JP5690243B2 - 透過型電子顕微鏡用の試料冷却ホルダー - Google Patents
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Description
本発明は、透過型電子顕微鏡用の試料冷却ホルダーに関する。また、冷却された試料への霜の付着を効果的に抑制する透過型電子顕微鏡用の試料冷却ホルダーに関する。
透過型電子顕微鏡により試料を観察する際に、試料を液体窒素等の冷媒で凍結し、冷却しながら観察することにより、水分を多く含んだ生物試料等の観察において電子線による試料ダメージを抑えることが期待できる。しかし、試料を凍結し、試料冷却ホルダーに装着し、透過型電子顕微鏡にセットするという一連の操作過程において試料表面に霜が付着しやすく、試料の観察が困難になるという問題がある。
そこで、従来より霜の付着を抑えるための試料冷却ホルダーが提案されている。図３は、従来の透過型電子顕微鏡用の試料冷却ホルダーの構造を示す断面図である（特許文献１参照）。この試料冷却ホルダーは、図３（ａ）に示すように、冷媒槽３８と、冷媒槽３８に固定され、冷媒槽３８により冷却される熱伝導棒３７を備える。また、熱伝導棒３７を内部に収容するパイプ部３６を有し、冷媒槽３８には、注入口３９により液体窒素等の冷媒を供給する。
図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるＩＩＩＢの部分拡大図である。また、図３（ｃ）は、図３（ｂ）におけるＩＩＩＣ−ＩＩＩＣによる断面図である。熱伝導棒３７の先端には、図３（ｂ）に示すように、試料３５を装着する試料装着部３１がある。熱伝導棒３７は試料冷却ホルダーに基本的に固定されているため、熱伝導棒３７の先端にある試料３５の位置も固定されている。試料装着部３１の周囲には、図３（ｃ）に示すように、スライドキャップ３２が配置し、スライドキャップ３２は、試料装着部３１上を自在に摺動する。
スライドキャップ３２は、内部のスプリング３２ｂにより矢印Ａの方向に付勢され、止具３４により最も矢印Ａ寄りに配置している。スライドキャップ３２は、電子線が通過する窓部３２ａを上下に備えているが、スプリング３２ｂによりスライドキャップ３２が最も矢印Ａ寄りの位置にあるときは、試料装着部３１はスライドキャップ３２により外気から遮断されている。このため、試料３５への霜の付着が抑制される。
この試料冷却ホルダーを透過型電子顕微鏡にセットし、スライドキャップ３２の先端が図３（ｂ）に示す矢印Ｂの方向に押されると、スライドキャップ３２は、試料装着部３１上をスライドし、電子線通過用の窓部３２ａが試料３５の上下に配置すると、電子顕微鏡観察が可能となる。
透過型電子顕微鏡により試料を観察するときに、顕微鏡内で試料を試料ホルダー軸回りに回転移動し、電子線に対して試料を傾斜させることにより、試料を異なった方向から観察することが可能となる。しかし、特許文献１に記載された試料冷却ホルダーでは、図３（ａ）に示すように、熱伝導棒３７が冷媒槽３８に固定されているため、試料３５を冷却しながら、冷媒槽３８から冷媒を散逸することなく傾斜するには、おのずと制限が生じる。
本発明の課題は、冷媒により試料を冷却しながら、冷媒を散逸することなく、顕微鏡内で試料を３６０度自在に回転させることができる透過型電子顕微鏡用の試料冷却ホルダーを提供することにある。また、凍結した試料を試料冷却ホルダーに取り付け、透過型電子顕微鏡にセットする過程で、試料表面への霜の付着を抑制する透過型電子顕微鏡用の試料冷却ホルダーを提供することを課題とする。
本発明の透過型電子顕微鏡用の試料冷却ホルダーは、冷媒槽と、冷媒槽を貫通し、内壁が円筒状の空洞を有する冷却部と、冷却部の空洞内に、空洞の内壁との間に熱良導性材料層を挟んで移動自在に嵌合する熱伝導棒とを有する。また、この試料冷却ホルダーは、熱伝導棒を内部に収容するパイプ部を備え、熱伝導棒は、先端に、試料を装着する試料装着部を有する。使用する熱良導性材料層は、銅とアルミニウムのうち少なくとも１種を含む金属製の繊維層とする態様が好ましい。
本発明の試料冷却ホルダーは、パイプ部の先端に電子線が通過する窓部を備え、試料冷却ホルダーにおける窓部の位置が固定されている態様が好適である。かかる態様において、熱伝導棒をパイプ部内で長手方向に前進または後進することにより、試料を観察するときは、パイプ部の窓部を通過して電子線が試料に照射するように熱伝導棒を配置し、この熱伝導棒はパイプ部内で自在に回転させることができる。一方、試料を観察しないときは、パイプ部により試料を外気から遮断するように熱伝導棒を配置する。また、試料冷却ホルダーが、試料装着部を取り付けるカートリッジを備え、試料装着部を取り付けたカートリッジを冷却した状態で熱伝導棒に装着する態様が好ましい。
本発明の透過型電子顕微鏡用の試料冷却ホルダーは、冷媒により試料を冷却しながら、冷媒を散逸することなく、顕微鏡内で試料を３６０度自在に回転させることができるため、３６０度連続的に試料傾斜角を変えながら試料の観察が可能になる。また、凍結した試料を試料冷却ホルダーに装着し、透過型電子顕微鏡にセットする過程で、試料表面への霜の付着を抑制することができる。
図１は、本発明の透過型電子顕微鏡用の試料冷却ホルダーの断面図であり、図１（ａ）は、電子顕微鏡により試料を観察しているときの状態を示し、図１（ｂ）は、試料を観察していないときの状態、すなわちシャッターを閉じ、試料を外気から遮断している状態を示す。図１に示すように、この試料冷却ホルダーは、冷媒槽８と、冷媒槽８を貫通して配置する冷却部１と、冷却部に嵌合する熱伝導棒７と、熱伝導棒７を内部に収容するパイプ部６を備える。
冷媒槽８には、液体窒素または液体ヘリウム等の冷媒９を注入する。冷媒槽８は、耐圧性容器１８内に収容し、冷媒槽８を低温に保持するため、耐圧性容器１８内は真空に調整する。この冷媒槽８を貫通した状態で冷却部１を配置し、冷却部１内に熱伝導棒７を嵌合することにより熱伝導棒７を冷却し、熱伝導棒７の先端に装着する試料を低温に維持する。熱伝導棒７は、内部を真空に保ち、断熱性を保持したパイプ部６の内部に収容することにより、低温に保持するとともに、試料の装着時や試料冷却ホルダーの電子顕微鏡へのセット時に、試料と熱伝導棒を機械的に保護する。
図２は、本発明の透過型電子顕微鏡用の試料冷却ホルダーにおける冷却部の配置を示す部分断面図である。図２に示すように、冷却部１は、冷媒槽８を貫通し、内壁１ａが円筒状の空洞を有する。冷却部１の円筒状の空洞内には、円柱状の熱伝導棒７が嵌合し、熱伝導棒７の外壁と空洞の内壁１ａとの間に、熱良導性材料層３を備える。このため、極低温の冷媒９により冷却部１が冷却され、熱良導性材層３を通して熱伝導棒７が極低温に冷却される。図２に示す例では、冷却部１は、内壁が円筒状の空洞を有するブロック状の部材であるが、ブロック状の部材の代わりに、図１に示すように、内壁が円筒状のパイプを使用することもできる。
金属は、熱伝導率が大きい点で、熱良導性材料層３に好ましく使用することができる。また、金属の中でも、銅（Ｃｕ）とアルミニウム（Ａｌ）のうち少なくとも１種を含む金属が、熱伝導棒７の冷却効率が大きい点で、より好ましい。すなわち、熱良導性材料層３には、Ｃｕ、またはＡｌ、またはＣｕとＡｌとの合金を含有する金属が好適である。Ｃｕの熱伝導率は３９８Ｗ／ｍＫであり、Ａｌの熱伝導率は２３６Ｗ／ｍＫであり、金属の中でも熱伝導率が大きく、比較的高価でない点で、熱良導性材料層に好ましく使用できる。熱良導性材料層には、必要に応じて、銀、金、鉄などの他の金属を含めることができる。熱良導性材料層３は、綿状の繊維層とすることにより、クッション性が改善し、冷却部１の空洞内に嵌合する熱伝導棒７の滑り性を高め、熱伝導棒７を回転自在に保持し、長手方向への移動も容易化する。綿状の熱良導性材料層３は、たとえば、材料としてＣｕを使用する場合には、線径２０μｍ程度の繊維からなる層を好ましく使用することができる。
図１に示すように、熱伝導棒７は、先端に、試料を装着する試料装着部１３を有する。本発明の透過型電子顕微鏡用の試料冷却ホルダーでは、熱伝導棒７は、冷却部１の空洞内に回転自在に保持されている。したがって、熱伝導棒７を冷媒９で冷却することにより、熱伝導棒７の先端に装着する試料を冷却しながら、駆動部１７により熱伝導棒７を回転移動すると、冷媒９を散逸することなく、顕微鏡内で試料を３６０度自在に回転させることができる。このため、電子線に対して試料を任意に傾斜させることにより、試料の観察方向を３６０度変えることができ、試料の微細な断層構造あるいは三次元構造を詳細に観察することができる。
本発明の試料冷却ホルダーを図１に例示する。図１に示す例では、試料冷却ホルダーにおいて、パイプ部６は試料冷却ホルダー（本体）に固定されている。図４は、図１におけるパイプ部６の先端の部分拡大図であり、図４（ａ）は、図１（ａ）におけるＩＶＡの部分拡大図であり、図４（ｂ）は図１（ｂ）におけるＩＶＢの部分拡大図である。図４に示すように、熱伝導棒７は、先端に、試料１１を装着する試料装着部１３を有し、パイプ部６は、先端に電子線が通過する窓部１２を備える。パイプ部６は試料冷却ホルダー（本体）に固定されているため、試料冷却ホルダー（本体）における窓部１２の位置も固定されている。
図１（ａ）は、電子顕微鏡により試料を観察しているときの状態を示し、図１（ｂ）は、試料を観察していないときの状態を示す。したがって、図４（ａ）は、電子顕微鏡により試料を観察しているときのパイプ部６の先端の状態を示し、図４（ｂ）は、試料を観察していないときのパイプ部６の先端の状態を示す。
本発明の試料冷却ホルダーにおいて、熱伝導棒７は冷却部１の空洞内に移動自在に嵌合する。したがって、熱伝導棒７がパイプ部６内において長手方向に移動自在に保持されている。試料を観察するときは、駆動部１７により熱伝導棒７を後進し、熱伝導棒７を図１（ａ）に示すように配置する。熱伝導棒７を矢印Ｃの方向に後進し、図１（ａ）のように配置すると、図４（ａ）に示すように、熱伝導棒７の先端の試料装着部１３にある試料１１が、パイプ部の先端の窓部１２の部位に配置するため、窓部１２を通過する電子線が試料１１に照射し、試料１１を観察することができる。この熱伝導棒は、パイプ部内で自在に回転させることができる。
一方、試料を観察しないときは、駆動部１７により熱伝導棒７を前進し、熱伝導棒７を図１（ｂ）に示すように配置する。熱伝導棒７を矢印Ｄの方向に前進し、図１（ｂ）に示すように配置すると、図４（ｂ）に示すように、試料１１と試料装着部１３は、パイプ部６の先端の部屋に入り、密閉されるため、パイプ部６により試料１１は外気から遮断される。したがって、外気による試料１１への霜の付着を効果的に抑制することができる。
図５は、本発明の透過型電子顕微鏡用の試料冷却ホルダーがカートリッジを備える態様を示す断面図である。図５（ａ）は、熱伝導棒７の先端に試料１１を装着する前の状態を示し、図５（ｂ）は、熱伝導棒７の先端に試料１１を装着した後の状態を示す。図５に示す例では、試料１１を装着する試料装着部１３と熱伝導棒７のほかに、カートリッジ１４を備え、熱伝導棒７の先端をカートリッジ１４の形状に合わせて成形し、板バネ等の弾性部材１５を備える。
図５（ａ）に示すように、試料１１を装着する試料装着部１３をカートリッジ１４にセットした後、矢印Ｅの方向に移動することにより、図５（ｂ）に示すように、試料１１を熱伝導棒７に取り付けることができる。このように試料１１を試料装着部１３に装着した後、試料装着部１３を取り付けたカートリッジ１４を冷却した状態で熱伝導棒７に取り付けると、極低温下での試料の取り扱いが容易化して、試料の取り付けに要する時間を短縮することができるため、試料への霜の付着をより一層抑制することができる。
水分を多く含んだ生物試料等を冷却することで電子線によるダメージを軽減しながら、試料の微細な断層構造あるいは三次元構造等を詳細に観察できる透過型電子顕微鏡用の試料冷却ホルダーを提供することができる。また、試料表面への霜の付着を効果的に防止できる試料冷却ホルダーを提供することができる。
１ 冷却部
１ａ 内壁
３ 熱良導性材料層
６ パイプ部
７ 熱伝導棒
８ 冷媒槽
９ 冷媒
１１ 試料
１２ 窓部
１３ 試料装着部
１４ カートリッジ
１５ 弾性部材
１７ 駆動部
１８ 耐圧性容器
３１ 試料装着部
３２ スライドキャップ
３２ａ 窓部
３２ｂ スプリング
３４ 止具
３５ 試料
３６ パイプ部
３７ 熱伝導棒
３８ 冷媒槽
１ａ 内壁
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３１ 試料装着部
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３２ａ 窓部
３２ｂ スプリング
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３５ 試料
３６ パイプ部
３７ 熱伝導棒
３８ 冷媒槽
Claims (4)
- 冷媒槽と、
該冷媒槽を貫通し、内壁が円筒状の空洞を有する冷却部と、
該冷却部の空洞内に、空洞の内壁との間に熱良導性材料層を挟んで移動自在に嵌合する熱伝導棒と、
該熱伝導棒を内部に収容するパイプ部と
を備え、
前記熱伝導棒は、先端に、試料を装着する試料装着部を有する透過型電子顕微鏡用の試料冷却ホルダー。 - 前記熱良導性材料層は、銅とアルミニウムのうち少なくとも１種を含む金属製の繊維層である請求項１に記載の透過型電子顕微鏡用の試料冷却ホルダー。
- 前記パイプ部は、先端に電子線が通過する窓部を備え、試料冷却ホルダーにおける窓部の位置が固定され、
前記熱伝導棒をパイプ部内で長手方向に前進または後進することにより、
試料を観察するときは、パイプ部の前記窓部を通過して電子線が試料に照射するように前記熱伝導棒を配置し、該熱伝導棒はパイプ部内で自在に回転させることができ、
試料を観察しないときは、パイプ部により試料を外気から遮断するように前記熱伝導棒を配置する
請求項１または２に記載の透過型電子顕微鏡用の試料冷却ホルダー。 - 試料装着部を取り付けるカートリッジを備え、試料装着部を取り付けたカートリッジを冷却した状態で熱伝導棒に装着する請求項１〜３のいずれかに記載の透過型電子顕微鏡用の試料冷却ホルダー。
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