DE102006034534A1

DE102006034534A1 - Anordnung zur Temperierung des Probenraumes an einem Mikroskop

Info

Publication number: DE102006034534A1
Application number: DE102006034534A
Authority: DE
Inventors: Eugen Dr. Wehner; Jörg Dr. Schaffer; Werner Kleinschmidt
Original assignee: Carl Zeiss MicroImaging GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2006-07-26
Filing date: 2006-07-26
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2026-07-27
Also published as: US7502165B2; US20080024861A1; DE102006034534B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Temperierung des Probenraumes an einem Mikroskop, bevorzugt zur Beobachtung von Zellen (Life Cell Imaging) mit einem Objektive (1) tragenden Objektivrevolver (14), einem zur Aufnahme einer Probe dienenden Probenhalter (2), einem Heiz- oder Kühleinsatz (5) mit Inkubatorhaube zur Temperierung des Probenhalters (2) sowie einem Objektivheiz- oder Objektivkühlelement (6).
Erfindungsgemäß ist zwischen dem Objektivheiz- oder Objektivkühlelement (6) und dem Objektivrevolver (14) mindestens ein den Wärme- oder Kältefluss hemmendes Bauteil (8, 16, 17, 18, 19, 20, 21) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Temperierung des Probenraumes an einem Mikroskop, bevorzugt zur Beobachtung lebender Zellen (Life Cell Imaging) mit einem Objektive tragenden Objektivrevolver, einem zur Aufnahme einer Probe dienenden Probenhalter, einem Heiz- oder Kühleinsatz mit Inkubatorhaube zur Temperierung des Probenhalters sowie einem Objektivheiz- oder Objektivkühlelement.
Bei der mikroskopischen Untersuchung lebender Zellen oder von Gewebeabschnitten ist es zunehmend erforderlich, die spezifischen Lebensbedingungen des Präparates einzustellen. Dazu gehört neben der Beachtung der relativen Luftfeuchte und des CO2- Gehaltes auch die Regelung der Temperatur.
Eine bekannte Lösung um die Temperatur relativ konstant zu halten ist die Verwendung eines heizbaren Mikroskoptisches. Unterschiedliche Halterungsrahmen erlauben dabei eine Anpassung an alle gängigen Probenaufnahmen. Werden beispielsweise sehr niedrige Temperaturen verlangt, empfiehlt sich der Einsatz eines temperierbaren Mikroskoptisches in Verbindung mit Kältethermostaten.
Eine weitere bekannte Möglichkeit der Temperaturregelung erfolgt über einen erwärmten oder gekühlten Luftstrom, der innerhalb eines geschlossenen Systems (Inkubator) auf dem Mikroskop an der Probe vorbeistreicht und zusammen mit dem heizbaren beziehungsweise kühlbaren Mikroskoptisch oder einem Heizeinsatz beziehungsweise einem Kühleinsatz die nötige Temperatur der Probe zuführt.
Durch die Verwendung von Objektivheiz- oder Objektivkühlelementen, die entweder direkt mit dem Objektiv verbunden sind oder in Form eines Luftstromes dem Objektivmantel Wärme oder Kälte zuführen, wird eine zusätzliche Verbesserung des Temperaturwertes im Beobachtungsbereich erzielt. Die Objektive geben die Temperatur über das Immersionsmedium und das Glas an die Probe weiter.
In EP 1 051 064 B1 wird beispielsweise ein Mikroskop beschrieben, bei der alle vom Objektivrevolver getragenen Objektive gleichzeitig durch eine Vorrichtung, die am Objektivrevolver angeordnet ist, temperierbar sind. Dazu sind sowohl Heiz- als auch Kühlelemente vorgesehen.
Eine andere Variante zur Objektivheizung ist in US 5,410,429 dargestellt. Hier wird das Objektiv durch eine Heizschleife, die um den Objektivmantel gelegt wird, definiert erwärmt.
US 5,343,018 beschreibt elektrische Objektivheizelemente, die beispielsweise in Form von Hülsen im Objektivgehäuse integriert sind.
Alle bekannten Lösungen haben den Nachteil, dass der Wärmebeziehungsweise Kälteabfluss in die von der Frontlinse entfernten Bereiche und sogar in den Objektivrevolver derart groß ist, dass eine gewünschte Solltemperatur oder Temperaturkonstanz am Probenort nicht oder nur mit sehr hohem anordnungs- und reglungstechnischen Aufwand möglich ist. Ferner ist die thermische Masse der Elemente sehr groß, so dass eine Änderung der Temperatur viel Energie und Zeit erfordert.
Ausgehend von diesem Nachteil liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Anordnung zur Temperierung des Probenraumes an einem Mikroskop derart weiter zu bilden, dass ohne hohen anordnungstechnischen Aufwand die Solltemperatur an der Frontlinse des Objektivs erreicht wird und konstant bleibt. Dies ist Voraussetzung für eine optimale Temperatur am Probenort. Weiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die thermische Masse der Elemente so zu verkleinern, dass gewünschte Temperaturwechsel am Probeport möglich sind.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung zur Temperierung des Probenraumes an einem Mikroskop der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen dem Objektivheiz- beziehungsweise dem Objektivkühlelement und dem Objektivrevolver mindestens ein den Wärme- oder Kältefluss hemmendes Bauteil vorgesehen ist, welches vorteilhafterweise als in sich geschlossener Isolationsring ausgebildet ist und aus einem nahezu thermisch nicht leitendem Material besteht.
Die Anordnung kann sowohl bei aufrechten, als auch bei inversen Mikroskopen eingesetzt werden. Dabei ist es unerheblich, ob ein Wärme- oder Kältefluss blockiert werden soll.
Bedingt durch die Anordnung des den Wärme- oder Kältefluss hemmenden Bauteiles wird der vom Objektivheizbeziehungsweise vom Objektivkühlelement erzeugte Wärme- oder Kältefluss über das Objektiv in den Objektivrevolver unterbrochen. Die Solltemperatur an der Frontlinse des Objektivs und somit im Bereich der Probe wird problemlos erreicht und bleibt auch konstant, da die erzeugte Temperatur praktisch nicht über andere Elemente abgeleitet wird und verloren geht.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante befindet sich der Isolationsring in der Wandung des zylinderförmigen Optikträgers, möglichst nahe der Frontlinse. Damit wird erreicht, dass nur eine geringe Materialmenge des Objektivs aufgeheizt oder gekühlt werden muss.
Charakteristisch für alle Ausgestaltungsvarianten ist, dass die Temperaturverhältnisse im Probenbereich bei Verwendung kleinerer Inkubatoren wesentlich verbessert werden. Auf die Anordnung relativ großer Inkubatoren, die beispielsweise den Objekttisch, die Objektive, den Kondensor und den Beleuchtungsarm umgreifen und damit für Einschränkungen in der freien Zugänglichkeit sorgen, kann verzichtet werden.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung lassen sich erstmalig auch mit einem kleinen, beispielsweise auf dem Heiz- oder Kühleinsatz aufsitzenden, Inkubator "Life Cell Untersuchungen" durchführen, die auf der gewünschten Temperatur basieren, so dass die Aussagekraft der Ergebnisse wesentlich genauer ist.
Infolge dessen, dass die Temperaturdifferenz zwischen der Frontlinse des Objektivs und der beheizten Objektivregion stark reduziert wird, werden die üblicherweise auftretenden Spannungen innerhalb des Objektivs, die beispielsweise zu Materialermüdungen führen, stark reduziert. Da gegenüber konventionellen Lösungen eine geringere Wärmezufuhr ausreichend ist kommt es auch weniger zu Beeinträchtigungen der verwendeten Kittsubstanzen oder der optischen Eigenschaften des Objektivs selbst.
Die Breite des Isolationsringes hängt im Wesentlichen vom verwendeten Material ab und sollte im Bereich zwischen 3 und 7 mm liegen. Dieser Bereich gibt allerdings nur Richtwerte an, da diese nicht nur vom Material, sondern auch von den Maßen des Optikträgers oder der Optikträgerfassung abhängen.
Sinnvollerweise ist der Isolationsring Bestandteil der Wandung des zylinderförmigen Optikträgers und befindet sich möglichst nahe der Frontlinse. Damit wird so wenig wie möglich Wärme, beziehungsweise Kälte durch das Objektiv abgeführt.
Neben der Anordnung des Isolationsringes im Optikträger besteht auch die Möglichkeit diesen in der Optikträgerfassung anzuordnen.
Andere Möglichkeiten sind, dass entweder das am Objektivrevolver zur Aufnahme der Optikträgerfassung vorhandene Gewinde oder das Gewinde der Optikträgerfassung selbst als Isolationsring ausgebildet ist.
Eine weitere denkbare Ausgestaltungsform besteht darin, das den Wärme- oder Kältefluss hemmende Bauteil nicht als geschlossenen Isolationsring, sondern aus einzelnen Stegen auszubilden. Die Unterbrechungen zwischen den Stegen verhalten sich jedoch wie Temperaturbrücken und sollten daher nur minimal sein.
Weitere Konfigurationen, bei der der Isolationsring nicht die gesamte Wandstärke des Optikträgers oder der Optikträgerfassung ausmacht, sondern entweder umfangseitig in eine in die Wandung eingearbeitete Aussparung integriert ist oder sich im Inneren der Wandung in beispielsweise einer eingearbeiteten Rille befindet, sind denkbar um den Wärme- oder Kältefluss zu hemmen. Sowohl der Optikträger als auch die Optikträgerfassung können in diesen Fällen aus üblichem Standartmaterial gefertigt werden.
Es sind verschiedene Ausgestaltungsvarianten möglich, wie beispielsweise, dass mehrere den Wärme- oder Kältefluss hemmende Bauteile in der Wandung des Optikträgers und/oder in der Wandung der Optikträgerfassung und/oder in den Gewindeabschnitten vom Aufnahmegewinde der Optikträgerfassung und/oder vom Aufnahmegewinde des Objektivrevolvers integriert sind.
Denkbar ist auch eine vorteilhafte Weiterbildung dahingehend, dass das den Wärme- oder Kältefluss hemmende Bauteil der vollständige Optikträger und/oder die vollständige Optikträgerfassung ist/sind. Dies hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen Konturen oder Medien zur Verbindung des Bauteils mit Teilen des Optikträgers oder der Optikträgerfassung erforderlich sind.
Derartige Konturen könnten beispielsweise am Zylinder des Optikträgers oder an der Optikträgerfassung angeformte Gewinde zur Aufnahme des mit der Gegenkontur versehenen, den Wärme- oder Kältefluss hemmenden Bauteiles sein (objektivinterner Adapter).
Sinnvollerweise besteht das den Wärme- oder den Kältefluss hemmende Bauteil aus einen Material mit einem extrem geringen Wärmeleitwert, wie in einer vorteilhaften Ausgestaltung aus Tedur mit einem Wärmeleitwert von 0,25 W/Km ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen beispielhaft erläutert. Es zeigen:
1: die schematische Darstellung der einzelnen Komponenten zur Einhaltung der Temperaturverhältnisse,
2: ein Mikroskopobjektiv mit einem Isolationsring im Optikträger,
3: ein Mikroskopobjektiv mit einem Isolationsring in der Optikträgerfassung,
4: ein Mikroskopobjektiv mit einem Isolationsgewinde,
5: eine schematische Darstellung eines durch das Aufnahmegewinde des Objektivrevolvers hemmenden Wärme- oder Kälteflusses,
6: eine Darstellung der Anordnung des Isolationsringes in die äußere Kontur der Wandung des Optikträgers und
7: eine Darstellung der Anordnung des Isolationsringes in die innere Kontur der Wandung des Optikträgers.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung zur Temperierung des Probenraumes an einem Mikroskop mit einem inversen, mikroskopischen Aufbau, bestehend aus einem Objektiv 1 sowie einem Probenhalter 2 in Form einer Petrischale mit dem darin befindlichen, zur Einbettung einer Probe dienenden, Kultivierungsmedium 3. Über eine Immersionsflüssigkeit 4 steht die in 1 nicht näher dargestellte Frontlinse des Objektivs 1 mit dem Probenhalter 2 in Verbindung.
Zur Einhaltung definierter Temperaturverhältnisse im Probenraum sind ein Heizeinsatz 5 sowie ein direkt mit dem Objektiv 1 verbundenes Heizelement 6 vorgesehen. Über einen in unmittelbarer Nähe der zu untersuchenden Probe befindlichen Temperatursensor 7 sowie eine nicht näher dargestellte Regeleinrichtung kann sowohl der Heizeinsatz 5 als auch die vom Objektivheizelement 6 abzugebende Wärmemenge gesteuert werden.
Erfindungsgemäß befindet sich im Objektiv 1 ein Isolationsring 8, der die Aufgabe hat, den vom Objektivheizelement 6 in Richtung des Objektivrevolvers 14 abgegebenen Wärme- beziehungsweise Kältestrom zu hemmen, so dass die Solltemperatur im Probenbereich leicht erreichbar ist und nahezu konstant bleibt.
Bei Verwendung von Messing für die Fassung des Optikträgers mit einem Wärmeleitwert von 195 W/Km wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Isolationsring aus Tedur mit einem Wärmeleitwert von 0,25 W/km verwendet, dessen Breite 7 mm ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Isolationsring 8 als geschlossener Ring ausgebildet, wobei auch eine Gestaltung als nicht geschlossener Ring denkbar ist.
Die 2 bis 5 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele der Anordnung des Isolationsringes, wobei in allen 2 bis 5 das Mikroskopobjektiv 1 schematisch mit seinem Optikträger 9, einem Linsensystem 10, einer Frontlinse 11, einer Optikträgerfassung 12 mit seinem Aufnahmegewinde 13 und einem Objektivrevolver 14 mit seinem Aufnahmegewinde 15 dargestellt sind.
2 zeigt dabei die Anordnung eines Isolationsringes 16 in der Wandung des Optikträgers 9 in unmittelbarer Nähe der Frontlinse 11, d.h. unmittelbar hinter dem Objektivheizelement 6 (1). Diese Anordnung des Isolationsringes 16 hat den Vorteil, dass nur sehr wenig Wärme- beziehungsweise Kältezufuhr nötig ist, um die gewünschte Temperatur zu erreichen.
In 3 wird die Anordnung eines Isolationsringes 17 in der Optikträgerfassung 12 dargestellt.
Andere Alternativlösungen werden aus den 4 und 5 ersichtlich. Während in 4 ein Isolationsring 18 aus dem Aufnahmegewinde 13 der Objektträgerfassung 12 besteht, wird in 5 ein Isolationsring 15 durch das Aufnahmegewinde 19 des Objektivrevolvers 14 gebildet.
Denkbar sind auch Varianten, bei denen entweder der Optikträger 9 oder die Optikträgerfassung 12 vollständig aus dem den Wärme- oder Kältefluss hemmendem Material gefertigt werden.
6 zeigt schematisch eine Ausführungsform, bei der ein Isolationsring 20 in eine Aussparung der Wandung des Optikträgers 9 integriert ist. Vorstellbar ist auch eine gleichartige Integration in die Optikträgerfassung 12. Dabei wird der Wärme- oder Kältefluss zwar weniger gehemmt, als wenn der Isolationsring 20 die Wandung vollständig trennen würde, der Vorteil besteht aber darin, dass diese Varianten fertigungstechnisch einfacher zu realisieren sind.
Gleiches trifft auf die in 7 dargestellte Form zu, bei der ein Isolationsring 21 in den Innenzylinder des Optikträgers 9 aufgenommen ist.

1: Objektiv
2: Probenhalter
3: Kultivierungsmedium
4: Immersionsflüssigkeit
5: Heizeinsatz
6: Objektivheizelement
7: Temperatursensor
8, 16, 17, 18, 19, 20, 21: Isolationsring
9: Optikträger
10: Linsensystem
11: Frontlinse
12: Optikträgerfassung
13, 15: Aufnahmegewinde
14: Objektivrevolver

Claims

Anordnung zur Temperierung des Probenraumes an einem Mikroskop, bevorzugt zur Beobachtung von Zellen (Life Cell Imaging) mit einem Objektive (1) tragenden Objektivrevolver (14), einem zur Aufnahme einer Probe dienenden Probenhalter (2), einem Heiz- oder Kühleinsatz (5) mit Inkubatorhaube zur Temperierung des Probenhalters (2) sowie einem Objektivheiz- oder Objektivkühlelement (6), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Objektivheiz- oder Objektivkühlelement (6) und dem Objektivrevolver (14) mindestens ein den Wärme- oder Kältefluss hemmendes Bauteil (8, 16, 17, 18, 19, 20, 21) vorgesehen ist.
Anordnung zur Temperierung des Probenraumes an einem Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das den Wärme- oder Kältefluss hemmende Bauteil ein Isolationsring (8, 16, 17, 18, 19, 20, 21) ist.
Anordnung zur Temperierung des Probenraumes an einem Mikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsring (8, 16, 17, 18, 19, 20, 21) in sich geschlossen ausgebildet ist.
Anordnung zur Temperierung des Probenraumes an einem Mikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsring aus einzelnen Stegen, besteht.
Anordnung zur Temperierung des Probenraumes an einem Mikroskop nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Isolationsringes (8, 16, 17, 18, 19, 20, 21) vom verwendeten Material abhängt und zwischen 3 bis 7 mm liegt.
Anordnung zur Temperierung des Probenraumes an einem Mikroskop nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsring (16, 20, 21) Bestandteil der Wandung des zylinderförmigen Optikträgers (9) ist und sich hinter der Frontlinse (11) befindet.
Anordnung zur Temperierung des Probenraumes an einem Mikroskop nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsring (17) in der Optikträgerfassung (12) integriert ist.
Anordnung zur Temperierung des Probenraumes an einem Mikroskop nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsring (17) in der Wandung der zylinderförmigen Optikträgerfassung (12) ist.
Anordnung zur Temperierung des Probenraumes an einem Mikroskop nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das an der Optikträgerfassung (12) vorhandene Aufnahmegewinde (18) zur Fixierung im Objektivrevolver (14) als Isolationsring (18) ausgebildet ist.
Anordnung zur Temperierung des Probenraumes an einem Mikroskop nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das am Objektivrevolver (14) zur Aufnahme der Optikträgerfassung (12) vorhandene Aufnahmegewinde (15) als Isolationsring (19) ausgebildet ist.
Anordnung zur Temperierung des Probenraumes an einem Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere in der Wandung des Optikträgers (9) und/oder in der Wandung der Optikträgerfassung (12) und/oder in den Aufnahmegewinden (13, 15) von der Optikträgerfassung (12) und dem Objektivrevolver (14) eingebrachte, den Wärme- oder Kältefluss hemmende Bauteile integriert sind.
Anordnung zur Temperierung des Probenraumes an einem Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das den Wärme- oder Kältefluss hemmende Bauteil der vollständige Optikträger (9) und/oder die vollständige Optikträgerfassung (12) ist/sind.
Anordnung zur Temperierung des Probenraumes an einem Mikroskop nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das den Wärme- oder Kältefluss hemmende Bauteil (8, 16, 17, 18, 19, 20, 21) aus einen Material mit einem extrem geringen Wärmeleitwert besteht.
Anordnung zur Temperierung des Probenraumes an einem Mikroskop nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das den Wärme- oder Kältefluss hemmende Bauteil (8, 16, 17, 18, 19, 20, 21) aus Tedur mit einem Wärmeleitwert von 0,25 W/Km ist.
Anordnung zur Temperierung des Probenraumes an einem Mikroskop nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Probenraum ein Temperatursensor (7) vorgesehen ist, der mit einer die Temperatur des Heizeinsatzes (5) und die Temperatur des Objektivheizelementes (6) verändernden Regeleinrichtung in Verbindung steht.
Anordnung zur Temperierung des Probenraumes an einem Mikroskop nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das den Wärme- oder Kältefluss hemmende Element (8, 16, 17, 18, 19) als lösbarer Adapter ausgebildet ist.
Anordnung zur Temperierung des Probenraumes an einem Mikroskop nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen dem den Wärme- oder Kältefluss hemmende Element (8, 16, 17, 18, 19) und dem Adapter eine Gewindepaarung ist.