SISKIYOU-生命科學(xué)研究探針定位優(yōu)化

光學(xué)機(jī)械探針定位器可以對生物樣本進(jìn)行更全面的研究。這種趨勢技術(shù)在生命科學(xué)研究中扮演著關(guān)鍵的、不為人知的角色。

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

定位設(shè)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(yīng)用需要與樣品和某種類型的探針進(jìn)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(shù)被廣泛使用，特別是在神經(jīng)科學(xué)中，并且經(jīng)常與光遺傳學(xué)和/或功能成像相結(jié)合。在這里，顯微移液管jian端用作電極，向細(xì)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(xì)胞或活神經(jīng)元，也可以是樣本動物（通常是小鼠）的肌肉細(xì)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(jìn)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(xué)顯微鏡下進(jìn)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(jìn)入樣品。

在這些嚴(yán)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(yùn)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(yùn)動（消除俯仰和偏航），壽命極長。在簡單的設(shè)置中，所有的運(yùn)動都是使用粗針和細(xì)針驅(qū)動螺釘手動控制的。但在越來越復(fù)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(jī)、步進(jìn)電機(jī)、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(guān)重要。因此，直流電機(jī)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(yīng)性意味著它們特別適合要求苛刻的研究應(yīng)用，標(biāo)準(zhǔn)的電池直徑約為10µm或更小。它們通常是細(xì)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(xì)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(jìn)行快速刺穿運(yùn)動的能力是液壓系統(tǒng)通常首先選用于微注射型應(yīng)用的原因。例如，它們在臨床應(yīng)用中被廣泛用于與體外受精（IVF）實驗室相關(guān)的任務(wù)，以進(jìn)行遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移和受精。

在膜片鉗研究中，一個關(guān)鍵趨勢是速度的提高。典型的細(xì)胞反應(yīng)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(yīng)用兩種不同的溶液和兩個獨(dú)立的電觸點(diǎn)。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(yùn)動，且不會產(chǎn)生任何音叉響。直流電機(jī)和液壓系統(tǒng)都不能準(zhǔn)確、輕松地提供這種高速運(yùn)動。相反，壓電致動器能夠達(dá)到所需的開關(guān)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(jī)制造商開發(fā)了混合技術(shù)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(xì)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(yùn)動。這些都允許θ探頭的精確定位。壓電撓曲結(jié)合在探頭軸上，提供該軸橫向的快速運(yùn)動。這使得探針jian*端兩側(cè)之間能夠快速切換，最高可達(dá)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(jìn)行訪問。這簡化了復(fù)雜設(shè)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(yùn)動極有可能導(dǎo)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(shè)置的，但用戶可以選擇“調(diào)整”主動阻尼，以匹配具體設(shè)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(dǎo)向納米定位器在溶液切換應(yīng)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(xì)胞響應(yīng)曲線在200µs以下。該系統(tǒng)非常適合測量細(xì)胞對溶液中藥物或其他元素的反應(yīng)。

壓電運(yùn)動由普通記錄放大器設(shè)備的輸入觸發(fā)，該設(shè)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(dǎo)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(shè)置為任何角度，以選擇所需的方法。該軸結(jié)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(jī)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(yùn)動。