製品活用例

高通量定序

使用IDS USB以及GigE工业相机的实验室自动化解决方案

使用IDS USB以及GigE工业相机的实验室自动化解决方案

实验室越来越被要求要在降低成本以及劳动力的同时,还需要提供更快,更即时的科学发现。对于自动化的解决方案的需求越来越重,并且伴随着不断增加的样本数量,同时需要缩短处理程序的时间让机器人的分析在生物分析技术中越来越具有吸引力。这同时也是自动化高通量定序处理流程的案例。这是一种大量的样本基过有系统的针对特別的标準的测试方式。Karlsruhe Institute for Technology (KIT) 开发了一套模块化实验室机器人系统,用来进行单调的工作动作。以往都是由人工进行的检测与分析的任务由IDS工业相机搭配Labview所取代,并且采用最先进的机器视觉技术。

高通量定序的程序对于生物分析来说极为重要。尤其是在生物解码过程以及其控制机制,毒物学分析中作为药物批准的一部分,以及对有害物质分析方面扮演了一个很重要的作用。这些过程都包含了一系列依次进行的各自实验行为。通常,在分析开始时,会在分析用的容器中準备样本。然后透过添加物质或是使用化学反应或是物理的影响来引发样本的反应来执行真正的分析。然后对样本进行检查,并对实验过程进行最后分析。

应用程序

斑马鱼的胚胎具有一系列特征,使其成为模范生物体的理想选择。
斑马鱼的胚胎具有一系列特征
使其成为模范生物体的理想选择。

用来做为样本的生物体以斑马鱼等为主。这种5公分长的幼鱼具有一系列的生物特征适合做为模型生物体的理想选择。斑马鱼的饲养成本低,产卵量大,在母体外发育,具有透明的生体特性,并且他们的体型大小足够用于大部分传统的生物实验。其实验过程所发现的结果可以套用在人类上。

与其他模型生物一样,目前跟斑马鱼相关的研究由于需要人工手动进行操作的次数限制了高通量定序的效率。因此对于能够降低成本,并且提高效率的生物分析自动化有著非常大的需求。 作为Karlsruhe Institute for Technology (KIT)发展计画的一部分, Dr. Alexander Pfriem 提出了一个跟斑马鱼有关的自动化高通量定序分析的想法,可以省去人工的介入并且有效的提升高通量定序。

在他提出的模块化系统概念中,分析的子过程中使用四个实验室机器人来进行自动化分析。根据分析的方法,这些工作站可以当作独立,或是分站式解决方案使用。每个独立的工作站都由一个将微小的盘子在机器人间传送的运输系统所连接。这些塑料盘都包含了一个放置样本用的隔离盒子。由于高效能的相机以及相对应的机器视觉软件实现了这些处里过程的自动化操作。像是评估,以及检测样本的状况的感知以及分析等需要耗费许多时间的工作,不再需要透过实验室的人员来完成。

研究实验室的鱼类分拣机
研究实验室的鱼类分拣机

系统使用的是来自IDS的USB 或是GigE 的SE工业相机系列。这个系列的相机具有功能全面的特点: 体积小,紧凑,坚固,并且有多种规格的影像传感器可以选择。由于相机外壳有可以固定紧锁的设计,可以简单牢固的安装在任何的地方。尤其是可以紧锁的RJ45 连接器,具有一个a 6-pin Hirose 连接器,可以用作电源供应,以及数位输入/输出作为控制击发跟闪光的控制。这些光学解偶,可以处里高达30V的信号,让这系列相机成为自动化系统的理想型号。

Dr. Alexander Pfriem 对他设计的特別应用做了以下的总结: “相机的体积需要购小,才能在龙门架机器人中有限的空间中使用。搭配合适的镜头后,需要能够在5至15公分的工作距离下清楚显示0.3 到3mm 左右非常微小的结构细节。”

自动分析从鱼的分选器开始。这包含了使用移液管随机分配将培养皿中的幼鱼转移到微板中。这些图像都会透工业相机拍摄下来,相机是由IDS所提供的UI-5480SE。这台相机是使用Gigabit Ethernet 接口,使用的sensor为5PM的 ON Semiconductor CMOS sensor。

平行顯微鏡使用4台IDS GigE工業相機
平行顯微鏡使用4台IDS GigE工業相機

然后微盘会被转送到下一个工作站,在那里下一步的分析也会自动进行。各站中有平行显微镜,测量心跳的显微镜,以及一个萤光模块。在平行显微镜上,使用四个IDS工业相机来拍摄微板空间内的幼鱼,进行大量样品的快速初步分析。UI-6240SE 型号的工业相机 – 使用GigE interface接口 – 具有130万像素 (1280 x 1024 pixels)。 “平行显微镜跟四台IDS工业相机可以实现使用单个图像或是图像序列来快速拍摄微盘的影像”Prfiem概述了工作站的主要优点。

“这个模块耗费大约30秒就可以拍摄96张图像-微板上所有的96个小腔室。而传统的高分辨率实验显微镜需要耗费高达两分钟的时间,同时伴随着需多不需要的大量数据。”

由心率顯微鏡上的相機提供的圖像可以使用圖像分析確定幼魚的心臟位置
由心率顯微鏡上的相機提供的圖像可以使用圖像分析確定幼魚的心臟位置

接下来观测心跳的显微镜使用了两台UI-5480SE GigE 工业相机。第一台相机 拍摄微板中的一个腔室的幼鱼,然后由机器视觉系统会确认幼鱼的心脏位置。第二台工业相机被準确地安装在幼鱼的下方来放大拍摄幼鱼心跳的序列图像。整个实验效率透过自动化分析系统得到了有效的提升。如果停留在手动排列96个幼鱼,然后针对个別的幼鱼做单独的录像,通常需要数小时的过程。相比之下,根据 Dr. Alexander Pfriem 的经验,心脏显微镜只需要18分钟就可以在微板上所有96个腔室针对每个腔室生产六个序列图像。

萤光模块会用特別的萤光发射模式来筛选特定的斑马鱼。搭配使用USB2.0 的SE系列相机,凭借着其搭载的e2v 130万像素的CMOS传感器所具有的超感光特性,来拍摄影像。

为了有效降低没有用的数据量,只从相机导入灰阶图像。最新技术的机器视觉软件可以从被拍摄的图像中获取分析所需要的信息,并且根据演算法来决定后续的处理程序内容。图像分析采用著名的标準软件Labview进行,同时也用于控制机器设备。工业相机使用由IDS 专门为LabView开发的插件来连接。

该插件包含一组 “虚拟仪器 ”,可以将相机轻松配置并纳入LabVIEW的编程。LabVIEW 视觉开发模块是图像识別以及机器视觉应用开发的理想选择,具有强大功能的资料库。可以针对图像材料进行更复杂的评估。

自动分析处里的整个处里程序概念是建立在机器人系统的应用上,并且安装了一共8台的IDS工业相机。透过快速拍摄图像来实现自动化的模块实验室机器人系统中的影像分析。这增加了试验室分析的高通量定序,提高了整体效率,并且大幅度的降低实验成本。

USB 2 uEye SE

IDS industrial camera USB 2 uEye SE
接口:  USB 2.0
型号l:  UI-1240SE
传感器:  CMOS
制造商:  e2v
帧率:  25.8 fps
分辨率:  1280 x 1024 px
快门: 全局开始, 全局快门, 卷帘快门
光学尺寸:  1/1.8英寸
体积:  34 x 32 x 41.3 mm
重量:  65 g
连接口:  USB 2.0 Mini-B, 螺丝锁紧式

GigE uEye SE

IDS industrial camera GigE uEye SE
接口:  GigE
型号:  UI-5480SE
传感器:  CMOS
制造商:  ON Semiconductor
帧率:  14.1 fps
分辨率:  2560 x 1920 px
快门: 全局开始, 卷帘快门
光学尺寸:  1/2英寸
体积:  34 x 44 x  49.8 mm
重量:  102 g
连接口:  GigE RJ45, 螺丝锁紧式