低成本的药物传感器系统筛查精液样本

文摘

人工授精是一个成熟的现代农业实践的一部分。一个可行的精液样本来判断精子的总数(精子)样本和精子的运动性。在本文中,我们报告一个可重用的测量细胞的发展和电子产品检查精液样本的基于石英晶体微量天平(药物)和通用频率数字转换器(UFDC-1)产生一个低成本的传感器系统。引入后精液样本测量细胞的一端,精子游泳之前下一个通道导致频率变化对药物。数据显示不同的频率的变化提出了使用一个商业频率计数器由猪精液样本,两天一个老和一百二十一天。类似的数据提出了使用低成本UFDC-1能动的精液样本测量。

1。介绍

人工授精的动物是一次例行的元素在现代农业实践。对于大多数物种,精液可以被冻结和解冻之前存储长时间和使用的。然而,对于一些物种,冷冻过程不太可靠的要求中使用的精液冷冻和装运几天。精液分析目前专家,主观的,和熟练的过程,通常是在实验室条件下进行。测试通常观察精子的数量(精子)在给定体积的精液也他们游泳的能力,也就是说,他们的能动性。大多数样品分析使用光学技术如血球计或计数室(1]。或者,他们可能依赖于昂贵的计算机辅助精液分析(2]或荧光染色法和流式细胞术分析成千上万的精子样本(3]。这些实验室技术不适合使用在农场来测试样品立即受精之前。在这种情况下,一个健壮的工具,使一个简单的是或否的答案而无需复杂的样品制备或解释的结果是必需的。在2007年的第一份报告,我们提出一个简单的飞行时间技术使用一个声波传感器可以提供一个实时检测技术监测精子的运动性精液样本(4]。筛选过程不是设计给一个详细的分析的一个样本,而是确定精子的数量大于一个阈值。众所周知,石英晶体微量天平的操作(药物)或厚度剪切模式设备取决于介质的密度和粘度(5)和精子代表一个复杂对象,超出一个药物的穿透深度。证明精子附件可能被当作刚性质量,石英晶体的频率变化由于附加测量精子,精子和附加的数量在显微镜下数(4]。这是证明附件精子的药物可以模仿使用索尔布雷方程[6)和一个“有效的”质量为一个猪精子约5 pg。

然后技术进一步发展考虑的一些操作参数包括温度的影响和孕酮的存在在游泳媒体(7]。在本文中,我们报告一个合适的发展游泳细胞和电子测量系统基于通用频率数字转换器(UFDC-1, IFAC)提供了一个低成本的传感器系统适合筛选精液样本的使用的一个农场。

2。材料和方法

图1显示了一个典型实验的原理图和示例序列。“游泳”细胞生产上使用亚克力切割一个m - 500激光切割机(通用激光系统),并使用Extrufix保税(波士胶)。一个12毫米直径,切石英晶体与环绕电极(Laptech XL1052)和基频10 MHz被夹进细胞使用橡胶垫圈。接触了水晶使用弹簧接触直接连接到下面描述的振荡器电路。游泳细胞提供了一个开放引入1.5毫升的磷酸缓冲盐(PBS)游泳媒体(图1(一))和一个小型开放的15毫米长渠道介绍游泳的精液样本(图1 (b))。介绍了精液后,精子游泳沿着通道(图1 (c)最后)附加到石英晶体(图1 (d))导致共振频率的改变。最初的开发工作,一个普遍的频率计数器(安捷伦53132 a)界面的电脑是用来测量频率每半秒钟。仪器的目的是作为一个筛选设备,而不是一个分析设备所以只需要测试一个阈值的频率变化。

猪精液是由商业人工授精中心(JSR遗传学,Driffield,英国)。商业供应商通常提供缓冲和包括其他化学品的精液延长精液的生活。这使得精液储存未开封5天以下17°C,而无需进行大量的精液能动性恶化。获得的样本不能游动的精子相比较而言,我们寄来存储一个样本21天前使用。在我们先前的报道(4,7),我们研究了涂料的半胱胺和Poly-L-Lysine石英晶体作为粘合剂层的精子。在这项工作中,我们发现,一个干净的金电极抛光石英晶体是有效和更可靠的比化学修改先前测试;这可以清洗重复使用用木瓜蛋白酶解(西格玛奥德里奇P3375-25G)或物理搅拌棉花签和足够的与PBS溶液冲洗。

低成本高石英振荡器的设计操作的液体是具有挑战性的,最近审阅Arnau [8]。在这项工作中,我们产生了一个简单的基于皮尔斯振荡器电路使用MAN-1LN放大器(Mini-Circuits)。MAN-1LN是低噪声放大器操作从0.5兆赫到500兆赫的增益约28 dB操作名义12 V电源。这个振荡器提供了良好的长期稳定提供大约2赫兹的频率漂移在空气中一个小时。在PBS,两个示例阿伦方差振荡器已计算的3×10⁻⁷这是可比的结果报告2 MHz振荡器在水Rodriguez-Pardo et al。9)尽管我们的价值大于他们报告9 MHz药物。UFDC-1通用频率数字转换器(10)是作为一种低成本的替代安捷伦频率计数器。UFDC-1是28日销单片机可编程双通道frequency-to-digital转换器,操作在7.5 MHz的频率范围0.05赫兹;这个范围可以扩展到120 MHz预引比例因子尽管这结果精度降低。转换精度可编程从1%到0.001%,取决于选择的四个别针UFDC-1贴上N0-N3连接到电源电压或地面:选择操作方式以类似的方式使用别针M0-M3。数据以字符串形式返回的ASCII字符(注意,小数点后显示的字符串的数量是不一样的实际精度转换)的串行输出引线(TXD)。串行输出非常适合使用USB TTL串行电缆(FTDI TTL - 232 r - 3 v3)。UFDC-1操作从一个电源+ 4.5 V至+ 5.5 V的USB端口。FTDI司机使USB作为标准访问COM端口。一个程序是用免费的编程语言编写的基本(http://www.justbasic.com/从COM端口)来读取数据,提取单个值的字符串,转换为一个数字,并将其存储到一个电子表格文件。鉴于UFDC-1没有预引比例因子的最大频率为7.5 MHz,操作的药物“游泳细胞”10 MHz以上这个频率,并要求两个pre-scalar除以。晶体的厚度减少了10 MHz频率增加,而足够强劲,15 MHz晶体被证明是过于脆弱这个应用程序的实际运行。除了振荡器,电路图如图2显示了频率计数器和缓冲电路。正弦振荡器的输出有一个峰振幅约7 V等于输入的场效应晶体管的开关模式0 V + 5 V之间的USB。然后输入一个数字信号除以两个电路组成一个触发器74 hct112n然后进入F1 UFDC-1操作的输入模式0(单通道频率测量);对于改善稳定,模拟电路的一部分(振荡器)操作从一个直流电池供应和LM3171电压调节器和数字电路的一部分提供+ 5 V的USB。图3(一个)显示了一个游泳的照片细胞与下面的盒子包括振荡器电路,和图3 (b)显示的照片UFDC-1频率计数器电路的电路板。

3所示。结果与讨论

同时在空中初稳性测试是好的,当细胞只包含PBS,它表现出周期性振荡在几百赫兹的频率。实验用水,深度的变化需要穿过一个压力波谐振周期大约只有70人μ米(11),在一个开放的细胞类型的使用,这可以发生蒸发的PBS在相对较短的时间。作为一个结果,我们使用一个简单的平板压敏胶粘剂(Blu-tac波士胶)插入到上面的PBS的药物一个45度角,这减少了频率漂移在板凳上顶在一个开放的实验室10赫兹在40分钟左右。

精液样本介绍使用吸管和有力的使用可能导致样品获得足够的动能,以免反映实际的精子的运动性。初始测试年龄精液也表现出显著的影响可能比较频移到“活”几天大的精液。整个游泳细胞的一个简单的倾斜10度的影响降低到一个可管理的水平,有效地提供一个小。图4使用安捷伦频率计数器显示数据为10μL幼童的精液样本和21-day-old精液样本相同的体积。尽管35赫兹是观察到的改变超过二十分钟,这是足够的低,区分一个可行的从不能存活的精液样本进行一个简单的筛选程序,可能代表了简单扩散。记住筛查只需要一个简单的“是”或“不”如果样品是否可行,一个给定的测量时间的说10分钟后,“是”的答案将获得如果频率变化超过50赫兹;否则,“不”。大多数年长的精液样本仍然明显在幼童的好而收集的样本显著观察到药物。收集足够的数据,允许检查系统是否正常工作,大于1 kHz的频率变化将是故障发生和呈现当前测量无效。在图5,我们显示了频率变化作为时间的函数从引入UFDC-1 50μ我的出生仅四天的精液就。移动平均线已经应用于UFDC数据5赫兹的频率分辨率;数据收集从UFDC-1每一秒。虽然整体频率变化是观察到略低于安捷伦频率计数器,如图所示4,这是与衰老的精液样本一致。

4所示。结论

我们报道的可复用的传感器系统是专为简单的筛查足够精子样本;也就是说,已经超过阈值的频率变化。商业精液样本明显稀释extender保持质量在运输,这个阈值取决于特定的应用程序。给出的振荡器电路很简单,便宜,而且足够稳定这样的应用程序。频率计数器UFDC-1和TTL-USB电缆组成,形成一个完整的低成本和轻量级的系统,这样的组件电路如图3 (b)电缆在50美元;这可能为其他QCM-based应用程序提供一个合适的平台。改进的“游泳单元”设计将把角度和挡板,防止共振条件被遇到。这个系统应该允许一个伟大的改善现场实地测量的可靠性和易用性的精子的运动性。

确认

这项工作已经由英国工程和物理科学研究委员会(EPSRC)批准号EP / E063489/1和高等教育创新和地区奖学金(HIRF409)。

引用

1. 世界卫生组织,为人类精液的检查和实验室手册Sperm-Cervical粘液互动英国剑桥,剑桥大学出版社,第三版,1999年版。
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11. s . m . Reddy, j·p·琼斯,t·j·刘易斯,“使用剪切和声波压力研究界面和散装水聚合物凝胶粘弹性效应和电极电位的影响,“法拉第的讨论卷,107年,第196 - 177页,1997年。视图:谷歌学术搜索

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