DE3615715A1 - Mikrotom - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikrotom zum Herstellen von Präparaten geringer Schichtdicke mit einem auf- und abbewegbaren Präparatarm, dessen vorderes Ende einen mit Hilfe eines Vorschubantriebs in Richtung auf ein Messer vorschiebbaren Präparathalter trägt, und mit einem den Vorschub erfassenden Sensor, der an einem rückgekoppelten Regelkreis für den Vorschubantrieb angeschlossen ist.

Ein derartiges Mikrotom ist in der älteren Patentan­ meldung P 35 00 969.3 beschrieben und verfügt als Sensor über einen kapazitiven Abstandssensor zwischen dem vorderen Ende des Präparathalters und dem Messer. Auf diese Weise läßt sich die Lage des Präparates sehr genau erfassen und ein präziser Vorschub verwirklichen. Es hat sich allerdings gezeigt, daß bei Temperaturen zwischen -40° und -70° am Objekt und verschiedenen Plastikeinbettungen meßtechnische Probleme, insbeson­ dere bezüglich der Linearität des kapazitiven Abstands­ sensors auftreten, die verhältnismäßig aufwendige Korrekturschaltungen erforderlich machen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Er­ findung die Aufgabe zugrunde, ein Mikrotom der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Sensor gegenüber den Umgebungseinflüssen weniger empfindlich ist und gerin­ gere meßtechnische Probleme aufwirft.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Präparat in einem von der Rückseite beleuchteten transparenten Objektblock eingebettet ist, der über das vordere Ende des Präparathalters hinausragt, und daß zwischen dem vorderen Ende des Präparathalters und dem Messer als Sensor ein optoelektronisches Potentiometer angeordnet ist, auf das der Objektblock mit Hilfe einer Optik abgebildet ist.

Dadurch, daß der Objektblock beleuchtet ist, kann dieser mit Hilfe einer Optik auf einen optischen Sensor abgebildet werden, wobei eine auf oder in dem Objekt­ block vorhandene Markierung einen hellen oder dunklen Fleck auf dem Sensor erzeugt. Als Sensor kann eine Diodenzeile mit sehr eng benachtbarten lichtempfind­ lichen Dioden oder aber ein analog arbeitendes opto­ elektronisches Potentiometer verwendet werden. Das Ausgangssignal des auf diese Weise gebildeten optischen Sensors steht dann dem Regelkreis des Mikrotoms zur Verfügung, um einen hochpräzisen Vorschub und eine sehr genaue Steuerung der Bewegung des zu bearbeitenden Präparates zu erreichen.

Durch die Einbettung des zu schneidenden Präparates in die transparente Plastikmasse des Objektblockes wird eine Anordnung geschaffen, bei der es möglich ist, einen Effekt ähnlich dem Lichtleitereffekt auszunutzen. Der als optoelektronisches Potentiometer verwendete Sensor wird außerhalb des Objektes vor dem Messer angebracht. Die abbildende Optik ist bereits in dem optoelektronischen Potentiometer integriert.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann man auf den Objektblock nahe der Spannstelle entweder einen Blendenring aus Federbronze oder einen Lackring auf­ bringen und dann den Lichtspalt bzw. den Lackring auf das optoelektronische Potentiometer abbilden und so den exakten Vorschub an dem Präparat registrieren.

Oft werden die Präparate mit einem Osmiumsalz (OsO₄) fixiert, wodurch das Präparat schwarz wird und als solches durch die transparente Einbettmasse erkennbar ist. In diesem Fall kann gemäß einem weiteren Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung auch das Präparat selbst abgebildet werden. Für den durch das optoelektronische Potentiometer gebildeten Detektor selbst ist die Wahl des jeweiligen Signals unerheblich, da lediglich die Wanderung des schwarzen oder hellen Punktes ermittelt wird und die Differenzstrecke der Ermittlung des ei­ gentlichen "wahren" Vorschubes dient.

Die Ausgangssignale der an das optoelektronische Po­ tentiometer angeschlossenen Verstärkerelektronik werden über eine Schnittstelle dem für die Mikrotomsteuerung vorgesehenen Rechner zugeführt.

Wird die Vorschubsteuerung durch den Objektblock ein­ gesetzt (erforderlich bei Schnittflächen unter 50 nm, da die Thermoexpansionseffekte der Probe in diesem Bereich präzisionsbestimmend sind), erfolgt lediglich die Grobsteuerung des Vorschubantriebs über die Po­ sitionsausgabe des Motormikrometers.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezug auf die Zeichnung näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Mikrotom gemäß der Erfindung im Schnitt,

Fig. 2 den optischen Wegstreckensensor für das Mikrotom gemäß einem ersten Ausführungsbei­ spiel in einer vergrößerten Darstellung,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel für den optischen Wegstreckensensor,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel für den Wegstrecken­ sensor, bei dem das Präparat als Markierung dient und

Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Veran­ schaulichung der Vorschub- und Retraktions­ bewegungen des Präparatarmes.

In Fig. 1 erkennt man schematisch im Schnitt den Aufbau eines Ausführungsbeispiels des Mikrotoms 1. Das Mikro­ tom 1 ruht auf Füßen 2, die eine untere Trägerplatte 3 abstützen. Auf der unteren Trägerplatte 3 ist eine Zwischenschicht 4 zur Dämpfung von Schwingungen aufge­ bracht, die die Unterlage für eine obere Trägerplatte 5 bildet.

Auf der oberen Trägerplatte 5 ist das Gehäuse 6 des Mikrotoms 1 aufgebaut. Das Gehäuse 6 hat eine Wandung aus einem Schichtwerkstoff, beispielsweise Polyste­ rol-Aluminium-Polysterol. Auf diese Weise ist das Gehäuse 6 thermisch nach außen gut isoliert, wenn mit Hilfe von Heizfolien 7 der Innenraum 8 des Gehäuses 6 auf beispielsweise etwa 30°C aufgeheizt wird.

In den Innenraum 8 des Gehäuses 6 ragt ein Thermosensor 9 hinein, der es gestattet, mit einer quasi-hysterese­ freien Proportionalregelung die Heizfolien 7 so zu steuern, daß die Temperatur im Innenraum 8 des Gehäuses 6 konstant bleibt. Auf diese Weise wird eine Stabili­ sierung der Umgebungsbedingungen im Innenraum 8 er­ zielt.

Im Innenraum 8 des Gehäuses ist auf der oberen Träger­ platte 5 ein Lagerbock 10 hoher Masse angeordnet, an dem ein Objektarm 11 über ein Federlager schwingungs­ frei beweglich montiert ist. Auf der Oberseite des Objektarmes 11 ist eine Lasche 12 mit einer Öffnung 13 befestigt, durch die ein Stahldraht 14 hindurchragt, mit dessen Hilfe der Objektarm 11 auf- und abbewegt werden kann. Der Stahldraht 14 ist mit seinem oberen Ende mit einer Scheibe 15 verbunden, die die Dreh­ bewegung einer in der Zeichnung nicht dargestellten Welle in eine Hubbewegung für den Objektarm 11 umsetzt.

Der Objektarm 11 enthält einen Vorschubantrieb für einen Präparatarm 18, an dessen vorderem Ende ein Präparathalter 19 aus Keramik befestigt ist.

Im Bereich des Präparatarmes 18 ist im Gehäuse 6 ein Fenster 20 vorgesehen, das so gestaltet ist, daß Wärme­ strömungen vermieden werden.

Im Innenraum 8 ist weiterhin ein Lüfter 21 mit einem Motor 22 angeordnet.

Das dem Präparathalter zugeordnete Messer 31 ist wäh­ rend des Schneidens feststehend, wobei die zum Schutz der Schneidkante 32 des Messers 31 notwendige Retrak­ tion durch eine Rückzugsbewegung des Präparatarmes 18 ersetzt ist.

Das Messer 31 ist in an sich bekannter Weise in der Halterung 33 in Längsrichtung des Präparatarmes 18 verschiebbar, was beispielsweise mit Hilfe einer Spin­ del 34 erreicht werden kann, die über ein Betätigungs­ rad 35 verdrehbar ist. Die Schneidkante 32 ist vorteil­ hafterweise in der Höhe angeordnet, die der Lage der Stirnseite des Präparates entspricht, wenn der Präpa­ ratarm 18 in der Horizontalen liegt.

Der Objektarm 11 besteht aus einem Block 40 aus spongi­ öser Keramik, in dem die den Vorschub und die Retrak­ tion des Präparathalters 19 bewirkenden Teile unter­ gebracht sind.

Im Block 40, der im wesentlichen einen quadratischen Querschnitt besitzt, ist eine Aufnahmeausnehmung 41 für das bereits erwähnte Federlager vorgesehen. Die Arre­ tierung der Feder des Federlagers erfolgt mit Schrauben 42, die sich durch den Block 40 bis zur Aufnahmeaus­ nehmung 41 erstrecken.

Im Block 40 ist mit Klemmschrauben 44 ein Motormi­ krometer befestigt. Das Motormikrometer ist über in der Zeichnung nicht dargestellte Leitungen mit dem Rechner des Mikrotoms 1 verbunden. Die Stellung der Mikrometer­ spindel des Motormikrometers wird optoelektronisch erfaßt und digital ausgegeben. Das vordere Ende der Mikrometerspindel dient als Stempel zur Verschiebung und zum Erzeugen eines Vorschubs für den Präparatarm 18. Eine in der Zeichnung nicht dargestellte Schrauben­ feder ist mit ihren Enden so abgestützt, daß sie den Präparatarm 18 fest gegen das vordere Ende der Spindel des computergesteuerten Motormikrometers andrückt. Unter der Steuerung des Rechners kann daher mit Hilfe des Motormikrometers ein äußerst präziser Vorschub und Rückzug des Präparatarms 18 durchgeführt werden.

Der Präparatarm 18, dessen vorderes Ende mit dem Präpa­ rathalter 19 verbunden ist, hat einen Teflonüberzug. Der Teflonüberzug des Präparatarmes 18 ist in einer Teflonführungshülse gleitend gelagert, so daß eine ruckfreie Bewegung des Präparatarmes 18 erreicht wird.

Um die hohen Temperaturdifferenzen zwischen dem Objekt von beispielsweise -160° im Kryobetrieb und dem Mikro­ tom in der Größenordnung von 20°C abzufangen und eine Bereifung des Blockes 40 zu vermeiden, ist der Block 40 auf der in Fig. 1 rechts dargestellten Seite mit einem vorderen Lagerschild 55 versehen, dessen Querschnitt dem Querschnitt des Blockes 40 entspricht. Der vordere Lagerschild 55 besteht ebenfalls aus spongiöser Keramik und ist über Schrauben 56 mit dem Block 40 verbunden. Zwischen dem Block 40 und dem vorderen Lagerschild 55 ist eine Dehnfuge 57 vorgesehen, die mit graphitiertem PU-Schaum 58 ausgefüllt ist.

Das Messer 31 ist wie bereits erwähnt feststehend angeordnet, da auf diese Weise die erreichbare Rück­ stellpräzision im Verhältnis zur Vorschubpräzision bei einer Bewegung des Präparatarmes 18 wesentlich ge­ steigert werden kann. Die zum Schutz der Schneidkante 32 des Messers 31 notwendige Retraktion wird bei dem beschriebenem Mikrotom 1 nur noch durch eine Bewegung des Präparathalters 19 bzw. des Präparatarmes 18 be­ wirkt. In Verbindung mit der in der Zeichnung nicht dargestellten Steuerelektronik stellt die beschriebene Vorrichtung einen hochpräzisisen Linearantrieb für Ultramikrotome dar.

Außerhalb des Gehäuses 6 ist auf der oberen Träger­ platte 5 ein in den Fig. 1 bis 4 schematisch darge­ stelltes optoelektronisches Potentiometer 61 angeord­ net, mit dessen Hilfe die genaue Lage einer Markierung 62 auf einem Objektblock 63 aus transparentem Kunst­ stoff mit einem eingebetteten zu schneidenden Präparat erfaßt wird. Durch Auswerten der Signale des optoelek­ tronischen Potentiometers 61 ist es dem Rechner des Mikrotoms 1 möglich, die tatsächlichen Bewegungen des Präparathalters 19 und des Präparates mit großer Ge­ nauigkeit zu erfassen. Auf diese Weise kann die Steue­ rung des Vorschubes des Präparatarmes 18 sehr genau durchgeführt werden, da mit Hilfe des optoelektroni­ schen Potentiometers 61 immer die tatsächliche Lage des Präparates unabhängig von Thermoexpansionseffekten erfaßt wird. Lediglich die Grobsteuerung des Vorschub­ antriebs erfolgt über die Positionsausgabe des Motor­ mikrometers.

Für die Funktionen der Vorrichtung ist es von Bedeu­ tung, daß die Umgebung des Präparates und des Sensors keine reflektierenden Bauelemente mit störenden Re­ flexionen enthält. Vorteilhafterweise werden der Präpa­ rathalter 19 und der Messerhalter schwarz mattiert und die Messerkante des Mikrotoms mit einer Punktlicht­ quelle beleuchtet.

Das optoelektronische Potentiometer 61 wird von der Silicon Detector Corporation, Newbury Park in Cali­ fornien unter der Nr. SD-1166-21-11-391 vertrieben. Es arbeitet wie ein Potentiometer, dem ein Strom über seinen Abgriffkontakt zugeführt wird. Ein Lichtpunkt auf dem optoelektronischen Potentiometer erzeugt durch den Fotoeffekt einen intensitätsabhängigen Strom, der sich in einer Zwischenschicht des Detektors in zwei Teilströme zu den Endkontakten aufteilt. Auf diese Weise kann die Position eines Lichtfleckes mit sehr großer Genauigkeit erfaßt werden, wenn die sehr kleinen Ströme des Potentiometers mit einem rauscharmen Ope­ rationsverstärker ausgewertet werden.

Wie man in den Fig. 1 bis 4 erkennt, ist dem vor dem Messer 31 des Mikrotoms 1 angeordneten optoelekroni­ schen Potentiometer 61 eine abbildende Optik 63 zuge­ ordnet. Die abbildende Optik 63 bildet die Markierung 62 auf das optoelektronische Potentiometer 61 ab.

Wie man in den Fig. 1 und 2 erkennt, ist dem Objekt­ block 63 ein Lichtwellenleiter 65 zugeordnet, durch den das Licht einer Glühbirne 66 oder einer sonstigen Lichtquelle in den Objektblock 63 eingespeist wird. Der aus transparentem Kunststoff bestehende Objektblock 63 wirkt ähnlich wie ein Lichtwellenleiter und beleuchtet die Markierung 62 von der Innenseite her, so daß diese mit Hilfe der Optik 64 auf dem optoelektronischen Potentiometer 61 abgebildet werden kann, um ein dem wahren Vorschub des eingebetteten Präparats entspre­ chendes Signal zu erzeugen.

Während Fig. 1 den Gesamtaufbau des Mikrotoms 1 zeigt, ist in den Fig. 2 bis 4 der mit dem optoelektronischen Potentiometer 61 realisierte optische Wegstreckensensor vergrößert dargestellt. Außerdem zeigt Fig. 2 die Probenbeleuchtungseinrichtung in vergrößerter Dar­ stellung.

In Fig. 2 erkennt man, wie über den Lichtwellenleiter 65, der sich durch das vordere Ende des Präparatarmes 18 und durch den hinteren Teil des Präparathalters 19 erstreckt, Licht in den transparenten Objektblock 63 aus transparenter Einbettmasse eingestrahlt wird. Am vorderen Ende des Objektblockes 63 ist das zu schnei­ dende Präparat 67 zu erkennen. Infolge des äußerst geringen Abstandes zwischen dem Präparat 67 und einem lichtdurchlässigen Spalt 68 in einem den Objektblock 63 einklemmenden Federring 69 ergibt sich eine präzise Erfassung der genauen Lage des Präparates 67, weil auf der kurzen Entfernung Thermoexpansionseffekte wesent­ lich kleiner sind als sie für einen langen Präparatarm wären.

Der Federring 69 besteht vorzugsweise aus Federbronze und bildet einen leicht auf das optoelektronische Potentiometer 61 abbildbaren Blendenring. Statt eines Federrings 69 können auch Lackringe der in Fig. 2 dargestellten Weise auf dem Objektblock 63 aufgebracht sein, um einen lichtdurchlässigen Spalt 68 zu schaffen.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist auf dem Objektblock 63 ein schmaler Ring 70 aus Lack oder Draht aufgebracht, der mit Hilfe der Optik 64 auf das optoelektronische Potentiometer 61 abgebildet wird.

Es ist auch möglich, das Präparat 67 selbst auf das optoelektronische Potentiometer 61 abzubilden, um auf diese Weise mit Hilfe des optoelektronischen Potentio­ meters 61 ein dem exakten Vorschub des Präparates 67 entsprechendes elektrisches Signal zu erzeugen, um in der von dem Signal gespeisten Steuereinrichtung für den Vorschub ein genaues Positionssignal zur Verfügung zu haben, so daß ein Regelkreis mit einer hohen Präzision zur Einstellung des Vorschubs bereitgestellt werden kann.

Der Bewegungsablauf des Präparatarmes 18 bzw. des Präparathalters 19 ist in Fig. 5 dargestellt, wo man erkennt, daß ausgehend von einem Startpunkt zunächst eine Retraktion erfolgt. Im Anschluß daran wird der Präparathalter 19 angehoben und um eine Vorschubstrecke in Richtung auf das Messer 31 bewegt, wobei die Länge der Vorschubstrecke gleich der Summe der Absolutbeträge des Retraktionsweges, des eingestellten Vorschubes und des Korrekturweges ist, der sich durch eine Rückkopp­ lungsregelung ergibt, die sicherstellt, daß das zu schneidende Präparat nach jedem Schritt genau um den eingestellten Vorschub in Richtung auf das Messer 31 oder die Schneidkante 32 bewegt wird. Nach dem Schneid­ vorgang während einer Abwärtsbewegung des Präparat­ halters 19 erfolgt wiederum eine Retraktionsbewegung, die etwa um den Betrag des eingestellten Vorschubs vor der Retraktionsbewegung des vorhergehenden Schrittes endet, wie in Fig. 5 zu erkennen ist.

Claims (10)

1. Mikrotom zum Herstellen von Präparaten geringer Schichtdicke mit einem auf- und abbewegbaren Präparatarm, dessen vorderes Ende einen mit Hilfe eines Vorschubantriebs in Richtung auf ein Messer vorschiebbaren Präparathalter trägt, und mit einem den Vorschub erfassenden Sensor, der an einem rückgekoppelten Regelkreis für den Vorschubantrieb angeschlossen ist, dadurch gekennzeich­ net, daß das Präparat (67) in einem von der Rückseite beleuchteten transparenten Objektblock (63) eingebettet ist, der über das vordere Ende des Präparathalters (19) hinausragt, und daß zwischen dem vorderen Ende des Präparathalters (19) und dem Messer (31) als Sensor ein opto­ elektronisches Potentiometer (61) angeordnet ist, auf das der Objektblock (63) mit Hilfe einer Optik (64) abgebildet ist.

2. Mikrotom nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der transparente Objektblock (63) über einen Lichtwellenleiter (65) mit Licht versorgt ist.

3. Mikrotom nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das dem Objektblock (63) zuge­ ordnete Ende des Lichtwellenleiters (65) sich durch den Präparatarm (18) bis zur Einspannöffnung im Präparathalter (19) erstreckt.

4. Mikrotom nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das vom Objektblock (63) weg­ weisende Ende des Lichtwellenleiters mit einer Glühbirne (66) gekoppelt ist.

5. Mikrotom nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem kreiszylindrisch ausgebildeten Objektblock (63) ein Blendenring (69) mit einem umlaufenden Licht­ spalt (68) aufgeschoben ist.

6. Mikrotom nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß auf dem Objektblock (63) ein lichtundurchlässiger schmaler Ring (70) aufgebracht ist.

7. Mikrotom nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ring (70) ein Lackring ist.

8. Mikrotom nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ring (70) ein Drahtring ist.

9. Mikrotom nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß das durch die transparente Einbettmasse des Objektblockes (63) erkennbare Präparat (67) auf das optoelektronische Potentiometer (61) abgebildet ist.

10. Mikrotom nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Präparat (67) durch Fixie­ ren mit Osmiumsalz (OsO₄) fixiert und geschwärzt ist.