Artemis: Eine integrierte Plattform für biophysikalische Forschung
Die experimentelle Biophysik erfordert zunehmend modulare Systeme, die optische, mikroskopische und mikrofluidische Methoden in einer präzise abgestimmten Konfiguration vereinen. Artemis von Aresis stellt eine solche Forschungsplattform dar. Das Kernkonzept von Artemis beruht auf einer variablen, schrittweise erweiterbaren Architektur und kombiniert ein invertiertes Mikroskop, eine optische Pinzette, ein Fluoreszenz- sowie ein Mikrofluidikmodul zu einem gemeinsamen, über Python koordinierten System. Aufgrund der modularen Struktur lässt es sich an die unterschiedlichsten Forschungsfragen anpassen und ist somit auch für zukünftige Methoden erweiterbar.
Optische Abbildung: Nikon Ti2 und ergänzende Module
Als zentrales Abbildungsmodul dient das Nikon Ti2 als inverses Forschungsmikroskop. Es ist vollständig kompatibel mit den übrigen Komponenten und unterstützt durch seine Flexibilität alle Module, die das Artemis-System bietet.
Optische Manipulation mittels Tweez305
Die optische Pinzette Tweez305 stellt bis zu 2500 parallele Fallen bereit, wodurch dynamische Manipulationen an Partikeln, Zellen und einzelnen Molekülen möglich sind. Die Steuerung erfolgt über einen akustooptischen Deflektor, der subnanometergenaue Positionskontrolle und individuelle Regelung der Fallenstärke erlaubt. Die zusätzliche Kraftmessung erreicht eine Auflösung unter 100 fN, was den Einsatz in der Einzelmolekülbiophysik, der Membranmechanik oder der Zytoskelettforschung ermöglicht.
Optische Analyse mit dem FluoLED 6
Das Fluoreszenzmodul FluoLED 6 lässt mit bis zu 6 verschiedenen Anregungswellenlängen den Einsatz verschiedener Anregungsspektren (u. a. DAPI, FITC, Cy3, Cy5) zu. Die Temperaturstabilisierung der LED Quellen gewährleistet reproduzierbare spektrale Eigenschaften, was für quantitative Fluoreszenzmessungen essenziell ist.
Kraftmessung mit Optischer Pinzette: benötigte Kraft in Abhängigkeit vom Abstand von der Zelle
Optische Erweiterung mit TIRF und Confocal
Ein TIRF Modul (Interne Totalreflexionsfluoreszenzmikroskopie, TIRF: engl. Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy) befindet sich auf Proof of Principle Niveau; zusätzlich sind Raman - und Konfokalmodule für das Jahr 2026 angekündigt. Diese Erweiterungen würden die experimentelle Bandbreite insbesondere für Spektroskopie orientierte und oberflächennahe Untersuchungen ausweiten.
Mikrofluidische Kontrolle
Mit PumpWiz 8 steht ein Mikrofluidikmodul mit bis zu acht unabhängig programmierbaren Spritzenpumpen zur Verfügung. Das Modul arbeitet sowohl mit stabilen Niedrigflussraten (bis 0,0124 µl/min) und ist auch für höhere Volumenströme in komplexen mikrofluidischen Architekturen geeignet. Es erlaubt die präzise Steuerung mikrophysiologischer Umgebungen, beispielsweise in Studien zu Zellmechanik, Transportprozessen oder kolloidalen Systemen.
Schwingungsisolierung und Lasersicherheit
Die Plattform verfügt über eine aktive Schwingungsisolierung, die horizontale und vertikale Schwingungen über 1 Hz wirksam unterdrückt, sodass auch empfindliche Experimente wie z.B. Einzelmolekülexperimente unter stabilen Bedingungen durchführbar sind. Alle Instrumente sind in einem Lasersicherheitsgehäuse nach Klasse 1 untergebracht.
Software und Systemintegration
Alle Module werden über eine gemeinsame Python basierte Software angesteuert, die Geräteparameter, Zeitstempelung und Synchronisation koordiniert und die Bedienung vereinfacht. Dies erleichtert multimodale Experimente, bei denen z.B. mechanische Manipulation, optische Abbildung und Fluoreszenzdaten in gemeinsame Zeitachsen integriert werden müssen.
Das System lässt sich durch Python-Skripte, die von den BenutzerInnen selbst entwickelt werden können, leicht automatisieren oder an bestimmte experimentelle Anforderungen anpassen.
Anwendungsfelder in der Biophysik
Artemis adressiert typische Fragestellungen der modernen Biophysik, darunter:
- Messung von Zell- und Membranmechanik (z. B. Erythrozyten Deformation, Vesikeltether)
- Mikrorheologie komplexer mikrobiologischer oder polymerer Umgebungen
- Einzelmolekül Kraftspektroskopie
- Diagnostik und Sortierung von Zellen
- Kolloidale Physik sowie Manipulation mikroskopischer Partikel
- Untersuchung von weicher Materie (z.B. Flüssigkristalle)
- Beispielhafte Anwendungen umfassen die Manipulation einzelner Kolloide, Kraftmessungen an Erythrozyten sowie das Ziehen von Membrantethern aus Vesikeln.
Zusammenfassung
Artemis verbindet modernste optische, fluoreszenz und mikrofluidische Technologien in einem robusten, modularen System. Durch die zentrale Python Steuerung und die hervorragende mechanische Stabilität ermöglicht die Plattform hochpräzise, multimodale Experimente – von Einzel Molekül bis hin zu Zell Mechanik Studien.
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