JP5947296B2 - 低温試料ホルダー - Google Patents
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Description
本発明はビジュアル化、イメージング、あるいは解析の最中に試料を低温に維持することを標的とした試料ホルダーに関するものである。より具体的には、透過型電子顕微鏡法(TEM)に使用されるホルダー、特に、液体窒素の密封と、後退式カートリッジに置かれ低温冷却シールド内に配置されるTEMサンプルの引き続く冷却を目的としたデュワー瓶に関係している。
分子や原子のレベルで試料を観察し解析する目的で開発されてきた多くのイメージングテクノロジーがある。これらには関連するイメージング及び解析とともに光学、電子、x 線、光子の顕微鏡法を含む。低温電子顕微鏡法又は低温EMは、透過型電子顕微鏡法において凍結水和生体試料を研究するにはたいへん強力な技術となっている。アーチファクトが最小である結果を得るために、試料は迅速に凍結され完全に水分が含まれている状態でイメージングされる。このことは、より周囲の温度と近い温度での顕微鏡法の試料の調製用に通常使われる固定剤又は染色剤からの悪影響を減少させる。低温EMは、蛋白質、ウイルス、高分子アセンブリ、小胞/リポソーム、細胞内小器官、細胞などをより生体内に近い条件で研究する目的に非常に有益である。TEMイメージ像を得るには、電子が試料を透過できるように試料は十分に薄いものである必要がある。すべての従来のTEMイメージングと同じく、TEM画像は試料と電子の相互作用によってその時作られる。TEM画像の質と有用性は解像度の改良とともに増加する。生物標本の質は調製法に強く依存している。一般的な調製法は、液体エタンなどのような極低温物質中で凍結することによって、懸濁液の薄膜を迅速にガラス状にすることを含む。その試料は凍結状態かつ絶えず低温で維持され、また完全に水和状態で検査されながら、TEMに最後に移動される。または、バルク試料は、凍害防御、高圧冷凍、凍結薄切されイメージング又は解析装置に移動させることも可能である。引き続くイメージングのため試料のマウンティング又はサポートとTEMへの移送は、例示としては、普通はクライオトランスファー試料ホルダーによって行われる。 これら先行技術のTEM試料ホルダーは、TEM試料ホルダーと同じく、通常ある長さの縦棒を有し、片方の端の近くで試料をサポートし固定している。TEM試料ホルダーの棒の端は顕微鏡に差し込まれ、電子光学機のコンポーネントの間に置かれる。当業者にとって既知であるように、物理的必然性からこれらのコンポーネントは、非常に小さく寸法が制約された試料のみを許容する、又はサポートする。上述したように、生物試料に関しては、試料はまた、移送、イメージング、解析過程で、顕微鏡の限られたスペースに位置しながらも、低温に、最適には-140℃以下に保たれなければならない。これは、-140 ℃ 以下で存在するアモルファス状態（非晶質状態）に、試料中の氷成分を維持することが望ましいためである。-140 ℃以上では、氷はイメージングや解析に有害である結晶の形をとるであろう。移送中、試料ホルダーはイメージングや解析の装置に挿入されていないが、試料を物理的に保護することが不可欠である。それは物理的及び環境からのダメージ、及び/又は水蒸気や他のソースからの汚染に非常に脆弱であるからである。
例えば、試料ホルダーを収容し支える顕微鏡の物理ポートは、ゴニオメータとして知られている。それは試料ホルダーを移動し、従って試料自体をX、Y、Z、α、βの傾斜方向へ移動するマイクロマニュピュレータである。これにより、試料の重要な特性を観察するために必須である、試料の目的の領域にそして正確な角度と方向に電子ビームの焦点を合わせることが可能になる。上述したように、ゴニオメータは、電子イメージングビームに関係して顕微鏡のカラム内にある試料ホルダーを傾斜させるために使われる。生命科学応用のための 3次元、又は 3 Dの情報を取得するために、試料が顕微鏡内に固定されている間に試料の角度を動かせることは、クライオトモグラフィーにとって非常に重要な特色となる。この同じ方法論は、物理科学に適用可能である。3 D 情報を得るには、サンプルをさまざまな角度や方向でイメージングする。そして合成3 D 画像の作成目的で二次元投影が再合成される。
試料は、試料ホルダーに固定されている間は、冷却媒体によって必要な低温状態に維持される。冷却媒体は試料ホルダーの一部と試料自体の温度を下げるものである。この冷却媒体は通常、液体窒素であり、試料ホルダーの一端に固定されている断熱容器に保存されている。その断熱容器は通常デュワー瓶と言われる。デュワー瓶は試料ホルダーのコンポーネントであり真空排気筐体に囲まれている強反射性の内部容器を含む。真空排気筐体内の真空は、装置の構築に使用されている材料と相まって、内側の容器を筐体と熱遮断する役目をしている。ロッド又は他の熱伝導体アセンブリは、試料とデュワー瓶に入っている冷却媒体用の容器の間に熱接触をもたらす。伝導体は通常、銀や銅などの高熱伝導性を有する材料から作られる。冷却媒体は必要な低温を維持するために、試料サポートと試料から熱を奪うために使われる。
現代の透過電子顕微鏡は原子スケールでの分解能に達成可能である。ただし、画像の品質と解像度は、イメージングと解析の最中に起こるホルダーからの振動とドリフトによる試料の移動を低減させることに非常に依存している。実際問題として、これらの環境的な及びその他の条件は最適な解像度を達成するために最小化する必要がある。大気圧下では液体窒素は-196℃で沸騰する。多くの先行技術の試料ホルダーの設計では、ホルダー内の固体の導体ロッドは容器の先端の形でデュワー瓶と試料サポートと当接している。液体窒素やその他冷却媒体が周囲の大気圧条件下で沸騰して蒸発するとき、振動が媒体の乱流によって形成される。導体ロッドがこの振動を直接試料チップに伝え、イメージングと解析の最中に試料の振動を引き起こす。先行技術の装置であるデュワー瓶と冷却アセンブリを強く接触させることは、熱膨張と収縮時に装置に更に物理的ストレスを与えることになる。
ほとんどのデュワー瓶装置は、液体の媒体を沸騰蒸発させ、容器内の圧力に関して有害な影響を与える膨張し温まったガス媒体を留めることを最小限に抑えるために、周囲の大気に開かれている。装置は、試料ホルダーのどんな動きでもそれに応じて試料が動くような、柔軟性のない構造で作られている。断層撮影法では、イメージング中に試料が高い傾斜角であればあるほど、より正確で詳細な 3 D復元が得られる。しかし、試料ホルダーの傾きを増やすことには限界がある。つまりデュワー瓶から液体媒体がこぼれる可能性があることと、容器の壁に温度勾配が生じる可能性があるからである。それらは、振動、ドリフト、実験室の液体窒素の流出の可能性などを含む不満足な結果を生じる。この状態を回避することが、実質的に試料の傾斜を制限する。
先行技術の低温試料ホルダー設計にあるもう一つの欠点は、装置自体の熱変形を抑制する能力にある。温度変化は、材料の拡張や収縮を起こす。距離と時間の関数としてデュワー瓶と試料カートリッジ 間に存在する温度勾配が、ホルダーの縦に沿っての環境条件の変化と同様に、予測不可能な動的な寸法の変化を引き起こし、イメージング装置内の本来の場所からの試料のドリフトという結果を生じる。したがって、最小温度勾配でコンスタントな定常状態の低温でアセンブリを維持することが望ましい。更に、内部に拡張しているが、外側のホルダーバレルと空間的に離れている伝導体アセンブリ間のどんな熱の接触も、さらなる熱を生じるか、最低でもシステム内に温度差を生じる可能性がある。また、外部ホルダーバレルはイメージング中、顕微鏡のゴニオメータと当接しているので、そのような伝導体アセンブリと外部ホルダーバレルが接触することは顕微鏡、非常に暖まっているヒートシンク、試料からの望ましくない熱の通路を作り出し、さらなるドリフトを起こす。
試料のイメージングと解析の最中に、冷却媒体が蒸発し続けるとデュワー瓶内の液体の容積が減少する。このことは、冷却アセンブリーとデュワー瓶の間の物理的な境界面を、冷却媒体と最も直接接触しやすい点に、それはデュワー瓶の底であるが、位置させることを必要とする。いつでも、デュワー瓶の壁に沿って温度勾配が存在する。冷却媒体に直接隣接している接触点で最も冷たく、冷却媒体の表面から離れるにつれ温度は増加する。冷却アセンブリとデュワー瓶間の境界に最隣接した冷却媒体との直接の接触をなくすると、アセンブリ中の温度の上昇を引き起こし、イメージング中の試料のドリフトを更に悪化させる。
クライオトランスファーホルダーはSwannらによって特許文献１で記述されているように、サンプルを望みの温度に維持し、移動中に試料の上に霜が形成されるのを防ぐ目的で開発された。Swannの図 1 に示されているように、ホルダー 10はホルダー本体 12とチップの冷却源がついた試料チップ14を含む。試料チップ14には、熱導電性の材質であるサポートグリッド 16と試料チップに安全に付けられてりタブ部分 24を含む（図 5 参照）。クライオシールドは試料ホルダーチップ14にある開口部によって形成されている。試料グリッド16をホルダー本体12のチップ14にロードするために、タブ24が試料のクライオシールドを形成する試料チップホルダー14（図 4 参照）にあるスロット40を通って挿入されている。試料グリッド 16は拡張位置から後退位置にドローバー46によって移動する。ドローバー46はサポートグリッド16と熱接触しておりホルダー本体 12の縦軸に沿って伸びている。
Swannのクライオトランスファーホルダーは多くの欠点を経験している。この設計では、ドローバーはサポートグリッドとホルダー試料チップと強く熱接触している。従って、熱負荷の潜在的なソースとして作用している。このことによって、望ましい温度にアセンブリ全体を冷やすにはより大きなエネルギーを取り除くことが必要となる。外部からの熱は冷却ロッドとドローバーの熱膨張と収縮を引き起こす可能性がある。堅く接触しているということは、そのようなすべての動きを試料に直接に送り、ドラフトと振動のために画像解像度の損失を招くことになる。最後に、クライオホルダーにグリッドを固定するためにタブの挿入が必要であるような、専用の試料グリッドを設計することによって、独立した標準的な透過型電子顕微鏡のどの試料ディスクとも互換性があるようなシステムができる。そのディスクは直径 3 mm又は現在使用されているか開発中の他のどの形でも可能である。
Gallagherらによって特許文献２で記述されているタイプのデュワー瓶 アセンブリは、液体窒素サプライとコールドフィンガーアセンブリ間の一定の当接を維持する試みで開発されてきた。Gallagherの図 2はコールドフィンガーアセンブリ14と台形又は三角錐台型のデュワー瓶 50を記述している。銅の三つ編みストラップ 122はラグ 118を通って液体窒素容器の底壁 94へ一方の端に固定されている。銅の三つ編みストラップ 122のもう一端は、コールドフィンガーアセンブリ114の一部分とラグを通って固定されている。液体窒素が前壁 98と底壁94との交差点に隣接する容器90の前の部分をつねに満たすように、三角形のデュワー瓶 50は底で次第に細くなっている。コールドフィンガーアセンブリ114とストラップ122が0°から60°の範囲の一定角で一定の当接をしているデュワー瓶 50 の一部分に液体窒素が押し込まれるように、デュワー瓶 50は傾けられている。容器90 の上部壁 102は液体窒素をデュワー瓶 50に添加するための開口部103を有する。
Gallagherで記述されているデュワー瓶は、放射線検出器のコールドフィンガーを冷却するために使われている。それには、最も重要なことは試料はそれによって冷却されず単に検出器を冷却するということを含め、TEM 試料ホルダーとは異なる物理的な制約がある。。このデュワー瓶は適切なTEMイメージングに必要な条件である試料の振動及びドリフトについてどれも満足いくようには作られていない。また、放射線検出器の冷却に、デュワー瓶をコールドフィンガーの縦軸に傾斜させることが必要である、又は可能であるとさえしていない。Gallagherの台形型デュワー瓶は高い傾斜角では液体窒素を収容しないであろう。これは液体窒素の沸騰と流出を起こしかなりのサンプルのドリフトにつながる。デュワー瓶ネックの近くにある3つのコーナーも窒素ガスをトラップし、振動を引き起こし、それが同様に画像の解像度を制限するであろう。
従って、低温ホルダーをホルダーの縦軸のまわりで回転できるように改造する必要がある。それは液体冷却媒体と試料との間で最適な熱伝達をいつも維持しながら、顕微鏡内で試料を傾斜させることを可能にするであろう。サンプルのドリフトと振動を更に削減させ、装置内の熱ストレスを減少させるために、試料サポートカートリッジは冷却媒体から振動的に分離する必要があり、ホルダーの外部セクションは冷却媒体から熱的に隔離される必要がある。更に、ホルダーには、標準サイズの試料を受け取り、汚染を防ぐために輸送中に試料を任意に、また操縦可能に保護するカートリッジ試料チップを付帯する必要がある。
様々なイメージングと解析応用を目的とする低温試料ホルダーを開示する。本ホルダーは、ホルダードリフトと振動に関連する主要な課題を克服して、イメージング、解析情報の質を向上させる。
本発明の一実施態様によれば、試料ホルダーには液体窒素などの冷却媒体を収容し保存するデュワー瓶を有する。デュワー瓶は、内部液体サポート容器と外側の保護筐体の間に挟まれた部分真空がある従来型の真空フラスコとして作成されている。柔軟性のある熱伝導リボン、ひもなどこれらの組み合わせも含むセットが、試料から熱を奪う熱転写システムに組み込まれている。好ましい実施態様では、かかる柔軟性のある1 つの部材がデュワー瓶の最低地点に接続されている。この柔軟性のあるアセンブリの別の端は、サンプルカートリッジと熱接触している導体ロッドに接続されている。同様の柔軟性のあるアセンブリは導体ロッドとカートリッジ筐体の間に熱の接合部を形成しうる。好ましい実施態様では、例えば各サーマルリボンは冷却アセンブリの様々なコンポーネント間に振動抑制器を作成している。デュワー瓶の内部容器は、好ましくは円筒形であり、ホルダーの回転部とデュワー瓶自体の外部保護筐体の両方の縦軸からオフセットされた一定傾斜角で配置されている。好ましい実施態様では、これが、ホルダーアセンブリが傾斜中に方向が空間的に変化しない、内部の容器の弓状の V 字底表面を形作っている。円筒形の弓状底面の最低部でそれらが内部容器と当接するように、柔軟な伝導性リボンが貼られている。この結果、冷却媒体は、使用中の量の減少にもかかわらず、ホルダーの角度に関係なくデュワー瓶に伝導リボンが固定されている位置と常に当接している。ただし、熱伝導体に隣接する液体のこのような冷却媒体の密封を可能とする、どんな形状や構造も受容できる。従って、このデュワー瓶は傾斜角度がほとんどの応用では0o から +/- 90oまでの範囲、デュワー瓶の開口部のデザインによって限定される場合に限っては+/- 80oの範囲で安定な操作コンディションを保証する。従って特定のアプリケーションに適用されうる特殊なデュワー瓶の外形デザインで、追加の角変位が可能である。
追加の実施態様では、内部容器のネックはホルダーの傾斜範囲で窒素ガスをトラップしないように輪郭を作られている。容器のデザインは、またホルダーが高角度の時、液体窒素がこぼれるのを防いでいる。これによって、安定した無振動の操作条件を可能にしている。
更にホルダーは、ホルダーチップ内にある低温冷却シールドに後退できるサンプルカートリッジを有している。後退位置では、熱分離されているカートリッジが、極低温サンプルの周りで熱シールドとして機能し、サンプルの汚染や損傷を防いでいる。それ故に、本件のサンプルホルダーは低温作製した試料を、設置又は保存施設から電子顕微鏡への移送にうまく使用可能である。サンプルは現在の標準的な 3 mm ディスクを含むが、これらに限定されないどんな形状や構造のものも可能である。カートリッジは、電子顕微鏡の保護された環境への挿入後、顕微鏡内で観察のために操作位置へ伸長されうる。好ましいサンプルチップは、当技術分野では既知であるグリッドを含む標準のサイズと形状であるサンプルや試料を収容し保持するように調整されている。
その他の実施態様では、後退式カートリッジはホルダーチップ内にバネが付いている。これが、初期の熱のサイクリング中にカートリッジをストレスなしの平衡位置に固定し、関連するコンポーネント間の熱接触を促進し熱移動させる。バネは、ホルダーの外側バレルから完全に熱を遮断する断熱材からできている一対のローラーの上のカートリッジを押し付けている。カートリッジと冷却導体ロッドの間の熱接触を弱める振動を更に与えるために、柔軟な熱伝導性リボンアセンブリが備え付けられた。柔軟なリボンはまた様々な熱ストレスとひずみのために起こる冷却ロッドアセンブリの寸法の変化を補正する。
ホルダーは、その特徴と利点共に下記の詳細な説明と添付の図面を参照してより明らかになるであろう。
図1を参照すると、通常はホルダー200は3つの主要な部位から成っている。筐体202は、デュワー瓶アセンブリーを支えており、液体冷却媒体の添加とガスの排出用に、ネック207と開口部209から成る延長部品を備えている。ホルダーミドルバレル210は、フロントバレル212と共にゴニオメータによる挿入と制止に順応した中間部分を形成している。更に、ミドルバレル210とフロントバレル212は試料を顕微鏡内の適切な場所に配置できるサイズと形状に設計されている。バレルの部品のサイズと特定の配置は、異なる製造者によって製造された顕微鏡の物理的な制約に基づいて変わりうるということを特に留意すべきである。前面のバレル212は、筐体202と反対の方角にミドルバレル210 から外側に伸長し、試料カートリッジを兼備している。
図1と図3を参照すると、図2を参照にして更に説明されるように、筐体202は筐体202内の断熱スペースを真空排気する目的で使われるバブル504を更に備えている。電気コネクタ 502、509は、内部加熱アセンブリ 502aと内部温度センサー 246、それぞれについては図2と外部モニター制御装置（非表示）を参照にしてより詳しく記述されるが、それらの間の電気的インタ フェースを可能にするように取り付けられている。図 3 a と 4に 関して後ほど詳しく説明するように、ハンドル アセンブリ 249は前面バレル 212と関連して試料ホルダー カートリッジアセンブリの縦軸移動のために備えられている。当業者にとって互換性があるように、ハンドルアセンブリは、スライド式で移動できる電機子を含む既知のデザインから、又は歯車やカムシステムでにある回転ノブ 248によって構築されうる。
図2を参照すると、デュワー瓶アセンブリは筐体202内の一連の部品から成っている。内部容器204は、筐体202内に、通常は真空排気されたスペース211内に配置されている。内部容器204は、筐体202内の放射熱の影響を最小限にするために高反射外面を備えている。内部容器204は、液体窒素のような液体の冷却媒体を収容し保存するように作られている。内部容器204の内面は非常によく磨かれ滑らかであるか、そうでなければ、気泡生成の核生成ポイントを与える表面不整を避けるためにコーティングされている。特定の箇所で冷却媒体の保持力を向上させる目的で、吸着又は吸収性の材料を内部容器204内に取り付けが可能である。スポンジ 204 aが実例として示され、内部容器 204 a内のどの箇所にも取り付け可能である。当業者にとって既知であるように、冷却媒体と筐体202の間を断熱にする目的で、真空排気スペース211内に真空を作り出す。この真空が、筐体202を超えた周囲の大気と冷却媒体の間にある熱対流から加熱の影響を最小限に抑えることによって、安定な操作性を増している。下記で詳しく説明するように、内部容器 204は、リエントラントチューブ208を通り開口部209に位置する筐体202との接続によって完全にサポートされている。内部容器 204とリエントラントチューブ208の最上部は密封され、開口部209で接着部209aにより固定されている。これによって物理的なインタ フェースが最小化し、内部容器 204と熱の伝導が可能である筐体202の間に、伝導性の悪い材料を使った長い通路長の接続が作られている。内部容器 204はゼオライトなどのような真空吸着媒体 501に囲まれている。更に、ヒーターアセンブリ502aは筐体202内に備えられ、内部容器 204に接着している。真空の吸着媒体 501は真空排気スペース211 内にある水分を吸着する。ヒーター アセンブリ 502aは真空の吸着媒体 501を急速に加熱するのに使用される。それによって蒸気が生成する。バルブ 504 によって、加熱中の排気用ポート504a経由で外部真空システム（非表示）は真空排気スペース211に選択的に接続されている。このプロセスは、ホルダーが使われていない時、真空の条件を最適化するために定期的に実行される。詳しくは下記で記述するが、筐体202には作動ロッド240を固定する追加のメカニズムが含まれている。
内部容器 204 は、ホルダーの水平軸に対して固定した角度、例えば約20°で筐体202内に固定されている。この角度は、10°と50°の範囲で可能である。内部容器 204の円筒の形状は、軸からずれて固定されていることと相まって、高傾斜角の時でさえ、内部容器 204の最も低い、又は別のコレクションポイントにある時、弓状の表面に沿って、液体窒素の残量が全体のほぼ一定に真ん中になるよう維持することを可能にしている。これはゴニオメータ上に対称的な荷重分布を加え、傾斜中にホルダーの作動力を向上させる。
筐体202には内部容器 204に液体窒素を充填するための開口部 209がある。リエントラントチューブ208は内部容器 204を筐体202に接続している。リエントラントチューブ208は長い熱絶縁経路を作り、周囲温度である筐体202から極低温で維持されている内部容器 204に熱が流れるのを最小限に抑えている。厳密には、リエントラントチューブ208は、曲がったサポートを形成している円筒部品の頂点と底に交互に接続した同心の円筒部品複数から作られている。図 5 に追加の引例に更に詳しく記述されているように、ネック508は、窒素ガスが開口部209を通って内部容器 204から排出できるように容易な変換が可能であるよう設計されている。このデザインは、ホルダー 200が最大約80°までの角度に傾斜している時に、内部容器 204が液体窒素の気泡をトラップしないよう保証している。トラップされた液体窒素気泡を次々と除去することで、画像の解像度に悪影響を及ぼす振動を防止する。内部容器 204は約 200 mlの液体窒素を溜められるように設計されている。内部容器のこのデザインが、極端な傾斜角度である+/- 800でも液体窒素がこぼれることなくその量の 80 ％ までを収容することを可能にしている。
再び図 2 を参照すると、熱伝導リボンアセンブリ 214の一端が、内部容器 204の下部の外周面の下部弓状セクション206に接続されていて、一方、もう一方の端が導体ロッド505に接続されている。この結果、内部容器 204に存在する液体窒素は、ホルダーの角度に関係なく、内部容器 204の壁を通してリボンアセンブリ 214と常に近接触している。従って、この装置は高傾斜角度での安定した作動条件を可能にしている。リボンアセンブリ 214の柔軟性が、冷却媒体によって、又は騒音などの環境条件によって生じる振動を更に最小化する。リボンアセンブリ 214はまた熱変化によって生じる冷却ロッドアセンブリの長さの変化を補って、装置全体への負担を軽減する。
リボンアセンブリ214 は、内部容器 204の弓状セクション206から離れて伸張し、そこで熱伝導を確実にする溶接接合又は類似のものによって導体ロッド 505に接合している。単位構造又はモジュール構造であろう導体ロッド 505は、ミドルバレル210とフロントバレル212の本体を通って伸長している。放射シールド 218 は、導体ロッド 505の長さの大部分に沿って導体ロッド 505を同心円状に囲み密閉しているが、しかしそこは物理的に又は熱接触もしていなく、それの間に真空排気されたスペースが作られている。放射シールド 218 は、冷えた導体ロッド505 に更に断熱性を追加する、薄い壁のステンレス鋼チューブ又は他の弱い熱伝導体から構築されている。放射シールド 218 と導体ロッド505は、内部に設置されているが、ミドルバレル210 とフロントバレル212とは物理的又は熱接触していない。そして、それから導体ロッド505は、2 番目のリボンアセンブリ 214aを使いホルダーチップ230で試料カートリッジ筐体506に連結される。リボンアセンブリ 214aはリボンアセンブリ 214と同様に作動し、内部容器204と試料との間にさらなる振動減衰効果を与える。
図4a、4b、4c を参照すると、フロントバレル212は、フロントバレル212から空間をおいて離れている独自の断熱チューブ 258を備え付けている。ホルダーチップ230は、カートリッジ筐体506と熱接触が良いように、またスライド式に設置されている試料カートリッジ 232を含む。バネ236bは、試料カートリッジ 232とカートリッジ筐体506との間のスプリングウェル236c内に挿入され、作動ピン242によって特別に制御されるよりも、そこで滑りに抵抗する摩擦境界面を作り出している。これについては下記で更に詳しく記述される。試料カートリッジ 232とカートリッジ筐体506は分離マウントブロック 255と分離ロッド238との間に一緒に挿入されている。分離マウントブロック 255は、分離ロッド 238と連結して、フロント内部チューブ258内でバネ236aによってロードされているバネそのものである。分離棒 238と分離マウントブロック 255は一緒に、フロント断熱チューブ258や装置の残りの部分からカートリッジ筐体506を熱的に分離するのに役立っている。フロント断熱チューブ 258は、更に試料カートリッジ 232を熱遮断するためにチタンやステンレス鋼のような熱伝導の弱い材料で作られている。試料カップ 233を形作るくぼみが、試料カートリッジ 232の末端に作られ、試料カップには、顕微鏡システムで観察又は撮像するために、試料 235を収容し保持するための支持面 234を有する。支持面 234は電子顕微鏡やその他のイメージングアプリケーションに適切な標準型の直径3 mmの円形のグリッド、あるいは他の試料を受けられるように作られている。
図 4 aに示したように、カートリッジ 232の左横方向末端が前向き又は操作位置にある時、試料カップ233と試料235がフロントバレル 212の外側へ伸長している。フロント断熱チューブ 258とフロントバレル 212の内部にある、カートリッジ 232とカートリッジ筐体506は、分離ロッド238に対するバネ236aの力によって制御されている。バネ236aと236bは、好ましくはベリリウム銅などの非磁性材料から作られる。バネ236aと236bは、それぞれが分離マウントブロック 255と試料カートリッジ 232上それぞれに圧縮力をかけられるように調整されている。そして、このようにコンポーネントの不要なシフトを最小限にすることに加え、試料カートリッジ 232に伝わる外部振動を減衰させるように機能している。更に、バネ236aと236bは、試料カートリッジ 232が初期の熱のサイクリング中にストレス無しの平衡状態になることを可能にした。
試料カートリッジ 232は、ホルダー 200 の縦軸に平行な方向に移動可能であり、従って図にあるように、左と右に横方向へ移動できる。図 4 b に記載したように、後退位置では、試料カートリッジ 232の左の横方向末端と従って試料カップ 233、支持面 234、試料235がカートリッジ筐体506の内部位置に存在する。ホルダーチップ230には2つのバネ236a と 236bが付いていると図 4 a、4 b には示されているが、本発明の範囲から逸脱することなく、ホルダーチップ230には追加のバネが備え付けうることは当業者によって正しく認識されるであろう。温度センサー 246 が試料235の温度をモニターする目的でカートリッジ筐体506に直接設置されている。カートリッジ筐体506に対応する試料カートリッジ 232の動きを容易にするために、作動ピン 242が試料カートリッジ 232内のスロット 242aに挿入されている。作動ピン 242は、ホルダー 200 の全体に伸長しているアクチュエータ ロッド240に付いている。
図2、図3 及び図3 aを更に参照すると、ハンドル アセンブリ 249が、筐体202に近接しているアクチュエータ ロッド 240の端に付けられている。アクチュエータ ロッド 240は、いくつかの部品又は相互に接続されているモジュールから構成されているが、ミドルバレル210とフロントバレル212の内部スペース内に伸び、試料カートリッジ 232を移動させるために、装置の操作端で作動ピン242によって仕切られている。当業者に理解されるように、このような動きはどの方角、寸法でもありうる。試料カートリッジ 232は、ターニングローティションノブ 248による横力がアクチュエータ ロッド 240にかかる時、カートリッジ筐体506の出入りにおいて横方向へスライドできるように調整されている。ノブ 248は、ハンドル 249 内で回転できるように固定されているアクチュエータシャフト 252に付けられている。O リング シール 251が、ホルダー アセンブリ 1 の真空状態でありえる内部を周囲の大気から隔離するために使用されている。アクチュエータシャフト 252は、アクチュエータ ロッド 240と関連してカム 253を嵌合し調整するために回転することと、Oリング 251 の効果的な密封状態を維持しながら、ノブ248の回転運動がアクチュエータ ロッド 240 の横への動きを引き起こすことに留意したい。アクチュエータ ロッド240 は所定位置で拘束され、分離ロッド 238a及びアクチュエータ分離ブロック 238bによって熱的に分離されている。カム 253 とアクチュエータ ロッド240 は、作動ピン242が試料カートリッジ 232の最後の伸長及び後退位置でカートリッジと物理的に接触しないように設計されている。これは、熱の流出の主な原因を排除し、従って、カートリッジの温度をより安定したものへと促進している。
熱伝導性リボンアセンブリ 214はカートリッジ筐体506に接続している。リボンアセンブリ 214は、内部容器204から接続ロッド505を通ってカートリッジ筐体506と引き続き試料カートリッジ 232へと熱伝導の経路を与えている。この結果、残りのホルダーチップ230のコンポーネント、たとえば、作動ロッド 240、アクチュエータ ピン 242、バネ付きのロッド 238 と 238a とフロントバレル 212らが、周囲温度のままで維持されている。前に説明した先行技術の参照とは異なり、リボン アセンブリ 214はカートリッジ筐体506のみ、そして次に試料カートリッジ 232を冷却する。これによって効率的な冷却システムとなる。更に、ホルダーチップ230のコンポーネントの多くを熱分離することで温度勾配の負の効果を大幅に減少させ、試料のドリフトを防ぐことを可能とする。
図5a〜5f を参照すると、内部容器204は様々な量の液体冷却媒体を保持すると示されている。図 5aと5b に関して、内部容器204は0°の傾きで直立した、ニュートラルポジションにあると示されている。液体冷却媒体が内部容器204の名目量の80% に相当するレベルに満たされている。そのような液体冷却媒体の表面は参照Aに説明されている。図5cを参照すると、内部容器204が、ホルダーと関係する機能性と実用性のおおよその限界に相当する傾斜角度で示されている。その図は、極端な傾斜角度でさえ、液体の冷却媒体Aの表面はこぼれることなく内部容器204内に留まることを示している。図5dと5eを参照すると、内部容器204は0°の傾きで直立した、ニュートラルポジションにあると示されている。液体冷却媒体が内部容器 204の名目量の10% に相当するレベルに満たされていて、そのような液体の冷却媒体の表面は参照Bに説明されている。最後に、図 5f は、10%の レベルでの冷却媒体Bの表面と極端な傾斜角度での内部容器 204を示している。図5d〜5f は、装置の相当な使用後の内部容器204のありそうな状態を、そして沸騰による液体冷却媒体の対応する減少を表現している。 これらの図は、残りの液体の冷却媒体の大部分と、熱伝導性のリボン（非表示）に近接した内部容器204の下部弓状セクション206との間で十分な程度の接触があることを示している。内部容器204の下部弓状セクション206のコレクションポイントで冷却媒体によって十分な接触が成される、すべての傾斜角とすべての冷却媒体のレベルで、冷却媒体とそこに隣接して固定された熱伝導性のリボンとの間で最大の熱伝達が促進されているということに留意したい。
操作では、液体窒素は開口部209から内部容器204に収容される。特殊なデザインの内部容器204とネック508は、液体窒素を保持しながら内部容器204内で窒素ガスをトラップせずに、ホルダーの高傾斜角度を維持することを可能にしている。
オペレーターは試料235を標準的な 3 mm グリッド上で低温に保たれた環境で調製する。他のタイプの試料も本テクニックから恩恵を受けるであろうし、試料カップ233内に容易に置くことができる。試料カップ233もまた、実質的なイメージング装置の物理的な制約が観察される限り、そのジオメトリに関しては他の形状の試料を収容できるように調整可能である。そのような試料の調製と設置、そしてこれらを行うための極低温室については、当技術分野では既知であり本件では説明しない。そして、図4a に記載されたように試料カートリッジ 232が前方の位置にある時、試料235は、試料カップ233の支持面 234上に載せられる。そしてオペレーターは、作動ロッド240に横力を与えるノブ 248 (図 2) を回転させる。その力は作動ロッド240からアクチュエータ ピン 242に転移し、特に図4bに示されたように、横方向に、一般にフロントバレル 212に平行で、後退位置へと右方向へカートリッジ 232を移動させる。このように試料カートリッジ 232 は、カートリッジ筐体506内に収納されている。カートリッジ筐体506は試料を保護された熱冷却環境に置き、ホルダー 200は電子顕微鏡のような関連する画像処理や解析などの装置に移されうる。
いったん顕微鏡内に入ると、オペレーターはノブ248を使って作動ロッド240を押し、このようにして試料カートリッジ 232 に横力を与え、電子光学系に関して適切な位置にそれを移動させる。最終的な伸長位置で、作動カム253はアクチュエータ ピン 242をカートリッジから分離する。ここで試料は電子顕微鏡又はその他の画像処理や解析装置によってイメージングされる。
本明細書で用いられている用語及び表現は、限定ではなく説明のための用語として用いられ、よって、このような用語及び表現の使用において、本明細書に示されかつ説明されている特徴の同等物、又はその一部を除外する意図はなく、クレームされている発明の範囲内で様々な変更が可能であることは認識される。本発明の特定の実施態様が上記の詳細な説明で示されているが、本発明は、開示された実施態様だけに限定されないばかりではなく、再配列、変更、及び取り換えることが可能であることを理解するべきである。
Claims (39)
- イメージングと解析用装置の少なくとも一つにおいて試料を収容し、冷却し、位置を定める低温試料ホルダーであって、
前記イメージングと解析用装置の少なくとも一つに対して回転可能に取り付けられ、垂直の位置から±９０°まで回転する、細長筐体と、
前記細長筐体の一端に取り付けられ、前記試料を収容し保持する容器と、
前記細長筐体の他端に取り付けられる貯蔵容器であって、液体冷却媒体の保存を可能とし、前記細長筐体の回転中、前記液体冷却媒体が位置するコレクションセクションを備えた前記貯蔵容器と、
前記貯蔵容器に接着され、前記コレクションセクションに近接する熱伝導体と、を有し、
前記貯蔵容器は、その断面が円形であり、且つ円筒形であり、
前記円筒形の貯蔵容器は、中心に位置する中心軸があり、細長筐体には縦軸があり、前記貯蔵容器の前記中心軸は前記細長筐体の前記縦軸から２０度移動したところにあることを特徴とする低温試料ホルダー。 - イメージングと解析用装置の少なくとも一つにおいて試料を収容し、冷却し、位置を定める低温試料ホルダーであって、
前記イメージングと解析用装置の少なくとも一つに対して回転可能に取り付けられ、垂直の位置から±９０°まで回転する、細長筐体と、
前記細長筐体の一端に取り付けられ、前記試料を収容し保持する容器と、
前記細長筐体の他端に取り付けられる貯蔵容器であって、液体冷却媒体の保存を可能とし、前記細長筐体の回転中、前記液体冷却媒体が位置するコレクションセクションを備えた前記貯蔵容器と、
前記貯蔵容器に接着され、前記コレクションセクションに近接する熱伝導体と、を有し、
前記容器は、スライド式で前記細長筐体内に固定され、それと熱的に分離されていることを特徴とする低温試料ホルダー。 - 前記貯蔵容器は、断面が円形である、請求項２記載の低温試料ホルダー。
- 前記貯蔵容器は、円筒形である、請求項３記載の低温試料ホルダー。
- 前記貯蔵容器は、更に弓状断面を有し、前記コレクションセクションがそこに位置している、請求項１又は４に記載の低温試料ホルダー。
- 前記円筒形の貯蔵容器は、中心に位置する中心軸があり、細長筐体には縦軸があり、前記貯蔵容器の前記中心軸は前記細長筐体の前記縦軸から２０度移動したところにある、請求項４記載の低温試料ホルダー。
- 前記貯蔵容器の少なくとも一つの弓状セクションは、円筒状の前記貯蔵容器の壁によって形成されている、請求項５記載の低温試料ホルダー。
- 前記試料ホルダーは、前記イメージングと解析装置の前記少なくとも一つに関して、傾斜する方法で前記試料を移動させられる前記細長筐体の縦軸の周りを回転するように作られている、請求項１又は２に記載の低温試料ホルダー。
- 前記貯蔵容器は、前記縦軸に沿って前記ホルダーの前記回転中、前記液体冷却媒体を収容し貯蔵する少なくとも一つの傾斜のある壁を更に含む、請求項８記載の低温試料ホルダー。
- 前記貯蔵容器は、円筒状で、更に前記冷却媒体の注入用の開口部を含み、前記少なくとも一つの傾斜した壁は前記円筒状の貯蔵容器の壁と前記開口部から伸長している、請求項９記載の低温試料ホルダー。
- 前記容器と前記液体の冷却媒体は、前記細長筐体内で伸びている伝導体によって熱接触している、請求項１又は２に記載の低温試料ホルダー。
- 前記熱伝導体には少なくとも一つの曲げやすい部材を更に有する、請求項１１記載の低温試料ホルダー。
- 前記貯蔵容器は、真空排気されたスペースによって前記細長筐体と分かれている、請求項１又は２に記載の低温試料ホルダー。
- 前記貯蔵容器は、前記貯蔵容器と前記細長筐体との間に熱伝導を最小化する細長コネクターのみによって前記細長筐体内に固定されている、請求項１又は２に記載の低温試料ホルダー。
- 前記細長コネクターは、曲がりくねった渦巻き状の通路を更に含む、請求項１４記載の低温試料ホルダー。
- 前記容器は、前記細長筐体と熱的に分離されている、請求項１又は２に記載の低温試料ホルダー。
- 前記容器は、スライド式で前記細長筐体内に固定され、それと熱的に分離されている、請求項１記載の低温試料ホルダー。
- 前記スライド式で固定された容器は、操作モードで前記細長筐体から伸長し、非操作モードでは前記細長筐体内に後退している、請求項２又は１７に記載の低温試料ホルダー。
- 前記試料ホルダーは、前記イメージングと解析装置の少なくとも一つに関して、傾斜する方法で前記試料を移動させられる前記細長筐体の縦軸の周りを回転するように作られている、請求項１８記載の低温試料ホルダー。
- 前記細長筐体と前記容器の間に挿入された弾力のある部材を更に含む、請求項１８記載の低温試料ホルダー。
- 前記弾力のある部材は、バネからなる、請求項２０記載の低温試料ホルダー。
- 前記容器は、部品部材からなり、前記弾力のある部材は前記容器の前記部品間の接触力を増加させ、それらの間の熱の移動を促進する、請求項２０記載の低温試料ホルダー。
- 前記容器は、固定された筐体内に固定されたスライド式カートリッジを更に有する、請求項１８記載の低温試料ホルダー。
- 前記スライド式カートリッジと前記固定された筐体の間に挿入された弾力のある部材を更に有する、請求項２３記載の低温試料ホルダー。
- 前記弾力のある部材は、バネからなる、請求項２４記載の低温試料ホルダー。
- 前記弾力のある部材は、前記スライド式カートリッジと前記固定された筐体の間の接触力を増加させ、それらの間の熱移動を促進する、請求項２４記載の低温試料ホルダー。
- 前記固定された筐体は、前記細長筐体から前記固定された筐体を熱と振動の面で隔離する複数の分離部材間に挿入されている、請求項２３記載の低温試料ホルダー。
- 前記細長筐体内に固定されていて、前記細長筐体内に前記スライド式カートリッジの遠隔作動のために前記スライド式カートリッジと物理的に接している、アクチュエーターアームを更に含む、請求項２３記載の低温試料ホルダー。
- 前記アクチュエーターアームは、前記カートリッジを操作モードで前記細長筐体から伸長し、非操作モードでは前記細長筐体内に後退させる、請求項２８記載の低温試料ホルダー。
- 前記アクチュエーターは、前記スライド式カートリッジにある受信スロット内にスライドして位置している、請求項２８記載の低温試料ホルダー。
- 前記アクチュエーターアームは、前記容器と熱及び振動の面で隔離されている、請求項２８記載の低温試料ホルダー。
- 前記アクチュエーターアームは、更に、密封された回転コントロールを含み、この回転コントロールにより前記ホルダー内の真空環境と周囲の大気との間にバリアーを形成する、請求項３１記載の低温試料ホルダー。
- 前記アクチュエーターアームは、前記アクチュエーターアーム移動用のコントロールアセンブリを更に含む、請求項２８記載の低温試料ホルダー。
- 前記容器と前記貯蔵容器は、前記細長筐体内で伸びている伝導体によって熱接触している、請求項１８記載の低温試料ホルダー。
- 前記熱伝導体は、更に、少なくとも一つの曲げやすい部材を含む、請求項３４記載の低温試料ホルダー。
- 更に、前記容器と熱的につながっている温度センサーを有する、請求項１８記載の低温試料ホルダー。
- 前記容器は、前記細長筐体と熱的に分離されている、請求項１８記載の低温試料ホルダー。
- 前記貯蔵容器は、その中の特定のポイントで前記液体冷却媒体を保持する吸着剤及び吸収材の一つを更に備えている、請求項１８記載の低温試料ホルダー。
- 前記貯蔵容器は、その中の特定のポイントで前記液体冷却媒体を保持する吸着剤及び吸収材の一つを更に備えている、請求項１又は２に記載の低温試料ホルダー。
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