JP5261496B2 - 超急速冷凍装置及び超急速冷凍方法 - Google Patents
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Description
本明細書は、2007年11月20日に出願された米国仮特許出願番号60/989,165の優先権を主張する。
[連邦政府による委託研究に関する記載]
本発明は、試料サンプルを冷却するための超急速冷凍装置(瞬間冷凍装置)に関し、特に生体サンプルの超急速冷凍に適した超急速冷凍装置に関する。さらに本発明は、サンプルを超急速に凍結する(瞬間冷凍)方法に関し、特に生体サンプルの超急速冷凍方法に関する。本発明は、人工的(synthetic)サンプルあるいは生体(biological)サンプルの超急速冷凍に適用可能であり、特に、例えば低温での撮像のような生体サンプルの検査や、生体サンプルの低温固定あるいは低温保存に適用できる。
さらに、別の冷凍装置が特許文献1〜5に開示されている。
1…サンプル
10…基板
11…流路
12…コンポーネント
12.1…凹部
12.2…シリコンポスト
13…局所的低温冷却器
14…底部
14.1…熱的絶縁
20…サンプル担持体
21…加熱可能支持体
21.1…抵抗部
21.2、21.3…層
22…流路
22.1…底部壁
22.2…側壁
22.3…カバー壁
22.4…入口
22.5…出口
22.6…電気穿孔法電極
22.7…スライス
22.8…サンプル
23…プラットホーム
24…キャビティ
25…シリコンピラー
25.1…供給チューブ
30…冷媒供給源
40…加熱電流源
41…電気的接続
45…スイッチングデバイス
50…放射源
55…低温生物学
60…マイクロフルイディクスデバイス
72…光学顕微鏡
73…TEM
74…電子断層撮影法装置
75…X線顕微鏡観察装置
Claims (19)
- サンプル(1)の冷却用に構成された超急速冷凍装置(100)であって、
前記サンプル(1)の冷却用に適合された基板チップ(10)と、
前記サンプル(1)を収容可能に構成されると共に、少なくとも一の加熱可能支持体(21)を備えた少なくとも一のサンプル担持体(20)と、
を備え、
前記少なくとも一のサンプル担持体(20)は前記基板チップ(10)に、前記少なくとも一の加熱可能支持体(21)を通じて取り付けられており、
前記少なくとも一のサンプル担持体(20)は流体流通装置を備えており、
前記少なくとも一のサンプル担持体(20)が取り付けられた前記基板チップ(10)は、微細設計デバイスであり、
前記少なくとも一のサンプル担持体(20)が、前記少なくとも一の加熱可能支持体(21)を通じて、懸架状態で前記基板チップ(10)に取り付けられてなることを特徴とする超急速冷凍装置。 - 請求項1に記載の超急速冷凍装置であって、
前記少なくとも一のサンプル担持体(20)は、流路(22)、プラットホーム(23)、隔壁、あるいはキャビティ(24)の少なくとも一を備え、
前記少なくとも一のサンプル担持体(20)の壁の厚さは、50nm〜500μmまでの範囲で選択されており、
前記少なくとも一のサンプル担持体(20)は、幅及び高さが100nm〜200μmまでの範囲で設定された四角形断面を有しており、
前記少なくとも一のサンプル担持体(20)は、前記サンプルの撮像及び前記サンプルに対する測定の少なくとも一に適合するよう構成されてなることを特徴とする超急速冷凍装置。 - 請求項1又は2に記載の超急速冷凍装置であって、
供給チューブ(25)が前記少なくとも一のサンプル担持体(20)と接続されており、
前記少なくとも一のサンプル担持体(20)の中央部分は、前記供給チューブ(25)から熱的に絶縁されてなることを特徴とする超急速冷凍装置。 - 請求項1から3のいずれか一に記載の超急速冷凍装置であって、
前記少なくとも一のサンプル担持体(20)及び前記少なくとも一の加熱可能支持体(21)は、熱伝導率が単結晶シリコンと同等以上の材料で形成されており、
前記少なくとも一のサンプル担持体(20)及び前記少なくとも一の加熱可能支持体(21)は、単結晶シリコンで形成されており、
前記少なくとも一の加熱可能支持体(21)は、抵抗加熱及び放射加熱の少なくとも一に適合するよう構成されており、
前記少なくとも一の加熱可能支持体(21)は、冷却媒体が供給可能な中空構造を有することを特徴とする超急速冷凍装置。 - 請求項4に記載の超急速冷凍装置であって、前記少なくとも一の加熱可能支持体(21)は、抵抗ヒータ(21.1)を有してなることを特徴とする超急速冷凍装置。
- 請求項1から5のいずれか一に記載の超急速冷凍装置であって、
前記基板チップ(10)は、冷却リザーバ(11)及び少なくとも一のオンチップ低温冷却器(13)の少なくとも一を有してなることを特徴とする超急速冷凍装置。 - 請求項1から6のいずれか一に記載の超急速冷凍装置であって、
前記少なくとも一のサンプル担持体(20)を、基板チップ(10)に対して温度勾配が形成される加熱状態と、基板チップ(10)に対して熱平衡が形成される冷却状態との間で切り替え可能に構成してなることを特徴とする超急速冷凍装置。 - 請求項7に記載の超急速冷凍装置であって、
前記少なくとも一のサンプル担持体(20)を、少なくとも106K/sの冷却速度が得られるように、前記加熱状態と前記冷却状態との間で切り替え可能に構成してなることを特徴とする超急速冷凍装置。 - 請求項1から8のいずれか一に記載の超急速冷凍装置であって、さらに、
前記基板チップに冷却媒体を供給するよう構成された冷却材供給装置(30)と、
前記少なくとも一の加熱可能支持体(21)に加熱電流を供給するよう配置されてなる電流源(40)と、
前記少なくとも一の加熱可能支持体(21)を照射するよう配置されてなる放射源(50)と、
前記少なくとも一のサンプル担持体(20)を加熱状態と冷却状態との間で切り替え可能に構成されてなるスイッチングデバイス(45)と、
前記少なくとも一のサンプル担持体(20)への前記サンプル、媒体及び/又は化学物質の送出を制御するよう構成されてなるマイクロフルイディクスデバイス(60)と、
少なくとも一のセンサ装置(71)と、
光学顕微鏡(72)と、
透過型電子顕微鏡(73)と、
電子断層撮影装置(74)と、
X線回折装置(75)と、
集束イオンビーム装置(76)
の内、少なくとも一を備えてなることを特徴とする超急速冷凍装置。 - 請求項1から9のいずれか一に記載の超急速冷凍装置を用いてサンプル(1)を超急速冷凍する方法であって、
前記サンプル担持体(20)に、前記サンプル(1)を配置するステップであって、前記基板チップ(10)が前記サンプル(1)の冷凍温度よりも低い冷却温度に調整されるステップと、
前記サンプル担持体(20)が、温度勾配が前記サンプル担持体(20)と前記基板チップ(10)との間で形成される加熱状態となるよう、前記少なくとも一の加熱可能支持体(21)を加熱するステップと、
前記サンプル担持体(20)が、温度平衡が前記サンプル担持体(20)に対して形成される冷却状態となるよう、前記少なくとも一の加熱可能支持体(21)の前記加熱を停止するステップと、
を備えることを特徴とする方法。 - 請求項10に記載の超急速冷凍方法であって、
前記冷却状態にある前記サンプル(1)の温度は、0℃より低く設定されており、
前記サンプル(1)は、前記冷却状態にあるとき低温固定条件下となる生体サンプルであり、
前記冷却状態にある前記サンプル(1)は、ガラス化状態にあり、
前記冷却状態への前記サンプル担持体(20)の前記冷却は、106K/sのオーダーの冷却速度で行われ、
前記冷却状態への前記サンプル担持体(20)の前記冷却は、前記サンプル担持体(20)の中央部からその長手方向の端部へと移動する過渡的な冷凍フロントを、前記サンプル(1)内に形成することを含み、かつ/又は
前記基板チップ(10)は、液体窒素、半分解凍された窒素、液体エタンあるいはヘリウムの少なくとも一を用いて冷却されてなることを特徴とする方法。 - 請求項10又は11に記載の超急速冷凍方法であって、
前記サンプル(1)は、前記サンプル担持体(20)と接続された供給チューブ(25)を通じて、前記サンプル担持体(20)に配置されてなることを特徴とする方法。 - 請求項12に記載の超急速冷凍方法であって、
泡の形成を通じて前記供給チューブ(25)から前記サンプル担持体(20)の中央部分を熱的に絶縁するステップ
を含むことを特徴とする方法。 - 請求項13に記載の超急速冷凍方法であって、
前記泡は、注入、電気分解あるいは一時的局所加熱の少なくとも一によって形成されることを特徴とする方法。 - 請求項10から14のいずれか一に記載の超急速冷凍方法であって、
前記サンプル(1)は、生体サンプル、電子回路、SQUID装置を用いる磁界センサ、光検出器あるいは化学反応分析の少なくとも一を含むことを特徴とする方法。 - 請求項10から15のいずれか一に記載の超急速冷凍方法であって、さらに、
前記サンプル担持体(20)が、前記生体サンプル(1)が培養条件下にある加熱状態へと再加熱されるよう、前記少なくとも一の加熱可能支持体(21)をさらに加熱するステップと、
培養、刺激、検出、モニタ及び処理ステップの少なくとも一を前記生体サンプル(1)に行うステップと、
を含むことを特徴とする方法。 - 請求項16に記載の超急速冷凍方法であって、さらに、
前記少なくとも一の加熱可能支持体(21)の前記加熱を停止することによって、前記冷却状態へと前記サンプル担持体(20)を冷却するステップを含むことを特徴とする方法。 - 請求項17に記載の超急速冷凍方法であって、
前記加熱ステップ及び前記冷却ステップは、前記サンプル(1)を可逆的超急速冷凍を複数回行うよう繰り返されることを特徴とする方法。 - 請求項10から18のいずれか一に記載の超急速冷凍方法であって、
冷却材供給装置(30)を用いて、前記基板チップに、冷却媒体を供給するステップ、
電流源を用いて前記少なくとも一の加熱可能支持体(21)に加熱電流を供給するステップ、
放射源(50)を用いて前記少なくとも一の加熱可能支持体(21)を照射するステップ、
マイクロフルイディクスデバイス(60)を用いて前記少なくとも一のサンプル担持体への前記生体サンプル、成長媒体及び/又は化学物質の送出を制御するステップ、
少なくとも一のセンサ装置(71)を用いて前記生体サンプルの少なくとも一のパラメータとを検出するステップ、
光学顕微鏡(72)、透過型電子顕微鏡(73)、電子断層撮影装置(74)、又はX線回折あるいはX線顕微鏡検査の装置(75)を用いて前記冷却状態にある生体サンプルをモニタするステップ、
集束イオンビーム装置(76)を用いて前記冷却状態にある前記サンプル(1)を処理するステップの、少なくとも一を含むことを特徴とする方法。
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