CN102866034A

CN102866034A - 一种电子显微镜样品盒

Info

Publication number: CN102866034A
Application number: CN2011102684308A
Authority: CN
Inventors: 陈智; 杜经宁
Original assignee: Spring Foundation of NCTU
Current assignee: Spring Foundation of NCTU
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2011-09-09
Publication date: 2013-01-09
Also published as: TWI445038B; JP5653394B2; US8405047B2; US20130009071A1; TW201303951A; JP2013016490A

Abstract

本发明公开了一种电子显微镜样品盒，包括：一第一基板、一第二基板、一个或一个以上的光电元件、及一金属黏着层。该第一基板具有一第一表面、一第二表面、一第一凹槽、及一个或一个以上的第一导孔，该第一导孔贯穿第一基板。该第二基板具有一第三表面、一第四表面、及一第二凹槽。该光电元件设置于第一基板与第二基板之间。另外，该金属黏着层，设置于该第一基板与该第二基板之间以形成一空间，使样品置于其中。此外，本发明更包括一个或一个以上的栓塞，可密封第一导孔，使本发明的样品盒密封并以电子显微镜实时观测。

Description

一种电子显微镜样品盒

技术领域

本发明关于一种具有导孔的电子显微镜样品盒，尤指一种更具有光电元件的电子显微镜样品盒。

背景技术

已知技术中，在操作电子显微镜观察样品时，其电子显微镜内的真空环境，对于样品观测的分辨率及正确度来说相当重要。故已知电子显微镜多半观察固态物体结构，或观察如生物组织或病毒脱水处理后的样品，因而局限了样品的选择性，也无法观察样品的动态状态，更无法观察样品受到外界刺激后的反应。

在此受限的情况下，电子显微镜所能应用的范围显然同样受限。为解决此状况，先前研究者发明一种可观察存放于气体或液体的样品的电子显微镜样品装置。该电子显微镜样品装置，将该样品容置于一样品盒中，并以密封胶或高分子密封胶进行密封。然而，该密封胶及高分子密封胶易使样品的水分蒸散，而使电子显微镜的真空度降低，进而影响样品的分辨率及观察效率。

为解决以上的问题，目前更开发一种电子显微镜样品盒，此样品盒除了具有一样品容室之外，另设一气室，通过平衡容室及气室间的气压，以解决样品的气体或液体由容室溢散的缺点。然而，其气室中用以平衡压力所填充的惰性气体，却可能影响样品观察的分辨率，此外，此样品盒的组成较为繁复，故亦可能增加其制作成本。

更甚者，已知的电子显微镜样品装置，于密封后即无法再度开启，且于密封空间的氧气有限情况下，组织或细胞活体样品的观察显然因受到限制，而无法长时间观察该样品的动态变化，更无法进一步观察样品受光、电刺激后的动态变化。

有鉴于此，开发一种具有高密封度，且可重复开启，并可施加环境刺激(如光、电)的电子显微镜样品盒，有助于长时间的以电子显微镜观测存放于气体或液体的样品的动态变化，亦可增加其样品的观测条件。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种具有导孔、及栓塞的电子显微镜样品盒，能使该样品盒重复开启，以通入样品所需的气体或液体，以延长样品动态观测的时间。

本发明的另一目的是提供一种具有光电元件的电子显微镜样品盒，能观测样品受光、电刺激后的动态反应。

为达成上述目的，本发明提供一种电子显微镜样品盒，包括：一第一基板，其具有一第一表面、一第二表面、一第一凹槽、及一个或一个以上的第一导孔，其中第一凹槽设置于第二表面，而第一表面上设有一第一薄膜，其对应于第一凹槽，且一个或一个以上的第一导孔设置于第一凹槽的外围，并贯穿第一基板；一第二基板，其具有一第三表面、一第四表面、及一第二凹槽，其中第二凹槽设置于第四表面，而第三表面上设有一第二薄膜，其对应于第二凹槽；一个或一个以上的光电元件，其具有一个或一个以上的作用端，而其光电元件设置于第一基板及第二基板之间；以及一金属黏着层，其设置于第一基板与第二基板之间；其中第一基板、第二基板、及金属黏着层间形成一空间，以容置一存放于气体或液体的样品，且其光电元件的作用端设于该空间。本发明的适用样品基本上，只要样品符合电子显微镜观察的要求者，并无特别限制，较佳可为化学原子、分子、化合物、混合物，或生物领域的组织、细胞、酵素、神经细胞、光感细胞、干细胞等。而本发明的光电元件的作用端可通过发出光的刺激，而进一步观察样品对光的反应、样品的光学特性；此外，本发明光电元件的作用端可与样品接触而发出电的刺激，以进一步观察样品对电的反应；另外，本发明亦可同步的对样品进行光与电的刺激，以同步观测样品对光与电刺激的反应。

上述的第一导孔较佳可贯穿第一薄膜，并穿透该第一基板，以使第一基板、第二基板、及金属黏着层所形成的空间与外界连通，可使样品由其第一导孔置入样品盒的空间中，亦可使气体或液体由其第一导孔导入其中。

上述的第一凹槽及第二凹槽较佳由黄光微影制作方法，再加上湿式蚀刻制作方法、干式蚀刻制作方法、或深式离子蚀刻技术(Deep reactive-ionetching)形成其凹槽的结构。其中，第一凹槽及第二凹槽的形体无特别限制，可以为规则或不规则的形体，亦可为一圆柱体、一锥体、一正方体、或一长方体，而较佳情况下，第一凹槽及第二凹槽可各自独立为一圆柱体、一锥体、一正方体、或一长方体。

而第一基板的第二表面上具有一个或一个以上的第三凹槽，或第二基板的第四表面上具有一个或一个以上的第四凹槽，其第三凹槽及第四凹槽用以容置一个或一个以上的光电元件，并且使光电元件的作用端与该空间接触，进而由作用端释放光、电信号而刺激样品。而其中，第三凹槽及第四凹槽的设置方法，可于第一基板、第二基板、或第一基板及第二基板上，以黄光微影制作方法，再加上湿式蚀刻制作方法、干式蚀刻制作方法、或深式离子蚀刻技术(Deep reactive-ion etching)，较佳为黄光微影制作方法，再加上湿式蚀刻制作方法[补充于实施例中]。其中，第三凹槽、第四凹槽的位置，在不影响通孔、及正常的电子显微镜观察的情况下，并无特别限制，较佳位于第一基板、第二基板的对角线位置。此外，本发明的光电元件可各自独立为光转电元件、电转光元件、光元件、或电元件的光电元件，较佳是各自独立为光纤、或电极，其中，光纤可为渐变光纤、多膜突变光纤、单膜光纤、多膜光纤、光子晶体光纤等。而本发明的光电元件可以O型环、密封胶、高分子密封胶、或焊料等，固定并密封于第三凹槽、第四凹槽中，较佳为焊料。

上述的金属黏着层可设置于第二表面与第四表面之间、或第二表面与第二薄膜之间，以形成不同体积及形状的样品盒内部空间，以应不同体积的样品以及不同分辨率的观察需求而有所调整。其中该空间的体积为0.01至100立方毫米，较佳为0.05至50立方毫米，更佳为0.1至10立方毫米，而该空间的高度为10微米至1000微米之间，较佳为20至700之间，而更佳为30至550之间。如前述的金属黏着层，其材料包含一金属材料，而此金属材料选自：钛、锡、铬、镍、锌、金、铟、铋、铜、银、钛钨合金、或其组合所组成的群组，较佳为锡、镍、锌、金、铟，更佳为锡、金。然而，于此金属黏着层中，其组成更可包含一接着层、一冶金层与一焊锡层，其中接着层为钛、钛钨合金、或铬；冶金层为镍、铜、或金。其中，本发明所适用的金属黏着层的金属材料具有防水性佳、密封度佳且不具生物排斥性的优点，然而却需于高温下才具有黏合的特性，因此于上、下基板黏合时，可能会导致样品盒内的样品变质的风险。故操作方法上，较佳先于70℃以上的高温下，以金属黏着层进行第一基板及第二基板的黏合后，再将样品置入样品盒中。

而前述的第二基板可更包括一个或一个以上的第二导孔，其中第二导孔较佳设置于第二凹槽的外围，并贯穿该第二基板，以使其第一基板、第二基板、及金属黏着层所形成的空间与外界连通，而使样品由该第二导孔置入该空间，亦可使气体或液体由第二导孔导入其中。

其中，前述的第一导孔的孔径为10至1000微米，较佳为50至700微米，更佳为100-500微米；而第二导孔的孔径则为10至1000微米，较佳为50至700微米，更佳为100-500微米，其中，个别导孔的孔径大小可依照观察需求而不全相同，在不妨碍电子显微镜操作或观察的情况下，可自行调整。制作方法上，第一导孔及第二导孔较佳以深式离子蚀刻技术(Deep reactive-ion etching)或雷射钻孔技术制成。基本上，其导孔的作用是用以置入存放于气体或液体的样品，且亦可导入样品所需的气体或液体，如氧气、氮气、缓冲液、培养液等，以延长样品动态观测的时间。如以细胞样品来说，该导孔可导入该细胞所需的氧气以及培养液，于延长该细胞样品的存活的同时，进而实时观察该细胞样品的动态变化。

本发明的电子显微镜样品盒可更包含一个或一个以上的栓塞，其置于第一导孔以及第二导孔。该栓塞的材料无特别限制，可为金属、记忆金属、聚合物、塑料、陶瓷、亚克力、或其组合。其中，该栓塞的材料较佳为：记忆金属、聚合物、塑料、陶瓷、或其组合，而更佳为：记忆金属材料。而其记忆金属的材料可选自：钛镍合金、铜基合金、铜锌合金、铜铝锰合金、铜铝镍合金、铜铝铍合金、铜铝铍锆合金、铜铝镍铍合、及其组合所组成的群组，较佳为钛镍合金、铜锌合金、铜铝镍合金、及其所组成的群组，更佳为钛镍合金。此外，由于上述的记忆金属材料具有热胀冷缩的记忆特性，故若以此较佳的材料作为栓塞，来密封该导孔，则可使本发明的电子显微镜样品盒达到更高的密封度要求。

如前述的电子显微镜样品盒，其中第一薄膜及第二薄膜的材料各自独立为二氧化硅(SiO₂)、氮化硅(Si₃N₄)、或其组合。其可用以增加制作过程中的蚀刻选择性，且亦增强第一基板、第二基板的表面硬度。另外，其第一薄膜、及第二薄膜的厚度分别为1至100纳米，较佳为5至80纳米。

而第一薄膜的外层可再设置一层第一保护层，同理，第二薄膜的外层也可再设置一层第二保护层。第一保护层及第二保护层的材料较佳为氮化硅(Si₃N₄)，因为氮化硅(Si₃N₄)材料具有较坚硬的特性，如此，可防止第一薄膜以及第二薄膜破裂，亦可更进一步增加制作过程中的蚀刻选择性。

如前述本发明的第一基板及第二基板，其中第一基板及第二基板各自独立为硅基板、玻璃基板、或聚合物基板，较佳为硅基板。另外，第一基板及第二基板的厚度介于10至1000微米，较佳为介于100-250微米。

综上所述，本发明电子显微镜样品盒中，于样品置入样品盒前，预先将光电元件置于第三凹槽、第四凹槽中，或将光电元件置于第三凹槽及第四凹槽中，并以O型环、或密封胶、高分子密封胶、或焊料等，较佳为焊料，进行光电元件的固定，且将第三凹槽及/或第四凹槽进行密封后，再以金属黏着层黏合第一基板及第二基板。此外，本发明的样品盒使用时，可具有一个或一个以上的第一导孔、一个或一个以上的第二导孔，可将样品由样品盒的第一导孔、第二导孔置入后，再以栓塞密封第一导孔、第二导孔，使本发明的样品盒最后呈现完全密封的状态，以便于电子显微镜中，于光、电的刺激情况下，进行样品的动态观测。其中，本发明的栓塞可重复使第一导孔、第二导孔开启，故可由第一导孔、第二导孔再导入气体或液体，如氧气或缓冲液，以延长样品的动态观测时间。

另外，本发明的电子显微镜样品盒结构及制作上，较已知的样品盒简单，且本发明所选用的材料及制作方法亦为所属技术领域中，所易于取得及易于了解。故如上所述，本发明可使存放于气体或液体的样品，以电子显微镜，于光、电的刺激下，实时地观测样品的动态变化、及延长样品的观测时间，并以简单的样品盒结构，改善已知电子显微镜样品盒的密封度问题。

附图说明

图1是本发明实施例一的电子显微镜样品盒的立体图。

图2是本发明电子显微剂镜样品盒的局部光电元件的立体图。

图3是本发明实施例一的电子显微镜样品盒的剖视图。

图4是本发明实施例二的电子显微镜样品盒的剖视图。

图5是本发明实施例三的电子显微镜样品盒的剖视图。

【主要元件符号说明】

11第一基板 12第二基板 13金属黏合层

111第一表面 112第二表面 113第一凹槽

114第一导孔 115第一薄膜 116第一保护层

117第三凹槽 121第三表面 122第四表面

123第二凹槽 124第二导孔 125第二薄膜

126第二保护层 127第四凹槽 15栓塞

16光电元件 161作用端

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

实施例一

首先，请参考图1、图2、及图3。图1为本实施例电子显微镜样品盒的立体图；图2为电子显微剂镜样品盒的局部光电元件的立体图；图3为图1的本实施例电子显微镜样品盒的立体图中，沿A-A’剖面线的剖视图。如图1及图3所示，本发明的电子显微镜样品盒包含：一第一基板11、一第二基板12、一金属黏着层13、以及一个或一个以上的光电元件16。其中，本实施例的第一基板11及第二基板12为(001)硅基板，且第一基板11的厚度为250微米，而第二基板12的厚度为250微米。

更详细地说，该第一基板11具有一第一表面111、一第二表面112、一第一凹槽113、及两个第一导孔114。其中，第一凹槽113设置于第二表面112，且第一表面111上设有一第一薄膜115，其对应于第一凹槽113。另外，上述的第一导孔114设置于该第一凹槽113的外围，并贯穿该第一基板11。

上述的第二基板12具有一第三表面121、一第四表面122、以及一第二凹槽123。其中，第二凹槽123设置于第四表面122；且于第三表面121上另设有一第二薄膜125，其对应于第二凹槽123。

此外，上述的金属黏着层13设置于第一基板11的第二表面112，以及第二基板12的第四表面122之间。其中，第二表面112、第四表面122、及金属黏着层13之间，围绕形成一空间(图未示)，以将存放于气体或液体的样品，容置于此空间(图未示)中。于本实施例中，样品的种类并无特别限制，凡存放于气体或液体的样品，在符合电子显微镜观察的要求上，皆可为本实施例所适用。

另外，如图1、图2、及图3所示，本实施例的第二基板12的第二表面122更沿<110>的方向，以黄光微影制作方法，再以氢氧化钾的湿式蚀刻制作方法，蚀刻四个V-型且位于第二表面122对角线位置的第四凹槽127，如图2所示。其中，每一第四凹槽127分别容置一光电元件16，并使其光电元件16的作用端161，与样品的空间(图未示)接触，进而对样品进行光、电的刺激以及侦测。

另外，本实施例以黄光微影及湿式蚀刻的方法，于第二表面112形成上述的第一凹槽113，且于第四表面122上形成上述的第二凹槽123。而第一凹槽113及第二凹槽123的形体均为锥体。

此外，本实施例的第一导孔114是以深式离子蚀刻技术(Deep ReactiveIon Etching)所制成，以使第一导孔114贯穿第一薄膜115，进而贯穿第一基板11，并使本实施例的第一导孔114孔径为250微米。

而该第一导孔114的功能是将欲观测的样品由此导孔置入空间(图未示)中，且亦可由第一导孔114导入所需的气体(如氧气、氮气等)或液体(如缓冲液、或酸、碱溶液等)，以进一步地动态观察欲观测的样品。

上述的第一薄膜115及第二薄膜125的材料于本实施例中，为二氧化硅(SiO₂)。其功能为增加第一基板11及第二基板12的硬强度，使其基板不易破裂，且可增加本实施例蚀刻过程中的蚀刻选择性。

而本实施例的光电元件16先以焊锡将光电元件16固定并密封于第四凹槽127中，使光电元件16的作用端161与该空间(图未示)接触。此外，作用端161所相对应的另一端，延伸出样品盒外，以连接光源或电源。本实施例的光电元件16为光纤、电极、或光纤与电极。

此外，上述本实施例的金属黏着层13由一接着层、一冶金层与一焊锡层所形成，其中接着层为钛钨合金，而冶金层为铜。故在本实施例中，先于150℃的高温下，利用自动对准封装法，以金属黏着层13进行第一基板11及第二基板12的黏合后，再将样品置入样品盒空间(图未示)中。

在本实施例中，金属黏着层13、第二表面112、及第四表面122间所形成的一空间(图未示)，可使电子显微镜的电子束，沿着第一基板11的第一凹槽113穿透至空间(图未示)，再穿透至第二基板12的第二凹槽123。其中，该空间14的体积为4立方毫米，而其空间14的高度为550微米。再则，在本实施例中，为了增强该基板的硬强度及蚀刻过程的蚀刻选择性，故于第一薄膜115的外层另设一第一保护层116，且于第二薄膜125的外层另设一层第二保护层126。其中，第一保护层116及第二保护层126的材料为具有较强硬度的氮化硅(Si₃N₄)。

最后，本实施例另具有两个栓塞15，其可将第一导孔114密封，以形成完全密封的电子显微镜样品盒。除此之外，由于栓塞15可由第一导孔114拔起，故可使样品盒依观察需求而重复地开启或密封。而本实施例的栓塞15以记忆金属的钛镍合金为材料，其将栓塞15置于冰点温度下一段时间后，使钛镍合金的温度降至冰点以下，再拿出来插入置于室温中样品盒的第一导孔114中，此时因为钛镍合金的温度会渐渐升高到室温，而使栓塞15膨胀密封第一导孔114，进而使样品盒达到完全密封。

以观测一细胞样品来说明本实施例的使用方式。将细胞样品由第一导孔114置入空间14后置于室温，再将置于冰点温度下的钛镍合金的栓塞15拿出，并封塞第一导孔114，以使栓塞15密封第一导孔114，此时本实施例的样品盒呈现完全密封的状态。接着，将其完全密封的样品盒置入电子显微镜中，以光、电、或光电同步的刺激来刺激样品，以观察细胞对光、电反应的实时动态状态。随后，可视观察的需求，利用栓塞15将第一导孔114重复开启，并置入所需的氧气或培养液，以进一步观测细胞样品的动态状态。

实施例二

如图4所示，图4为本发明实施例二的电子显微镜样品盒的剖视图，本实施例与实施例一大致相同，差别在于金属黏着层13是设置于第二表面112及第二保护层126之间，且于第一基板11的第二表面112上，以干式蚀刻制作方法蚀刻四个第三凹槽117，以容置一个或一个以上的光电元件16。其中，本实施例的光电元件16为光纤、电极、或其组合。

此外，本实施例空间(图未示)的体积为2立方毫米，而其空间14的高度为550微米，本实施例空间(图未示)的体积相较于实施例一空间(图未示)的体积小。虽然本实施例的样品盒所能容置的样品体积小于实施例一，然而，本实施例的分辨率却较实施例一佳。因此，可依照欲观察样品的体积大小、或所需电子显微镜的分辨率大小，选择不同空间(图未示)体积的电子显微镜样品盒。

实施例三

如图5所示，图5为本发明实施例三的电子显微镜样品盒的剖视图，本实施例与实施例一大致相同，差别在于本实施例的第一薄膜115、第一保护层116、第二薄膜125、及第二保护层126仅覆盖于该第一凹槽113及第二凹槽123的底部，以增强第一凹槽113及第二凹槽123的结构强度，而防止凹槽破裂而使样品溢出，此外，亦可增加蚀刻的选择性。

另外，于第二基板12的第二表面122上，以湿式蚀刻制作方法蚀刻一个第四凹槽127，以容置一个光电元件16。其中，此光电元件16为光纤、或电极。

此外，本实施例是以深式离子蚀刻技术(Deep Reactive Ion Etcher)，于部份无覆盖上述薄膜的第一表面111及第三表面121之上，形成两个第一导孔114及两个第二导孔124。其中第一导孔114及第二导孔124只贯穿第一表面111及第三表面121，且形成孔径为250微米的第一导孔114，及孔径为250微米的第二导孔124。最后，本实施例皆以钛镍合金的栓塞15，密封第一导孔114及第二导孔124。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，本发明主张的权利范围自应以权利要求所述为准，而非仅限于上述实施例。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电子显微镜样品盒，包括：

一第一基板，其具有一第一表面、一第二表面、一第一凹槽、及一个或一个以上的第一导孔，其中该第一凹槽设置于该第二表面，而该第一表面上设有一第一薄膜，其对应于该第一凹槽，且该一个或一个以上的第一导孔设置于该第一凹槽的外围，并贯穿该第一基板；

一第二基板，其具有一第三表面、一第四表面、及一第二凹槽，其中该第二凹槽设置于该第四表面，而该第三表面上设有一第二薄膜，其对应于该第二凹槽；

一金属黏着层，设置于该第一基板与该第二基板之间；以及

一个或一个以上的光电元件，其具有一个或一个以上的作用端，而该光电元件设置于该第一基板及该第二基板之间；

其中该第一基板、该第二基板、及该金属黏着层之间形成一空间，且该光电元件的该作用端设于该空间。

2.如权利要求1所述的电子显微镜样品盒，其中该第一导孔贯穿该第一薄膜。

3.如权利要求1所述的电子显微镜样品盒，其中该金属黏着层设置于该第二表面与该第四表面之间。

4.如权利要求1所述的电子显微镜样品盒，其中该金属黏着层设置于该第二表面与该第二薄膜之间。

5.如权利要求1所述的电子显微镜样品盒，其中一个或一个以上的该光电元件各自独立为光纤、或电极。

6.如权利要求1所述的电子显微镜样品盒，其中该第二基板更包括一个或一个以上的第二导孔，其中该第二导孔设置于该第二凹槽的外围，并贯穿该第二基板。

7.如权利要求1所述的电子显微镜样品盒，其中该第一导孔的孔径为10至1000微米。

8.如权利要求6所述的电子显微镜样品盒，其中该第二导孔的孔径为10至1000微米。

9.如权利要求1所述的电子显微镜样品盒，其中更包含一个或一个以上的栓塞，置于该第一导孔。

10.如权利要求6所述的电子显微镜样品盒，其中更包含一个或一个以上的栓塞，置于该第二导孔。

11.如权利要求1所述的电子显微镜样品盒，其中该第一薄膜及该第二薄膜的材料各自独立为二氧化硅SiO₂、氮化硅Si₃N₄、或其组合。

12.如权利要求1所述的电子显微镜样品盒，其中该第一薄膜、及该第二薄膜的厚度为1至100纳米。

13.如权利要求1所述的电子显微镜样品盒，其中该第一薄膜的外层设有一第一保护层。

14.如权利要求13所述的电子显微镜样品盒，其中该第一保护层的材料为氮化硅Si₃N₄。

15.如权利要求1所述的电子显微镜样品盒，其中该第二薄膜的外层设有一第二保护层。

16.如权利要求15所述的电子显微镜样品盒，其中该第二保护层的材料为氮化硅Si₃N₄。

17.如权利要求1所述的电子显微镜样品盒，其中该第一基板及第二基板各自独立为硅基板、玻璃基板、或聚合物基板。

18.如权利要求1所述的电子显微镜样品盒，其中该第一基板及该第二基板的厚度介于10至1000微米。

19.如权利要求1所述的电子显微镜样品盒，其中该金属黏着剂为一金属材料，其中该金属材料选自：钛、钛钨合金、铬、镍、锡、铟、铋、铜、银、镍、锌、金、或其组合所组成的群组。

20.如权利要求9所述的电子显微镜样品盒，其中该栓塞的材料选自：钛镍合金、铜基合金、铜锌合金、铜铝锰合金、铜铝镍合金、铜铝铍合金、铜铝铍锆合金、铜铝镍铍合、及其组合所组成的群组。

21.如权利要求1所述的电子显微镜样品盒，其中该第一基板、该第二基板、及该金属黏着层所形成该空间的体积为0.01至100立方毫米。