SISKIYOU-生命科学研究探针定位优化

SISKIYOU-生命科学研究探针定位优化

光学机械探针定位器可以对生物样本进行更全面的研究。这种趋势技术在生命科学研究中扮演着关键的、不为人知的角色。

光子技术使生命科学家能够在从神经元信号传导到心肌收缩以及细胞和细胞发育等过程的日益复杂的研究中探测样本。随着研究在越来越精细的分辨率水平上继续进行，对光机定位的要求变得越来越高。

定位设备操纵用于与生物样本相互作用的探针。这包括定位光探头，如聚焦激光器或LED，以及定位物理探头，如电极或微量注射器。

许多应用需要与样品和某种类型的探针进行物理交互，所有这些都需要在显微镜下观察。例如，电生理膜片钳技术被广泛使用，特别是在神经科学中，并且经常与光遗传学和/或功能成像相结合。在这里，显微移液管尖端用作电极，向细胞膜施加电压（电势）变化，以夹紧膜电势或测量其中引起的变化。样品可以是体外细胞或活神经元，也可以是样本动物（通常是小鼠）的肌肉细胞。

通过使用一个非常小的微量移液管孔，可以对含有从单个离子通道蛋白（典型的移液管直径<0.3&micro;m）到数百个离子通道的贴片或膜进行采样。因此，研究人员需要一种以亚微米精度定位这种移液管的方法。此外，这些实验大多是在光学显微镜下进行的，通常在物镜下的工作距离小于2mm。因此，探针必须在非常有限的角度范围内进入样品。

在这些严格的限制下实现简单的探针和移液管放置和更换并非易事。通常，使用多轴组件，其中大多数轴都配备了粗调和微调。这些至少包括XYZ调整和旋转动作，以使组件在样品场内外摆动。最重要的是，这些包括与电极尖端对齐的专用第四线性轴。

这种线性运动最常用交叉滚柱轴承平移台，因为它们能够提供精确的线性运动（消除俯仰和偏航），寿命极长。在最简单的设置中，所有的运动都是使用粗针和细针驱动螺钉手动控制的。但在越来越复杂的实验中，为了提高数据吞吐量，一些或所有轴都是电动的，用于自动化操作。在这里，用户可以选择基于直流电机、步进电机、液压或压电元件的促动器。电信号通常非常小，这就是为什么移液管电极直接安装在前置放大器头部阶段上的原因——低信号意味着低噪声至关重要。因此，直流电机通常是膜片钳研究的首选，因为它们在静止时不持续消耗电流。这最大限度地减少了样品周围的电噪声。

液压促动器在膜片钳组件中也很受欢迎。液压系统的响应性意味着它们特别适合要求苛刻的研究应用，标准的电池直径约为10&micro;m或更小。它们通常是细胞内记录的最佳解决方案，在这种情况下，需要突然的刺穿动作才能用锋利的电极刺穿细胞。一般来说，这些类型的实验持续时间不到20分钟，因此液压系统常见的轻微长期漂移不是问题。

进行快速刺穿运动的能力是液压系统通常首选用于微注射型应用的原因。例如，它们在临床应用中被广泛用于与体外受精（IVF）实验室相关的任务，以进行遗传物质转移和受精。

在膜片钳研究中，一个关键趋势是速度的提高。典型的细胞反应曲线在200&micro;s以下测量。为了获得有用的实时数据，研究人员需要在类似的时间尺度上启动和终止刺激和监测功能。一个非常宝贵的工具是θ微量移液器，其中沿着尖端长度延伸的隔膜可以应用两种不同的溶液和两个独立的电触点。移液管两侧之间的快速切换需要与移液管轴成90°的快速横向运动，且不会产生任何音叉响。直流电机和液压系统都不能准确、轻松地提供这种高速运动。相反，压电致动器能够达到所需的开关速度，但总行程范围为250&micro;m或更小，因此不适合移液管的整体定位。

为了解决这一挑战，光机制造商开发了混合技术的多轴系统。一个例子是Siskiyou的MXPZT-300系列，它具有四个线性轴（X、Y、Z和探头轴），每个轴由细螺距手动螺钉驱动的超稳定交叉滚柱轴承微操作器提供20mm的运动。这些都允许θ探头的精确定位。压电挠曲结合在探头轴上，提供该轴横向的快速运动。这使得探针尖端两侧之间能够快速切换，最高可达50&micro;m/msec。

这种类型的系统也有两种镜像形式，可以从显微镜实验的右侧或左侧进行访问。这简化了复杂设置中的集成，并使两个探头能够在同一实验中分别使用，每侧一个。

此外，移液管尖端的快速来回运动极有可能导致振动，因此这些系统在智能控制板中集成了共振抑制算法，该控制板为压电挠性件提供驱动电压。虽然这些都是工厂优化和设置的，但用户可以选择“调整”主动阻尼，以匹配具体设置中的有问题振动。

MXPZT-300 系列

MXPZT-300系列使用高速压电挠性导向纳米定位器在溶液切换应用中移动移液管尖端。它使θ玻璃溶液流相对于记录电极的切换非常接近理论最大速度；典型的细胞响应曲线在200&micro;s以下。该系统非常适合测量细胞对溶液中药物或其他元素的反应。

压电运动由普通记录放大器设备的输入触发，该设备可以控制间隔频率和停留时间。MXPZT-300包括压电放大器箱和输入整形板，可显著减少移液管尖端振动。它可以重新编程，以几乎消除特定配置特有的共振。

横向行程为250&micro;m的压电柔性导向纳米定位器安装在我们超稳定的MX1640交叉辊微操作器上。MX1640在所有四个轴上都有20mm的行程。第四轴可以设置为任何角度，以选择所需的方法。该轴结合了我们的MXC-45，允许压电/移液管组件在实验中向上和向外旋转，以便于更换玻璃。MX1640的底座有一个内置的粗调，用于整个机械手的旋转，也可以与我们的MX-RS旋转台一起使用，以实现更精确的运动。