DE2922212C3 - Mikromanipulator für Mikroskope - Google Patents
Mikromanipulator für MikroskopeInfo
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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 (1)
- 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.
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