NanoTracker 2


NanoTracker

Pęseta optyczna oraz Pułapka Optyczna (Optical Tweezers and Optical Trapping)

NanoTracker 2

  • 3D pomiary siły z czułością femtoniutonową i precyzją subnanometrową
  • Najwyższa stabilność i najmniejszy poziom szumów dla najwyższej dokładności pomiarów.
  • Jednoczesne obrazowanie fluorescencyjne
  • Wszechstronne i elastyczne oprogramowanie do kontroli i analizy danych
  • Certyfikowane lasery klasy 1
  • Elastyczna, modułowa konstrukcja umożliwiająca szerokie spektrum zastosowań – od badań pojedynczych molekuł do żywych komórek

Pęseta optyczna: pomiar sił w nanoskali

Pęseta optyczna jest narzędziem które używa światła do manipulacji obiektami. Manipulacja ta ma miejsce w mikroskali i umożliwia badanie małych obiektów, takich jak: pojedyncze komórki, nanocząsteczki i biomolekuły. NanoTracker 2 jest platformą szczypiec optycznych (pęsety optycznej) osadzoną na odwróconym mikroskopie i zaprojektowaną z myślą o czułej manipulacji, badaniu oddziaływań i eksperymentach śledzenia obiektów. Platforma ta spełnia wysokie wymagania stawiane przez zaawansowanych użytkowników dzięki swojej elastyczności, otwartej architekturze oprogramowania i elektroniki. Wykorzystanie doświadczenia firmy JPK pozwoliło na stworzenie instrumentu posiadającego niezwykły poziom stabilności przy najniższym poziomie dryftu i szumu. Konstrukcja nowo opracowanej głowicy umożliwia bezproblemową integrację z konwencjonalnymi i zaawansowanymi technikami mikroskopowymi przy jednoczesnym użytkowaniu pęsety optycznej.

Pułapkowanie optyczne jest techniką używaną do bezpośredniej manipulacji w nanoskali, pomiarów siły i śledzenia w 3D. Podczas projektowania systemu dużo uwagi poświęcono zapewnieniu jak najwyższej jakości i stabilności zarówno wiązki pułapkującej jak i wszystkich komponentów optycznych. Nowo opracowana głowica systemu NanoTracker 2 oraz usprawniona jednostka sterująca wraz z nowymi opcjami sprzętowymi zapewnia wyższą rozdzielczość przestrzenną, czasową i siłową. Części wrażliwe takie jak np. piezoelektryczny skaner próbek są dobrze zabezpieczone przed cieczą buforową czy medium kultur bakterii. Kluczem do osiągnięcia wysokiego poziomu wszechstronności instrumentu jest modularna i elastyczna konstrukcja. NanoTracker 2 bazuje na mikroskopach odwróconych, takich jak: Zeiss, Nikon, czy Olympus. Nowa głowica systemu znajdująca się w górnej części mikroskopu nie blokuje żadnych jego portów optycznych, co pozwala na stosowanie standardowego i najwyższej klasy wyposażenia włączając w to: kamery, przesłony, filtry, detektory i dodatkowe opcje oświetlenia. NanoTracker 2 jest produktem posiadającym lasery klasy 1 a to oznacza że praca z instrumentem nie wymaga posiadania żadnych dodatkowych okularów ochronnych czy też zaawansowanego szkolenia. System ten nie wymaga również specjalnie wyposażonego laboratorium laserowego. NanoTracker 2 jest świetnym wyborem w przypadkach w których wymagany jest instrument pracujący w warunkach multidyscyplinarnych, gdzie z pęsety optycznej muszą korzystać np. fizycy, biologowie lub chemicy.

Konstrukcja systemu NanoTracker 2

NanoTracker 2 został stworzony z myślą o detekcji najmniejszych sił, manipulacji cząstek i molekuł przy zachowaniu najwyższej precyzji. Specjalna stabilizacja lasera i nowo opracowany elektroniczny detektor zapewnia bardzo niski poziom szumów. Dodatkowo, kompaktowa konstrukcja ścieżki wiązki lasera sprawia, że system jest odporny na dryft. Konfiguracja dwóch (i większej ilości) wiązek, oraz rozwiązania przeznaczone do wyjątkowo precyzyjnego pozycjonowania próbek zapewniają użytkownikowi zwiększoną elastyczność systemu. Wiele dostępnych opcji sterowania wiązką lasera doskonale sprawdza się w różnych zastosowaniach. Pułapki optyczne mogą być ustawiane indywidualnie w przestrzeni 3D. Możliwa jest również regulacja mocy lasera dla każdej pułapki oddzielnie, co pozwala na przeprowadzenie szerokiego zakresu badań geometrii i pomiarów. Obie (dostępne przez cały czas) pułapki generowane są poprzez polaryzacyjne rozdzielenie wiązki jednego lasera, a to pozwala osiągnąć niezwykłą stabilność w stosunku do dryftu. Nowa jednostka detekcji interferometrii BFP (Back Focal Plane) systemu NanoTracker 2 jest wyposażona w oddzielne detektory dla każdej pułapki posiadające diody służące do pomiaru przemieszczenia bocznego (XY) i osiowego (Z). Taka metoda detekcji i regulowane za pomocą oprogramowania filtry przyciemniające pozwalają na użycie pełnego, dynamicznego zakresu detektorów, co z kolei pozwala osiągnąć najwyższą, możliwą czułość dla każdego typu cząsteczki pomiarowej, intensywności lasera, czy współczynnika rozdzielenia pułapek. Ważnymi elementami przy dokładnych pomiarach siły są: precyzyjna kalibracja pułapek, jak najniższy poziom szumów oraz płaski profil sztywności pułapki w dużym polu widzenia. Nowa, precyzyjna i obsługiwana za pomocą jednego przycisku procedura kalibracji pułapek jest niezależna od rozmiaru obiektu badanego i lepkości podłoża. Zredukowano również przesłuch pomiędzy sygnałami detekcji pułapek.

 

Szybka elektronika i niskie szumy

Jednostka elektroniczna kontrolująca system NanoTracker 2 została zoptymalizowana tak aby zachować najniższy poziom szumów przy możliwie najszerszym paśmie. Zbieranie danych może być prowadzone do częstotliwości 60MHz. Moduł dostępu sygnału SAM (Signal Access Module) znajdujący się na przodzie kontrolera posiada prosty interfejs do zasilania pomocniczych sygnałów analogowych lub cyfrowych. Dodatkowo, moduł ten może monitorować wszystkie wewnętrzne sygnały. Podobnie, instrumenty zewnętrzne takie jak: oddzielne kamery CCD (np. EM-CCD), spektrometry i detektory (np. PTM i APD) mogą zostać podłączone, lub uruchomione za pomocą pulsów TTL. Wszystkie sygnały elektroniczne (sygnały pułapek, próbkowanie, pozycja pułapek i kilka sygnałów pomocniczych) mogą być gromadzone i przesłane na dysk (szerokie pasmo). Dynamiczny zakres sygnałów pułapki optycznej może być regulowany w celu zachowania najwyższej czułości.

Najwyższa rozdzielczość przestrzenna, czasowa i siłowa

Badania właściwości mechanicznych pojedynczej molekuły i eksperymenty manipulacji są niezwykle wymagające. Aby otrzymać najbardziej precyzyjne dane, instrument pomiarowy musi być zaprojektowany w taki sposób aby posiadać jak najniższy poziom szumów przy jednoczesnym zachowaniu najwyższej stabilności. NanoTracker 2 jest rezultatem nieustannych wysiłków wkładanych w celu spełnienia tych wymagań. Wszystkie użyte komponenty zostały zoptymalizowane dla rozdzielczości subnanometrowych, femtoniutonowych i mikrosekundowych. Oprogramowanie posiada kilka wbudowanych trybów stworzonych z myślą o różnych, standardowych eksperymentach (np. obszerny pakiet ForceSpectroscopy z trybem RampDesigner). Za pomocą wbudowanego managera można na przeprowadzić kalibrację online systemu detekcji siły i przemieszczenia. Kalibracja ta jest całkowicie oparta na pasywnych pomiarach szumu termicznego pułapki optycznej i nie ma wpływu na próbkę.

LaminarFlowCell

W wielu zastosowaniach z dziedzin biofizyki i biochemii niezwykle istotna jest precyzyjna kontrola czasu dodania odczynnika chemicznego. Firma JPK z myślą o systemie NanoTracker 2 stworzyła mikrostrumieniową komórkę przepływową. Zastosowanie tej komórki może być bardzo przydatne podczas przykładania sił np. hydrodynamicznej siły wleczenia (ang. viscous drag force), rozciągania pojedynczych molekuł takich jak białka czy DNA. NanoTracker 2 LFC posiada do pięciu niezależnych kanałów przepływu laminarnego. Użytkownik może zaprojektować szablon dla każdego z tych kanałów osobno (na przykład przy użyciu dystansów polimerowych), co więcej JPK dostarcza wiele własnych szablonów.

Główne cechy
• Wielokanałowa i elastyczna konstrukcja z pięcioma wejściami i jednym wyjściem
• Przepływ laminarny – oddzielne kanały
• Różna wysokość kanałów
• Pompy strzykawkowe kontrolowane za pomocą oprogramowania zapewniają zautomatyzowaną wymianę i przepływ cieczy

Zastosowania
• Rozciąganie pojedynczej molekuły za pomocą przepływu (flow stretching)
• Pomiary siły ciągnącej
• Biochemiczne wyzwalanie za pomocą sub-sekundowej wymiany cieczy buforowej
• Usprawnione eksperymenty optyczne przeprowadzane na pojedynczych molekułach i mikrofluidach

Doskonała integracja optyczna

System NanoTracker 2 może bezproblemowo współpracować z badawczymi mikroskopami odwróconymi firm takich jak Zeiss, Nikon, czy Olympus. W celu optymalizacji stabilności pułapkowania zastosowano zmodyfikowane montowanie obiektywów o wysokiej aperturze numerycznej NA. Optyczne sprzężenie lasera pęsety z mikroskopem optycznym jest osiągnięte dzięki zastosowaniu dodatkowego portu firmy JPK. Filtry optyczne lasera pułapkującego zostały dobrane w taki sposób, aby zachować pełen zakres widma widzialnego (400-900nm) dla innych zastosowań mikroskopii optycznej. Co istotne – standardowe koło filtru mikroskopu nie ma kontaktu z platformą NanoTracker 2, dzięki czemu obrazowanie fluorescencyjne może być przeprowadzone w sposób jednoczesny i niezależny od pułapkowania optycznego. To sprawia, że system może być stosowany w różnorodnych badaniach, które wymagają połączenia kilku technik mikroskopii optycznej. Kamery różnych producentów, takich jak Jenoptik czy Andor Technology są w pełni zintegrowane z oprogramowaniem firmy JPK.

Oprogramowanie systemu NanoTracker 2

Łatwość obsługi oprogramowania jest kluczem do szybkiego otrzymania wyników. Dobrze zorganizowany interfejs graficzny użytkownika pozwala na sprawną regulację wszystkich komponentów systemu od jednostki sterującej do elementów zewnętrznych takich jak: pompy strzykawkowe, regulatory temperatury, czy kamery. Funkcja oprogramowania NT „Static Camera Image” pozwala na przeprowadzanie długotrwałych eksperymentów nawet dla bardzo czułych próbek fluorescencyjnych. Po zrobieniu obrazu fluorescencyjnego i zamknięciu źródła wzbudzenia możliwe jest użycie statycznej kamery do dokładnego pozycjonowania pułapek i przeprowadzenia badań bez dalszej fotodegradacji próbki. Dodatkowo funkcja „Point and Trap” pozwala w prosty i intuicyjny sposób kontrolować pozycje pułapek optycznych. Dzięki modułowi ExperimentPlanner możemy planować długie i wieloparametrowe eksperymenty. W przypadkach bardziej złożonych badań można skorzystać zarówno z wiersza poleceń jak i skryptów co pozwala uzyskać dostęp do wszystkich funkcji oprogramowania. Podczas analizy danych można korzystać z dedykowanego pakietu oprogramowania DataProcessing. Posiada on funkcjonalność dla różnych kanałów danych, procedur filtrowania, różne modele przetwarzania spektroskopii sił (np. model łańcucha dżdżownicy, czy łańcuch statystycznie niezależnych od siebie segmentów) i najnowocześniejsze procedury oparte na Kerssemakers i inni, Nature 442 (2006) 709-712.

więcej…

jpk2

Informacje o produkcie:

Adobe icon Broszura produktu

▬ Galeria obrazów

▬ Uwagi techniczne na temat zastosowań

▬ Zastosowania

▬ Akcesoria

▬ Inne produkty firmy JPK można znaleźć tutaj

 

Zastosowania
Pojedyncze molekuły i biopolimery:
• Elastyczność wewnątrz molekuły i dynamika składania białek
• Śledzenie białek motorycznych
• Mechanika DNA/RNA
• Wiązania Białko – DNA
• Nanopory i polimery – próbkowanie sieci
Zastosowania w biologii komórkowej:
• Struktura błon (np. tratwy lipidowe)
• Procesy zachodzące między błonami, transport błonowy
• Siły wewnątrzkomórkowe
• Mechanika i ruchliwość komórek
• Dynamika błony (tether)
• Mikro – reologia komórek i żeli
Interakcje pomiędzy komórką a cząsteczką i badania infekcji:
• Śledzenie interakcji patogen – żywiciel i siły ucieczki
• Siły adhezyjne bakterii i wirusów
• Lokalne podawanie leku/genu
• Badanie mechanizmu wejścia
• Badania nanotoksyczności i endocytozy
Pomiary zaawansowane:
• Złożone geometrie pułapki optycznej
• Kierowanie optyczne i budowa sztucznych kryształów
• Wzmocnienie lokalnego pola i zastosowania spektroskopii Ramana/SERS
• Śledzenie ruchów Browna, mikroskopia PFM
• Próbkowanie sił siatek koloidalnych i polimerów
• Optyczna spektroskopia i śledzenie cząsteczek (wideo)
Zaawansowane tryby mikroskopii optycznej
• Oświetlenie transmisji jasnego pola (standard)
• DIC - Kontrast interferencyjny Nomarskiego w transmisji (standard)
• Mikroskopia epi-fluorescencyjna (standard)
• Spektroskopia Ramana
• Mikroskopia TIRF
• Mikroskopia konfokalna
• Mikroskopia FRET (i inne)

MagneticTwister

Dodatek MagneticTwister dodaje systemowi NanoTracker 2 dodatkowy stopień swobody przy badaniach opartych na manipulacji. Korzystanie z tego instrumentu pozwala użytkownikowi na przykładanie nie tylko siły za pomocą światła ale również pola magnetycznego dla próbek magnetycznych. Specjalne magnesy w które jest wyposażony MagneticTwister generują jednorodne pole magnetyczne o indukcji magnetycznej 0,7 Tesli i dystansie 1mm, w związku z czym mogą wytworzyć siły rzędu wielkości kilku pN działające na próbkę. Dodatek ten jest łatwym w użyciu i precyzyjnym narzędziem do manipulacji. Dodatkowym plusem jest możliwość wymiany pomiędzy obiektywem detekcji a MagneticTwister bez wyłączania systemu.

Pomiar „siły ucieczki”, badania adhezji i manipulacja obiektami w komórkach

Połączenie różnych komponentów, wraz z dostępnością wielu akcesoriów, wykorzystaniem zaawansowanych metod wykrywania i łatwego w użyciu oprogramowania pozwala na wykorzystanie systemu NanoTracker 2 w wielu skomplikowanych badaniach przeprowadzanych na komórkach. Użytkownik ma dostęp do solidnych danych ilościowych, takich jak próbkowanie siłowe typu wirus (lub bakteria) – komórka, detekcja wiązań białko – ligand w błonie komórkowej i badanie właściwości lepkoelastycznych komórki przez, np. reologię. Poza zastosowaniami systemu, które bazują na pomiarach sił, NanoTracker 2 może może być dodatkowo użyty do bezpośredniego manipulowania komórkami za pomocą pułapek optycznych, co pozwala na przeprowadzaniu eksperymentów polegających na sortowaniu, deformacji, relokacji i rozciąganiu komórek. Istnieje również możliwość przeprowadzenia pomiarów sił i trajektorii poruszających się, czy też uciekających komórek (takich jak bakterie), lub manipulacji cząsteczkami i strukturami (organellum) w cytoplazmie żywej komórki. Wszystkie eksperymenty sił i manipulacje mogą być przeprowadzone jednocześnie z obrazowaniem fluorescencyjnym lub spektroskopią optyczną.

Minimalizacja dryftu dla długotrwałej stabilności

Dla długo trwających eksperymentów i pułapkowania optycznego, które są często łączone z technikami takimi jak TIRF, czy mikroskopia konfokalna, minimalizacja dryftu powierzchni próbki i stabilność pułapki optycznej są kluczowymi charakterystykami. NanoTracker 2 jest wyposażony w najnowocześniejszą i zintegrowaną jednostkę oświetlenia LED w standardowej konfiguracji Köhlera, co pozwala zastosować jasne pole i DIC w transmisji do wizualizacji komórek. Standardowe porty boczne i tylne mikroskopu odwróconego zapewniają swobodę pozwalającą na łączenie kilku technik pomiarowych, na stosowanie wielu analizatorów (takich jak VIS lub spektroskopów Ramana), różnych kamer i liczników pojedynczych fotonów (PTMs, APDs) w tym samym czasie.

JPK PetriDishHeater (podgrzewacz szalek Petriego)– rozwiązanie do badań przeprowadzanych na żywych komórkach

Efektywne przeprowadzenie eksperymentów na żywych komórkach wymaga odpowiedniej kontroli warunków środowiska. System NanoTracker 2 został zaprojektowany w sposób umożliwiający zastosowanie dodatkowych akcesoriów i posiada zamkniętą konstrukcję głowicy. Istnieje możliwość zastosowania konwencjonalnych szalek Petriego (glass-bottom) dla kultur bakterii. Temperaturę można regulować za pomocą specjalnie zaprojektowanego ogrzewacza szalek Petriego posiadającego możliwość wymiany cieczy buforowej i atmosfery CO2. W przypadkach, gdy mamy do czynienia z geometrią otwartą, taką jak szalka Petriego obiektywem detekcji może być również soczewka immersyjna – wodna.

PetriDishHeater
• Stworzony do obrazowania żywych komórek
• Kompatybilny ze standardowymi szalkami Petriego 35mm, producentów takich jak: BD, Corning i Wilco
• Ogrzewanie od temperatury otoczenia do 60°C z dokładnością 0,1° C
• Regulacja perfuzji z zastosowaniem standardowych pomp strzykawkowych i CO2
• Konstrukcja minimalizująca dryft

Reologia

Wydajna elektronika i elastyczne opcje sprzętowe zapewniają systemowi NanoTracker 2 możliwość przeprowadzania badań reologicznych komórek i żeli. Opcja sterowania AOD umożliwia zastosowanie zaawansowanych metod kalibracji pułapki optycznej w środowiskach o wysokim współczynniku lepkości, gdzie nie da się użyć standardowej metody szumu termicznego. Przeprowadzenie charakterystyki reologicznej wielu różnych materiałów jest możliwe dzięki zastosowaniu szerokopasmowej elektroniki systemu NanoTracker 2. Pozwala to na zbieranie widm ruchu obiektów badawczych do 3,5MHz.

3D i aktywne śledzenie

Aktywne i pasywne śledzenie 3D są dwoma aktywnymi narzędziami używanymi do badania procesywności i generacji siły dużej rodziny białek motorycznych, transportu błonowego, tworzeniu wiązań i interakcji DNA – polimeraza.

Zastosowanie zacisku siłowego (force-clamping) oferowanego przez system NanoTracker 2 pozwala na wspieranie za pomocą sprzężenia zwrotnego śledzenia i nagrywania ruchów pojedynczej molekuły lub przemieszczenia żywej komórki z nanometrową precyzją przy zastosowaniu minimalnych, niezbędnych i dobrze kontrolowanych sił.

Multipleksowanie AOD i de-multipleksowanie

W niektórych przypadkach zastosowań takich jak kondensacja chromosomu bakteryjnego, wymagane jest użycie pęsety optycznej posiadającej cztery (lub więcej) niezależnie kontrolowanych pułapek optycznych. Tak zaawansowane konfiguracje są dostępne dla systemu NanoTrack 2 dzięki wykorzystaniu szybkiego AOD i zasady podziału czasu laserowego. Takie multipleksowanie pułapek pozwala na delikatną kontrolę kompleksów multimolekularnych, co więcej: niezwykle ważne jest to aby móc skalibrować te pułapki i kontrolować ich sztywność, jak również być w stanie dokonać ilościowego pomiaru sił o wysokiej rozdzielczości.

Połączenie z mikroskopią konfokalną, lub TIRF

Możliwość łączenia pęsety optycznej z mikroskopią konfokalną staje się czynnikiem decydującym podczas badań, które są przeprowadzane na tkankach, komórkach i ich wewnętrznych częściach (takich jak organelle). W wielu przypadkach mikroskopia konfokalna jest jedyną metodą mikroskopii, która pozwala odnaleźć interesujące nas obszary wewnątrz komórki. Odpowiednie ustawienie pęsety optycznej w stosunku do specyficznych punktów próbki jak i przeprowadzenie niezwykle selektywnych pomiarów sił czy manipulacji jest kierowane za pomocą fluorescencji. Niezwykle ważną rolę gra tu zintegrowana i stabilna konstrukcja systemu NanoTracker 2. Wszystkie porty odwróconego mikroskopu optycznego mogą być jak zazwyczaj użyte do połączenia z mikroskopem konfokalnym. Żaden z komponentów systemu NanoTracker 2 nie blokuje ścieżki wiązki konfokalnej.

Zachęcamy również do zapoznania się z działem „Baza wiedzy”, w którym znajdą Państwo wiele innych, ciekawych informacji.