Vacuüm sensor oplossing in unieke microscoop

Met een vacuüm sensor van Sentech verovert de SECOM 2.0 van Delmic de internationale microscopiewereld. Dit is het enige apparaat ter wereld, dat fluorescentie- en elektronenmicroscopie in één geïntegreerde opstelling mogelijk maakt. De unieke microscoop is compatibel met alle typen SEM-elektronenmicroscopen.

Sentech heeft voor de positionering van het sample in de vacuümruimte een vacuümbestendige optische encoderoplossing ontwikkeld. De onafhankelijke sensor integrator levert de oplossing als sensorassemblage, waardoor Delmic deze eenvoudig in de SECOM 2.0 kan assembleren.

Combinatie fluorescentie- en elektronenmicroscopie

Bij Delmic werken 13 mensen aan de ontwikkeling en fabricage van hoogwaardige microscopietechnologie. Zijn productassortiment biedt onder andere met SPARC-oplossingen voor materiaalonderzoek, en met SECOM-oplossingen voor biomedisch onderzoek.

“Delmic combineert in het SECOM-systeem fluorescentie- en elektronenmicroscopie”, begint Andries Effting, CTO en medeoprichter van Delmic. De correlatieve licht- en elektronenmicroscoop (CLEM) is als module te integreren in bijna elke scanning electron microscope (SEM), ook wel rasterelektronenmicroscoop genoemd.

De technisch natuurkundige bouwt met zijn compagnon Sander den Hoedt voort op onderzoek van de TU Delft en AMOLF. In 2011 resulteerde dat onderzoek in het prototype SECOM 1.0.

“Wij hebben ongeveer 2 jaar nodig gehad om uit het prototype een geschikte microscoop op de markt te brengen. De SECOM 2.0 ziet er heel anders uit dan het prototype, maar het concept is hetzelfde gebleven”, aldus Effting.

Met de hightech-microscopietechnologieën in Delmic’s systeem doen wetenschappers baanbrekend biomedisch onderzoek.

Fluorescentiemicroscopie

Fluorescentiemicroscopie, uitgevonden in de jaren ’70 van de vorige eeuw, is een optische methode om de functie van cellen te onderzoeken. Onderzoekers voegen chemische markers toe aan een preparaat, die zich binden aan specifieke eiwitten.

In het door de microscoop geproduceerde beeld lichten de gemarkeerde eiwitten in diverse kleuren op. Eiwitten zorgen voor alle processen in levende cellen. Met fluorescentiemicroscopie krijgen wetenschappers een beeld van processen die tot ziekte leiden.

Elektronenmicroscopie – TEM en SEM

Een elektronenmicroscoop schiet een bundel elektronen richting het te onderzoeken preparaat. Versnelde elektronen hebben een veel kleinere golflengte dan fotonen (licht), waardoor de resolutie een factor 2000 hoger kan zijn dan een optische microscoop.

Een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) schiet een elektronenbundel door het preparaat, zodat een soort diaprojectie ontstaat. De methode maakt vergrotingen tot een miljoen keer mogelijk: 0,1 nanometer.

Een rasterelektronenmicroscoop of scanning electron microscope (SEM) bundelt de elektronen richting het materiaal en legt de teruggekaatste elektronen punt voor punt vast in een beeld. SEM maakt vergrotingen tot 100.000 keer en zeer scherpe 3D-beelden mogelijk.

Voordelen CLEM voor de medische wetenschap.

Volgens Effting heeft de CLEM van Delmic een aantal voordelen ten opzichte van afzonderlijke systemen:

• Gebruiksgemak
  De onderzoeker hoeft niet meer twee opnames met afzonderlijke apparaten te maken en vervolgens softwarematig te laten verwerken.

• Nieuwe onderzoeksmogelijkheden
  Kort houdbare preparaten kunnen onderzocht worden. De daadwerkelijke opname van een preparaat kost slechts 1 minuut.

• Technische kwaliteit van de opnames
  De opnames bieden ongelofelijke detailniveaus, die met andere apparaten niet mogelijk zijn.

• Tijdwinst
  Wanneer onderzoekstijd een rol speelt, biedt het systeem enorme tijdwinst. De korte machinetijd maakt bijvoorbeeld snel populatieonderzoek mogelijk.

Voordeel uitgelicht: opensource software

Effting noemt zijn bedrijf gekscherend “een fotobedrijf”. Dat verklaart Delmic’s keuze om zijn klanten opensource software voor de beeldverwerking te bieden. “De software moet gewoon goed zijn”, vindt hij.

“Excellente software zorgt voor een betere productervaring. Wij zien onze software als het visitekaartje van het instrument. Concurrenten laten daarin gaten vallen. Wanneer onze klanten een fout of probleem ontdekken, dan repareren wij het gewoon. Ze hoeven niet te wachten op releases en updates, en betalen geen licentiekosten, wel voor de daadwerkelijk geleverde support. Open source biedt transparantie naar de gebruiker. De code staat gewoon online”, aldus de CTO.

Integratie in bijna alle SEM-typen

“Wij leveren de optische microscoop en software”, legt Effting uit. “Er zijn genoeg bedrijven die uitstekende SEM’s leveren. Ons systeem past op de SEM’s van de vijf grote leveranciers, zoals ZEISS, Tescan, Hitachi, Fei en JEOL.”

De SECOM-stage vervangt de SEM-stage. Effting vervolgt: “Daarvoor hebben we microscoopspecifieke interfaces ontwikkeld. De software hebben we geoptimaliseerd voor elk SEM-type. Onze klanten kunnen de SECOM als optie bij de SEM-leverancier bestellen, of rechtstreeks bij Delmic.”

Baanbrekende biowetenschappelijke onderzoeken

De CLEM-microscopen van Delmic vinden inmiddels hun weg naar diverse universiteiten en onderzoeksinstituten in de hele wereld.

Dr. Ben Giepmans past de microscoop bijvoorbeeld toe bij diabetesonderzoek door zijn celbiologische onderzoeksgroep aan de Universiteit Groningen.

Hij en zijn wetenschappers focussen daarbij op de Eilandjes van Langerhans in de alvleesklier. Zo onderzoeken zij de triggers en nieuwe behandelmethoden voor type 1 diabetes.

Het Francis Crick Institute past, onder leiding van microbiologe Lucy Collinson, de SECOM toe voor onder andere kankeronderzoek.

Vacuümsensorontwikkeling voor de vacuümruimte

De SECOM 2.0 dankt zijn extreme nauwkeurigheid en hoge resolutie aan een unieke optische vacuümsensor. Sentech levert de aangepaste MicroE optische sensoren in een volledig geteste en gekalibreerde assembly.

Delmic ontvangt per CLEM-systeem drie sensorassemblages, één voor elke bewegingsas, die snel en eenvoudig geassembleerd kunnen worden.

Encoder sensor MicroE voor nauwkeurige positionering

Delmic zocht naar een betrouwbare sensoroplossing voor het nauwkeurig positioneren van het preparaat in de vacuümkamer. Sentech kwam bij Delmic in het vizier na een zoekopdracht via Google.

Dat leidde tot een gezamenlijke zoektocht naar een geschikte sensoplossing op basis van de nauwkeurigheidseisen en omstandigheden in de stage.

Peter Verstappen, accountmanager bij Sentech, licht het ontwikkelproces toe. “De uitdagingen waren: de nauwkeurigheid, vacuümomstandigheden en het beperkte inbouwvolume. Het gaat om nanometers en een extreem nauwkeurig focuspunt van de optische microscoop.”

Nauwkeurige positiesensor – materiaalgebruik en laag energieverbruik

Het vacuüm beperkte het zoekspectrum voor de positiesensor in het materiaalgebruik en energieverbruik. In het vacuüm vindt uitgassing plaats bij diverse materialen zoals plastics, wat het preparaat en omgeving ‘vervuilt’.

Een ander probleem is het ontbreken van een koelingsmogelijkheid via de lucht. Daarom was een sensor nodig die zo weinig mogelijk warmte genereert.

“We hebben de hele MicroE-lijn met positiesensor laten passeren en ook nog een aantal concurrenten. Vanwege de specificaties viel 90% meteen af”, aldus Verstappen.

Effting reageert: “Over de toepassing van een MicroE optische encoder waren we het dan ook snel eens. Het was prettig om op een makkelijke manier te kunnen praten over onze wensen en de specificaties.”

Werking optische encoder

De optische sensoren bepalen hun positie op de bewegingsas met behulp van een leeskop en een hele fijne liniaal, waarop met een periode van 20µm een patroon van strepen is geplaatst.

De lineaire optische encoder bevat geen LED als lichtbron, maar een VCSEL-gestuurd element dat veel minder energie nodig heeft. Ook het ontbreken van een lens draagt bij aan een zo compact mogelijke positiesensor.

“De liniaal hebben we nog aangepast op de nauwkeurigheidseisen”, aldus Verstappen. De lichtbron schijnt op een patroon van reflecterende en niet reflecterende strepen, waarbij in het reflectiepatroon ‘knooppunten’ ontstaan.

Dit zijn samenvallende golven en dalen van de specifieke golflengte en worden door de ontvanger van de sensor opgevangen. Vergelijkbaar met het principe van het licht dat door een tralienetwerk valt. Zo is in een beweging per periode een verplaatsing zichtbaar te maken.

Incremententeel meetsysteem met interpolatie

Het incrementele meetsysteem zet de beweging om in telpulsen. De beweging wordt nauwkeurig bestuurd ten opzichte van een vast uniek punt op de liniaal: de index.

Verstappen over de nauwkeurigheid: “De sensor interpoleert de intrinsieke periode van 20 micrometer naar stapjes van 1,2 nanometer, of een veelvoud daarvan. De hoogste nauwkeurigheid hadden we nodig voor de z-beweging.”

Hij vervolgt: “Uit kosten- en handlingsoverwegingen hebben we besloten om de optische nanosensor voor elke as toe te passen.”

Hoogwaardige materialen in optische sensorassemblage

Sentech en Delmic hebben, naast de specifieke sensor, veel aandacht besteed aan de kwaliteit van de andere componenten. Effting wilde discussie met verschillende leveranciers over sensorcomponenten voorkomen.

“We bieden een hightechsysteem. Dan moet je niet beknibbelen op de kosten met goedkope connectoren en bekabeling bijvoorbeeld. Je wilt achteraf geen gedoe over aansprakelijkheid.”

Ervaring uit halfgeleiderindustrie

Sentech maakte gebruik van zijn ervaring in de halfgeleiderindustrie. “Daarom kozen we voor de standaarden en hoge kwaliteit uit de semiconductor-industrie en adviseerden we Delmic om verbindingen niet te schroeven, maar te solderen”, verklaart Verstappen.

De halfgeleiderervaring leidde ook tot de logische keuze om de sensorassemblage in Sentech’s cleanroom te produceren en te verpakken.

“Sentech maakt het ons zo erg gemakkelijk, omdat we zeker weten dat de complete sensortoepassing is getest. In onze assemblagefaciliteit hoeven we de sensoren alleen maar uit de verpakking te halen en kunnen we ze direct en snel assembleren”, vertelt de tevreden Delmic-oprichter.

Met betrouwbare sensoren de wereld veroveren

Volgens Effting komt de tevredenheid over Sentech niet alleen voort uit de prettige samenwerking in een open ontwikkelomgeving. “De SECOM 2.0 is sinds 2013 op de markt. Tot nu toe werken alle sensoren feilloos. De beloofde specificaties en prestaties zijn waargemaakt.”

Het SECOM-platform heeft zijn waarde bewezen, en verovert langzaam maar zeker de microscopie wereld.

Ook jouw uitkomst?

Voor de betrouwbare positionering van een sample in een vacuümruimte was een vacuümbestendige optische encoder de uitkomst voor Delmic. Zoek jij ook naar een betrouwbare sensoroplossing voor jouw positionerings- en besturingsvraagstuk?

Leg ons jouw challenge voor en wij helpen je!