Feed forward maakt microscoopstage goedkoop, stabiel, snel en nauwkeurig

Onderzoek naar celstructuren vereist vaak meer dan details alleen. Zo kunnen kleuren meer informatie geven over wat er in een cel gebeurt. Om dit te doen, maken researchers gebruik van fluorescente markers om specifieke elementen van een cel in te kleuren. Een voorbeeld van zo‘n fluorescente marker is het eiwit GFP. Voor de ontdekking en ontwikkeling van dit specifieke eiwit kregen Martin Chalfie, Osamu Shimomura en Roger Tsien in 2008 de Nobelprijs voor de scheikunde. Het gebruik van dergelijke fluorescente markers maakt het identificeren van specifieke eiwitten mogelijk. Ook is het mogelijk om deze eiwitten live te volgen, bijvoorbeeld tijdens een celdeling.

Het kleuren van cellen op deze manier is niet nieuw en wordt al vele jaren toegepast. Recent onderzoek eist meer dan alleen deze kleurinformatie van cellen: hoge details van celstructuren. Dit kan meer inzicht geven in hoe een cel wordt opgebouwd. Hiervoor is een zeer hoge resolutie nodig die een optische microscoop niet kan leveren. Om dit probleem op te lossen en zo ook de kleine details van de celstructuur zichtbaar te maken, wil je hetzelfde preparaat ook in een elektronenmicroscoop bekijken. Dit brengt een aantal problemen met zich mee, waarvan de uitlijning het grootste is.

Het zoeken van een specifieke cel in een preparaat maakt het zoeken van een naald in een hooiberg al snel gemakkelijk. De gemiddelde onderzoeker is toch al gauw enkele uren tot dagen bezig om de juiste overlay voor elkaar te krijgen. Bij het onderzoeken van grote aantallen preparaten is dat ondoenlijk.

Hier komt het Secom-platform van het Delftse Delmic om de hoek kijken. Dat systeem combineert een scanning elektronenmicroscoop met een optische microscoop tot één geheel. Doordat de elektronenmicroscoop aan de bovenzijde van het preparaat is geplaatst en de optische microscoop aan de onderzijde, kan er nu tegelijkertijd naar dezelfde cel op het preparaat worden gekeken, wat een hoop tijd aan uitlijning scheelt.

Na een aantal succesvolle resultaten gaat TU Delft-spin-off Delmic nog een stap verder: de optische microscoop wordt uitgevoerd als een confocale microscoop. Dit vergroot het contrast aanzienlijk en ook de optische resolutie verbetert. In de uitvoering van de confocale microscoop is ervoor gekozen om het preparaat te scannen, wat de uitlijning ten opzichte van de elektronenmicroscoop vergemakkelijkt.

 advertorial 

Ingredients enabling carbon neutrality of warehouse systems

5 oktober 2023 vindt de INCOSE-NL workshop 2023 plaats, met spreker Daan Meijsen van Vanderlande. Tijdens de workshop krijg je inzicht in de verschillende cross-cutting duurzaamheidsperspectieven voor hightech systemen. Bekijk het volledige programma online en registreer nu!

Nu komt de constructieve uitdaging: hoe halen we een scanbereik van 50 bij 50 µm in een beperkt werkvolume van slechts 146 bij 146 bij 20 millimeter, terwijl de stage in vacuüm moet werken? Om concurrentie en beperkte investeringsbudgetten van onderzoeksinstituten het hoofd te kunnen bieden, is een aantrekkelijke kostprijs van belang voor het uiteindelijke succes van Delmic. Kortom: value engineering is een vereiste. Het antwoord op deze vragen is een speciaal compact ontworpen scanstage die het mogelijk maakt om een preparaathouder tussen de twee microscopen door te laten scannen. Hierbij mag niet te veel in hoogte worden afgeweken, anders kan het preparaat buiten focus komen. De stage wordt volledig feed-forward aangestuurd waardoor geen dure sensoren nodig zijn

De scanstage heeft Delmic ontworpen met Hittech Multin, een systeemleverancier met ervaring in value engineering en het ontwikkelen en produceren van zeer precieze systemen, en Jesse van Koppen, een afstudeerder werktuigbouwkunde van de TU Delft. Samen hebben zij het voor elkaar gekregen om een goedkope en compacte scanstage met de vereiste nauwkeurigheid te realiseren.

Piëzo‘s

Voor feed-forward aansturing is een zeer hoge stijfheid vereist. Hiertoe is een nieuw type statisch bepaalde geleiding op basis van flexures bedacht. De stage is opgebouwd uit een binnenste en een buitenste ring, die elk door omgevouwen bladveren de rotatie om x- en y-as en de translatie in de z-richting stijf vastleggen. Door per ring nog twee vrijheidsgraden vast te leggen met behulp van twee parallelle sprieten uitgevoerd als ingefreesde bladveren is het nu enkel mogelijk om de binnenste ring in x-richting te bewegen en de buitenste ring in y-richting. Van Koppen heeft de scanstage verder zodanig ontworpen dat vrijwel de gehele structuur monolithisch is. Dit voorkomt speling in het systeem. Doordat de eigenfrequenties van het systeem boven de 1 kHz liggen, wordt de scanslag slechts met tien procent gereduceerd tijdens een snelle scan. Het systeem is verder volledig tweedimensionaal en daardoor eenvoudig en goedkoop te produceren.

Verificatiemetingen aan het systeem hebben uitgewezen dat een minimale nauwkeurigheid van 12 nm haalbaar is. Een eenmalige kalibratie is afdoende. Zo is de stage statisch bepaald, spelingsvrij, enorm stijf, eenvoudig te produceren en heeft hij een voorspelbaar thermisch gedrag. Deze aanpak resulteerde in een daling van tachtig procent van de kosten, terwijl de performance gelijk blijft.

In een elektronenmicroscoop is het gebruik van magneten of conventionele motors uit den boze. Als het magnetisch veld van de elektronenmicroscoop wordt verstoord, kan de beeldkwaliteit niet meer worden gehaald. Dit geeft een zeer beperkte keuze in actuatoren. De ontwikkelaars gingen daarom voor piëzotechnologie. Het gebruik van piëzostacks heeft als voordeel dat er geen magnetische verstoring optreedt. Bovendien zijn de compacte afmetingen geschikt voor het beperkte werkvolume.

In totaal kan de scanstage een preparaat scannen in slechts twintig seconden. Hierdoor kan onderzoek sneller en beter worden gedaan. Het Secom-platform zal uiteindelijk een significante bijdrage gaan leveren in de verbetering van ziektebestrijding en onderzoek hiernaar.