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HyperCAM Alpha 用户手册

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最后更新:2024 年 5 月 8 日


目录

  1. 简介
  2. 概览
  3. 注意事项
  4. 开始使用
  5. 故障排除
  6. 联系方式

1. 简介

欢迎使用 HyperCAM Alpha 平台

感谢您与我们一起探索科学。

HyperCAM Alpha 平台是目前最先进的非侵入性生物信号处理微电子设备功能细胞检测系统。HyperCAM Alpha 专为配合我们革命性的 CorePlate™ 多孔技术而开发,实现高密度细胞 - 电子界面集成和实时多孔格式信号处理。HyperCAM Alpha 支持并行监控和执行实验,提高整体数据可靠性和产出,加速结果获取时间,并通过数据压缩最大程度减少数据存储需求。

"一个细胞 - 电子界面,将无标记功能成像的概念拓展到光学方法之外。"

本手册旨在帮助您充分利用 HyperCAM Alpha 提供的所有功能。

请注意:首次使用 HyperCAM Alpha 平台前,请务必仔细阅读并充分理解第 3 节"注意事项",其中包含有关保护 CorePlate™ 多孔板和 HyperCAM Alpha 免受可能损坏的重要操作信息。

核心技术:生物信号处理微芯片

细胞 - 电子界面技术以高信噪比测量来自神经元培养物、脑类器官、神经元球体、急性脑切片或心脏制剂等电活性组织的电活动。

最早的细胞 - 电子界面(如膜片钳或电极阵列)于 70 年代初开发。这些电极被引出到界面区域外围的接触焊盘,连接模拟离散放大器进行信号数字化和电生理设备处理。离散电子元件的空间占用以及电极引至测量设备外围,严重限制了电极的数量和密度,从而限制了这些基本细胞 - 电子界面的分辨率和能力。

"我们的双向像素阵列技术使研究人员能够通过实时发送和读取生物信号直接与细胞通讯。"

为克服这些限制,3Brain 在生物信号处理芯片的开发中应用了互补金属氧化物半导体技术(CMOS),借鉴微电子设备(如计算机微处理器)和光成像设备(如相机传感器)的知识。我们的双向像素阵列技术使研究人员能够通过实时发送和读取生物信号直接与细胞通讯。这种微电子方法允许电路集成,从而减少放大器和滤波电容器等电子元件的尺寸。此外,通过实施多种复用策略,我们减少了传输生物信号所需的导线数量。后处理方法也被用于优化电极性能。

我们的生物信号处理微芯片基于专有源像素传感器阵列技术,采用 64×64 电极网格(像素内电路,每个像素具有 25×25 µm² 感应区域),间距 35 µm,实现高分辨率快速采集生物信号。实际上,这意味着对数百个细胞的电活动进行实时监测将生成高达 260 MB/s 的记录数据,具有高精度和准确度,为科学研究提供支持。

这些海量信息由我们专门开发的采集软件进一步处理,生成电活动"电影"并提取相关结果。

总而言之,HyperCAM Alpha 平台是一个一体化系统,首次实现了对电活性细胞的"无创功能成像"的概念等效。

CorePlate™ 技术:并行化检测

借助 HyperCAM Alpha 平台,3Brain 还推出了 CorePlate™——我们专利的细胞检测技术,用智能设备取代标准塑料多孔板。

CorePlate™ 多孔板为每个孔集成了数千个传感和驱动元件,提供海量并行数据读取,允许同时监测多个样本的网络活动。CorePlate™ 技术将我们在 CMOS 和功能成像领域多年的经验与片上信号预处理和压缩的新概念相结合,在不牺牲数据质量的前提下实现实验并行化。

CorePlate™ 6 孔板在每个孔中集成了 4096 个双向电极。每孔可同时记录最多 2304 个电极(10 kHz)或 1024 个电极(20 kHz)。提供不同的记录子集以最大化记录区域或空间分辨率,适应细胞培养和脑组织。

任何 4096 个电极或其组合均可用于向样本释放电刺激。

"药物筛选和生物标志物发现从未如此简单,即使是首次使用的用户。"

我们的多位点非侵入性方法支持动力学检测、表型或化合物筛选方法或生物样本群体活动的单细胞分辨率监测。此外,金属电极允许通过释放电流脉冲以靶向方式刺激细胞来传感和驱动,从而与细胞网络建立双向界面。

我们所有的产品都是由实验科学家为实验科学家开发和制造的。

借助我们定制的 BrainWave 软件,使用 HyperCAM Alpha 平台进行实验、记录和分析对首次使用的用户来说也简单易用。

做好科学很难。

我们努力让您的功能检测变得简单。


2. 概览

系统概述

HyperCAM Alpha 是一款使用 CorePlate™ 的先进测量设备。该系统可管理 6 孔 CorePlate™,并使用环境室控制温度和 CO₂ 浓度、监测湿度,实现类似培养箱的长期细胞培养。

HyperCAM Alpha 还可与需要外部流体系统的生物模型(如脑切片)配合使用,为您的检测提供最大灵活性。便捷的 LCD 触摸屏将提供管理 HyperCAM Alpha 的所有主要功能,USB 3.1 通信将实现快速可靠的数据传输到主机。

HyperCAM Alpha 经我们科学家优化,满足研究人员需求。无论您的生物模型是原代神经元培养物、人源干细胞制备物、脑类器官或球体、心肌细胞还是脑组织(切片和视网膜),HyperCAM Alpha 优化的电子设备都能以前所未有的灵敏度检测到慢速振荡(场电位)和尖峰活动。

该平台还能够从每个电极释放靶向电刺激,支持诱发电活动检测的开发、利用和分析。

总体而言,平台由三个基本组件组成:

  1. CorePlate™ 6 孔板——每个孔集成一个生物信号处理芯片
  2. HyperCAM Alpha 采集硬件——从 6 孔 CorePlate™ 读取电生理信号,并通过电极提供电刺激
  3. 高性能主机 PC——预装 BrainWave 软件,用于采集、可视化、存储和分析 HyperCAM Alpha 记录的数据

6 孔 CorePlate™

6 孔 CorePlate™

6 孔 CorePlate™ 与经典多孔板尺寸相同,遵循 ANSI/SLAS 微板标准咨询委员会为 96 孔设备制定的标准足印尺寸。六个孔以 3×2 配置排列,每个孔中心集成了一个高分辨率生物信号处理芯片:

HyperCAM Alpha 硬件

HyperCAM Alpha 正面

HyperCAM Alpha 内部结构

HyperCAM Alpha 是插入 6 孔 CorePlate™ 进行电生理测量的工作站。其紧凑设计集成了所有电子设备、实时硬件和逻辑,用于控制 6 孔 CorePlate™ 的生物信号处理芯片。HyperCAM Alpha 在发送到主机 PC 之前,从 6 孔 CorePlate™ 采集和预处理大量电生理数据。平台还配备质量流量控制器,调节环境室中的气体浓度,以及加热系统以维持 6 孔 CorePlate™ 中的生理细胞培养条件。

⚠️ 操作滑动舱门时,请勿将手指或物体插入运动部件中。

环境室细节

LCD 触摸屏

⚠️ 警告:始终使用带有高压和低压表的、经批准用于特定气体的调节器。

BrainWave 软件

BrainWave 软件界面

BrainWave 是我们定制的一体化软件应用程序,专门开发用于利用 HyperCAM Alpha 平台的所有功能(Alpha 需要 BrainWave 5.0 或更高版本)。它配备先进的图形和 AI 驱动计算工具,用于管理从 6 孔 CorePlate™ 采集的电生理数据,包括所有孔的同步实时可视化、在线分析和离线重新处理以提取统计数据并制作可直接发表的图表。

BrainWave 软件已预装在您的 PC 上,如需指导请参考 BrainWave 用户手册。


3. 注意事项

HyperCAM Alpha 操作和使用

HyperCAM Alpha 电子和机械组件封装在塑料外壳中,具有坚固的金属核心,使系统对机械和振动噪声具有鲁棒性。即使建议,在防振台上设置 HyperCAM Alpha 也不是强制性的。

此外,该仪器设计为屏蔽外部电气环境噪声。然而,对于某些类型的应用(如读取慢速电生理振荡),如果环境受到电磁辐射影响,系统应在法拉第笼内操作(见第 5 节"故障排除"场景 S7)。

在任何情况下,为保证最佳记录性能,应遵循以下简单预防措施:

⚠️ 为避免潜在短路,插拔 HyperCAM Alpha 电源线时请关闭系统后侧的主开关。

在系统周围留出充足空间以保证良好通风,特别是在后部冷却风扇旁边。将系统放置在平坦坚固的桌子上,以便在系统底部提供气流。重要提示:不要将 HyperCAM Alpha 靠近其他可能产生热量的仪器;系统在高于 25°C(77°F)的环境温度下无法正常工作。

HyperCAM Alpha 允许集成灌注系统,这是在电生理测量期间维持组织所需要的。应严格避免电生理溶液溢出。环境室设计为防水,防止液体接触内部电子设备,但当电流运行时,液体仍可能氧化顶部金色 pogo 引脚连接器,形成残留物。

如果腔室中有液体溢出,请按以下步骤操作:

  1. 立即解锁并取出 6 孔 CorePlate™,关闭 HyperCAM Alpha 主开关
  2. 用 >96% 乙醇仔细清洁 HyperCAM Alpha 环境室并使其干燥。特别是清洁 pogo 引脚连接器,确保去除盐溶液和 eventual 氧化残留。使用相同程序清洁 6 孔 CorePlate™,特别注意板底部的接触焊盘。确保多孔板的所有外表面都已良好干燥和清洁
  3. 清洁和干燥后,机器可再次使用。但是,如果怀疑有液体可能渗入 HyperCAM Alpha 内部(而不仅仅是腔室),请至少一天内不要打开系统,使液体完全干燥,保护内部电路免受潜在的氧化和短路影响

6 孔 CorePlate™ 操作和使用

6 孔 CorePlate™ 是低功耗有源电子电路。一般规则是只有孔可以弄湿,而板的其余部分应保持干燥。强烈建议避免以下可能导致电子设备损坏的操作:

培养细胞或急性组织测量期间的记录,用户必须遵守以下预防措施:

为确保良好的记录质量,请记住 6 孔 CorePlate™ 是光敏设备,其性能可能受到强光强度直接暴露或噪声光源的影响,见第 5 节"故障排除"(场景 S2)。

6 孔 CorePlate™ 清洁程序

6 孔 CorePlate™ 作为细胞培养的一次性板提供保修,出厂时已清洁、灭菌并可直接使用,因此使用前无需进行任何清洁操作。

然而,根据实验设置,可能需要在使用前清洁板。在清洁程序的每个步骤中,请确保移液器吸头(或任何其他物体)不直接接触或刮擦嵌入式微芯片表面。

进行标准清洁,请遵循以下指示:

  1. 用双去离子水(ddH₂O)充分冲洗 6 孔 CorePlate™ 的每个孔
  2. 在每个孔中填入洗涤剂,如 WPI-Enzol(WPI)或 Terg-A-zyme(Alconox),并温和移液几秒钟
  3. 让洗涤剂停留几分钟(通常 3-5 分钟),然后再次移液
  4. 用 ddH₂O 充分冲洗 6 孔 CorePlate™ 的每个孔,然后在每个孔中填入 ddH₂O 1-2 分钟,重复此操作 3-4 次,以确保完全洗出洗涤剂

清洁 6 孔 CorePlate™ 时,强烈建议不要弄湿板下方的接触焊盘。

深度清洁

如果 6 孔 CorePlate™ 的芯片非常脏,可以用软刷机械去除残留物。请注意,此操作可能损坏芯片的感应区域。仅在标准清洁程序后芯片仍不干净时才建议进行此步骤。任何刷洗都必须非常温和和小心地进行。

完成和储存

6 孔 CorePlate™ 可使用温和的氮气流干燥(不要将记录区域暴露在强气流下,以避免潜在的电极损坏)。或者,让 6 孔 CorePlate™ 在实验台上干燥。确保将板盖略微打开放置,以避免灰尘沉积在孔内。

6 孔 CorePlate™ 孔外的区域可用浸有 >96% 乙醇的纸巾清洁。处理板时始终佩戴手套是一个好习惯。

6 孔 CorePlate™ 干燥后,应盖上盖子(盖上盖子)存放在盒子中,以保护它们免受灰尘和其他污染物的影响。

6 孔 CorePlate™ 灭菌程序

如前一节所述,6 孔 CorePlate™ 是细胞培养的一次性板,出厂时已清洁并可直接使用。但是,如果您需要灭菌它们,请遵循以下程序之一。确保不要直接接触或刮擦嵌入式微芯片表面。

1)紫外线灭菌

暴露时间可能取决于实际紫外线强度和功率。相同程序适用于灭菌 6 孔 CorePlate™ 的盖子。

2)乙醇灭菌

一般来说,这种灭菌程序不是首选,因为它不能保证与紫外线灭菌相同水平的灭菌效果。乙醇灭菌也可以与紫外线灭菌结合使用。相同程序适用于灭菌 6 孔 CorePlate™ 的盖子。


4. 开始使用

准备新实验

安装 BrainWave

BrainWave 软件已安装在 HyperCAM Alpha 的采集 PC 中。但是,如果出现问题,可以通过从此链接登录您的私人区域下载和安装 BrainWave 软件:https://shop.3brain.com/#/

您还可以找到 BrainWave 软件首次使用的快速教程。

设置 HyperCAM Alpha

  1. 将 CO₂ 管线连接到 HyperCAM Alpha 后部的右管快插接头。打开 CO₂ 管线,调节压力在 0.8-1.5 bar 之间。请确保不要超过 3 bar 的进气压力(如入口上所述),以避免损坏 HyperCAM Alpha 的内部质量流量控制器。HyperCAM Alpha 不使用时保持 CO₂ 管线关闭
  2. 将电源线插入 HyperCAM Alpha 后部的电源线插头,然后将电源线连接到电源插座。打开电源线插头旁的主开关,然后按下系统顶部 LCD 面板旁边的电源按钮。几秒钟后 LCD 面板将点亮,"加载"窗口将出现。在此阶段,滑动舱门将移动到打开位置。当"加载"窗口消失时,LCD 将显示温度、湿度和 CO₂ 参数。系统已准备好使用
  3. 打开采集 PC,使用平台提供的 USB Type-C(v.3.1)电缆将 HyperCAM Alpha 后部的 USB Type-C 端口与计算机的 USB Type-C 端口之一连接。如果需要更换电缆,请确保仅使用支持至少 10 Gbps 的 USB 3.1

插入 6 孔 CorePlate™

插入 CorePlate™

6 孔 CorePlate™ 通过锁定系统连接到 HyperCAM Alpha,该系统由四个旋转金属翼组成,将板推到环境室的金属 pogo 引脚上,保证稳定的电气连接。

  1. 将 6 孔 CorePlate™ 插入 HyperCAM Alpha 环境室。两个金属引脚引导板插入,而腔室的几何形状适合多孔板形状,仅允许一个插入方向。确保板与环境室底部水平和平行。如果 6 孔 CorePlate™ 已正确插入,板的序列号(Multiwell ID)将出现在 LCD 屏幕上
  2. 按下 LCD 屏幕上的锁定按钮,四个金属翼将钩住板的侧面并向下推。如果 6 孔 CorePlate™ 已正确锁定和识别,其编号可由 BrainWave 读取(请参阅 BrainWave 用户手册)
  3. 按下关闭按钮将滑动舱门移动到关闭位置。通过 BrainWave 激活质量流量控制以控制 CO₂ 浓度。注意:滑动舱门打开时质量流量控制器停止。每次滑动舱门关闭时都必须激活质量流量控制器

启动主机 PC、BrainWave 和数据记录

打开 PC。如果有任何更新,BrainWave 将通知您,应安装这些更新。安装并打开 HyperCAM Alpha 后,您可以通过以下清单轻松验证系统的正常运行:

  1. 验证 HyperCAM Alpha 和 6 孔 CorePlate™ 是否被 BrainWave 正确识别(请参阅 BrainWave 用户手册)
  2. 开始在 BrainWave 上采集数据,并验证电极信号是否在预期范围内(请参阅 BrainWave 用户手册)

如果上述任何步骤出现问题,请检查第 5 节"故障排除"。如果问题仍未解决,请联系客户支持。

实验后关机

停止 BrainWave 记录

在拔出 6 孔 CorePlate™ 之前,确保停止 BrainWave 上可能正在运行的任何采集(请参阅 BrainWave 用户手册)。

拔出 6 孔 CorePlate™

  1. 按下 LCD 屏幕上的解锁按钮,四个金属翼将释放 6 孔 CorePlate™。释放后,板的编号不再显示在 BrainWave 中,但仍将显示在 HyperCAM Alpha 的 LCD 上
  2. 按下 LCD 屏幕上的打开按钮,滑动舱门将移动到打开位置。现在您可以取出 6 孔 CorePlate™

关闭 HyperCAM Alpha(可选)


5. 故障排除

电极噪声带宽不稳定或为零(饱和)

饱和现象示意

饱和波形示意

症状

一个或多个孔中的一些电极显示出噪声带宽不恒定,信号从大值到小值振荡或固定为零值。这种效应总体称为饱和,在无信号电极的情况下,原始信号图中对应的像素将具有固定的全量程颜色(左图),而信号振荡时原始迹线(右图)将呈现随时间不稳定的峰峰值。

原因

当输入信号幅度超过 6 孔 CorePlate™ 芯片中集成的放大器的操作范围时,会出现饱和。

可能场景和解决方案

# 场景 解决方案
S1 6 孔 CorePlate™ 芯片中的电极被添加盐溶液时因芯片表面疏水性形成的微小气泡绝缘。使用新的未预涂层的 6 孔 CorePlate™ 或长时间未使用的板时可能出现此情况。2x 或 4x 放大镜头通常足以观察到这些气泡 使用带小吸头的塑料移液器在芯片表面流动液体以去除气泡。操作时务必小心不要触摸芯片,避免电极损坏。或者清空芯片储液器,在记录表面滴一滴纯乙醇几秒钟,用水充分冲洗后放回溶液中
S2 6 孔 CorePlate™ 芯片暴露在强环境光源下,HyperCAM Alpha 未正确配置以在此类条件下工作 关闭光源或将 HyperCAM Alpha 移离直接光暴露。如果无法执行这些操作,或需要在 HyperCAM Alpha 上使用光源(如光刺激目的),在 BrainWave 5 软件中配置芯片校准设置,使 6 孔 CorePlate™ 芯片在此类条件下工作
S3 6 孔 CorePlate™ 的一个或多个芯片已损坏或磨损 如果上述解决方案均无效,您可能需要更换 6 孔 CorePlate™

6 孔 CorePlate™ 芯片表面脏或疏水

脏芯片噪声示意

脏芯片波形示意

症状

此场景可能在测试无生物制剂的 6 孔 CorePlate™ 时出现(如脑切片实验前)。芯片可能未正确清洁或长时间未使用,导致表面疏水。在这种情况下,一个或多个孔中的电极可能表现出更高水平的噪声。在 BrainWave 5 中,原始信号图显示多个像素(单个电极)的电压值高于平均值(左图)。单个电极原始迹线通常比正常工作的电极具有更高的噪声水平(右图)。

原因

6 孔 CorePlate™ 的芯片表面脏或过于疏水,微小气泡被困在电极表面(与上一节场景 S1 类似)。在这两种情况下,电极都表现出不稳定的行为。

# 场景 解决方案
S4 检查场景 S1 检查场景 S1
S5 6 孔 CorePlate™ 芯片中的电极脏了碎片和/或更可能是灰尘颗粒。此场景仅在尝试已使用但未正确清洁或储存的 6 孔 CorePlate™ 时出现。2x 或 4x 放大镜头通常足以观察到脏污或细胞碎片 遵循第 3.3 节"6 孔 CorePlate™ 清洁程序"中的说明

50 Hz 噪声振荡

50Hz 噪声示意

症状

芯片中的一个或多个列或整个芯片不工作。对于不工作的列,原始信号图中对应的电极将具有固定的全量程颜色(上图),对于完全不工作的芯片,整个原始信号图将具有固定的全量程颜色。

原因

HyperCAM Alpha 设计有适当的屏蔽,以保护电子设备免受环境噪声(如电源线产生的电场)的影响。然而,非常强的噪声源仍可能影响系统。

# 场景 解决方案
S6 6 孔 CorePlate™ 在细胞培养实验或需要收集高频尖峰活动的生物模型实验期间显示 50 Hz 噪声干扰 将 HyperCAM Alpha 移离潜在噪声源(如冰箱、生物安全柜等)。如果此操作不能解决问题,在 BrainWave 5 上将高通滤波器设置增加到 300-350 Hz
S7 6 孔 CorePlate™ 在脑组织实验或需要收集低频场电位的生物模型实验期间显示 50 Hz 噪声干扰 将 HyperCAM Alpha 移离潜在噪声源(如冰箱、生物安全柜等)。如果此操作不能解决问题,HyperCAM Alpha 必须在法拉第笼内操作

不工作的列或不工作的芯片

症状

芯片中的一个或多个列或整个芯片不工作。对于不工作的列,原始信号图中对应的电极将具有固定的全量程颜色,对于完全不工作的芯片,整个原始信号图将具有固定的全量程颜色。

原因

从 6 孔 CorePlate™ 到 HyperCAM Alpha 的一条或多条线路存在故障连接。此问题通常发生在 6 孔 CorePlate™ 背面接触焊盘和 HyperCAM Alpha 环境室内的 pogo 引脚之间。

# 场景 解决方案
S8 6 孔 CorePlate™ 的一个或多个芯片中的一个或多个列不工作,原因是故障连接 从 HyperCAM Alpha 中取出 6 孔 CorePlate™,用浸有纯乙醇(>96%)的纸巾清洁 6 孔 CorePlate™ 背面的所有金接触焊盘。如果清洁无效,转到下一个场景
S9 6 孔 CorePlate™ 的一个或多个芯片已损坏或磨损 如果上述解决方案无效,您可能需要更换 6 孔 CorePlate™,或者 HyperCAM Alpha 可能存在问题。尝试一个或多个不同的 6 孔 CorePlate™ 以验证问题不在 HyperCAM Alpha 中。如果其他 6 孔 CorePlate™ 也出现相同问题,请联系 3Brain 客户支持

6. 联系方式

3Brain 联系信息

如有任何其他问题需要亲自联系我们寻求帮助,请随时通过以下链接联系我们:

https://www.3brain.com/contact

紧急联系:
📞 电话:+41-813227086
📧 邮箱:support@3brain.com


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