SISKIYOU-生命科學研究探針定位優(yōu)化

光學機械探針定位器可以對生物樣本進行更全面的研究。這種趨勢技術在生命科學研究中扮演著關鍵的、不為人知的角色。

光子技術使生命科學家能夠在從神經(jīng)元信號傳導到心肌收縮以及細胞和細胞發(fā)育等過程的日益復雜的研究中探測樣本。隨著研究在越來越精細的分辨率水平上繼續(xù)進行，對光機定位的要求變得越來越高。

定位設備操縱用于與生物樣本相互作用的探針。這包括定位光探頭，如聚焦激光器或LED，以及定位物理探頭，如電極或微量注射器。

許多應用需要與樣品和某種類型的探針進行物理交互，所有這些都需要在顯微鏡下觀察。例如，電生理膜片鉗技術被廣泛使用，特別是在神經(jīng)科學中，并且經(jīng)常與光遺傳學和/或功能成像相結合。在這里，顯微移液管jian端用作電極，向細胞膜施加電壓（電勢）變化，以夾緊膜電勢或測量其中引起的變化。樣品可以是體外細胞或活神經(jīng)元，也可以是樣本動物（通常是小鼠）的肌肉細胞。

通過使用一個非常小的微量移液管孔，可以對含有從單個離子通道蛋白（典型的移液管直徑<0.3µm）到數(shù)百個離子通道的貼片或膜進行采樣。因此，研究人員需要一種以亞微米精度定位這種移液管的方法。此外，這些實驗大多是在光學顯微鏡下進行的，通常在物鏡下的工作距離小于2mm。因此，探針必須在非常有限的角度范圍內(nèi)進入樣品。

在這些嚴格的限制下實現(xiàn)簡單的探針和移液管放置和更換并非易事。通常，使用多軸組件，其中大多數(shù)軸都配備了粗調(diào)和微調(diào)。這些至少包括XYZ調(diào)整和旋轉(zhuǎn)動作，以使組件在樣品場內(nèi)外擺動。最重要的是，這些包括與電極jian端對齊的專用第四線性軸。

這種線性運動常用交叉滾柱軸承平移臺，因為它們能夠提供精確的線性運動（消除俯仰和偏航），壽命極長。在簡單的設置中，所有的運動都是使用粗針和細針驅(qū)動螺釘手動控制的。但在越來越復雜的實驗中，為了提高數(shù)據(jù)吞吐量，一些或所有軸都是電動的，用于自動化操作。在這里，用戶可以選擇基于直流電機、步進電機、液壓或壓電元件的促動器。電信號通常非常小，這就是為什么移液管電極直接安裝在前置放大器頭部階段上的原因——低信號意味著低噪聲至關重要。因此，直流電機通常是膜片鉗研究的首先選，因為它們在靜止時不持續(xù)消耗電流。這最大限度地減少了樣品周圍的電噪聲。

液壓促動器在膜片鉗組件中也很受歡迎。液壓系統(tǒng)的響應性意味著它們特別適合要求苛刻的研究應用，標準的電池直徑約為10µm或更小。它們通常是細胞內(nèi)記錄的最佳解決方案，在這種情況下，需要突然的刺穿動作才能用鋒利的電極刺穿細胞。一般來說，這些類型的實驗持續(xù)時間不到20分鐘，因此液壓系統(tǒng)常見的輕微長期漂移不是問題。

進行快速刺穿運動的能力是液壓系統(tǒng)通常首先選用于微注射型應用的原因。例如，它們在臨床應用中被廣泛用于與體外受精（IVF）實驗室相關的任務，以進行遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移和受精。

在膜片鉗研究中，一個關鍵趨勢是速度的提高。典型的細胞反應曲線在200µs以下測量。為了獲得有用的實時數(shù)據(jù)，研究人員需要在類似的時間尺度上啟動和終止刺激和監(jiān)測功能。一個非常寶貴的工具是θ微量移液器，其中沿著jian*端長度延伸的隔膜可以應用兩種不同的溶液和兩個獨立的電觸點。移液管兩側(cè)之間的快速切換需要與移液管軸成90°的快速橫向運動，且不會產(chǎn)生任何音叉響。直流電機和液壓系統(tǒng)都不能準確、輕松地提供這種高速運動。相反，壓電致動器能夠達到所需的開關速度，但總行程范圍為250µm或更小，因此不適合移液管的整體定位。

為了解決這一挑戰(zhàn)，光機制造商開發(fā)了混合技術的多軸系統(tǒng)。一個例子是Siskiyou的MXPZT-300系列，它具有四個線性軸（X、Y、Z和探頭軸），每個軸由細螺距手動螺釘驅(qū)動的超穩(wěn)定交叉滾柱軸承微操作器提供20mm的運動。這些都允許θ探頭的精確定位。壓電撓曲結合在探頭軸上，提供該軸橫向的快速運動。這使得探針jian*端兩側(cè)之間能夠快速切換，最高可達50µm/msec。

這種類型的系統(tǒng)也有兩種鏡像形式，可以從顯微鏡實驗的右側(cè)或左側(cè)進行訪問。這簡化了復雜設置中的集成，并使兩個探頭能夠在同一實驗中分別使用，每側(cè)一個。

此外，移液管jian*端的快速來回運動極有可能導致振動，因此這些系統(tǒng)在智能控制板中集成了共振抑制算法，該控制板為壓電撓性件提供驅(qū)動電壓。雖然這些都是工廠優(yōu)化和設置的，但用戶可以選擇“調(diào)整"主動阻尼，以匹配具體設置中的有問題振動。

MXPZT-300 系列

MXPZT-300系列使用高速壓電撓性導向納米定位器在溶液切換應用中移動移液管jian的端。它使θ玻璃溶液流相對于記錄電極的切換非常接近理論最大速度；典型的細胞響應曲線在200µs以下。該系統(tǒng)非常適合測量細胞對溶液中藥物或其他元素的反應。

壓電運動由普通記錄放大器設備的輸入觸發(fā)，該設備可以控制間隔頻率和停留時間。MXPZT-300包括壓電放大器箱和輸入整形板，可顯著減少移液管jian端振動。它可以重新編程，以幾乎消除特定配置有的共振。

橫向行程為250µm的壓電柔性導向納米定位器安裝在我們超穩(wěn)定的MX1640交叉輥微操作器上。MX1640在所有四個軸上都有20mm的行程。第四軸可以設置為任何角度，以選擇所需的方法。該軸結合了我們的MXC-45，允許壓電/移液管組件在實驗中向上和向外旋轉(zhuǎn)，以便于更換玻璃。MX1640的底座有一個內(nèi)置的粗調(diào)，用于整個機械手的旋轉(zhuǎn)，也可以與我們的MX-RS旋轉(zhuǎn)臺一起使用，以實現(xiàn)更精確的運動。