SISKIYOU超(chao)穩(wen)定微(wei)操(cao)縱(zong)器實現(xian)納(na)米級力測(ce)量(liang)

SISKIYOU超(chao)穩(wen)定微(wei)操(cao)縱(zong)器實現(xian)納(na)米級力測(ce)量(liang)

前(qian)沿(yan)的心(xin)臟(zang)病研(yan)究需要(yao)新(xin)壹(yi)代(dai)光學(xue)儀器的(de)能(neng)力。在幕後，三軸微操(cao)作器讓(rang)研(yan)究人員(yuan)能(neng)夠(gou)拾取單(dan)個細胞(bao)並(bing)進(jin)行(xing)分(fen)子(zi)水(shui)平的力和運動(dong)測(ce)量(liang)。

在工業化(hua)地(di)區，心(xin)血管疾(ji)病是(shi)導致(zhi)死(si)亡(wang)的(de)主(zhu)要原(yuan)因(yin)，通(tong)常是(shi)由稱(cheng)為(wei)心肌細胞(bao)的(de)單個(ge)心肌細胞(bao)功(gong)能(neng)障礙引起(qi)的(de)（見(jian)圖(tu)1）。這(zhe)些(xie)細胞(bao)代(dai)表(biao)了(le)最小(xiao)的(de)全(quan)功(gong)能(neng)心肌模型(xing)系(xi)統，可以檢(jian)查(zha)其(qi)離子(zi)調(tiao)節、力(li)產(chan)生、舒(shu)張功(gong)能(neng)、細胞(bao)信號(hao)傳導和基因(yin)表(biao)達。許多重要(yao)的研(yan)究途徑(jing)涉及對單(dan)個心(xin)肌(ji)細胞(bao)的(de)研(yan)究，而(er)這(zhe)類(lei)研(yan)究通(tong)常使(shi)用光學(xue)顯微(wei)鏡來(lai)檢查(zha)從嚙齒動(dong)物(wu)中提取的(de)活細胞(bao)。例(li)如，基(ji)於(yu)顯(xian)微(wei)鏡的儀器平臺可以進(jin)行(xing)壹系(xi)列(lie)多模(mo)式實驗，以(yi)研(yan)究輔(fu)助收(shou)縮（涉及心肌(ji)細胞(bao)縮(suo)短）和等張(zhang)力(li)（在沒有(you)物(wu)理縮短的情(qing)況(kuang)下產(chan)生的(de)力量(liang)）。這(zhe)兩(liang)種(zhong)力(li)在單個(ge)細胞(bao)中(zhong)的正(zheng)確(que)運作(zuo)使(shi)得(de)心臟能夠(gou)執(zhi)行心搏周(zhou)期(qi)的(de)四(si)個階段（I-IV）（見(jian)圖(tu)2）。

新(xin)壹(yi)代(dai)儀(yi)器旨(zhi)在幫(bang)助推(tui)進這(zhe)類(lei)研(yan)究。例(li)如，來(lai)自IonOptix的(de)最(zui)新(xin)MyoStretcher系(xi)統承諾(nuo)使(shi)用簡便，同時(shi)在力和運動(dong)測(ce)量(liang)方(fang)面具(ju)有(you)優yu的靈(ling)敏度——這(zhe)得(de)益於(yu)壹(yi)對(dui)XYZ微(wei)操(cao)縱(zong)器，使(shi)研(yan)究人員(yuan)能(neng)夠(gou)拾取單(dan)個肌細胞(bao)。

測(ce)量(liang)肌細胞(bao)

在使(shi)用時(shi)，每個微操(cao)縱(zong)器都持有壹(yi)個玻(bo)璃棒（通(tong)常直(zhi)徑為(wei)25µm，長(chang)度(du)為(wei)500µm），該(gai)玻(bo)璃(li)棒被(bei)浸(jin)入(ru)含(han)有(you)MyoTak的(de)液(ye)滴中(zhong)，MyoTak是(shi)壹(yi)種(zhong)由細胞(bao)外(wai)基質（ECM）蛋白和多糖(tang)組(zu)成的粘(zhan)合(he)混(hun)合(he)物(wu)。在讓這(zhe)部(bu)分(fen)幹燥(zao)後，操(cao)作員(yuan)接觸(chu)在緩(huan)沖(chong)液(ye)下躺(tang)在室玻(bo)璃上(shang)的(de)肌(ji)細胞(bao)的(de)兩端。大約(yue)需(xu)要(yao)10s細胞(bao)才(cai)能粘(zhan)附到(dao)棒上，之(zhi)後就(jiu)可以將(jiang)其(qi)從玻(bo)璃(li)上提起(qi)進(jin)行(xing)實驗。

壹(yi)旦壹(yi)個(ge)肌細胞(bao)被(bei)選(xuan)中(zhong)，它(ta)可以被(bei)物(wu)理或電(dian)刺激(ji)，和/或(huo)以(yi)各(ge)種(zhong)方(fang)式量(liang)化其(qi)操(cao)作（可選配(pei)件(jian)）。例(li)如，系(xi)統的壓(ya)電(dian)致(zhi)動器可以對(dui)細胞(bao)施(shi)加機(ji)械拉(la)伸(shen)力，或(huo)者(zhe)可以使(shi)用貼片鉗(qian)型(xing)電(dian)極(ji)來(lai)刺激(ji)細胞(bao)。

單(dan)個(ge)肌(ji)細胞(bao)產(chan)生的(de)收縮力在10-1000nN範(fan)圍(wei)內(nei)，可以通(tong)過壹種(zhong)名為(wei)OptiForce的(de)光學(xue)方(fang)法進行(xing)測(ce)量(liang)（見圖(tu)2）。簡(jian)而(er)言(yan)之(zhi)，壹個(ge)懸(xuan)臂梁被(bei)連接到(dao)力(li)傳(chuan)感(gan)器頭(tou)上(shang)。懸(xuan)臂遠(yuan)端的(de)反(fan)射(she)表面的(de)位(wei)置(zhi)是通(tong)過光纖(xian)耦(ou)合(he)激(ji)光二(er)極(ji)管（1550nm）的(de)背(bei)反(fan)射(she)幹涉法確(que)定的(de)。因(yin)為(wei)肌細胞(bao)的(de)位(wei)置(zhi)可以測(ce)量(liang)到(dao)波長(chang)的(de)壹小(xiao)部(bu)分(fen)，所(suo)以可以研(yan)究接近零的(de)等張(zhang)收(shou)縮(suo)。

OptiForce 通(tong)過兩種(zhong)方(fang)式實現(xian)在分(fen)子(zi)水(shui)平上觀(guan)察(cha)心(xin)肌細胞(bao)的(de)活動：壹(yi)種(zhong)是(shi)監(jian)測(ce)鈣離(li)子(zi)活動的(de)動(dong)態(tai)局部變(bian)化(hua)，另(ling)壹(yi)種(zhong)是(shi)測(ce)量(liang)肌原(yuan)纖維(wei)長度的變(bian)化(hua)，肌(ji)原(yuan)纖(xian)維是由參與(yu)收縮(suo)的(de)分(fen)子(zi)組(zu)裝而(er)成(cheng)的(de)條紋(wen)（深色(se)和淺(qian)色(se)帶）。在靜息狀(zhuang)態(tai)下，肌(ji)原纖維的間距大約(yue)為(wei)1.8µm。該(gai)儀(yi)器使(shi)用高(gao)速(su)（250Hz至(zhi)1kHz）CCD相(xiang)機(ji)在紅光照(zhao)明(ming)下(xia)實時(shi)捕(bu)捉明場(chang)圖(tu)像。系統軟(ruan)件(jian)對成(cheng)像的條紋進(jin)行(xing)快(kuai)速(su)傅裏葉(ye)變(bian)換(huan)（FFT）分(fen)析，以(yi)獲(huo)得(de)非(fei)常(chang)精(jing)確(que)的肌(ji)原(yuan)纖維長度(du)平均值，無論(lun)細胞(bao)是(shi)在收縮(suo)還(hai)是(shi)放(fang)松(song)狀(zhuang)態(tai)。

正(zheng)如(ru)在顯微(wei)鏡成像中廣泛用於(yu)其(qi)他(ta)代(dai)謝過程的(de)觀(guan)察(cha)，通(tong)過使(shi)用鈣離子(zi)探針，也可以追(zhui)蹤(zong)心肌(ji)細胞(bao)在亞細胞(bao)、分(fen)子(zi)水(shui)平上的代(dai)謝活動，這(zhe)些(xie)探針的熒(ying)光特(te)性(xing)定量(liang)地依(yi)賴(lai)於(yu)局部鈣離子(zi)的(de)濃度。這(zhe)是(shi)通(tong)過使(shi)用壹個集成(cheng)的(de)氙燈(deng)和壹個(ge)正(zheng)置(zhi)熒(ying)光適(shi)配(pei)器來(lai)實現(xian)的(de)，同時(shi)使(shi)用相機(ji)配(pei)合(he)二(er)向色(se)濾光片。

根據(ju)IonOptix的(de)應(ying)用科(ke)學(xue)家Dr. Joe Soughayer的(de)說(shuo)法，“我們最新版(ban)本(ben)儀器的(de)目(mu)標(biao)是使(shi)科(ke)學(xue)家能夠(gou)提高(gao)他(ta)們測(ce)量(liang)的分(fen)辨(bian)率和靈敏度。在等張(zhang)實驗中(zhong)，壹(yi)個(ge)肌(ji)細胞(bao)只(zhi)會表(biao)現(xian)出總(zong)共1µm或(huo)更少的移(yi)動(dong)。最(zui)終(zhong)，我們希望達到(dao)技(ji)術的(de)極限(xian)，這(zhe)壹(yi)極限是由MyoTak粘(zhan)合(he)劑的順應(ying)性(xing)所(suo)設(she)定的(de)。因(yin)此，我們對微操(cao)縱(zong)器有(you)兩(liang)個關(guan)鍵(jian)要求(qiu)。它們需要提供接近零漂(piao)移(yi)；亞(ya)微(wei)米級別的(de)漂移(yi)和/或(huo)松(song)動(dong)將(jiang)使(shi)得(de)準確(que)測(ce)量(liang)我們的客戶想要(yao)研(yan)究的微(wei)小(xiao)力(li)量(liang)和運動(dong)變(bian)得(de)不(bu)可能。此外，這(zhe)些(xie)通(tong)常是(shi)復(fu)雜且(qie)具(ju)有(you)挑戰性(xing)的(de)實驗，所(suo)以(yi)我們希望有(you)壹個(ge)系統，它具有簡(jian)單、直觀(guan)的(de)控制功(gong)能(neng)，沒有真正(zheng)的(de)學(xue)習(xi)曲(qu)線，用戶可以專(zhuan)註(zhu)於(yu)科(ke)學(xue)研(yan)究。"MyoStretcher 包(bao)含(han)了(le)壹對(dui)這(zhe)樣(yang)的子(zi)系(xi)統，它們分(fen)別(bie)配(pei)置(zhi)為(wei)右手和左手型(xing)，其(qi)中玻璃(li)棒安裝在每個子(zi)系(xi)統的Z軸上。

選(xuan)擇微(wei)操(cao)縱(zong)器

存(cun)在許多基(ji)於(yu)不(bu)同技(ji)術的(de)微操(cao)縱(zong)器類(lei)型，包(bao)括(kuo)液(ye)壓(ya)、微(wei)步(bu)進電(dian)機(ji)和壓(ya)電(dian)技(ji)術。IonOptix選(xuan)擇了(le)基於(yu)直(zhi)流(liu)/伺(si)服(fu)電(dian)機(ji)的三軸微操(cao)縱(zong)器——這(zhe)是(shi)Siskiyou公(gong)司MX 7630的(de)定制OEM版(ban)本(ben)（見圖(tu)3）。選(xuan)擇的(de)原(yuan)因與(yu)直流(liu)/伺(si)服(fu)電(dian)機(ji)的優勢有(you)關(guan)，它(ta)們提供了(le)所需(xu)的行(xing)程範(fan)圍(wei)和分(fen)辨(bian)率，而(er)壓(ya)電(dian)技(ji)術則(ze)沒有(you)足夠(gou)的運(yun)動範(fan)圍(wei)來(lai)執(zhi)行關(guan)鍵(jian)的肌(ji)細胞(bao)拾取動(dong)作。此外，直流執(zhi)行器可以保(bao)持(chi)位(wei)置(zhi)，而(er)無需(xu)像步進器和壓(ya)電(dian)器那(na)樣(yang)消耗(hao)電力。即使(shi)在靜止狀(zhuang)態(tai)下，即(ji)在測(ce)量(liang)過程中(zhong)，電流(liu)的(de)抽(chou)取也(ye)必然會(hui)不可避免地(di)產(chan)生不(bu)需要的熱量(liang)。熱漂移(yi)總(zong)是精(jing)密定位(wei)的敵(di)人(ren)。所以，直流(liu)（DC）執(zhi)行器具(ju)有(you)固有(you)的超(chao)低(di)漂(piao)移(yi)潛(qian)力，即(ji)使(shi)在長時(shi)間的(de)實驗中(zhong)也(ye)是(shi)如(ru)此。此外，壹些實驗可能還(hai)包(bao)括(kuo)電生(sheng)理學(xue)測(ce)量(liang)，在這(zhe)些(xie)測(ce)量(liang)中，必須避(bi)免任(ren)何(he)電(dian)磁(ci)幹擾(rao)噪聲(sheng)（EMI），因(yin)為(wei)涉及到(dao)微(wei)弱的電(dian)信號(hao)。

圖(tu)3. MyoStretcher集成(cheng)了(le)來(lai)自Siskiyou的壹(yi)對(dui)三軸微操(cao)作器（右(you)手和左手配(pei)置(zhi)）。

在DC/伺(si)服(fu)選(xuan)項中(zhong)，MX7000系(xi)列(lie)展(zhan)示(shi)了(le)與(yu)MyoStretcher目(mu)標(biao)性能（測(ce)量(liang)精度(du)達到(dao)1nN）相(xiang)兼(jian)容的zu低的遊(you)隙和漂移(yi)，同時(shi)在每個軸向上提(ti)供高(gao)達20mm的(de)運(yun)動(dong)。帶有(you)防(fang)反(fan)沖(chong)齒(chi)輪(lun)頭（在每個軸上）的(de)電動(dong)執(zhi)行器驅動交(jiao)叉(cha)滾柱(zhu)軸承的(de)高(gao)度(du)線性載(zai)物(wu)臺，消除(chu)了(le)軸向和橫向間隙，預加載的(de)螺桿驅動器避(bi)免了(le)靜止時(shi)（即(ji)在典型(xing)的單肌細胞(bao)實驗中(zhong)）漂(piao)移(yi)的(de)可能性(xing)。此外，由於(yu)三個(ge)軸向子(zi)系(xi)統最初是為(wei)要求嚴格的(de)電(dian)生(sheng)理學(xue)（膜(mo)片鉗(qian)）實驗開(kai)發的，因此它們與(yu)高(gao)倍(bei)光學(xue)顯微(wei)鏡的有限訪(fang)問空間全(quan)兼(jian)容。

這(zhe)些(xie)微操(cao)作器也(ye)提(ti)供簡(jian)單的操(cao)作。控制器有(you)兩(liang)個預設(she)速(su)度設(she)置(zhi)：快速(su)（1.7mm/s）和中速(su)（300µm/s）。第(di)三個(ge)速(su)度選(xuan)擇器（慢(man)速(su)）有壹(yi)個可變(bian)的(de)330°電(dian)位(wei)器，它(ta)允(yun)許從50µm/s連續調整速(su)度到(dao)2µm/s。將(jiang)速(su)度選(xuan)擇器設(she)定在最慢(man)的設(she)置(zhi)下，通(tong)過簡單(dan)地按(an)下壹(yi)個(ge)軸按(an)鈕(niu)，可以輕松(song)地(di)進(jin)行(xing)壹致(zhi)的0.2µm移(yi)動(dong)。幾(ji)個(ge)實驗室(shi)已(yi)經(jing)發(fa)表(biao)了(le)由1nN力(li)敏感(gan)度(du)支(zhi)持(chi)的研(yan)究，這(zhe)項技(ji)術有(you)望進(jin)壹步(bu)推動我們希望最(zui)終(zhong)能(neng)夠(gou)減(jian)少心臟(zang)病並(bing)為(wei)受影響者(zhe)提(ti)供更好治療(liao)的發現(xian)。

l三軸電動(dong)機(ji)械操(cao)作，左(zuo)/右(you)手

l1.7mm/s快(kuai)速(su)定位(wei)

l粗角度探頭(tou)定位(wei)

l重復(fu)探頭(tou)支(zhi)架(jia)

l可容納直徑為(wei)3~10mm的(de)安(an)裝桿

l符(fu)合(he)RoHS和CE標(biao)準