Quantitative Microscopic Techniques for Monitoring Dynamic Processes in Microarrays
Proefschrift
ter verkrijging van de graad van doctor aan de Technische Universiteit Delft, op gezag van de Rector Magnificus prof. dr. ir. J.T. Fokkema, voorzitter van het College voor Promoties, in het openbaar te verdedigen op 12 maart 2002 om 13:30 uur door
Lennert Richard VAN DEN DOEL
natuurkundig ingenieur geboren te Vlissingen.
Dit proefschrift is goedgekeurd door de promotoren Prof. dr. ir. L.J. van Vliet, Prof. dr. I.T. Young
Samenstelling promotiecommissie:
Rector Magnificus, Prof. dr. ir. L.J. van Vliet Prof. dr. I.T. Young Prof. dr. ir. J.J.M. Braat Prof. dr. G.W.K. van Dedem Prof. dr. T.W.J. Gadella Prof. dr. J. Greve Prof. dr. J.G. Korvink
voorzitter Technische Universiteit Delft, promotor Technische Universiteit Delft, promotor Technische Universiteit Delft Technische Universiteit Delft Universiteit van Amsterdam Universiteit Twente Albert Ludwig University Freiburg, Duitsland
Advanced School for Computing and Imaging
This work was carried out in the ASCI graduate school. ASCI dissertation series number 75. ISBN 90-77017-48-8 c 2002, L.R. van den Doel, all rights reserved.
You play, you win. You play, you lose. YOU PLAY.
—Jeanette Winterson, The Passion
Voor Thomas & Jolanda
Voor Rosanne, fonkelende ster, mijn kleine engel
—R
Contents
1
Labs-on-a-chip 1.1 Combinatorial Chemistry 1.2 Human Genome Project 1.3 Intelligent Molecular Diagnostic Systems 1.4 Development of a Microarray reader 1.5 Outline of this thesis
Part I
1 1 2 2 4 5
Quantitative Reading of Microarrays
2
Yeast as a Cell Factory: the Glycolytic Pathway 2.1 Yeast: Saccharomyces cerevisiae 2.2 The Glycolytic Pathway 2.3 Summary
9 9 11 13
3
Conventional Microscope-based Microarray Reader 3.1 Microarray Fabrication 3.2 Nanoliter Liquid Handling 3.3 Conventional Microscopy Concepts 3.3.1 Infinity-corrected Optical System
15 15 17 19 20 vii
viii
CONTENTS
3.4
3.5 4
5
3.3.2 K¨ohler Illumination Characterization of the Princeton Versarray CCD camera 3.4.1 Readout noise 3.4.2 Dark current 3.4.3 Linearity and Sensitivity Summary
22 24 25 27 29 33
Quantitative Reading of Microarrays 4.1 Limiting Factors of the Instrument 4.2 Detection Limit of the Microarray Reader 4.2.1 Improving the Detection Limit (for 1 and N measurements!) 4.3 Readout Noise Limited Detection 4.3.1 Ideal Detection System 4.3.2 Single Element Detection System with Readout Noise 4.3.3 Many Pixels Detection System with Readout Noise 4.4 Stray Light Limited Detection 4.5 Minimum Detectable Signal for Different Configurations 4.6 Modifications to the Microscope System 4.7 Conclusions and Discussion
35 35 36
Monitoring Enzyme-catalyzed Reactions in Microarrays 5.1 Imaging with the modified optical system. 5.2 NADH Calibration 5.3 Monitoring Enzyme-catalyzed reactions 5.4 Conclusions
49 49 50 54 64
38 39 39 40 42 43 44 45 48
Part II Monitoring Dynamic Liquid Behavior in Micromachined Vials 6
Dynamic Liquid Behavior in Micromachined Vials 6.1 Introduction 6.1.1 Liquid pinning: ring stains from coffee droplets 6.1.2 Modeling dynamic liquid behavior 6.1.3 Impedance-based liquid volume sensor 6.2 Survey of Microscopic Techniques 6.2.1 Conventional Fluorescence Microscopy 6.2.2 Confocal Fluorescence Microscopy 6.2.3 Interference-Contrast Microscopy
71 71 71 74 76 78 78 80 82
You are reading a preview. Would you like to access the full-text?
Access full-text
152
SAMENVATTING
Als uitlees ruis de detectie beperkt, dan kan de detectie grens worden verlaagd door het fluorescentie signaal af te beelden op zo weinig mogelijk beeld elementen als mogelijk. Met een CCD camera met grote beeld elementen, waarbij ieder beeld element een laag niveau van de uitleesruis heeft, kan dit worden bereikt. Een tweede aanpassing is om de afbeelding te verkleinen door een tweede objectief rug-tegen-rug ten opzichte van het eerste objectief te plaatsen in het emissie lichtpad. Als strooi licht de detectie beperkt, dan zal een betere detector niet resulteren in een lagere detectie grens, omdat dat de signaal-ruis verhouding van de metingen niet zal verbeteren. Het toepassen van dezelfde aanpassingen aan het microscoop systeem zal in een snellere uitlees snelheid van de microarray resulteren. Wij hebben de functionaliteit van onze microarray lezer, gebaseerd op een helderveld microscoop, voor dit onderzoeksprogramma aangetoond door een NADH producerende en een NADH consumerende reactie te volgen met verschillende ezym activiteiten. Observeren van Dynamisch Gedrag van Vloeistof in Subnanoliter Reactoren Verdamping is een sleutel probleem in de ontwikkeling van microarray technologie, zeker in het geval van open reactoren. In het kader van dit onderzoeksprogramma zijn er methodes ontwikkeld om snelle verdamping van oplossingen te voorkomen. Dat neemt niet weg dat het verdampingsproces op de schaal van een nanoliter een interessant fenomeen is om te bestuderen. Bovendien is een dergelijke studie noodzakelijk om een toegesneden volume sensor gebaseerd op het meten van impedantie te kunnen kalibreren. Kwantitatieve metingen van het dynamische verdampingsproces in de reactoren van onze microarrays eisen voldoende ruimtelijke (laterale en axiale) en temporele bemonstering. Interferentie-contrast microscopie is een techniek die voldoet aan beide eisen voor de bemonstering. Met deze techniek wordt een interferentie patroon gegenereerd op het lucht-vloeistof oppervlak van de verdampende vloeistof in de reactor. Dit interferentie patroon toont ringen van gelijke hoogte. Met een temporeel fase-reconstructie algoritme worden deze ringen patronen punt-voor-punt in de tijd geanalyzeerd. Met dit algoritme kan het hoogte profiel van het lucht-vloeistof oppervlak worden gereconstrueerd zonder gebruik te maken van functies die ruimtelijke verbanden aanleggen. Het moment dat het lucht-vloeistof oppervlak volkomen vlak is, wordt gebruikt om alle een-dimensionale hoogte profielen te kalibreren. Het toepassen van deze techniek om de vorm van het oppervlak te reconstrueren dat dit ringen patroon genereerde, vereist slechts een ruimtelijke bemonstering op de halve Nyquist frequentie. Een ruimtelijk fase-reconstructie algoritme daarentegen vereist ruimtelijke bemonstering op de Nyquist frequentie. Een voordehandliggende meting met deze resultaten is het overgebleven vloeistof volume als functie van de tijd, en daaruit de verdampingsnelheid. Het resultaat is, tegen alle verwachtingen in, dat de verdampingssnelheid evenredig is met de omtrek van de reactor, en niet met het oppervlak van het lucht-vloeistof oppervlak. De verklaring hiervoor is het feit dat de vloeistof vast zit aan de rand van de reactor en dat diffusie de snelheidsbeperkende stap is van het verdampingsproces. Verder zullen objecten die aanwezig zijn op de bodem van de reactor, een fase verschil introduceren, dat zich laat zien door een patroon van onderbroken ringen. Een ruimtelijk fase-reconstructie algoritme zal er niet in slagen om patronen met onderbroken ringen te analyseren. Een temporeel fase-reconstructie algoritme daarentegen is ongevoelig voor dit soort onderbroken ringen. Met deze techniek is het mogelijk om de hoogte van objecten te meten op de schaal van een nanometer.
Curriculum Vitae
Richard van den Doel was born on January 15th 1974 in Vlissingen. He obtained his VWO gymnasium diploma at the Stedelijke Scholengemeenschap Middelburg. In 1992 he started his study Applied Physics at the Delft University of Technology. He obtained his M.Sc. in 1997. He did his graduation project at the Pattern Recognition Group under supervision of prof. dr. I.T. Young. The goal of his graduation project was to develop semi-automated procedures to calibrate microscope systems equipped with a scientific grade CCD camera and an automated xyz-stage. In 1997, he continued working in the Pattern Recognition Group of the Faculty of Applied Sciences and started his Ph.D. project within the framework of an interfaculty research program ’Intelligent Molecular Diagnostic Systems’. The central theme of this research center is to develop analytical systems that are able to analyze liquid samples that contain a variety of many different biochemical compounds. Furthermore, these systems should allow for dedicated data analysis and interpretation in combination with expert knowledge and historical data. Prof. dr. I.T. Young is leader of this program and was initially his direct supervisor. After one year in this project, prof. dr. ir. L.J. van Vliet became his supervisor. The focus of his Ph.D. project was the development of a microarray reader to collect all fluorescent signals from the microarray. A second subject in his thesis is the study of the dynamic process of evaporation in subnanoliter wells. Currently, he is a post-doc in a research project focusing on the analysis of MRI images of low water food products. Furthermore, he is a teacher of two first-year courses.
153
Dankwoord
You play, you win. Ik wil mijn promotoren, Lucas van Vliet en Ted Young, bedanken voor hun begeleiding tijdens mijn promotie onderzoek. Lucas, je bent altijd zeer kritisch en je neemt pas iets aan als je het helemaal begrijpt. Ik moet eerlijk toegeven, voor mij is dat vaak een stap verder gedacht dan ik zelf doe. Ted, sinds ik mijn eerste college Systemen & Signalen bij je volgde, heb ik je bewonderd om je manier van doceren. Ik hoop de komende jaren nog veel van je te leren op dit gebied. Veel dank ben ik verschuldigd aan Kari Hjelt. Aanvankelijk moest ik erg wennen aan de manier waarop je wetenschap bedrijft, maar in de loop van de tijd ben ik je steeds meer gaan waarderen voor je onuitputtelijke hoeveelheid (on)wetenschapppelijke idee¨en. Ik vind het nog steeds jammer dat je halverwege het DIOC programma terug bent gegaan naar Finland. Dr. Geld, ik zal je niet vergeten! Verder wil ik iedereen van het DIOC programma ’Intelligent Molecular Diagnostic Systems’ bedanken: Rob Moerman, Sylvia Picioreanu, Hans Frank, Gijs van Dedem, Heidi Dietrich, Christina Apetrei (Analytische Biotechnologie), Lina Sarro, Michiel Vellekoop, Bonnie Gray, Ventzeslav Iordanov, Peter Szczaurski en Dilaila Craido (Electronische Instrumentatie Laboratorium en DIMES), Piet Verbeek (Patroonherkennen), Marcel Reinders, Lodewyk Wessels, Henk Verbruggen, Eug`ene van Someren, en Peter van der Veen (Informatie en communicatietheorie / Control, Risk, Optimization, Sytems & Stochastics). Veel dank voor Wim van Oel voor het maken van allerlei onderdelen voor de microscoop. Dank aan Michael Young voor het uitvoeren van de analyse van een aantal opnames van verdampingsexperimenten. Verder wil ik bedanken: Bernd Rieger, David Tax, El˙zbieta Pekalska, Frank de Jong, Marjolein van der Glas, Michael , van Ginkel, Michiel de Bakker, Ronald Ligteringen, Stephanie Ellenberger, en alle anderen van Patroonherkennen.
155
156
DANKWOORD
You play, you lose. Na het overlijden van Rosanne heb ik heel veel steun gekregen van Ela, Bob, en Lucas. Lieve Ela, bedankt voor alles, wat je tegen me gezegd hebt, en wat je me gegegeven hebt. Bedankt voor je arm om mij heen. Bedankt voor alles! Bob, bedankt voor de wijze woorden, die je tegen me gesproken hebt. Je hebt me laten zien dat je nooit en nergens de enige bent. Lucas, ik heb je van het eerste begin tot het verdrietige eind op de hoogte gehouden. Het zal voor jou ook niet de meest makkelijke periode zijn geweest. Je hebt op een later moment op me in moeten praten, opdat ik mijn onderzoek niet zou opgeven. Bedankt daarvoor, ik had dat echt nodig. Bedankt voor alle steun. YOU PLAY! Lieve Jolanda, lieve Thomas, we hebben al zoveel meegemaakt, zoveel gelukkige gebeurtenissen, maar ook hele verdrietige. Mijn promotie kwam als het ware tussendoor. Nu is dit ook een afgerond hoofdstuk. Wie weet wat we met z’n drie¨en nog allemaal zullen beleven. Het maakt niet uit, zolang wij maar samen zijn. Ik hou van jullie... van hier tot aan de maan (en terug)! En dan ben ik nog maar net begonnen!
