DE4028806C2 - Mikrotom, insbesondere Ultramikrotom mit einer Kühlkammer - Google Patents
Mikrotom, insbesondere Ultramikrotom mit einer KühlkammerInfo
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Description
Die Erfindung befaßt sich mit einem Mikrotom, insbesondere
einem Ultramikrotom und insbesondere mit der das Ausfließen
von in der Kühlkammer enthaltenem Kryogen behindernden
Abdichtung einer in der Kühlkammerwand vorgesehenen Öffnung,
durch welche der Präparatträgerarm des Mikrotoms
hindurchgeführt ist.
Bei der Kryopräparation von Objekten, insbesondere von
biologischen Objekten, die einer nachfolgenden
mikroskopischen oder elektronenmikroskopischen Untersuchung
unterzogen werden, ist es erforderlich, Objekt und
Bearbeitungswerkzeug (Messer) auf tiefer Temperatur zu
halten. Die Kryopräparation erfolgt deshalb in einer an dem
Mikrotom bzw. Ultramikrotom befestigten Kühlkammer, die von
oben zugänglich ist und in die ein der gewünschten tiefen
Temperatur entsprechend abgekühltes Kryogen in Gasform
eingeleitet wird. Um die Temperatur konstant
aufrechtzuerhalten und ein Einströmen von feuchter Luft von
oben her in das Kühlkammerinnere zu unterbinden, muß das
Kryogen kontinuierlich zugeführt werden. Eine derartige
Kühlkammer ist beispielsweise in der DE 29 06 153 A1
dargestellt und beschrieben.
Bei der Herstellung von Dünn- oder Ultradünnschnitten bei
tiefen Temperaturen ist es üblich, daß als
Bearbeitungswerkzeug ein Messer auf dem Boden der Kühlkammer
befestigt ist, während das zu schneidende Präparat an einem
Trägerarm befestigt ist, der sich relativ zu dem Messer auf
und ab bewegt. Um eine einwandfreie Qualität der Schnitte zu
erhalten, ist einerseits eine möglichst starre Ausbildung
des Trägerarms erforderlich, andererseits darf die Bewegung
des Trägerarms beim Schneidevorgang nicht zu einer
Beeinträchtigung der Kühlkammeratmosphäre, insbesondere
einer Veränderung der Kühlkammertemperatur führen. Es ist
deshalb ein Problem, den außerhalb der Kühlkammer gelagerten
und angetriebenen Trägerarm so zu gestalten, daß sein das
Präparat tragendes Ende innerhalb des Kühlkammerraumes
angeordnet werden kann und zugleich die vorstehenden
Forderungen erfüllt sind.
Zur Lösung dieses Problems gibt es im Stand der Technik
bereits mehrfache Vorschläge. So ist es bekannt, den
Trägerarm brückenförmig derart auszubilden, daß er U-förmig
den oberen Rand der Kühlkammer übergreift und das Präparat
am unteren Ende des in der Kühlkammer liegenden Schenkels
des U angeordnet ist (sogenannte CHRISTENSEN-Brücke; US 36
80 420). Diese Ausführungsform des Trägerarms hat den
Nachteil, daß dieser aufgrund der U-förmigen Kröpfung nicht
so formstabil ist, wie dies wünschenswert wäre und
insbesondere bei höheren Schnittkräften zu Verformungen
neigt, die die Schnittqualität beeinträchtigen.
Gemäß einer anderen bekannten Lösung ist der Trägerarm durch
eine Öffnung in einer der Kammerwände hindurchgeführt, die
ausreichend groß ist, um die für den Schneidevorgang
erforderliche Auf- und Abbewegung des Trägerarms zu
gestatten. Um ein in diesem Fall drohendes Ausfließen des
Kryogens durch die Öffnung zu vermeiden, ist der
Öffnungsrand mit dem Trägerarm durch eine sehr dünne
flexible Membran verbunden (DE-PS 16 22 996).
Nachteilig bei dieser Ausführungsform des Trägerarms ist,
daß sich auch die durch die kalte Membran auf den Trägerarm
ausgeübten geringen Kräfte störend bei der Auf- und
Abbewegung des Trägerarms bemerkbar machen und die
Schneidequalität beeinträchtigen können.
In der DE 36 03 278 C1 wird ein Rotationsmikrotom
beschrieben, dessen Trägerarm (Objekthalteeinrichtung)
linear auf- und abbewegt wird. Dabei ist der Trägerarm durch
ein Abdeckblech geführt, das über eine Lagereinrichtung an
der Gehäusewand des Mikrotoms drehbar gelagert ist und das
einen länglichen Schlitz im Mikrotomgehäuse abdichtet.
Während des Mikrotom-Betriebs wird das Abdeckblech vom
linear bewegten Trägerarm mitgenommen.
Schließlich ist nach einer weiteren bekannten Lösung der
Trägerarm ebenfalls durch eine Öffnung in einer der
Kühlkammerwände hindurchgeführt und diese Öffnung als eine
Art Labyrinthdichtung ausgestattet, wobei eine Anzahl von
auf dem Trägerarm angeordneten scheibenförmigen Membranen
jeweils in eine für jede Membran gesonderte Kammer eingreift
(US 49 18 941). Die Membranen sind auf der Außenfläche
des Trägerarms in dessen Achsrichtung verschieblich
angeordnet. Die bei dem während der vertikalen
Schwenkbewegung des Trägerarms auftretenden Anstreifen der
Membranen an den Wänden der jeweils zugeordneten Kammer
auftretenden geringen Kräfte, die bei deren
Axialverschiebung auf dem Trägerarm entstehen, können jedoch
zu Vibrationen des Trägerarms führen, die als Störeinflüsse
die Qualität der Schnitte beeinträchtigen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Abdichtung für den
in eine Kühlkammer ragenden Trägerarm eines Mikrotoms oder
Ultramikrotoms zu schaffen, die keinerlei mechanische
Einwirkung auf den Trägerarm ausübt, zugleich aber das
Ausfließen von Kryogen so weitgehend behindert oder
verhindert, daß die Kammeratmosphäre dadurch nicht gestört
wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Mikrotom
mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung geht dabei im Prinzip von denjenigen
vorbekannten Konstruktionen aus, bei denen der Trägerarm
durch eine Öffnung in einer der Kühlkammerwände
hindurchgeführt ist. Jedoch hat bei der erfindungsgemäßen Abdichtung
der Trägerarm zu keinem Zeitpunkt seiner Bewegung
und an keiner seiner Positionen mechanischen Kontakt mit der
Kühlkammerwand, sondern hält zu dieser stets einen Luftspalt
ein. Um zu verhindern, daß durch diesen Luftspalt Kryogen in
nachteiliger Menge ausfließt, wird der Luftspalt
in seinem Querschnitt so klein wie möglich
gehalten, während die in Ausfließrichtung des Kryogens durch
den Luftspalt hindurch gemessene Luftspaltlänge möglichst
groß gewählt wird. Diese Ausgestaltung der Abdichtung beruht auf der
Erkenntnis, daß ein Ausfließen des Kryogens auch bei
völliger Berührungsfreiheit zwischen der Kühlkammerwand und
dem Trägerarm in ausreichendem Maß verhindert werden kann,
wenn dafür gesorgt ist, daß ein möglichst hoher
Strömungswiderstand in dem vorhandenen Luftspalt aufgebaut
wird. Dieser Strömungswiderstand wird wesentlich durch die
Länge des Luftspaltes bestimmt, so daß es durch geeignete
Maßnahmen zur Einstellung dieser Länge möglich ist, eine
einwandfrei wirkende völlig berührungslose Abdichtung zu
erzielen. Einen wesentlichen Einfluß auf den
Strömungswiderstand hat auch der Strömungsquerschnitt des
Luftspaltes. Deshalb ist angestrebt, die Spaltbreite an den
seitlichen Flächen des Trägerarms, die sich beim
Schneidevorgang auf und ab bewegen, möglichst klein zu
wählen. Da der Hub des Trägerarms am oberen und unteren
Hubende eine entsprechende Bemessung der Öffnung erfordert,
können die Vertikalspalte, das heißt, die Abstände zwischen
dem Rand der Öffnung und der Oberfläche des Trägerarms, dort
nicht im Sinn einer möglichst geringen Spaltbreite
beeinflußt werden. Um jedoch trotzdem auch an diesen
kritischen Stellen der Öffnung ein Ausfließen des Kryogens
zu verhindern, sind im Rahmen der Erfindung verschiedene
Maßnahmen vorgesehen, die auf eine Beeinflussung der
Luftspaltlänge und/oder des Luftspaltquerschnitts in dem
oben genannten Sinn hinauslaufen.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Mikrotoms
ist vorgesehen, die Länge des Luftspaltes zu
verlängern, indem die Oberfläche des Trägerarms im Bereich
der Öffnung durch quer zur Längsachse des Trägerarms
aussagende Vorsprünge vergrößert wird, wobei diese
Vorsprünge mit den an die Öffnung angrenzenden Bereichen der
Kühlkammerwand eine Fortsetzung des Luftspaltes bilden. So
kann beispielsweise auf dem Trägerarm mindestens ein mit
diesem starr verbundenes Plattenelement angeordnet sein, das
sich im wesentlichen quer zur Trägerarmlängsachse erstreckt.
Einen stets gleichbleibend kleinen Luftspalt erhält man bei
dieser Ausführungsform während der Auf- und Abbewegung des
Trägerarms dann, wenn die Oberfläche des Plattenelements und
die Oberfläche der Kühlkammerwand, die zusammen den
Luftspalt definieren, komplementär zueinander gekrümmt sind.
So können zum Beispiel die den Luftspalt definierenden
Oberflächen im wesentlichen kreiszylindrisch gekrümmt sein,
wobei die Krümmungsachse mit der Schwenkachse des Trägerarms
zusammenfällt. Eine noch weitergehende Verlängerung des
Luftspaltes ohne eine Zunahme des Platzbedarfes erhält man,
wenn die den Luftspalt definierenden Oberflächen im
wesentlichen torusförmig gekrümmt sind und der
Torusmittelpunkt auf der Schwenkachse des Trägerarms liegt.
Die Krümmung der den Luftspalt definierenden Oberflächen muß
nicht stetig sein mit dem Ergebnis, daß der Luftspalt in
Ausfließrichtung des Kryogens eine konstante Breite hat,
sondern es ist denkbar und kann sogar vorteilhaft sein, in
Ausfließrichtung hintereinander angeordnete örtliche
Erweiterungsräume vorzusehen. Diese Erweiterungsräume können
zum Beispiel dadurch gebildet sein, daß an Stelle einer
stetig gekrümmten Oberfläche mindestens eine der den
Luftspalt definierenden Oberflächen eine durch einen
Polygonzug begrenzte Form hat.
Das erwähnte, quer gegenüber dem Trägerarm ausragende
Plattenelement kann zur Bildung des Luftspaltes sowohl
innerhalb als auch außerhalb der Kühlkammer angeordnet sein.
Es ist auch denkbar, ein Plattenelement innerhalb und
außerhalb vorzusehen.
Die Luftspaltbreite bei der vorstehend geschilderten
Ausführungsform des Mikrotoms, die eine
Oberflächenvergrößerung des Trägerarms vorsieht, kann
problemlos unter 1 mm gehalten werden. Denn der übliche
gesamte Vorschubbereich für das Präparat beträgt 50-200
µm. Der Präparatrückzug, der nach erfolgter Schneidebewegung
ein Anstreifen des Präparats am Messer bei der
Rückholbewegung vermeidet, beträgt ebenfalls 50-200 µm. Es
hat sich gezeigt, daß bei einer Spaltbreite von unter 1 mm
ein Ausfließen des Kryogens durch den Luftspalt hindurch
weitgehend verhindert werden kann.
Zum Zweck der Justierung des Luftspalts kann es angeraten
sein, die quer zur Trägerarmlängsachse ausragenden
Vorsprünge, zum Beispiel das Plattenelement, auf dem
Trägerarm axial stufenlos einstellbar zu machen.
Ausführungsbeispiele des Mikrotoms sind nachfolgend anhand
der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Ultramikrotoms, teilweise im
Bereich der Kühlkammer geschnitten, mit einer Durchführung
des Trägerarms durch die Kühlkammerwand;
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Kühlkammer eines
Ultramikrotoms gemäß Fig. 1, geschnitten längs der Linie II-
II, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit eine Reihe von
Einrichtungen in der Kühlkammer nicht dargestellt sind;
Fig. 3 einen zu Fig. 1 analogen Schnitt durch die
Kühlkammer, mit einer weiteren Durchführung eines
Trägerarms durch die Kühlkammerwand;
Fig. 4a und 4b Seitenansicht und Draufsicht eines Trägerarms
in Einzeldarstellung, und
Fig. 5 eine Seitenansicht eines anderen Trägerarms in
Einzeldarstellung.
Das in Fig. 1 dargestellte Ultramikrotom 1 weist einen
Trägerarm 2 auf, an dessen vorderem Ende ein Präparathalter
3 für ein zu bearbeitendes biologisches Präparat 4
angeordnet ist. Auf dem Support des Ultramikrotoms 1 ist
eine im Ganzen mit 6 bezeichnete Kühlkammer befestigt. Die
Kühlkammer 6 hat im wesentlichen die Form einer Schachtel
und weist eine aus gut wärmeleitendem Material bestehende
Innenwand 7 auf, die an ihrer Außenseite durch eine Schicht
8 aus wärmeisolierendem Material allseitig umschlossen ist.
In dem Kühlkammer-Innenraum 9 ist ein Bearbeitungswerkzeug
in Form eines Messers 10 so angeordnet, daß bei Auf- und
Abbewegungen des Präparats 4 relativ zu dem Messer 10
Präparatschnitte erzeugt werden können. Aufbau und
Wirkungsweise des Ultramikrotoms 1 bezüglich des
Schneidevorganges sind von bekannter Art.
Sie bedürfen daher an dieser Stelle
keiner näheren Erläuterung. Der - in Fig. 2 - linke Teil der
Kühlkammer 6 bildet einen Vorratstank 12 für ein flüssiges
Kryogen, vorzugsweise für flüssigen Stickstoff (LN2), der
auch an seiner Oberseite durch die Wärmeisolationsschicht 8
bedeckt ist. Der Vorratstank 12 kann durch eine Fülleitung
13 bei Bedarf nachgefüllt werden. Der Vorratstank erstreckt
sich über die ganze Breite des Kühlkammer-Innenraums 9 und trägt
an seiner dem Kühlkammer-Innenraum zugewendeten Seitenwand eine
Zuflußleitung 14, durch die von dem LN2-Vorrat abdampfender
gasförmiger Stickstoff der Kühlkammer zugeleitet wird und
durch eine Schlitzöffnung 15 austritt. Der in den
Kühlkammer-Innenraum 9 auf diese Weise kontinuierlich eintretende
Gasstrom führt zu einem kontinuierlichen Überlauf der
Gasatmosphäre in der Kühlkammer über deren oberen Rand, so
daß ein Einströmen von Umgebungsluft in den so gebildeten
Kältesee nicht möglich ist.
In den Fig. 2 und 3 sind lediglich die für die Kühlung
bedeutsamen Teile des Ultramikrotoms gezeigt; die
übrigen Ultramikrotom-Komponenten können in gleicher Weise
wie in Fig. 1 dargestellt aufgebaut sein. Bei der in den
Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungsform der Abdichtung ist
die Oberfläche des Trägerarms 22 durch darauf befestigte
Plattenelemente 23 und 24 vergrößert. Die Plattenelemente 23
und 24 sind in axialem Abstand voneinander auf dem Trägerarm
22 angeordnet und schließen die Kühlkammerwand 25 im Bereich
einer Öffnung 26 zwischen sich ein. Das außenliegende
Plattenelement 23 besteht aus einem gut wärmeisolierenden
Material der gleichen Art, das auch die Kühlkammer isoliert,
oder trägt eine entsprechende Isolationsschicht an seiner
Rückseite.
Die nach vorne, das heißt zur Kühlkammer hinweisende
Oberfläche 27 des Plattenelements 23 hat die Form einer
Teilkreiszylinderfläche, deren Krümmungsachse mit der
Schwenkachse S des Trägerarms 22 zusammenfällt. Die
Kühlkammer 25 ist im Bereich des Plattenelements 23
komplementär zu der Oberfläche 27 eingekehlt und bildet eine
entsprechende konkave Teilkreiszylinderfläche 28. Die
Oberflächen 27 und 28 definieren zwischen sich einen
Luftspalt 29 von weniger als 1 mm Breite.
Das an der Innenseite der Kühlkammerwand 25 angeordnete
Plattenelement 24 besteht aus einem gut wärmeleitenden
Material, zum Beispiel aus Kupfer. Die der Kühlkammerwand 25
zugewendete Rückseite des Plattenelements 24 ist ebenfalls
als Teilkreiszylinderfläche mit der Schwenkachse S als
Krümmungsachse geformt. Komplementär dazu ist die
Kühlkammerwand 25 an dieser Stelle nach innen gewölbt, so
daß zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen ein
Luftspalt 30 gleichbleibender Breite von weniger als 1 mm
aufrechterhalten ist.
Obwohl bei dieser Ausführungsform der Querschnitt des
Trägerarms 22 kreisförmig und die in der Kammerwand 25
vorgesehene Öffnung 26 rechteckig ist (s. Fig. 2), kann ein
Ausfließen des in der Kühlkammer enthaltenen Stickstoffs
durch die Öffnung 26 praktisch unterbunden werden, da durch
die Plattenelemente 23, 24 und die zugeordneten Oberflächen
der Kammerwand 25 Luftspalte 29, 30 von erheblicher Länge
mit einem entsprechend hohen Strömungswiderstand gebildet
werden.
Die Fig. 4 und 5 zeigen Modifikationen des Plattenelements
23 der vorstehend geschilderten Ausführungsform.
So weist das Plattenelement 33 gemäß Fig. 4 eine zur
Kühlkammerwand gerichtete Oberfläche 37 auf, welche die Form
einer Torusfläche hat. Die in vertikaler Richtung
verlaufende Krümmung hat wieder eine Krümmungsachse, die mit
der Schwenkachse S des Trägerarms 32 zusammenfällt (Fig.
4a). Die in horizontaler Richtung verlaufende Krümmung der
Oberfläche 37, die aus der Draufsicht gemäß Fig. 4b
ersichtlich ist, hat hingegen eine stärkere Krümmung; ihre
Krümmungsachse durchsetzt die Trägerarmlängsachse an dem
Punkt K.
Mit dieser Ausgestaltung des Plattenelements 33 ist ein
Luftspalt erzielbar, der bei gleichem Raumbedarf des
Plattenelements im Vergleich zu dem teilkreiszylindrischen
Luftspalt 29 gemäß der Ausführungsform nach den Fig. 2 und 3
länger ist. Der Abdichtungseffekt ist daher ausgeprägter.
Bei der Ausführungsform gemäß der Fig. 5, die im Vergleich
zur Fig. 4 aus Gründen der besseren Darstellung vergrößert
gezeichnet ist, weist das an dem Trägerarm 42 angeordnete
Plattenelement 43 eine der Kammerwand zugewendete Oberfläche
47 auf, die im wesentlichen wie das Plattenelement 23 bei
der Ausführungsform der Fig. 3 teilkreiszylindrisch geformt
ist, wobei ihre Krümmungsachse mit der Schwenkachse des
Trägerarms 42 zusammenfällt. Jedoch weist sie keinen
stetigen Verlauf auf, sondern ist durch eine Mehrzahl
aneinander anschließender ebener Flächen gebildet, die
polygonartig aneinander gefügt sind. Die Fig. 5 zeigt die
zwischen diesen ebenen Flächen gebildeten Knicke 48. Läßt
man das Plattenelement 43 mit der Teilzylinderfläche 28 an
der Rückseite der Kühlkammerwand 25 bei der Ausführungsform
gemäß den Fig. 2 und 3 zusammenarbeiten, so entsteht dadurch
ein Luftspalt, der sich in Ausfließrichtung des Kryogens
mehrfach erweitert und wieder verengt, wie dies in Fig. 5
gestrichelt angedeutet ist. Die Erweiterungsräume 49 sind
durch den größeren Abstand der ebenen Polygonflächen von der
zugeordneten Kühlkammerwand gebildet, während die Engstellen
des Luftspalts 50 durch die Knicke 48 verursacht sind.
Dieser Verlauf des Luftspalts führt zu einer weiteren
Erhöhung des Strömungswiderstands, der die Verlustmenge an
Kryogen herabsetzt.
Das außenliegende Plattenelement 23 bei der Ausführungsform
gemäß den Fig. 2 und 3 kann zusätzlich oder anstelle zu
seiner Wärmeisolierung einen in Fig. 3 gestrichelt
angedeuteten Heizkörper 19 enthalten, der für eine
gleichbleibende Temperatur des Plattenelements sorgt.
Claims (8)
1. Mikrotom, insbesondere Ultramikrotom, mit einer von oben
zugänglichen Kühlkammer, die über eine Zufuhrleitung mit
einem gasförmigen Kryogen beschickbar ist, und mit einem auf
einer Kreisbahn auf und ab bewegbaren Trägerarm für ein zu
bearbeitendes Präparat, der durch eine Öffnung in einer
Kammerwand in die Kühlkammer hineinragt, wobei die Öffnung
gegen ein Ausfließen des Kryogens aus der Kühlkammer
abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche
des Trägerarms (2, 22, 32, 42) im Bereich der Öffnung (18,
26) durch mindestens ein mit dem Trägerarm (2, 22, 32, 42)
fest verbundenes Plattenelement (23, 24; 33, 43) vergrößert
ist, daß die Oberfläche (27, 37, 47) des Plattenelements
(23, 24; 33, 43) und die Oberfläche der Kammerwand (16, 25)
komplementär zueinander glatt gekrümmt oder mit einer eine
Krümmung annähernden Polygonfläche ausgebildet sind, und daß
beide Oberflächen zusammen einen in jeder Bewegungsphase des
Trägerarms (2, 22, 32, 42) bestehenden Luftspalt (29, 30,
50) definieren und daß zur Abdichtung gegen ein Ausfließen
des Kryogens der Querschnitt des Luftspalts relativ klein
und die Länge des Luftspalts in Ausfließrichtung des
Kryogens relativ groß gehalten ist.
2. Mikrotom nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
den Luftspalt (29) definierenden Oberflächen im wesentlichen
kreiszylindrisch gekrümmt sind und die Krümmungsachse mit
der Schwenkachse (S) des Trägerarms zusammenfällt.
3. Mikrotom nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
den Luftspalt definierenden Oberflächen (37) im wesentlichen
torusförmig gekrümmt sind und der Torusmittelpunkt auf der
Schwenkachse (S) des Trägerarms (32) liegt.
4. Mikrotom nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Luftspalt eine Mehrzahl von quer zur
Ausfließrichtung des Kryogens verlaufenden und in
Ausfließrichtung voneinander beabstandeten
Erweiterungsräumen (49) aufweist.
5. Mikrotom nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Erweiterungsräume (49) durch
örtliche Abweichungen mindestens einer der den Luftspalt
(50) definierenden Oberflächen von einer glatten Krümmung
gebildet sind.
6. Mikrotom nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Plattenelement (23, 24) der
Innenseite und/oder der Außenseite der Kammerwand (25)
zugeordnet ist.
7. Mikrotom nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das
der Außenseite der Kammerwand zugeordnete Plattenelement
(23, 33, 43) aus einem wärmeisolierenden Material besteht
oder damit nach außen hin bedeckt ist.
8. Mikrotom nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das der Außenseite der Kammerwand zugeordnete
Plattenelement (23) durch einen Heizkörper (19) beheizbar
ist.
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