DE2922212C3

DE2922212C3 - Mikromanipulator für Mikroskope

Info

Publication number: DE2922212C3
Application number: DE2922212A
Authority: DE
Inventors: Fumiichiro Osaka Yamamoto
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1978-06-05
Filing date: 1979-05-31
Publication date: 1988-07-28
Also published as: JPS5753925B2; GB2022287B; US4270838A; DE2922212B2; JPS54158945A; GB2022287A; DE2922212A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Mikromanipulator an einem Mikroskop gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Zur Durchführung von Untersuchungen an lebenden Zellen auf den Gebieten der Medizin und Biologie ist die Anwendung sogenannter Mikroverfahren mit Mikromanipulation erford^lich, !r.erbei handelt es sich um Bewegungen oder Verlagerungen in der Größenordnung von wenigen Mikrometern, dh zu verschiedenen Zwecken herbeigeführt werden, z. B. zum Entfernen von Zellkernen, zürn Verpflanzen von intrazellulärem Gewebe, zum Injizieren kleinster Mengen von Enzymen oder Medikamenten in Zellen oder zum Ermitteln des elektrischen Widerstandes von Protoplasma. Zu den weiteren Anwendungsmöglichkeiten von Mikromanipulatoren gehören die Ermittlung der elektrischen Leitfähigkeit von Metallkristallen, die Bestimmung dei Elastizität von Kunst- und Naturfasern, die Montage sehr kleiner mechanischer Bauteile, die Herstellung integrierter Schaltkreise im industriellen Maßstab, die Vorbereitung von Proben zur Untersuchung unter dem Mikroskop und das Isolieren seltener Elemente, z. B. von Plutonium.

Zur Durchführung von Mikromanipulation benutzt man u. a. vom Mikroskop getrennte Mikromanipulatoren mit Zahnradgetrieben und hydraulischen Übersetzungen, die eine relativ grobe Bewegung der Hand in eine sehr kleine Bewegung umsetzen. Ein Miniaturwerkzeug, z. B. eine Miniaturnadel, eine Mikropipette, eine Mikroelektrode od. dgl., wird an dem Mikromanipulator befestigt, mit dem dann das Miniaturwerkzeug schrittweise über sehr kleine Strecken bewegt wird, so daß man z. B. das freie Ende einer Mikropipette in eine Zelle einführen kann, um den Zellkern abzusaugen (Mikropunktionoperation).

In Fig. 1 ist ein Mikromanipulator 1 bekannter Art dargestellt, zu dem eine ortsfeste Grundplatte 2 gehört, die eine Säule 3 als Unterstützung für ein Tragstück 4 trägt. Mit dem Tragstück 4 ist durch eine Stellschraube 4a ein Winkeleinstellteil 5 verbunden, das ein längs der Z-Achse bewegbares Bauteil 6 trägt, mit dem ein längs der K-Achse bewegbares Bauteil 7 verbunden ist. Auf dem Bauteil 7 ist ein längs der A'-Achse bewegbares Bauteil 8 gelagert. Die drei Bauteile 6, 7 und 8 sind gegeneinander verschiebbar und zu diesem Zweck jeweils mit einer schwalbenschwanzförmigen Führungsleiste, einer schwalbenschwanzförmigen Führungsnut sowie einem Zahnstangen- und Ritzeltrieb versehen. Mit den Ritzeln sind Betätigungsknöpfe 5a, 6a und 7a verbunden, mittels welcher die Bauteile 6,7 und 8 längs der Z-, Y- und A'-Achse verstellt werden können. Durch entsprechende Wahl der Untersetzungsverhältnisse zwischen den Ritzeln und den Zahnstangen oder durch die Verwendung von Zwischenzahnrädern ist es möglich, eine mit der Hand herbeigeführte Drehbewegung jedes der Drehknöpfe 5a bis 7a in eine Bewegung des betreffenden Bauteils in der Größenordnung von einigen Mikrometern herbeizuführen. An dem längs der X- Achse bewegbaren Bauteil 8 ist ein Tragstück 9 befestigt, das ein Miniaturwerkzeug 10, z. B. eine Nadel, eine Pipette oder eine Miniatureiektrode trägt.

Beim Gebrauch des Mikromanipulators wird eine Probe 12, die z. B. aus Zeilen besieht, in eine Schale 11 od. dgl. eingebracht, die dann in der Mitte des Objekttisches 14 eines Mikroskops 13 angeordnet wird. Durch Betätigen eines Fokussierknopfes 16 bei gleichzeitiger Beobachtung durch ein Okular 15 wird ein Linsentubus 18 mit einem Objektiv 17 senkrecht verstellt, um eine gewünschte Zelle der Probe 12 in das Blickfeld des Objektivs zu bringen und das Objektiv auf diese Zelle zu fokussieren, während gleichzeitig die Schale 11 bewegt wird. Erforderlichenfalls kann man eine mit dem Objekttisch 14 verbundene Kondensoriinse 19 verstellen, um die Helligkeit innerhalb des Blickfeldes zu regeln. Dann wird der Mikromanipulator 1 auf einem Tisch 20 angeordnet, auf dem sich das Mikroskop 13 befindet, und zwar derart, daß das freie Ende des Miniaturwerkzeugs 10 der Probe !2 nahe benachbart ist. Die Schraube 4a kann nach Bedarf gedreht werden, um den Neigungswinkel des Werkzeugs 10 einzustellen. Hierauf werden die Knöpfe 5a bis 7a nedreht, damit das Werkzeug 10 sehr kleine Bewegungen in Richtung der X-, Y- und Z-Achse ausführt, um das freie Ende in die gewünschte Zelle einzustechen; hierbei handelt es sich um eine sogenannte Mikromanipulation.

Dieser bekannte Mikromanipulator 1 wird außerhalb des Mikroskops 13 auf einem Tisch angeordnet; daher wird vorzugsweise ein fest auf einer Unterlage montiertes Mikroskop benutzt, da hierbei die Höhenlage der Probe 12 festliegt. Jedoch besteht neuerdings die Tendenz, bei biologischen Untersuchungen Mikroskope zu benutzen, bei denen der Linsentubus eine feste Lange hat und bei denen der Objekttisch zur Fokussierung senkrecht verstellt wird. Benutzt man einen Mikromanipulator bekannter Art in Verbindung mit einem solchen Mikroskop mit senkrecht bewegbarem Objekttisch, wird die Probe bei jedem Fokussiervorgang senkrecht verstellt. Soll das freie Ende des Werkzeugs 10 in eine bestimmte Zelle eingerührt werden, ist es daher erforderlich, die drei Knöpfe 5a bis 7a zu betätigen, um das freie Ende des Werkzeugs der gewünschten Zelle schrittweise zu nähern, Hierbei wird das Miniaturwerkzeug 10 in einer solchen Richtung in das Blickfeld des Objektivs gebracht, daß es sich nahezu waagerecht erstreckt, damit es nicht mit dem Objektiv kollidiert. Dies bedeutet, daß die X-, Y- und Z-Achsen, längs weleher das Werkzeug mit Hilfe der Knöpfe 5a bis 7a bewegt wird, von der senkrechten Richtung, einer waagerechten Richtung und einer dazu rechtwinkligen zweiten waagerechten Richtung abweichen. Daher ist

es erforderlich, mindestens zwei Knöpfe zu betätigen, um das freie Ende des Werkzeugs gegenüber der Probe senkrecht zu verstellen. Daher erfordert es ein hohes Maß an Übung, die gewünschte Zelle mit dem freien Ende des Werkzeugs anzustechen. Beispielsweise ist es auch einem geübten Benutzer nur möglich, innerhalb einer Stunde etwa 5GO Zellen anzustechen.

Man kann den beschriebenen Nachteil der Benutzung eines Manipulators in Verbindung mit einem Mikroskop, das einen senkrecht bewegbaren Objekttisch aufweist, dadurch vermeiden, daß man den Mikromanipulator direkt auf dem Objekttisch des Mikroskops anordnet. Es befindet sich bereits ein Mikromanipulator auf dem Markt, der sich auf einem Objekttisch anordnen läßt, doch ist es bei einem solchen Mikromanipulator erforderlich, die Abmessungen so zu verkleinern, daß die Benutzung erschwert wird, denn es muß möglich sein, das Miniaturwerkzeug in eine Zelle einzuführen, ohne daß hierbei die Drehbarkeit des Objektrevolvers beeinträchtigt wird.

Selbst wenn man ein Mikroskop mit einem festen Objekttisch benutzt und den Mikromanipulator auf dem Tisch anordnet, bleibt der Nachteil bestehen, daß die X-, Y- und Z-Achsen, längs welcher das Werkzeug bewegt wird, von der senkrechten Richtung und zwei zueinander rechtwinkligen waagerechten Richtungen abweichen, so daß drei Drehknöpfe betätigt werden müssen. Da das Werkzeug nahezu waagerecht in das Blickfeld eingeführt werden muß, ist es erforderlich, die Probe 12 in einer flachen Schale 11 oder auf einer Glasplatte anzuordnen, und dies führt zu einer schnellen Verdampfung der in der Probe enthaltenen Feuchtigkeit, so daß die Probe schnell austrocknet, wobei die Zellen zerstört werden.

Diese Nachteile sind auch bei einem Mikromanipulator gemäß der CH-PS 5 72 221 nicht vermieden, dessen Tragkörper mittels einer Klemmvorrichtung außen am Objektivtubus befestigbar ist und der ein höhenverstellbares Stützglied zur Aufnahme des Miniatur-Operationswerkzmgs aufweist, das am Stützglied in einer Normalebene zur optischen Achse des Mikroskops doppelt verschwenkbar ist. Dieser Mikromanipulator wird zweckmäßig in Verbindung mit einem Kreuztisch verwendet. Für die vertikale Verstellung des Operationswerkzeugs ist wiederum die Betätigung eines gesonderten Stelltriebs erforderlich, und dm Operationswerkzeug kann wiederum nur etwa waagerecht von der Seite her in das Blickfeld des Mikroskops eingeführt werden. Seitlich des Objektivs muß Platz vorgesehen werden. Der Manipulator kann svoren.

Ein Mikroskop mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs (DE-OS 19 02 544) hat eine ringförmige Kondensorlinse mit einer großen mittigen Öffnung, durch die ein Miniatur-Operationswerkzeug des seitlich vom Kondensor vorgesehenen Mikromanipulators auf die Probe geführt werden kann, während diese durch das Mikroskop beobachtet und durch den Kondensor beleuchtet wird. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, daß nur durch sehr sorgfaltige Betätigung des Mikromanipulators die Operationswerkzeugspitze, z. B. die Nadelspitze, auf den sich unmittelbar um die optische Achse erstreckenden Beobachtungsbereich eingestellt werden kann, um dann axial auf die Probe zubewegt zu werden, und daß die Betätigung der Kondensorlinse getrennt von der Spitze zu erfolgen hat, um das Licht auf den Beobachtungsbereich zu konzentrieren. Darüberhinaus hat dieser Mikromanipulator die zuvor erläuterten Nachteile eines neben dem Mikroskop aufgestellten Mikromanipulators oder die eines solchen, der am Mikroskop befestigt ist und daher sehr klein ausgeoildet sein muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikromanipulator zu schaffen, bei dem die Bedienung des Operationswerkzeugs in Richtung der optischen Achse des Objektivs des Mikroskops und dessen Aufbau vereinfacht ist

Ein diese Aufgabe lösender Mikromanipulator ist im Patentanspruch gekennzeichnet.

Die meisten für biologische Untersuchungen verwendeten Mikroskope weisen einen höhenverstellbaren Objekttisch zur Fokussierung auf, mit dem eine Kondensorlinse des Beleuchtungssystems fest verbunden ist. Daher wird die Kondensorlinse mit dem Objekttisch längs der optischen Achse des Objektivs bewegt. Sie ist jedoch auch so angebracht, daß sie sich allein in Richtung der optischen Achse verstellen läßt, um sie zu zentrieren. Gemäß der Erfindung wird eine solche Kondensorlinse als Unterstützung für das Miriatur-Operationswerkzeug verwendet. Daher kann der Mikromanipulator dadurch verstellt werden, daß die Zentriereinrichtung zur senkrechten Bewegung der Kondensorlinse betätigt wird, die ohnehin Bestandteil des Mikroskops ist. Folglich ist es nicht erforderlich, einen vom Mikroskop gerennten Mikromanipulator vorzusehen und es braucht kein besonderer Raum zu dessen Unterbringung vorgesehen zu werden.

Das Miniaturwerkzeug, das parallel zur optischen Achse des Objektivs des Mikroskops bewegbar ist, bildet einen wirtschaftlich vorteilhaften Ersatz für den beschriebenen bekannten Manipulator.

Außerdem ist die Richtung, in der das Miniaturwerkzeug bewegt wird, nicht gegen die Richtung geneigt, in der die Betrachtung durch das Mikroskop erfolgt. Nachdem das Miniaturwerkzeug auf die Mitte des Bildfeldes eingestellt worden ist, läßt sich somit das Anstechen einer Zelle auf einfache Weise durchführen; hierzu ist es nur erforderlich, eine senkrechte Bewegung der Kondensorlinse herbeizuführen; daher ist es nicht notwendig, mehrere Knöpfe zu betätigen, wie es bei dem bekannten Mikromanipulator der Fall ist.

Man kann die Verdampfung der in der Probe enthaltenen Feuchtigkeit auf ein Minimum verringern, indem man die Probe auf einem Wassertropfen schwimmen läßt, der sich in einer Schale befindet, welche in umgekehrter Lage auf dem Objekttisch angeordnet ist. Hierdurch wird die Gefahr vermieden, daß die Probe innerhalb kurzer Zeit austrocknet und daß die darin enthaltenen Zellen zerstört werden; ferner können Untersuchungsarbeiten während einer längeren Zeit durchgeführt werden. Da das Miniaturwerkzeug in Fluchtung mit der optischen Achse der Kondensorlinse angeordnet ist, ergibt sich keine bemerkbare Beeinträchtigung der Beleuchtung b?w. der Helligkeit des Bildfeldes.

Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Vorderansicht eines Mikromanipulators bekannter Art,

Fig. 2 einen Teilschnitt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikromanipulators, 'snci

Fig. 3 einen Teilschnitt einer weiteren Ausführungsform eines Mikromanipulators nach der Erfindung in Verbindung mit eii.sm Mikroskop mit unter dem Objekttisch angeordneten Objektiv.

Der in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Mikromanipulator 121 ist auf Linsentubus 119 angeordnet,

der der Kondensorlinse eines Mikroskops zugeordnet ist. Der Tubus 119 ist zusammen mit dem Objekttisch 114 des Mikroskops senkrecht bewegbar und kann außerdem für sich allein in Richtung der optischen Achse eines Objektivs 117 bewegt werden. In den Tubus 119 sind zwei Kondensorlinsen 122 und 123 eingebaut, die mit Öffnungen 122a und 123a versehen sind, welche auf die optische Achse ausgerichtet sind und ein Miniaturwerkzeug 10 aufnehmen können. Das freie Ende des Werkzeugs 10 ragt nach oben über die obere Kondensorlinse 122 hinaus.

Zu dem Mikroskop gehört eine nicht dargestellte Zentriereinrichtung für den Linsentubus 119, die es ermöglicht, die optische Achse des Objektivs 117 zur Deckung mit der optischen Achse der Kondensorlinsen 122 und 123 zu bringen. Hierzu wird ein nicht dargestelltes Okular mit einem Fadenkreuz benutzt, und man kann da? freie Ende des MiniaturwerkzeuRs 10 in Fluchtung mit dem Kreuzungspunkt des Fadenkreuzes bringen. Die Probe 12 wird zum Schwimmen auf einem Wassertropfen in einer Schale 11 gebracht, die dann in umgekehrter Lage in der Mitte des Objekttisches 114 angeordnet wird. Der Wassertropfen hängt dann von der Innenfläche der Schale 11 herab, wobei die Probe in ihm schwimmt. Nunmehr wird die gewünschte Zelle der Probe 12 in Fluchtung mit dem Kreuzungspunkt des Fadenkreuzes im Okular gebracht, wobei zu diesem Zweck sowohl die Schale 11 als auch der Objekttisch 114 bewegt wird. Nunmehr wird eine Einrichtung zum Er :eugen einer senkrechten Bewegung betätigt, um die Helligkeit des Bildfeldes einzustellen, wobei der Linsentubus 119 nach oben bewegt wird. Hierauf wird mit dem Miniaturwerkzeug 10, das in dem Linsentubus angeordnet ist, die gewünschte Zelle angestochen. Da das freie Ende des Werkzeugs vorher auf den Kreuzungspunkt des Fadenkreuzes eingestellt worden ist und da sich die gewünschte Zelle der Probe ebenfalls an diesem Kreuzungspunkt befindet, besteht Gewähr dafür, daß das freie Ende des Werkzeugs zuverlässig in die betreffende Zelle eindringt. Handelt es sich bei dem Werkzeug z. B. um eine Mikropipette, kann diese dazu benutzt werden, den Kern der Zelle zu entfernen oder ein Medikament in die Zelle einzuspritzen. Ferner kann man eine Mikroelektrode benutzen, um eine Mikromanipulation durchzuführen, z. B. um einen elektrischen Strom durch eine Zelle zu leiten.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikromanipulators. Der Mikromanipulator 121 nach Fig. 2 wird bei einem ein aufrechtes Bild erzeugenden Mikroskop verwendet, während der Mikromanipulator 221 nach F i g. 3 bei einem ein umgekehrtes Bild erzeugenden Mikroskop und in Fällen benutzt wird, in denen die Probe 12 in einer Nährlösung in der Schale U enthalten ist.

Zu dem Mikromanipulator 221 gehört ein Miniaturwerkzeug 10, das in einem Linsentubus 219 angeordnet ist, der zwei Kondensorlinsen 222 und 223 enthält. Der Linsentubus 219 ist wie bei der Ausführungsform nach Fig. 2 zusammen mit einem Objekttisch 214 des M ikroskops senkrecht bewegbar, under kann außerdem für sich allein in Richtung der optischen Achse des Objektivs 217 bewegt werden. Die Kondensorlinsen 222 und 223 weisen Öffnungen 222« und 223a auf, die in Fluchtung mit der optischen Achse stehen und das Werkzeug 10 aufnehmen, wobei das freie Ende des Werkzeugs nach unten über die untere Kondensorlinse 222 hinausragt. Der Mikromanipulator 221 kann in der beschriebenen Weise benutzt werden, um mit dem Werkzeug 10 eine Zelle der Probe 12 von oben heranzustechen, während sich die Probe in einer Nährlösung in der Schale 11 befindet.

Die Anwendbarkeit der Erfindung beschränkt sich nicht auf Mikroskope der dargestellten Art mit hellem Bildfeld, sondern die Erfindung kann auch bei Dunkelfeidmikrosküpen und anderen Mikroskopen, z. B. Phasendifferenzmikroskopen, angewendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Mikromanipulator an einem eine zur Beleuchtung dienende Kondensorlinse mit mittiger Öffnung aufweisenden Lichtmikroskop mit einem Miniatur-Operationswerkzeug, &zgr;. B. einer Nadel, einer Mikropipette oder einer Mikroelektrode, zum Ausfuhren von Mikromanipulationen an einer Probe bei Beobachtung durch das Mikroskop, bei dem das Operationswerkzeug auf einem gegenüber der Unterstützung der Proben in Richtung der optischen Achse des Mikroskopobjektivs beweglichen Bauteil angeordnet ist und sein freies Ende sich von der Öffnung in Richtung auf die Probe erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Bauteil die Kondensorlinse umfaßt und daß das Operationswerkzeug (10) in der Öffnung (122&agr;, 123&agr;, 222&agr;, 223a) der Kondensorlinse (122, 123; 222, 223) in Fluchtung rciit der optischen Achse des Mikroskops fest angeordnet ist.