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Automatisierungslösungen Manuelle Mikroskope automatisieren

Autor / Redakteur: Holger Ruchatz* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Die Anforderungen an Mikroskopsysteme sind in den vergangenen Jahren deutlich gestiegen. Häufig reichen die normalen manuellen Geräte nicht mehr aus, um aktuelle Fragestellungen zu beantworten. Lesen Sie, wie man mit unterschiedlichen Komponenten ein manuelles Mikroskop zu einer vollständig automatisierten Imaging-Station erweitern kann.

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Abb. 1: Mithilfe der neuen Geräteserie ProScanIII lassen sich manuelle Mikroskope unterschiedlicher Hersteller flexibel automatisieren.
Abb. 1: Mithilfe der neuen Geräteserie ProScanIII lassen sich manuelle Mikroskope unterschiedlicher Hersteller flexibel automatisieren.
( Bild: Prior Scientific )

Automatisierung ist in vielen Bereichen im Labor eines der aktuell wichtigsten Themen. Automatisierung bedeutet Effizienzsteigerung, höherer Probendurchsatz und damit letztendlich Kostenersparnis. Auch bei Mikroskopie-Systemen haben mittlerweile Automatisierungstechniken Einzug gehalten. In vielen Laboratorien wird das Mikroskop allerdings noch ausschließlich manuell bedient. Dabei werden die Ergebnisse entweder direkt vom Benutzer interpretiert oder aber mittels Kamera festgehalten und später ausgewertet oder archiviert. Automatisierung ist in der Praxis meist nur bei höherwertigen Systemen vorgesehen. So benötigen konfokale und Laser-Scanning-Mikroskope meist ohnehin einen hohen Grad an Automatisierung.

Aber auch weniger hoch ausgestattete Mikroskope können durch Automatisierung neuen Versuchsanforderungen angepasst werden. Welche Hardware dazu benötigt wird, ist dabei von Anwendung zu Anwendung unterschiedlich. Sie kann von einem einfachen Fokusantrieb, z.B. zur Aufnahme von Bildern zur Tiefenschärfe-Erweiterung bis hin zum voll ausgestatteten Mehrachsen-System reichen. Wichtiges Kriterium ist dabei die Bildverarbeitungssoftware. Diese enthält oft bereits Treiber für verschiedene Automatisierungs-Komponenten. So gut wie alle bei einem Standardmikroskop manuell zu bedienenden Elemente können motorisiert werden. Die gemeinsame Kontrolle durch eine Steuerung ermöglicht die einfache Softwareeinbindung und damit die Programmierung des Mikroskops für automatisierte Versuchsabläufe. Auch komplexe Experimente, Langzeitversuche oder Hochdurchsatz-Screening können vorab geplant und dann mit hoher Genauigkeit von Positionierung, Belichtungszeiten und -wellenlänge, Vergrößerung und anderen Voreinstellungen durchgeführt werden.

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Durch Automatisierung werden zusätzliche Aufgaben möglich

Durch Automatisierung wird das Mikroskop von einer reinen Beobachtungsstation zum automatischen Laborgerät. Dies ermöglicht Laboratorien mit bestehenden Mikroskopen Experimente durchzuführen, die vorher gar nicht oder nur unter sehr großem Aufwand möglich waren.

Ein Beispiel: Auf eine Gewebeprobe sollen an mehreren repräsentativen Punkten mit hoher Auflösung regelmäßig über mehrere Stunden Bildaufnahmen gemacht werden, z.B. um die Wirkungsweise einer Substanz auf das Wachstum von Zellen zu untersuchen. Dieses Experiment erfordert zunächst die für die Probe erforderlichen Langzeitbedingungen (z.B. Temperatur, CO2), also eine entsprechende Klimakammer. XY-Koordinaten müssen bei jeder Bildaufnahme wieder gefunden werden, um vergleichende Bilder erzeugen zu können. Dafür sind je nach Vergrößerung eine hohe Präzision des Probentisches und ein Koordinatensystem nötig, vor allem wenn Bilder überlagert oder aus Einzelbildern große Aufnahmen zusammen gesetzt werden sollen. Zudem müssen Belichtungszeiten kontrolliert (bei Fluoreszenzaufnahmen eventuell auch mit verschiedenen Wellenlängen in Anregung und Emission gefahren) werden. Dazu sind Shutter und gegebenenfalls Filterwechsler nötig. Da bei hoher Auflösung die Tiefenschärfe reduziert wird, muss unter Umständen der Fokus motorisiert werden, damit Bildstapel aufgenommen werden können. Zusatzgeräte wie automatische Proben-Lader erlauben das Zuführen von Objektträgern, sodass ganze Sammlungen von Proben digitalisiert und im Schichtbetrieb analysiert werden können.

Motorisierte Probentische mit speziellem Korrekturverfahren

Prior Scientific Instruments bietet jetzt mit ProscanIII die neueste Geräteserie zur Automatisierung von manuellen Mikroskopen an. Die Serie beinhaltet motorisierte Probentische, Fokusantriebe und Zubehörteile wie Filterräder, Shutter und Lichtquellen für die Fluoreszenzmikroskopie. Mit ProscanIII können Mikroskope verschiedener Hersteller flexibel automatisiert und auf diese Weise in ihrem Einsatzspektrum erweitert werden.

Stabilität und Positioniergenauigkeit sind die Grundvoraussetzungen an das XY-Positioniersystem. Dazu werden Proscan-III-Tische mit hochgenauen Kugelumlaufspindeln und Schrittmotoren ausgestattet und optional mit einem zusätzlichen Weggebersystem versehen. Dies ermöglicht das Wiederanfahren von gespeicherten Positionen mit einer Genauigkeit von unter einem Mikrometer. Wichtiger als die Endgeschwindigkeit ist dabei das Fahrverhalten des Tisches. Dieser muss gerade für das Positionieren empfindlicher Proben sehr sanft anfahren und abbremsen können, also möglichst gut mit der Steuerung abgestimmt sein.

Ein spezielles Korrekturverfahren (Intelligent Scanning Technology, IST) erhöht bei Prior-Scanningtischen die metrische Genauigkeit. Dies ist ein Parameter, der gerade für das Zusammenfügen von Einzelbildern durch Software von großer Bedeutung ist. Hier müssen Einzelbilder exakt an den Rändern überlappen, ohne allzu großen Versatz aufzuweisen, um der Software ein genaues Zusammenfügen zu einem Gesamtbild zu ermöglichen. Der Tisch muss also exakt definierte Schrittweiten abfahren und XY-Achsen eine hohe Orthogonalität zueinander aufweisen.

Motorisierter Fokus: Piezogetriebener Z-Tisch

Mikroskope können in der Z-Achse auf unterschiedliche Weise motorisiert werden. Klassisch kann dies über den bestehenden Grob/Feintriebknopf des Statives selber geschehen. Hier wird ein glockenartiger Adapter mit einem Schrittmotor versehen, wodurch sich eine hohe Auflösung von ca. 50 000 Schritten pro Umdrehung erreichen lässt. Für die automatische Aufnahme von Bildstapeln und deren spätere Zusammensetzung in 3D-Bilder ist jedoch ein Piezo-getriebener Z-Tisch besser geeignet. Dieser kann sowohl auf manuellen als auch motorisierten Mikroskoptischen montiert werden, erreicht eine Auflösung von wenigen Nanometern und positioniert die Probe schnell durch die verschiedenen Fokusebenen.

Wichtiges Zubehör: Filterräder, Shutter und Lichtquelle

Für das automatisierte Arbeiten mit Fluoreszenz sind weitere Zubehörteile nötig. Dazu gehören neben einer leistungsstarken Lichtquelle wie der Lumen 200 mit 200-W-Leistung auch motorisierte Filterräder und Shutter für Exzitations- und Emissionsport. Der Filterwechsel erfolgt dabei in ca. 40 ms, ein schneller Shutter sorgt dafür, dass die Belichtung der Probe mit schädlichem Fluoreszenzlicht auf die Dauer der Belichtungszeit für die Kamera begrenzt wird.

Automatischer Slide Loader erlaubt Hochdurchsatz-Analyse

Anwender, die im Hochdurchsatz Proben bearbeiten, profitieren von der automatisierten Zuführung von Objektträgern auf den XY-Probentisch. Mit dem PL-200 von Prior Scientific Instruments lassen sich aufrechte Mikroskope aller führenden Hersteller auch nachträglich zu automatisierten Systemen aufrüsten. Bis zu 200 Objektträger lassen sich auf diese Weise automatisch analysieren. In der Praxis können so je nach Zeitaufwand pro Objektträger zwei bis drei Schichten pro Tag absolviert werden.

Zentrale Steuereinheit steuert alle Automatisierungskomponenten

Die Steuerung interpretiert von der Bildverarbeitungssoftware gesandte Befehle in Puls und Richtung für die verschiedenen Schrittmotoren. Wichtig für den Benutzer ist daher zu überprüfen, ob die gewünschte Software Treiber für die Steuerung beinhaltet, was jedoch in den meisten gängigen Bildverarbeitungsprogrammen, die in der Mikroskopie zum Einsatz kommen, der Fall ist. Der Controller ist die zentrale Steuereinheit, mit der alle Automatisierungskomponenten über eine einzige Computer-Schnittstelle gesteuert werden können. Wahlweise stehen dafür zwei serielle RS-232-Schnittstellen, USB oder CAN zur Verfügung. Die hohe Kommunikationsrate von 115 000 Baud und eine 64 bit-kompatible Firmware sparen Zeit bei der Software-/Hardware-Schnittstelle. Dabei kann das Gerät sehr flexibel konfiguriert werden, beispielsweise nur für die XYZ-Achsen oder für den zusätzlichen Betrieb mit Filterrädern und Shuttern. Auch ein Einsatz im OEM-Bereich ist möglich, bis zu 15 Achsen können dann über eine Schnittstelle bedient werden.

Ein Software Developers Kit (SDK) in C++ steht zur Verfügung und kann zur Integration in ein bestehendes Softwareumfeld genutzt werden. Neben der Steuerung durch die Software erlaubt ProscanIII mit dem Multifunktionsjoystick die proportionale oder direktionale Steuerung des XY-Probentisches und des Z-Antriebs sowie angeschlossener Filterräder und Shutter. Für schnelles Triggern, beispielsweise einer Kamera, stehen bis zu vier TTL-Ein- und Ausgänge zur Verfügung, die frei programmiert werden können.

*H. Ruchatz, Prior Scientific Instruments GmbH, 07745 Jena

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