Contrôle de pinces optiques par rétroaction temps réel basé FPGA

Author(s):
Anders Wallin - Université d'Helsinki

Industry:
Life Science, University/Education, Research

Products:
PXI/CompactPCI, LabVIEW

The Challenge:
Les pinces optiques, appelées aussi "pièges optiques", reposent sur une technique émergente de micromanipulation, qui utilise une lumière laser intense dirigée (MW/cm2) pour "piéger" les particules diélectriques. Immobiliser fermement de petites particules nécessite habituellement une puissance laser supérieure à 10 mW. Toutefois, utilisée sur des spécimens biologiques, la lumière laser occasionne des effets indésirables dus à la chaleur ainsi que des dommages optiques, qu'on appelle "opticution".

The Solution:
À l'aide d'un contrôleur temps réel basé FPGA, nous avons connecté une détection interférométrique du plan focal arrière sur les particules piégées avec un pilotage rapide du piège optique en utilisant des déflecteurs optico-acoustiques. En employant un algorithme de contrôle proportionnel simple, nous avons multiplié par quatre l'efficacité des pinces sans pour autant accroître la puissance laser, réduisant ainsi de façon significative les dommages optiques sur les spécimens biologiques.

Dans les pinces optiques, les dommages optiques et la chaleur qui leur est associée restreignent les expériences sensibles sur les molécules isolées. En connectant la détection de position au pilotage des pinces avec un contrôleur temps réel, nous avons construit un instrument en boucle fermée. Un algorithme de gain proportionnel améliore d'environ quatre fois l'efficacité des pinces sans accroître la puissance laser, permettant ainsi une gamme plus large d'expériences.

Les pinces optiques piègent les particules diélectriques en microns en utilisant une lumière intense dirigée. La lumière laser crée un piège harmonique avec une raideur d'environ 0,1 pN/nm qui peut servir à exercer ou à mesurer des forces de 1 à 100 pN. La détection et le fonctionnement nanométriques dans cette gamme de forces facilitent les expériences avec des biomolécules isolées, là où une molécule est liée à une microsphère en latex ou en oxyde de silicium (1 µm de diamètre). L'interférométrie du plan focal arrière permet de mesurer la position d'une sphère piégée avec une résolution temporelle à la milliseconde et une résolution spatiale inférieure au nanomètre.

Ces expériences qui expliquent l'architecture moléculaire du vivant déterminent habituellement la position de la microsphère, tandis qu'une force contrôlée est appliquée sur la perle ou que la biomolécule est chimiquement modifiée. Toutefois, les mesures nanométriques sont perturbées par le bruit thermique. Une particule piégée connaît des collisions fréquentes avec des molécules solvantes (eau), qui, à cause de la masse de ces particules minuscules, se frappent de façon aléatoire dans le piège. Ce mouvement thermique de la microsphère détériore la résolution de la position de l'instrument. Le bruit thermique peut être réduit en employant une pince ferme, ce qui nécessite une intensité laser plus importante. Toutefois, pour les spécimens biologiques, toute augmentation de l'intensité laser provoque des effets indésirables dus à la chaleur ainsi que des dommages optiques, qu'on appelle "opticution".

Par conséquent, pour augmenter la fermeté du piège et réduire le bruit thermique, nous avons combiné la détection de position haute résolution avec un pilotage rapide des pinces afin de créer un instrument à base de pinces optiques contrôlé par rétroaction. Pour le contrôle, nous avons choisi une carte d'acquisition de données temps réel basée FPGA reprogrammable.

 

Description de l'instrument

Nos pinces optiques à faisceau unique sont construites autour d'un microscope inversé avec un objectif 100x 1,3 NA. Un laser d'onde continue infrarouge de haute puissance (4 W, 1064 nm) produit un faisceau collimaté et isolé, avant de traverser les déflecteurs optico-acoustiques (AOD) qui offrent une déflection de ±16 mrad dans les deux directions X et Y. Après un accroissement du faisceau par trois, cela permet de translater la focalisation du laser de ±11 µm dans le plan du spécimen. Les AOD sont dirigés par des synthétiseurs directs numériques (DDS) qui acceptent un mot de commande numérique de 30 bits. Le bit le moins significatif du mot de commande DDS de 30 bits correspond à 0,02 pm de mouvement, ce qui est nettement inférieur au niveau de détection actuel. Un laser séparé HeNe (633 nm, 6 mW) fournit la détection interférométrique à plan focal arrière. Une photodiode latérale double produit des signaux de détection de position en analogique de ±10 V.

La configuration nécessaire pour notre contrôleur était la suivante : un minimum d'E/S numériques 60 bits pour contrôler deux synthétiseurs directs numériques, trois entrées C A/N ou plus pour collecter les données de position analogique, et un traitement rapide de signaux pour mettre en œuvre des algorithmes de rétroaction temps réel. En partant de cette configuration, nous avons choisi la carte NI-7833R parce qu'elle présentait les entrées et sorties nécessaires, et associé au module FPGA, elle pouvait être programmée en LabVIEW, que nous utilisons chaque jour. La conversion AN (4 µs) et la durée du trajet acoustique dans l'AOD (4,5 µs) contribuent, en grande partie, au retard de la boucle de 8,5 µs. La réponse de l'instrument est par conséquent nettement plus rapide que la plupart des processus biologiques dignes d'intérêt.

 

Résultats

Nous avons d'abord mis en place, étalonné et testé les VIs hôte LabVIEW et cible FPGA pour un contrôle en boucle ouverte. L'opérateur de l'instrument peut piloter la position des pinces en utilisant des commandes à l'écran, ou des volants mécaniques capables de produire des signaux en quadrature vers le FPGA. Ce mode de contrôle manuel est utile dans les étapes initiales d'une expérience lorsqu'une microsphère adaptée doit être trouvée et piégée.

Ensuite, nous avons mis en œuvre une boucle de rétroaction par gain proportionnel. En quelques mots, tout mouvement de la perle par exemple sur la gauche est contrebalancé par le mouvement des pinces sur la droite. L'algorithme est appelé bride de position, dans la mesure où il s'efforce d'immobiliser la perle à la position du point de consigne. Nous avons mesuré les fluctuations de la position tout en faisant varier le gain de boucle et avons trouvé que l'efficacité des pinces pouvait être augmentée jusqu'à 4 fois. En utilisant une rétroaction négative modérée, nous avons pu diminuer la raideur effective.

À la place du signal de position émis par la perle piégée, nous pouvons aussi utiliser le signal de force comme entrée vers la boucle de rétroaction. Ceci crée un verrou de force qui s'efforce de maintenir une tension constante dans la biomolécule analysée. Une tension constante est nécessaire dans les analyses d'étapes là où la longueur de la biomolécule change. Pour mesurer uniquement les changements de longueur liés à la structure, des changements de longueur non désirés dans la biomolécule dus à un étirement doivent être évités en maintenant la tension constante dans l'analyse.

En utilisant le contrôle de rétroaction temps réel, nous avons prouvé que la raideur effective des pinces optiques pouvait être augmentée d'environ 4 fois sans aucune augmentation de la puissance laser. Cela permet d'utiliser un quart de la puissance laser nécessaire sans contrôle par rétroaction. "La carte DAQ NI-7833R basée FPGA correspondait bien à nos besoins, à tel point que nous envisageons un grand nombre de variations dans l'avenir sur le concept de contrôle nanométrique temps réel introduit dans cette expérience."

Nous saluons la collaboration agréable et professionnelle de toute l'équipe de NI Finlande.

 

Octobre 2007

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Anders Wallin
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