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Bahnbrechende Technologie frei verfügbar machen.

Die Mikroskopie gehört zu den Technologien, die sich immer wieder neu erfinden. Während erste Mikroskope aus dem frühen 17. Jahrhundert noch höchst einfach aufgebaut waren, haben zahllose Entwicklungen die Leistungsfähigkeit von Mikroskopen stetig erhöht. Ob Antireflexbeschichtungen, die für weniger Streulicht und kontrastreichere Bilder sorgen, neue Linsenmaterialien, die die Farbzerstreuung reduzieren und komplexere Optiken ermöglichen, die bahnbrechenden Theorien von Ernst Abbe, der einst als erster berechnen konnte, wie die Auflösung zu steigern ist oder die Super-Resolution Techniken für fluoreszierende Proben und die Lichtblattmikroskopie mit deutlich reduzierter Lichtstreuung durch die Probe. Diese Aufzählung ließe sich beliebig verlängern und bis heute sind Innovationen in der Mikroskopie die treibende Kraft, die in vielen Disziplinen für neue Erkenntnisse sorgt.

Neben den Weiterentwicklungen durch die großen Gerätehersteller sind es oftmals geniale Forscher an Universitäten und Instituten, die für ihre Experimente ganz spezielle Mikroskopdesigns benötigen und diese in Eigenentwicklung selbst aufbauen. Beispiele sind das Flamingo Lichtblattmikroskop des Huisken Labs am Morgridge Institute for Research (Madison, WI) oder IsoView, ebenfalls ein Lichtblattmikroskop – entwickelt von Philip Keller und seinem Forschungsteam am Janelia Research Campus des Howard Hughes Medical Institute in Ashburn (Virginia). Auch das GATTAscope, welches die TIRF-Technologie kombiniert mit STORM-Techniken nutzt, gehört zu diesen Eigenentwicklungen. Oftmals werden die dabei entstandenen Designs im Internet geteilt und es hat sich mittlerweile eine den Globus umspannende Community entwickelt, die gezielt baugleiche Mikroskope nutzt um so – beispielsweise – wissenschaftliche Ergebnisse einer Forschungsgruppe mit eigenen Arbeiten vergleichen und absichern zu können.

In den Communitys werden nicht nur Anwendungswissen und Forschungsergebnissen sondern auch die Details dieser Aufbauten, einschließlich aller verwendeten Komponenten, global ausgetauscht. Neben Informationen zu Laser- und Optikherstellern, Kameras und Software stehen dabei auch Positioniersysteme, deren zugrundeliegende Antriebstechnologien und deren Steuerungsmöglichkeiten im Mittelpunkt. Denn jedes Experiment stellt eigene Anforderungen an das Mikroskopdesign und die darin verwendeten Positioniersysteme.

Antriebskonzepte

Um die verschiedenen Anforderungen an Stellwege, Dynamik, Präzision, Baugröße etc. beantworten zu können, stellt PI eine Vielzahl unterschiedlicher Antriebsarten zur Verfügung. Diese lassen sich grob in zwei Klassen unterteilen: Piezobasierte Antriebe und Elektromotoren.

Piezoaktoren und -motoren

Für seine piezobasierten Antriebe setzt PI eigenentwickelte piezokeramische Komponenten ein. In den PIFOC Objektivscannern sind dies die vollkeramisch isolierten PICMA® Piezoaktoren. Die mittels Festkörpergelenkführungen gehebelten Aktoren erlauben Stellwege von bis zu 460 µm, Neuentwicklungen werden sogar bis zu 800 µm Stellweg ermöglichen. Darüber hinaus zeichnen sie sich durch wesentlich schnelleres Ansprechen und höhere Lebensdauer als motorische Antriebe aus – bis zu 100 Milliarden Zyklen ohne Ausfall sind nachgewiesen. Die auf dem gleichen Prinzip basierenden PIHera Linearachsen werden z.B. im IsoView Lichtblattmikroskop zur Objektivbewegung eingesetzt. Integrierte, kapazitive Sensoren messen kontaktfrei mit Sub-Nanometer-Auflösung. Sie bieten eine herausragende Linearität der Bewegung, eine hohe Langzeitstabilität und eine Bandbreite im kHz-Bereich.

Ebenfalls auf der Piezotechnologie basieren PILine® Ultraschallmotoren. Sie ermöglichen lineare Bewegungen mit praktisch beliebig langen Stellwegen und rotatorische Bewegungen. Die sehr flach bauenden Antriebe sind mechanisch einfach integrierbar und erreichen typische Maximalgeschwindigkeit von 100 mm/s bei einer bidirektionalen Wiederholgenauigkeit der Position im Bereich von ±500 nm. Eine spezielle Eigenschaft dieser Antriebe ist die Selbsthemmung in Ruhe und im ausgeschalteten Zustand. Eine erreichte Position wird mechanisch stabil gehalten ohne zusätzlichen Energieaufwand und Wärmeeintrag. Anwendungen mit geringer Einschaltdauer, die batteriebetrieben oder wärmeempfindlich sind, profitieren von diesen Eigenschaften. Auf Basis der Ultraschalltechnologie bietet PI mehrere standardisierte XY-Kreuztische an. Außerdem stehen einachsige Linearantriebe und Rotationsantriebe zur Verfügung. So kommt beispielsweise im Flamingo Lichtblattmikroskop der U-628 Rotationsplattform eine zentrale Rolle zu.

Motorische Antriebe

Im Bereich der elektromotorischen Antriebe bietet PI eine große Auswahl an spindelgetriebenen als auch direkt angetriebenen Lineartischen, als Servo- und als Schrittmotorvarianten an. Im Flamingo LSFM kommt beispielsweise der kompakte Lineartisch L‑505 mit gefaltetem Antrieb zum Einsatz. Mit ihm wird die Probenkammer entlang der optischen Achse bewegt. Dies dient der Erstellung von Z-Stacks, mittels denen die Probe in ihrer Gänze dreidimensional dargestellt werden kann.

Elektromotorische Linearantriebe können bei Bedarf gestapelt und auch mit Goniometern kombiniert werden um Positionierungen in mehreren Freiheitsgraden zu erzielen. Ergänzt wird das Technologieportfolio um die sehr dynamischen Voice Coil Antriebe. Letztere finden beispielsweise in Z-Positionierern für Stellwege von mehreren Millimetern Anwendung.

Controllertechnologie und ID Chip

Neben den mechanischen Eigenschaften der Plattform spielt auch die Möglichkeit der Ansteuerung eine entscheidende Rolle für die Nutzung. Eigenentwickelte PI-Controller mit SW-Schnittstellen zu allen gängigen Entwicklungsumgebungen ermöglichen eine präzise Steuerung des Antriebs – je nach den Erfordernissen des jeweiligen Experiments. Mehr noch: dass ein Controller mehrere Bewegungsachsen gleichzeitig steuern kann ist zwar üblich, die Controller von PI können dies aber auch technologieübergreifend. So können beispielsweise von Schrittmotoren angetriebene Achsen und Ultraschallmotoren über einen Controller betrieben werden. Dies ermöglicht aufeinander abgestimmte Bewegungen, und die Systeme verhalten sich wesentlich dynamischer. Die für alle PI Controller einheitliche Kommandosprache ´General Command Set´ (GCS) unterstützt dies zusätzlich. Das General Command Set (GCS) sorgt für maximale Kompatibilität innerhalb der Positioniersysteme von PI, unabhängig vom verwendeten Antriebsprinzip, und für problemlose Updates und Upgrades. Dadurch vereinfacht sich die Inbetriebnahme und Programmierung deutlich: Es können verschiedene Positioniersysteme gemeinsam betrieben und neue Systeme mit minimalem Programmieraufwand integriert werden. Auch die Entwicklung kundenspezifischer Applikationen wird durch GCS wesentlich vereinfacht.

Für eine einfache Verwendung der PI Positionierer sorgt zudem der ID-Chip. In ihm werden die Kalibrierungsdaten von Sensoren und Aktoren gespeichert. Bei der Erstinstallation liest der Controller diese Daten aus, eine zeit- und arbeitsaufwändige Parametrisierung durch den Anwender ist nicht mehr nötig.

Die Qual der Wahl: Welcher Positionierer passt zur Anwendung?

Die Frage, welches Positioniersystem zur anstehenden Aufgabe passt, lässt sich nicht pauschal beantworten. Folgende Einflussfaktoren sind für die Entwicklung entscheidend:

  • Wie groß ist der Stellweg?
  • Wie genau muss die Positionierung von Probe oder Optik erfolgen?
  • Welche Anforderungen an die Dynamik habe ich?
  • Wie ist der Platzbedarf bzw. das Platzangebot?
  • Welche weiteren Randbedingungen muss ich beachten?
    Beispielsweise: Temperaturbereich, Atmosphäre (Druck, Feuchtigkeit), Magnetismus …

 

Mit seinem breiten Angebot an Antriebstechnologien und den darauf basierenden Positioniersystemen ermöglicht PI für praktisch alle Anwendungen eine adäquate Lösung zu finden. Speziell geschulte Anwendungsexperten unterstützen bei der Auswahl.

Zahlreiche Anwendungsbeispiele

Das Beispiel der Rotationsplattform für das Flamingo Lichtblattmikroskop steht exemplarisch für zahlreiche Open Source Mikroskopieprojekte, in denen unterschiedlichste Bewegungs- und Positioniersysteme von PI eingesetzt werden. Professor Jan Huisken erklärt, warum er für das Flamingo Projekt auf PI gesetzt hat: „Durch die Partnerschaft mit PI können wir diese Instrumente präziser gestalten und die beste Mikropositionierung für diese Instrumente, für diese hochauflösenden Mikroskope nutzen […]. Wir arbeiten schon lange mit PI zusammen, wir setzen ihre Stages schon lange ein […] und wir sind sehr zufrieden mit ihrer Leistung, deshalb haben wir uns entschieden, sie auch im Flamingo einzusetzen.“ Das komplette Interview mit Professor Huisken finden Sie hier:

Neben den bereits genannten Projekten Flamingo, Iso-View und Gattascope kommen PI Systeme auch im 4PI-Projekt von Prof. Joerg Bewersdorf, Yale University , MesoSPIM von PhD Fabian F. Vogt und Prof. Fritjof Helmchen der Universität Zürich, dem OpenScopes Projekt am Imperial College von London und in vielen weiteren Projekten zum Einsatz.

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