence de la variation de température sur le comportement de l'échantillon. Les données de température sont transférées sur un serveur Internet par Wi-Fi, et les paramètres de température et la surveillance du journal peuvent être contrôlés à distance à partir d'un PC ou d'un smartphone. À notre connaissance, la scène attachée à un microscope incliné latéralement incliné par 90 n'a pas encore été rapportée dans les études précédentes.

L'étape du microscope est composée de trois plaques d'aluminium. La plaque d'aluminium du milieu est montée sur la plaque inférieure en aluminium qui se fixe à la scène. Le caoutchouc de silicone contenant le capteur de température est fixé entre les plaques d'aluminium du milieu et du haut. Des bandes de caoutchouc sont utilisées pour apposer l'échantillon. Les griffes sont fixées dans les quatre points gauche et droit de la plaque supérieure en aluminium pour fixer les élastiques. Le circuit de commande du régulateur de température reçoit un signal du capteur de température intégré dans le caoutchouc de silicone et module l'énergie électrique par la méthode de modulation de largeur d'impulsion (PWM). La température peut être augmentée progressivement à 50 oC par incréments de 1 oC. Cet appareil est utile pour les applications dans lesquelles les mouvements d'échantillons verticaux peuvent dépendre de la température.

Ce rapport fournit des exemples d'effets de température sur le phénomène flottant des diatomées. À titre d'exemples d'études d'observation de la diatomée, des mesures de la vitesse de sédimentation des amas cellulaires, des analyses de mouvement, des études de structure ultrafine, etc. ont été rapportées14,15,16,17 , 18 ans, états-unis qui , 19 ans, états-unis qui , 20 Ans, états-unis , 21 Ans, états-unis , 22 Ans , 23. La gravité spécifique des diatomées flottant dans l'eau avec des organismes photosynthétiques est légèrement plus élevée que celle de l'eau, de sorte qu'elles ont tendance à couler; cependant, ils augmenteront si même une légère convection se produit. Pour étudier ce phénomène, une glissière de verre est apposée verticalement à un stade de microscope, et les effets de l'augmentation de la température sur le mouvement vertical de la diatomée sont observés.

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Protocol

1. Conception

  1. Fabrication de plaques d'aluminium
    1. Couper un trou de 101 mm au centre d'une plaque d'aluminium de dimensions 150 mm x 200 mm x 2 mm à utiliser comme plaque de pointe avec une machine de traitement au laser. Griffes de machine à huit points pour apposer deux bandes de caoutchouc sur toute la longueur, ou deux sur toute la largeur de cette plaque (voir La figure supplémentaire 1A et la figure supplémentaire 2A).
    2. Couper un trou de 130 mm au centre d'une autre plaque d'aluminium de 150 mm x 200 mm x 5 mm qui servira de plaque supérieure moyenne avec une machine de traitement au laser. Machine huit encoches pour attacher des élastiques à deux points sur toute la longueur, ou deux sur toute la largeur de cette plaque (voir Figure supplémentaire 1B et Figure supplémentaire 2B).
    3. Couper un trou de 130 mm au centre d'une plaque d'aluminium de 150 mm x 200 mm x 4 mm qui sera utilisée comme plaque inférieure moyenne avec une machine de traitement au laser (voir Figure supplémentaire 1C et Figure supplémentaire 2C).
    4. Couper un trou de 30 mm au centre d'une plaque d'aluminium de 150 mm x 200 mm x 1,5 mm qui servira de plaque de base (voir Figure supplémentaire 1D et figure supplémentaire 2D).
  2. Fabrication de deux piédestaux en aluminium
    1. Couper un trou de 30 mm au centre de la plaque d'aluminium (100 mm de diamètre, 3 mm d'épaisseur) et faire un cran d'un côté avec les dimensions 42 mm de large x 30 mm de profondeur (voir figure supplémentaire 3A).
    2. Couper un trou de 30 mm au centre de la plaque dans une plaque d'aluminium (100 mm de diamètre, 4 mm d'épaisseur) et percer trois trous de 3 mm situés à 25 mm du centre, espacés à 120 degrés l'un de l'autre (voir Figure supplémentaire 3B).
  3. Fabrication de trois disques de liège pressés
    1. Couper un trou de 20 mm au centre du disque de liège pressé (100 mm de diamètre, 2 mm d'épaisseur) avec une machine de coupe à jet d'eau. Faire une coupe de 42 mm à travers x 30 mm de profondeur, puis une coupe de 4 mm de large x 5 mm de profondeur (voir Figure supplémentaire 4A).
    2. Couper un trou de 20 mm au centre du disque de liège pressé de dimensions 100 mm de diamètre, 1 mm d'épaisseur avec une machine de coupe de jet d'eau. Faire une coupe de 42 mm sur x 30 mm de profondeur, une coupe de 4 mm de large x 40 mm de profondeur (voir Figure supplémentaire 4B).
    3. Couper une plaque de liège pressée d'un disque de 100 mm de diamètre d'une largeur de 42 mm et d'une profondeur de 30 mm. Deux feuilles d'épaisseur de 1 mm et une feuille de 2 mm d'épaisseur sont nécessaires (voir Figure supplémentaire 4C).
  4. Fabrication de chauffage en caoutchouc en silicone
    1. Fabriquez un chauffe-eau à l'aide d'un disque de 100 mm de diamètre de 2,5 mm d'épaisseur en caoutchouc de silicium avec fil Nichrome intégré et coupez un trou de 20 mm au centre du disque (voir Figure supplémentaire 5).
  5. Assemblez les pièces décrites dans les étapes 1.1-1.4 en les empilant comme indiqué dans la figure 6 supplémentaire.
  6. Pour construire une étape de microscope, se référer à la figure supplémentaire 6, section transversale de l'étape de microscope. Fixer Equation 1 Equation 2 et Equation 3 , Equation 4 puis et avec des vis. Fixer Equation 4 Equation 5 et avec des vis. Fixer Equation 2 Equation 3 et Equation 6 Equation 5 , Equation 6 Equation 7 et Equation 7 Equation 8 , Equation 5 et Equation 9 , et , et , et avec adhésif.

2. Caractéristiques de conception de matériel

  1. Préparer un « circuit d'alimentation et de programmation » comme le montre la figure supplémentaire 7. Fournir 12 V DC au contrôleur de chauffage du terminal J4 connecté à l'adaptateur AC. Diminuer la tension de 12 V DC à 3,3 V DC pour l'alimentation du circuit à l'aide d'un régulateur parce que la tension d'alimentation CPU est de 3,3 V DC.
    REMARQUE: USB 1 est un terminal pour 5 V DC et signal en série de PC de développement. Bien que 5 V DC n'est pas essentiel, il est utilisé comme source d'énergie pour programmer le processeur. Celui-ci est également converti en 3.3 V DC par le régulateur. J1 est un terminal de signal de contrôle au moment de la programmation. Ce circuit est logé dans le cas du contrôleur indiqué dans la figure supplémentaire 8.
  2. Préparer un « circuit de contrôle du chauffage » comme le montre la figure supplémentaire 7. Passez à 12 V DC avec Q5 (canal P MOS FET) et fournissez-le au chauffe-eau. Q5 est un élément de commutation qui contrôle 12 V DC avec PWM pour ajuster la quantité d'énergie fournie au chauffe-eau.
    REMARQUE : Le circuit comprend une LED pour confirmer visuellement que la tension est fournie au chauffe-eau. Ce signal d'entraînement (HEATER-C) est un signal PWM du processeur. Lorsqu'un signal de surchauffe est détecté par le circuit de protection, le signal BREAKER passe à LOW et le fonctionnement du MOS-FET s'arrête. Ce circuit est logé dans le cas du contrôleur indiqué dans la figure supplémentaire 8.
  3. Préparer un « circuit de connecteur pour l'unité de chauffage » comme le montre la figure supplémentaire 7. Installez un connecteur USB pour une connexion à la section de chauffage.
    REMARQUE : Ce circuit est logé dans le cas du contrôleur indiqué dans la figure supplémentaire 8.
  4. Préparer un « circuit de connecteur pour capteur de température » comme le montre la figure supplémentaire 7. Montez le connecteur (Euroblock receptacle 2P) pour connecter le capteur de température.
    REMARQUE : Ce circuit est logé dans le cas du contrôleur indiqué dans la figure supplémentaire 8.
  5. Pour un convertisseur A/D comme indiqué dans la figure supplémentaire7, utilisez ADS 1015 comme un dispositif de conversion AD.
    REMARQUE : Le dispositif de conversion AD convertit les valeurs du capteur de température et du capteur de détection de surchauffe de la tension aux valeurs numériques. Il s'agit d'un dispositif de conversion AD multiplexer 12 bits et est connecté au processeur avec l'interface I2C. Ce circuit est logé dans le cas du contrôleur indiqué dans la figure supplémentaire 8.
  6. Faire un «circuit de protection» comme indiqué dans la figure supplémentaire 7 en connectant le capteur de détection de surchauffe (OHS) signal à l'entrée d'inversion de l'ampli OP. Comparez ce signal avec la tension de la résistance de tailleur reliée à l'entrée non inverti.
    1. Assurez-vous que lorsque la tension devient inférieure à la tension de la résistance de tailleur, la sortie de l'amplificateur OP va HIGH, le transistor NPN connecté Q2 tourne on et le signal BREAKER va LOW.
    2. Assurez-vous que dans le même temps, Q4 tourne ON et l'indicateur de surchauffe connecté LED D6 s'allume.
      REMARQUE : Ce circuit est logé dans le cas du contrôleur indiqué dans la figure supplémentaire 8.
  7. Pour une " section d'affichage " comme indiqué dans la figure supplémentaire 7, utilisez 192 x 64 points pour OLED. Connectez-vous avec le processeur via l'interface I2C.
    1. Réinitialiser l'OLED en séparant le GND de l'OLED par le signal CPU IO0 à l'aide d'un transistor NPN Q1 relié au GND de l'OLED.
      REMARQUE : Cet OLED affiche différents types d'informations. Ce circuit est logé dans le cas du contrôleur indiqué dans la figure supplémentaire 8.
  8. Pour un « encodeur LED et rotatif avec interrupteur de poussée » dans la figure supplémentaire7, montez un encodeur rotatif par soudure qui fonctionne comme un commutateur de poussée et intègre deux LED.
    1. Connectez une LED à VCC pour une utilisation comme LED de puissance. L'autre est connecté au processeur pour être utilisé comme indicateur pendant l'opération de chauffage.
    2. Utilisez un contact d'interrupteur de poussée pour le chauffage START/STOP qui est connecté au processeur. Connectez les sorties A et B de l'encodeur rotatif à l'entrée IO dans le processeur interrompu.
      REMARQUE : Ce circuit est logé dans le cas du contrôleur indiqué dans la figure supplémentaire 8.
  9. Pour le processeur dans la figure supplémentaire 7, utilisez le processeur de WROOM - 02D.
    1. Sortie de IO12, IO13 à l'unité d'affichage parce que l'interface de l'écran est de série I2C. Connectez IO0 à « l'unité d'affichage » et réinitialisez l'OLED.
    2. Connectez IO15 à « l'unité de commande de chauffage » et contrôlez la puissance fournie au chauffe-eau par la sortie de PWM.
    3. Connectez IO2 à " LED et encodeur rotatif avec interrupteur de poussée " et allumez la LED START. Connectez IO4 et IO14 à « led et l'encodeur rotatif avec interrupteur de poussée » et recevez les signaux (REA et REB) de l'encodeur rotatif pour déterminer la température fixée. Connectez IO5 à " LED et encodeur rotatif avec interrupteur de poussée " et démarrez/arrêtez le chauffe-eau.

3. Contour de conception de logiciel

  1. Utilisez Arduino CORE pour WROOM - 02D pour le processeur comme contrôleur pour ce système.
    REMARQUE : En tant qu'appareils d'entrée, l'interrupteur de démarrage/arrêt, l'encodeur rotatif, le capteur de température (thermistor) sont utilisés. Comme dispositifs de sortie, une LED, un affichage de caractère (OLED), et un chauffe-eau sont utilisés. Le dispositif de communication utilise le Wi-Fi.
  2. Aperçu de l'opération
    1. Détectez le fonctionnement de l'encodeur rotatif comme indiqué dans le lecodeur LED et rotatif avec l'interrupteur de poussée dans la figure supplémentaire 7, le stocker comme la température fixée, et l'afficher sur l'OLED. Définir le terminal d'entrée du processeur auquel les terminaux de phase REA et REB sont connectés comme un terminal d'entrée d'interruption et traiter la rotation (avant et inverse) de l'encodeur rotatif par interruption. Fixez-le à 1 pour la rotation vers l'avant et à -1 pour la rotation inverse. Écrivez la température de l'ensemble à la variable globale et utilisez-la pour le contrôle de la température du chauffe-eau. En même temps, mettez à jour l'affichage de la température de l'OLED.
    2. Identifiez le démarrage et l'arrêt par CPU IO 5 par commutateur de démarrage/arrêt (SW-S) comme indiqué dans le processeur de la figure supplémentaire 7. L'état de l'interrupteur de démarrage/arrêt est un processus d'interruption de minuterie tous les 50 ms.
      REMARQUE : Étant donné que le commutateur est un interrupteur momentané, il inverse l'état de démarrage/arrêt lorsqu'il est poussé et relâché. Cet état est stocké dans la variable globale.
    3. Utilisez un thermistor pour le capteur de température. Lisez les valeurs mesurées du capteur d'échantillon (se référer au « circuit de connecteur pour la connexion de chauffage » dans la figure supplémentaire 7) dans le processeur après convertisseur A/D (se référer au « convertisseur A/D » dans la figure supplémentaire 7). Fournir le courant au chauffe-eau en allumant le port IO15 dans le "CPU" de la figure supplémentaire 7.
      REMARQUE : Il existe deux types de capteurs de température. L'un est utilisé pour mesurer la température de l'échantillon et contrôler le chauffe-eau sur la température fixe, et l'autre est attaché à un chauffe-eau et utilisé pour la prévention de la chaleur. Connectez le thermistor à 3.3 V via une résistance et enregistrez le changement de résistance comme un changement de tension. Supprimer un bruit par la méthode moyenne mobile.
    4. Utilisez un thermistor pour le capteur de température de prévention de la température. La détection de la surchauffe est effectuée à l'aide d'un thermistor (R2) (« circuit de connecteur pour la connexion de chauffage » dans la figure supplémentaire 7), et lorsque la valeur de l'ensemble est dépassée, le courant de chauffage est coupé (« circuit de protection » dans la figure supplémentaire 7).
      REMARQUE : Ce capteur est incorporé dans un circuit et non par le processeur. Ce capteur est indépendant du processeur et comparé à la valeur de résistance fixée par le tailleur de résistance par un amplificateur différentiel d'une manière analogique. Lorsqu'il détecte que la température a dépassé la valeur fixe, il intervient dans l'interrupteur FET, qui contrôle le courant vers le chauffe-eau et arrête de force l'alimentation actuelle. Le but est d'empêcher la température du chauffe-eau de dépasser un certain niveau, même dans une situation où le processeur ne fonctionne pas correctement.
    5. Allumez la LED dans le "LED et l'encodeur rotatif avec interrupteur de poussée" de la figure supplémentaire 7 par le processeur (dans le "CPU" de la figure supplémentaire 7), lorsque l'équipement est en service.
    6. Afficher la température et la valeur mesurée de l'OLED dans la « section affichage » de la figure supplémentaire 7 par le processeur (dans le « Processeur » de la figure supplémentaire 7).
    7. Conduisez l'interrupteur FET dans le « circuit de commande de chauffage » de la figure 7 supplémentaire avec PWM du processeur pour commander le chauffe-eau.
    8. Contrôlez le chauffe-eau par PID, en fonction des températures mesurées acquises par le capteur de température. Utilisez la bibliothèque pid-v1.h d'Arduino pour le traitement du PID.
      REMARQUE : Le processeur étalonne le temps, communique avec le serveur, transmet des données et reçoit des instructions du serveur. Lorsque la température du capteur dépasse la température fixée, le courant vers le chauffe-eau est réglé à 0, et la remise des gaz est supprimée.
    9. Utilisez la fonction de connexion Wi-Fi intégrée du processeur et connectez-vous à Internet. Transmettez la température, la température du chauffe-eau, etc. au serveur désigné par Wi-Fi.

4. Configuration du système

  1. Construire le système selon la figure supplémentaire 9.
  2. Équipez un Wi-Fi avec le contrôleur.
  3. Utilisez un thermistor comme capteur pour la mesure de la température. Connectez le fil thermistor au terminal "SENSOR" sur le boîtier du contrôleur. Recevez le signal de température mesuré par le thermistor.
  4. Connectez un stade de microscope incorporant le chauffe-caoutchouc et le «HEATER» du boîtier du contrôleur avec un câble dédié. Contrôlez le courant jusqu'au chauffe-caoutchouc.
  5. Modifier la température de réglage avec le bouton sur le contrôleur.
    REMARQUE : La surveillance du journal de température, le réglage de la température peuvent être actionnés à distance à partir d'un PC ou d'un smartphone.
  6. Transférez la température mesurée, la température de définir, et l'information de temps à la mesure du contrôleur au serveur par l'intermédiaire de l'Internet. Le temps du cycle de mesure des données est de 5 s et le temps de cycle pour le transfert de données vers le serveur est de 1 min.
  7. Accédez au serveur du côté du contrôleur à intervalles réguliers et transférez les données de mesure stockées dans le processeur du contrôleur vers le serveur pour analyse et graphique.
  8. Consultez le matériel supplémentaire pour savoir comment faire fonctionner le serveur.

5. Conception du microscope inversé sur le côté

  1. Fixez verticalement deux plaques d'aluminium de 15 mm d'épaisseur avec des vis pour créer une monture de base.
  2. Fixez un gabarit (un endroit) à la partie horizontale de la monture de base.
  3. Placez la partie de l'étape du microscope verticalement, attachez les gabarits (deux endroits) à la partie verticale du support de base et fixez le bas du microscope au support de base.
  4. Fixer l'étape du microscope avec des vis.

6. Méthode de fonctionnement

REMARQUE : Ici, l'échantillon utilisé est un mélange de culture liquide bold Modified Modified Freshwater Nutrient Solution, de métasilice de sodium, de vitamines et d'eau stérile. 800 l de cet échantillon sont dilués dans 10 ml de milieu d'eau douce.

  1. Méthode d'observation
    1. Injecter 1 000 l'échantillon préparé dans une chambre en verre autofabriquée.
      REMARQUE : La chambre en verre auto-faite dispose deux verres de glissière en parallèle et les fixe avec un adhésif. Un plat Petri normal a une grande épaisseur et les cellules s'échappent dans la direction de profondeur dans la chambre, ce qui rend difficile à observer avec un microscope. Pour éviter cela, la chambre avec une petite direction de profondeur est faite, ce qui permet d'empêcher les cellules de s'échapper dans la direction de profondeur dans la chambre. Un adhésif en résine époxy curable à basse température est utilisé pour se lier autour du verre pour empêcher l'échantillon de tomber de la chambre.
    2. Fixez une caméra vidéo préparée séparément au microscope. Connectez une caméra vidéo à l'aide de l'adaptateur d'objectif dédié au microscope et tirez sur l'échantillon.
    3. Utilisez un microscope avec un oculaire 10x et objectif 200x.
    4. Fixez le stade vertical du microscope à un microscope à quatre endroits avec des vis de 4 mm.
      REMARQUE : Se référer à la figure 1A supplémentaire et à la figure 2A supplémentaire pour concevoir des dessins de plaques d'aluminium. Dans cette expérience, un microscope inversé a été utilisé. Celui-ci a été incliné par 90 degrés, et l'étape fabriquée de microscope a été fixée avec des vis. Se référer à la figure 1.
    5. Fixer l'échantillon avec deux élastiques à l'aide des quatre griffes fabriquées dans le sens de la longueur. Placer un échantillon sur un stade de microscope perpendiculaire à la surface du sol.
    6. Régler la température à 40 oC avec le contrôleur indiqué dans la figure supplémentaire 8. Tournez le bouton du contrôleur pour définir la température. Vérifiez la température de l'écran. Appuyez sur le bouton pour démarrer le contrôle de la température, et la LED bleue s'allume. Appuyez à nouveau sur le bouton pour éteindre la LED et arrêter le contrôle de la température.
      REMARQUE : La température mesurée est affichée en temps réel, et le chauffe-eau est contrôlé pour atteindre la température fixée. Lorsque le contrôle de la température démarre, la LED bleue s'allume et le reste pendant que le chauffe-eau est en marche. Lorsque le chauffe-eau surchauffe, les lumières LED rouges, et le chauffage s'arrête automatiquement.
    7. Reportez-vous à "The Server Operation Manual" dans les informations supplémentaires pour le fonctionnement du serveur.
      REMARQUE : Un serveur pour le stockage de données est nécessaire. La base de données du serveur utilise My-SQL.

7. Mesure de la répartition de la température de surface du chauffe-caoutchouc

  1. Mesurer la répartition de la température de surface du chauffe-eau en caoutchouc par thermographie pour vérifier l'uniformité de la température.
  2. Fixez l'étape du microscope qui a incorporé un chauffe-caoutchouc avec un support.
  3. Modifier la température de réglage de la surface du chauffe-caoutchouc à 35 oC, 45 oC, 55 oC et 65 oC, et mesurer par la thermographie de l'avant (voir la figure supplémentaire 10).

8. Test de réponse à la température

  1. Démarrer le contrôle de la température en réglant la température de l'échantillon à 30 oC. Attendez que la valeur de mesure atteigne 30 oC et se stabilise. Augmenter la température préfixée de 5 oC de 30 à 50 oC et attendre que la valeur mesurée se stabilise après la température préfixée respective.
  2. Diminuer la température préfixée de 5 oC de 50 à 30 oC et détecter la capacité de suivi de la valeur mesurée.

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Representative Results

La figure 2 montre la répartition de la température du chauffe-caoutchouc. La température de surface du chauffe-caoutchouc était uniforme à chaque température. La figure 3 montre la réactivité de la température mesurée pour définir les changements de température. La ligne orange indique la température de l'ensemble et la ligne bleue indique le changement de la température de l'échantillon. Le dépassement de la valeur mesurée à la modification de réglage est faible et le suivi est rapide.

Des cellules diatomées ont été observées pour fournir un exemple spécifique de l'utilisation de ce dispositif. L'analyse de trajectoire des cellules diatomées mobiles est une approche utile pour évaluer la motilité des cellules diatomées. Cependant, bien qu'un microscope inversé normal observe l'échantillon horizontalement, il n'est pas approprié pour l'observation de l'influence de la gravité ou du mouvement flottant dans la direction verticale.

Dans cette expérience, l'étape du microscope avec contrôleur de température a été fixée à un microscope inversé qui avait été tourné à 90 degrés. Le mouvement vertical dépendant de la température des diatomées a été enregistré avec succès. Avec cette méthode, le locus du mouvement vertical des diatomées a été détecté comme indiqué dans la figure 4. À la suite de l'observation avec 100 individus de diatomées, la vitesse moyenne était de 7,01 m/s à température ambiante et de 470,1 m/s à 40 oC. Les effets de la convection thermique sur le phénomène flottant vertical des cellules diatomées ont été visualisés par observation directe.

Figure 1
Figure 1 : Photographie de l'appareil fixé au stade du microscope. Apparition de l'appareil fixé au stade du microscope. L'appareil est fixé au stade du microscope avec quatre vis. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2 : Répartition de température du chauffe-caoutchouc. La distribution du chauffe-caoutchouc mesurée par thermographie. La température du chauffe-eau a été changée par étapes, passant de la température ambiante à 35 oC, 45 oC, 55 oC et 65 oC. La température était uniformément répartie sur le chauffe-eau à chaque température. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3
Figure 3 : Réactivité du signal de température. Cela indique la réponse lorsque la température de l'ensemble est relevée de 30 à 50 oC et abaissée de 50 à 30 oC. La température de l'ensemble a été modifiée par incréments de 5 oC. Dans l'état stable, la température mesurée est à moins de 1,5 oC de la valeur fixée. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4
Figure 4 : Le lieu du mouvement de la diatomation. Les trajectoires verticales du mouvement de la diatomée dues aux changements de température ont été tracées. Les lignes bleues montrent les trajectoires des cellules diatomées à 25 oC pour 27,06 s et à 40 oC pour 0,2 s. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 1
Figure supplémentaire 1 : Dessin de conception de plaques d'aluminium (avec dimensions). (A) La plaque est de 2 mm d'épaisseur x 150 mm de large x 200 mm de long, avec un trou centré de 101 mm de diamètre pour permettre l'insertion du chauffe-caoutchouc. Chaque bord de plaque a deux griffes usinées auxquelles des élastiques peuvent être attachés pour fixer des échantillons sur la scène. Pour attacher cette étape verticale à un microscope à vis de 4 mm, des trous de vis de 4,2 mm sont percés à quatre endroits symétriquement entourant le trou central. (B) La plaque est de 5 mm d'épaisseur x 150 mm de large x 200 mm de long, avec un trou centré de 130 mm de diamètre. Emplacements d'encoche de machine pour assortir des emplacements de griffe sur la plaque d'avant-garde pour permettre l'attachement des bandes en caoutchouc échantillon-sécurisation à travers la scène. Pour l'attachement de la scène à un microscope, quatre trous de vis de 4,2 mm sont percés à des endroits correspondants à ceux de la plaque avant-garde. (C) La plaque est de 4 mm d'épaisseur x 150 mm de large x 200 mm de long, avec un trou centré de 130 mm de diamètre. Une travée de 30 mm est découpée du centre de la face droite de 200 mm de la plaque, à la profondeur du trou central. Ce but de la découpe est de permettre l'attachement du connecteur de chauffage sur le côté droit. Dans les mêmes positions que dans la plaque avant-garde, quatre trous de vis de 4,2 mm sont percés pour l'attachement de la scène à un microscope. (D) La plaque est de 1,5 mm d'épaisseur x 150 mm de large x 200 mm de long, avec un trou centré de 30 mm de diamètre. Dans les mêmes positions que dans la plaque avant-garde, quatre trous de vis de 4,2 mm sont percés pour l'attachement de la scène à un microscope. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure supplémentaire 2 : Conception de dessins de plaques d'aluminium (sans dimensions). Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3
Figure supplémentaire 3 : Dessin de conception de piédestaux en aluminium. (A) A ) Pour être installé sur le côté supérieur : le diamètre est de 100 mm, l'épaisseur est de 3 mm. Un trou de 30 mm de diamètre est percé au centre et une découpe de 42 mm de largeur x 30 mm de profondeur est faite d'un côté. (B) Pour être installé sur le côté inférieur : le diamètre est de 100 mm, l'épaisseur est de 4 mm. Un trou de 30 mm de diamètre est percé au centre, et trois trous de 3 mm ont été placés à 120 degrés l'un de l'autre à une distance de 25 mm du centre. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4
Figure supplémentaire 4 : Dessin de conception de disques de liège pressés. (A) A ) A être installé sur le côté supérieur entre le chauffe-caoutchouc de silicium et le piédestal supérieur en aluminium : le diamètre est de 100 mm, l'épaisseur est de 2 mm. Un trou de 20 mm de diamètre est percé au centre, et deux coupes (42 mm de large x 30 mm de profondeur, 4 mm de large x 40 mm) sont faites à angle droit les uns aux autres sur les côtés du disque. (B) Pour être installé sur le côté inférieur entre le chauffe-caoutchouc de silicium et le piédestal inférieur en aluminium : le diamètre est de 100 mm, l'épaisseur est de 1 mm. Un trou de 20 mm de diamètre est percé au centre. (C) Ce support est de 42 mm de large et 30 mm de profondeur, et coupé à partir de la circonférence d'un disque de 100 mm de diamètre. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 5
Figure supplémentaire 5 : Spécification du chauffe-caoutchouc en silicone. Le diamètre est de 100 mm et l'épaisseur est de 2,5 mm. Un trou de 20 mm de diamètre est percé au centre. L'alimentation est de 12 V, avec une capacité de charge de 18 W. Le chauffe-eau se compose de fil Nichrome, avec un fil de plomb relié à l'électrode. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 6
Figure supplémentaire 6 : Section transversale de l'étape du microscope. Il s'agit d'une vue sectionnelle de l'étape du microscope. Le piédestal en aluminium est fixé à la plaque d'aluminium arrière et le chauffe-caoutchouc est installé sur la surface extérieure. Le liège pressé est installé pour l'isolation entre le chauffe-caoutchouc et le piédestal en aluminium. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 7
Figure supplémentaire 7 : Détails du diagramme du circuit. Cela indique le circuit construit dans le contrôleur. Le diagramme de circuit est divisé en neuf parties selon les fonctions individuelles. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 8
Figure supplémentaire 8 : Dessin de conception du cas de contrôleur en plastique. Les dimensions sont de 143,9 mm de longueur x 85,3 mm de profondeur x 25 mm de largeur. Le bouton de réglage de la température, la lampe de fonctionnement/surchauffe et l'indicateur sont situés sur le boîtier du contrôleur en plastique. La température peut être réglé en observant l'indicateur en tournant le bouton de réglage. En poussant ce bouton démarre le contrôleur de température. La température mesurée est affichée en temps réel, et le chauffe-eau est contrôlé de sorte qu'il atteigne et maintient la température fixée. Lorsque le contrôleur de température est allumé, la LED bleue s'allume et reste allumée pendant que le chauffe-eau est en marche. Lorsque le chauffe-eau surchauffe, la LED rouge s'allume et le chauffe-eau s'arrête automatiquement. Appuyer sur le bouton du contrôleur de température à nouveau l'arrêtera. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 9
Figure supplémentaire 9 : Configuration du système. L'étape du microscope avec un contrôleur incorporé est reliée au chauffe-caoutchouc avec un câble dédié. Des signaux de température de l'échantillon mesurés sont reçus, et le courant vers le chauffe-caoutchouc est transmis par le contrôleur. Les signaux mesurés du contrôleur sont envoyés sans fil au serveur via le routeur Internet. Le serveur compile les données de mesure pour l'analyse et le graphique. La surveillance du journal de température et les paramètres de température peuvent être contrôlés à distance via un PC ou un smartphone. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 10
Figure supplémentaire 10 : Mesure de la répartition de la température par thermographie. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

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Discussion

L'analyse de trajectoire des cellules de diatomée mobiles est une approche utile pour évaluer la motilité de diatomée. Cependant, bien qu'un microscope inversé normal observe des échantillons horizontalement, il ne convient pas aux observations de l'influence de la gravité ou du mouvement flottant dans la direction verticale. Développé et décrit ici est une étape de microscope vertical avec le contrôle de la température et attaché à un microscope inversé, qui a été tourné par 90 degrés. Cette étape de microscope avec le contrôle de température permet l'observation du mouvement vertical dépendant de la température des cellules de diatom.

Une étape critique dans le protocole est la conception du circuit du contrôleur. Un circuit de disjoncteur a été mis en place pour assurer la sécurité. Lorsque le capteur est déconnecté de l'échantillon ou que le microcontrôleur ne fonctionne pas correctement, le courant du chauffe-eau est coupé par un circuit différent du microcontrôleur.

Depuis que le système de contrôle a adopté le système PID pour contrôler le courant du chauffe-eau, une technique pour trouver le paramètre optimal de la MIP est nécessaire. Par rapport à la méthode existante, le fonctionnement à distance et la surveillance sont possibles par la fonction Wi-Fi, la collecte de données sur un serveur, et la fonction de réglage de la température. Comme la structure de la partie scénique attachée au microscope est compliquée, la simplification de cette structure justifie une étude future.

Cet équipement utilise un chauffe-eau pour augmenter la température, mais le refroidissement n'est pas alimenté; par conséquent, la température fixée ne peut pas être inférieure à la température ambiante. Les échantillons de refroidissement à des températures inférieures à la température ambiante nécessiteront un dispositif de refroidissement compliqué, qui est à l'étude pour les travaux futurs.

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Disclosures

Les auteurs n'ont aucun conflit à divulguer.

Acknowledgments

Les auteurs n'ont aucune reconnaissance.

Materials

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

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