CN103247506B - 形成用于电子显微镜的玻璃化样本 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在样本架(112)上形成玻璃化样本供在电子显微镜(100、106)中检验的方法。已知在网片上喷射溶液，然后将网片浸入低温液体、例如乙烷或液态氮中。本发明提出在低温表面(112)、例如真空中的样本架或网片上喷射(经由118)液体的小微滴。液体在碰撞表面时因网片或样本架的低温度而形成玻璃化样本材料(200、202)。可从这样形成的样本材料来挖掘薄片，以便在TEM中研究，或者可在SEM中直接观测玻璃化样本材料。在一个实施例中，材料可在低温液体上喷射，以便从液体中汲出并且放置在网片上。

Description

形成用于电子显微镜的玻璃化样本
技术领域
本发明涉及形成玻璃化样本的图像的方法，该方法包括：
-提供包括样本材料的水溶液，
-在表面上喷射水溶液，
-通过冷却溶液来凝固溶液，
-形成带电粒子显微镜的样本室中的样本材料的图像。
背景技术
从H.D.White等人的“A second generation apparatus for time-resolvedelectron cryo-microscopy using stepper motors and electrospray”(J. Struct.Biol 144 (2003)，第246-252页，又称作White [-1-])已知这种方法。
在研究(成像、分析)透射电子显微镜(TEM)中的样本时，具有可选能量(例如在60keV与300 keV之间)的高能电子束照射样本。样本应当充分薄，使得电子的较大部分通过样本以便成像/探测。成像例如可包括对荧光材料上的电子进行成像，或者对包括例如CCD或CMOS芯片的探测器上的电子进行成像。如本领域的技术人员已知，能够通过对样本扫描高能带电粒子(电子、离子、络离子)束并且观测响应碰撞带电粒子而从样本出现的辐射，来执行类似的成像或分析。这种研究随后在配备有扫描电子显微镜(SEM)镜筒和/或聚焦离子束(FIB)镜筒的设备的真空样本室中执行。
对于生物材料，需要研究例如电子显微镜的恶劣环境中、即真空中并且在高辐射级别下的组织。为此，样本材料常常冷却到低温温度。将生物材料冷却到低温温度涉及到不只是冷却材料，因为冷却通常通过形成冰针而引起对样本材料(细胞、细菌、病毒等)的损坏。如本领域的技术人员已知，样本材料应当嵌入作为非晶态冰的玻璃化冰中。通过以大约105 K/s的速率将水溶液冷却到小于大约165 K的玻璃转变温度的温度来形成玻璃化冰。作为一个备选方案，在大约2100巴的压力下以“仅”大约600 K/s的冷却速率来执行玻璃化。当冷却速率较低时，更厚的玻璃化样本能够在这个所谓的高压冷冻(HPF)过程中形成。
例如通过在载体、例如TEM网片上涂敷水溶液的薄层，来形成玻璃化冰中的低温样本。多余的水随后通过吸出(blotting)去除，并且具有水溶液的其余载体随后投入诸如乙烷或液态氮之类的低温流体中。执行这种方法的设备的示例是以名称Vitrobot在市场销售的，并且由FEI 公司(Hillsboro，OR，USA)制造。
在White [-1-]所描述的方法中，当载体(仍然在室温下)正移动以便投入低温流体中的同时，在载体上喷射包括样本材料的水溶液：这样，过程能够被停止，因为它们在载体上喷射之后不久被冻结。
本发明意在提供形成低温样本的备选方法。
为此，按照本发明的方法的特征在于，喷射溶液的表面具有低温温度，因此，在微滴碰撞表面的时刻在该表面上形成玻璃化样本，并且当处于带电粒子显微镜的样本室中的同时微滴被喷射在低温表面上。
本发明基于如下认识：在低温表面上喷射小微滴时，微滴足够迅速冷却，以便凝固成非晶态冰，因而形成玻璃化样本。当原地(在带电粒子显微镜中)进行这个操作时，样本迅速地制备并且处于没有冰能够在这时低温的样本上生长的环境中。
要注意，估计对于直径大于10 μm的微滴，微滴的至少一部分的冷却过慢而无法形成玻璃化冰。优选地，因此，微粒的一部分应当具有小于10 μm、更优选地小于2 μm的直径。例如，微滴的准确最大尺寸取决于(例如)诸如甘油、乙二醇或者某些防冻蛋白质之类的低温防护剂的存在。在这种低温防护剂存在的情况下，直径可以更大。
要注意，在碰撞时，大概圆形微滴变形成具有更大面容比和较小‘厚度’的形状，因而增强冷却速率。
在按照本发明的方法的一个实施例中，在样本架上喷射水溶液，样本架通过与低温保持装置相接触来保持在低温温度。
样本架、例如TEM网片或SEM柱脚架优选地通过低温保持装置来保持，因此，样本架冷却到低温温度。这样，样本能够在样本架上制备，然后样本架能够从保持装置移开，以便交换用于形成另一个样本的另一个样本架。
样本架能够采用例如静电力来附连到保持装置。但是，也可使用其它附连方法，例如夹持。
在一个优选实施例中，样本架是装备成用于电子显微镜中的样本架。
在这个实施例中，样本架是用于SEM(常常称作柱脚架)或者TEM的所谓网片中的样本架。
在另一个实施例中，通过采用例如低温超薄切片机进行切片或者通过采用聚焦离子束进行磨削来加工玻璃化样本，由此形成薄片形式的样本。厚度小于1 μm、更优选地小于200 nm的薄片形式的样本用于透射电子显微镜中。这样形成的薄片可通过将其附连到操纵器来安装在样本架上，其中操纵器将其传输到例如TEM样本架(“网片”)，然后通过例如射束诱导沉积(BID)将其附连到样本架。
在按照本发明的方法的又一个实施例中，水溶液从混合器来喷射。从Z.Lu等人的“Monolithic microfluidic mixing-spraying devices for time-resolved cryo-electron microscopy”(J. Struct. Biol. 168(2009)，第388-395页，又称作Lu [-2-])已知这种混合器。这种混合器在低温表面上喷射样本材料之前数毫秒实现化学品与水溶液的混合，其中化学反应被抑制。
这种混合对于将细胞(或者其部分)嵌入具有低温防护剂的水中可能是特别有吸引力的。就在喷射之前将低温防护剂添加到水中时，低温防护剂没有时间进入细胞，并且因此看到细胞处于其自然条件中，即使细胞外部的水包含低温防护剂。
在按照本发明的方法的又一个实施例中，在处于低于玻璃转变温度的温度下熔化、蒸发或升华的固体或液体上喷射样本材料，固体或液体连同样本材料一起放在样本载体上，并且在将固体或液体连同样本材料一起放在样本载体上之后，去除固体或液体。
去除能够采取蒸发、升华或者通过例如吸出去除(低温)液体的形式。
当工作在干燥氮的环境中时，水溶液能够在液态氮上喷射，优选地未沸腾。类似地，能够在干燥乙烷或氮的环境中使用乙烷。
要注意，这个实施例可能与真空环境不相容，因为高蒸汽压力通常在去除固体或液体期间发生。
现在使用附图来说明本发明，附图中相同参考标号表示对应特征。
附图说明
为此：
图1示意示出配备有注气系统的带电粒子设备。
图2A、图2B和图2C示出玻璃化样本材料的SEM图像。
图3示出与实施例5配合使用的浅杯状TEM样本架。
具体实施方式
实施例1
图1示意示出第一实施例。带电粒子设备100配备有用于产生离子束104的聚焦离子束镜筒(FIB镜筒)102以及用于产生电子束108的扫描电子显微镜镜筒(SEM镜筒)106。这种带电粒子设备是市场销售的，例如3D Cryo DualBeam™设备，并且由FEI 公司(Hillsboro，OR，USA)销售。描述该设备的应用注解在因特网上可得到，参见[-3-]。
这种仪器配备有配备成保持在低温温度、通常大约-160℃的样本台架110。样本台架配备成保持样本架112(又称作“柱脚”)，其上喷射或另外安装样本。台架定位在易抽空样本室114中。安装在台架上的样本能够通过FIB镜筒所产生的聚焦离子束104来加工(磨削、溅射)，并且使用聚焦电子束108来成像。因碰撞带电粒子而从样本出现的二次辐射由诸如二次电子探测器或X射线探测器之类的一个或多个探测器(未示出)来探测。
在现有技术方法要求通过将安装在样本架上的样本放置于样本台架以在真空室中加载样本的情况下，按照本发明的方法通过在低温样本架112上喷射小微滴流来“原地”形成样本。
第一实验使用如FEI公司(Hillsboro，USA)的美国专利号US5435850中所述的修改注气系统(GIS)116。这种GIS结合直径在1与2毫米之间的浅金属针118，并且一端定位成接近样本台架。另一端经由柱塞连接到可加热体积(坩锅)，其中待注入材料通常驻留在0.1至100毫巴之间的(通常小于1毫巴)的压力。要注意，待注入材料通过蒸发或升华转换为气体产品。开启柱塞以注入气体，以及闭合柱塞以停止这样做。GIS经过修改，修改涉及：
-在柱塞与坩锅之间定位直径为200 μm的孔口
-从样本架去除针
-坩锅柱塞区域加载有包括面包酵母的细胞(大约1 ml)的悬浮液
图3中示意示出所产生的经修改GIS。坩锅300部分填充有包括样本材料的溶液302。管304将坩锅与阀306连接。通过这个阀，液体进入管308，管308通过电子显微镜310的真空壁进行馈送。液体则在经过隔膜312中的200 μm孔口时经过雾化。要注意，压力差存在于坩锅与隔膜中的孔口之间，因为当孔口连接到样本架所在的真空体积的同时，坩锅处于0.1至100毫巴之间的内部压力。雾化悬浮液随后喷射在保持在例如-160℃的温度下的样本架314上。隔膜312中的孔口与样本架314之间的距离大约为5 cm。
这些修改使GIS能够通过短暂开启并且几乎立即闭合GIS来喷射小容积悬浮液。因此，由许多细小微滴所形成的少量细胞悬浮液在样本架上“微喷”(sneeze)。
图2A和(更详细的)图2B中示出喷射的结果。图2A示出大约mm2的视野。它示出几个大微滴200和202。微滴200看来似乎在碰撞时是平坦的。明显覆盖部分之间的的区域204结果由极薄层的冰所覆盖，如图2B所示。图2B示出25×25 μm2的视野，示出其中嵌入细胞208的冰的薄层206。图2C示出进一步放大图，该图示出大约6×6 μm2的视野，其中使用聚焦离子束，去除细胞的一部分，使得截面是可见的。它示出非晶冰基质206和细胞的截面210，其中还示出其核子212。没有发现冰针的迹象。
特别注意，这些是第一极粗糙实验的结果，并且这些图片的限制不应当被理解为按照本发明的方法的限制。
实施例2
在第二实施例中，悬浮液没有通过针喷射在冷表面上，而是通过例如Lu [-2-]在其图1和所附文本中所述的混合器。这样，能够在将悬浮液喷射在低温表面上之前不久进行流体的变化。
要注意，还能够结合加热器以将混合器中的悬浮液保持在例如37℃的预期温度或者预期的更低或更高温度。还要注意，气体用于雾化流体(悬浮液)意味着，这个实施例适合在保护气氛中使用而不太适合在真空中使用。但是，只要雾化悬浮液的气体的压力突发是适度的并且真空系统容许压力突发、诸如在例如环境SEM中使用，则这个实施例可用于将悬浮液原位喷射在样本架上，也就是说：在配备成处理这类压力的环境SEM或另一种带电粒子仪器的真空样本室中。
实施例3
在第三实施例中，使用电喷射在表面上喷射悬浮液，如例如White [-1-]所述。虽然White [-1-]提出仅在保护环境中的电喷射，但是本领域的技术人员将会知道，这也能够在真空中进行，即，在电子显微镜或者更一般的带电粒子设备的标本室中进行。
要注意，从其中出现悬浮液的开口能够是安装在实施例2的混合器上的喷嘴，从而引起混合实施例。
实施例4
在这个实施例中，在低温液体或低温固体上喷射水溶液。液体或固体的特征在于，它能够在低于水的玻璃转变温度的温度下去除。可通过蒸发流体、通过升华、通过排放或者任何其它方式来进行这种去除。冷冻微滴随后能够留在例如 – 最初浸没的 – 样本架上或者从液体汲出。低温液体能够例如是液态氮或乙烷。
实施例5
这个实施例与实施例4相似，但是在这里包括具有薄膜的网片的TEM样本网片保持在流体之上。
TEM碳网片是市场销售的，其中载体网片用于支承仅数微米厚的碳膜，或者甚至包括石墨烯膜(参见例如Graphene Laboratories Inc.(Calverton，NY，USA)的小册子)。由于这种碳薄膜很难与电子束相互作用，所以能够很好地对放在这个膜上的样本进行成像。类似地，具有Si3N4薄膜的网片是市场销售的。
将这种网片用于按照本发明的方法时的问题在于，薄膜的热容量不足以将微滴冷却到低于玻璃转变温度的温度。
实施例5通过使膜的一侧与低温液体相接触来解决这个问题。这样，即使在膜上喷射较大量水时，碳薄膜也保持在低温度。
要注意，类似地，网片能够放置在冷金属表面上，但是膜常常随后冻结到金属表面。
还要注意，网片能够形成为浅杯，从而使低温液体的一部分在膜之上晃荡(slosh)的风险最小化。能够使这种杯漂浮在低温液体上。
实施例6
在第六实施例中，低温表面由玻璃化样本材料通过先前所述方法之一来覆盖，此后，样本、例如薄片通过使用聚焦离子束以挖掘样本或薄片并且从低温表面释放样本或薄片以及将其传输到(低温)样本载体、例如TEM网片从玻璃化样本材料来形成。
要注意，低温表面上的溶液的延长喷射能够产生从其中能够切除薄片的样本材料的厚层。
还要注意，其它技术、例如荧光技术能够用于识别样本材料层上的感兴趣区域，此后能够从这些区域获取薄片或样本。
参考文献

Claims (11)

1.一种形成玻璃化样本的图像的方法，所述方法包括：
- 提供包括样本材料的水溶液，
- 在样本架(112)的表面上喷射所述水溶液的微滴，
- 通过迅速冷却所述溶液来形成玻璃化样本，以及
- 形成在带电粒子显微镜(100)的易抽空样本室(114)中的玻璃化样本的图像，
其特征在于
- 被喷射溶液的表面具有低温温度，
- 当处于带电粒子显微镜的所述易抽空样本室中的同时微滴被喷射在该表面上，
由此，在所述微滴碰撞所述表面的时刻在所述表面上在原处形成玻璃化样本。
2.如权利要求1所述的方法，所述低温温度小于165K。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述溶液包括蛋白质、细胞或部分细胞。
4.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述微滴的至少一部分具有小于10 μm的直径，由此，所述微滴的所述至少一部分形成玻璃化样本。
5.如权利要求1或2所述的方法，其中，在样本架(112)上喷射所述水溶液，所述样本架通过与低温保持装置相接触来保持在低温温度处。
6.如权利要求4所述的方法，其中，所述低温保持装置通过静电力来吸引所述样本架。
7.如权利要求1或2所述的方法，还包括通过采用低温超薄切片机进行切片或者通过采用离子束(104)进行磨削来加工所述玻璃化样本，由此形成薄片形式的样本。
8.如权利要求1或2所述的方法，其中，从混合器来喷射所述水溶液，所述混合器被装备成混合流体并且在所述表面上喷射所述流体。
9.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述水溶液使用电喷射在所述表面上喷射。
10.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述表面被设在产生聚焦离子束的镜筒和产生聚焦电子束的镜筒的交叉处。
11.如权利要求1或2所述的方法，其中，通过将多个微滴喷射在彼此上来沉积多个玻璃化材料层。
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