JP7273490B2 - 荷電粒子顕微鏡等のための極低温サンプルの改良された調製 - Google Patents
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Description
- 極低温流体を輸送するための2つの導管を用意することであって、導管のそれぞれは、マウスピース内に開通しており、マウスピースは、介在ギャップを介して互いに対面するよう配置される、用意するステップと、
- サンプルを当該ギャップ内に置くステップと、
- 極低温流体を当該導管を介してくみ上げて、当該マウスピースから同時に流出させ、これにより、サンプルを2つの対向する側からの極低温流体中に急速浸漬させるステップと、を含む方法に関する。
本発明はまた、
- サンプルを保持するためのサンプルホルダと、
- 少なくとも当該サンプルホルダにある間、サンプルを極低温に維持するための冷却装置と、
- 荷電粒子のビームを生み出すためのソースと、
- 当該ビームを配向してサンプルを照射するための照明器と、
- 当該照射に応じてサンプルから放射される放射線の流束を検出するための、検出器と、を含む荷電粒子顕微鏡におけるかかるサンプルの使用に関する。
- SEMでは、走査電子ビームによるサンプルの照射により、サンプルから、例えば、二次電子、後方散乱電子、X線ならびにフォトルミネッセンス(赤外光子、可視光および/または紫外光子)の形態での「予備」放射線の放出が促進され、次に、放出放射線のこの流束の1つまたは複数の成分が検出され、画像蓄積目的に使用される。
- TEMでは、サンプルを照射するために使用される電子ビームとして、サンプルに進入する(この目的のため、サンプルは、一般にSEMサンプルの場合より薄い)のに十分に高いエネルギーのものが選ばれ、次に、サンプルから放出する透過電子の流束を使用して、画像を作製することができる。かかるTEMが、走査モードで操作される(したがって、STEMとなる)とき、照射電子ビームの走査動作の間、対象の画像が蓄積される。
https://en.wikipedia.org/wiki/Focused_ion_beam
http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_Helium_Ion_Microscope
- W.H.Escovitz,T.R.Fox and R.Levi-Setti,Scanning Transmission Ion Microscope with a Field Ion Source,Proc.Nat.Acad.Sci.USA 72(5),pp 1826-1828(1975).
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22472444。
- ショットキー電子源またはイオン銃のような、放射線源。
- ソースから「生の」放射線ビームを操作し、それに、集束、収差軽減、クロッピング(開口部での)、フィルタ処理などのようなある種の操作を実行するよう働く、照明器。それは一般に、1つまたは複数の(荷電粒子)レンズを含み、他の種類の(粒子)光学部材をまた含んでもよい。所望なら、出力ビームが評価されるサンプルに渡り走査動作を実行するようにさせ得る偏向器システムを有する照明器が、提供され得る。
-評価下のサンプルが保持され、位置決めされる(例えば、傾けられる、回転される)、サンプルホルダ。所望なら、このホルダを動かして、サンプルに関してビームの走査動作を果たすことができる。一般に、かかるサンプルホルダは、メカニカルステージのような位置決めシステムに接続される。ホルダは、サンプルを所定の(高いまたは低い)温度範囲に維持する手段を含んでもよく;本発明の特定の状況では、それは、典型的には、サンプルを極低温にて維持する手段を含む。
- 事実上、一体型または複合/分散型であり得、検出される放射線に応じて、多くの異なる形態を取ることができる、検出器(照射されたサンプルから放出される放射線を検出するため)。例は、フォトダイオード、CMOS検出器、CCD検出器、光電池、X線検出器(例えば、シリコンドリフト検出器およびSi(Li)検出器)などを含む。一般に、CPMは、幾つかの異なる種類の検出器を含み、その選択は、異なる状況下で行われ得る。
- 本質的には、サンプル(面)を通過する荷電粒子を取り込み、それらを、検出/画像化装置、分光装置(例えば、EELSモジュール;EELS=電子エネルギー損失分光法)などのような、解析機器に配向する(集束する)、画像化システムを含む。上で言及された照明器と同様に、画像化システムはまた、収差軽減、クロッピング、フィルタ処理などのような、他の機能を実行してもよく、一般に、1つもしくは複数の荷電粒子レンズ、および/または他の種類の粒子-光学部材を含む。
- CPMの(準)真空環境に導入された水性液体は、アウトガス/沸騰し始め、したがって、標本を劣化させる傾向にあり、
- これを防ぐために、サンプル(標本+水性液体)は、当該真空に導入される前に、まず凍結され得、
- しかしながら、(鋭い)氷晶の形成により引き起こされる標本への損傷を防ぐために、かかる凍結は、一般に、著しい氷晶化なくサンプルのガラス化(無定形のガラス様相への固化)を達成することを目的として、非常に迅速に実行されなければならないので、CPMにおけるそれらの調査に関する有意な課題を提示し得る。
- 当該導管は、プランジャ内に配置され、それにより、それぞれの導管が、プランジャの下側に入口の開口部を有し、当該ギャップが、プランジャの上側の溝として提供され、
- 極低温流体のバスは、当該プランジャの下に提供され、
- 当該サンプルは、下降圧力を当該プランジャに適用するツールを使用して、当該溝に挿入され、それにより、プランジャを少なくとも部分的に沈ませ、当該バス中の極低温流体を当該入口の開口部内に流し、当該マウスピースを出現させる。
- 用いられる凍結剤バスにおいて本質的に浮力があるように具体化され、および/または例えば、それを、例えば、バネ機構を使用して上方に偏らせることにより、人工的に「浮力がある」ようにされてもよい。この方法では、プランジャが、(その上方/戻り「行程」にて)そこから離れるとき、シャッターは、(デフォルト/開始位置まで)上方に戻る/元に緩める。
- その挙動を垂直の経路に強いる誘導装置/レールに結び付けられてもよい。
- 調節可能な停止を使用して、ある種のレベルより上に(深さdにて)上昇することを省略されてもよい。
- 問題の「ツール」は、例えば、ピンセットまたはプライヤであってもよく、それを使用して、標本をその端によりしっかりとつかむことができる。かかるツールは、例えば、突出したもの、バール、またはツールの挿入挙動(溝内)をプランジャの(下方への)同時挙動に置き換えるために、プランジャ(またはそれ上のいくつかの構造物)の上部と係合する局所的な拡大物のような特徴部を含む。
- プランジャは、初めのうちは、凍結剤バス内に(浅く)浮いていてもよいか、または代わりに、バスにつり下げられていてもよい。
- 図3A~3Cにおける説明は、サンプル面が垂直に合わせられ、極低温流体が、マウスピースから水平に流出する概要を描くが、これは、必ずしも、そうである必要はない。代わりに、例えば、サンプル面が水平に合わされ、マウスピースがそれより上と下に配置され、極低温流体が、マウスピースから垂直に流出する、構成を構成することができる。両方の概要において、実質的に等しい両方の導管の(累積的)長さを有して、プランジャが適当に沈んだとき、両方のマウスピースからの極低温流体の実質的に同時の配給を確かにすることが、望まれる。
- プランジャは、それらが、極低温での使用と適合する(例えば、もろさの点)限り、様々な材料から作られてもよい。例は、例えば、ステンレススチール、チタンおよび(ある種の)セラミックを含む。
- 1つは、末端/外周/円周の周囲をマウスピースのそれぞれと関連付けることができる。これは、必ずしもそうである必要はないが、典型的には円形である。
- これらの周囲は、理想的には、共通の軸に中心を置く。
- この共通の軸は、(平面の)サンプルの面を(およそ)通常の/垂直の角度にて交差させる。共通の軸はまた、理想的には、サンプルの幾何学的中心/図心/重心を通る。
- 名目上、サンプルは、マウスピースから等距離であるように(またはグリッドにかけられた膜を含むサンプルの場合では、膜がマウスピースから等距離であるように)、位置づけられる。サンプル/膜が特定のマウスピースの近くにあれば、次に、サンプルの前側および後側の流出の同時開始を、例えば:
- 凍結剤の、その特定のマウスピースに接続された導管へのくみ上げを若干遅延させること;または/および
- その特定のマウスピースに接続された導管が、他のマウスピースに接続されたものより若干長いことを具体化すること
により、依然として確かにする。
- 一方の側は厚い基板を含んでもよく、他方の側は薄いラミネーション/膜を含んでもよく、
- 一方の側は無定形の材料を含んでもよく、他方の側は結晶であってもよく、
- 一方の側は、第1の特異的な熱容量を有する材料を含んでもよく、他方の側は、実質的に異なる熱容量を有する材料を含んでもよい、など。かかる差は、本発明の適用を正当化することができ、それにより、第1の側の流出が、第2の側の流出と異なるよう構成される。
図1は、本発明と合わせて使用され得るサンプルSの特定の実施形態の態様の詳細な(拡大された)断面を提供する。この特定の種類のサンプルSは、「グリッド」または「Autgrid」Gとしてしばしば言及されるものを含む。それは、ワイヤ(例えば、CuまたはNiなどを含む)の円環21aを含み、環の直径は、典型的には、約3mmの等級のものであり、ワイヤの直径は、典型的には、約20~100μmの等級のものである。環21a内に直線状のワイヤ部分21bが結び付けられ、それは、(この場合では)直交グリッドパターンを形成するよう配置され、故に、(実質的に四角形の)開口部(口/孔/窓)23のマトリクス様アレイを定義する。図1の中央部分は、直径B-B’に沿って取得された、図の上方部分の横の断面図を示す。それは、グリッドGが、互いに実質的に平行の、対向する第1(S1)および第2(S2)の「表面」を有する、実質的に平面(平板様)の形態を有することを示す。そこに描かれる通り、膜25は、第1の表面S1に広げられている(および、場合により、例えば、接着剤を使用して、または溶融結合により、ワイヤ21bに取り付けられる)。この膜25は、例えば、ナイロンまたはグラフェンのような炭素質材料を含んでもよく、典型的には、約0.3nm~数百nmの範囲にある厚さ(Y方向で)を有する。膜25は、図の底部の詳細図において明確に視認できる、穿孔27の分布を含む。これらの穿孔27は、典型的には、約1.2~3.5μm(例えば、約2μm)の範囲内の直径(XZ面に平行)を有する。本質的に、グリッドGは、膜25用の足場として機能し、膜25は、順に、穿孔27用の支持構造として機能する(その結果、それはときに、「孔あき炭素サポート」と言及される)。穿孔27内では、最終的な「標本」が、それぞれの所定の穿孔27に渡り広げられ、(とりわけ)表面張力効果のおかげでその場に留まる、水性液体(そこに懸濁された1つまたは複数の研究標本を含む)の薄膜29の形態で、提供され、支持されるべきである。図1に描かれ(グリッドG+有孔膜25、27)、上記された構造は、例えば、米国、カリフォルニア、レディングのTed Pella,Inc.のような会社から市販されていることに注意されるべきである。また、例えば、ドイツ、イエナ、Quantifoil Micro Tools GmbHのような会社から、(様々な)予め製造された孔あき炭素膜(有孔膜25、27に対応する)を購入することが可能である。とりわけ、本発明の状況下で、説明される構造は、「後側」Sbおよび「前側」Sfを有するとみなされ得る。
図3A~3Cは、本発明による方法および機器の実施形態の態様を示す。図3Aから始めると、これは、極低温流体を輸送するための一対の導管31a、31bを示す。これらの導管31a、31bのそれぞれは、2つの外部オリフィスを有し、これらは(それぞれ)、
- (下側)入口オリフィス37a、37bであり、これを介して、極低温流体が導管31a、31bに進入することができ、
- (上側)マウスピース(出口オリフィス)33a、33bであり、これを介して、極低温流体が導管31a、31bから出現する。これらのマウスピース33a、33bは、介在ギャップ35を介して互いに対面する。
- 利便性のため、様々な部材31a、31b、33a、33b、35、37a、37bは、ここで、本体Pにあるとして描かれ、この本体Pは、それらをその場に維持するためのマトリクス/構造として機能し得;例えば、本体Pは、金属、セラミックまたはエポキシの栓/ブロックであってもよく、ここで、これらの様々な部材は、例えば、鋳造、成型、機械加工または3Dプリントにより作製された。しかしながら、これは、必ずしも、そうである必要はなく、様々な部材は、代わりに(準)自立構造であることもできる。
- オリフィス37a、37b;33a、33bは、ここで、フレア状であると描かれるが、必ずしも、そうである必要はない。
- ギャップ35は、均一の幅であると描かれるが、代わりに、例えば、先細であることもできる。それは、理想的には、比較的狭く(Y方向に)、最初の流出同期化および対称性を改善すべきである。
- ここで描かれる通り、メッシュ/ふるい/発泡膜39a、39bは、サンプルSの(名目上の)挿入された位置に近接近して配置された、それぞれのマウスピース33a、33bにおいて提供され、これにより、サンプルSに近い「壁」が作られ、可能性のある流出待ち時間を減らし、サンプルSの両側での流出における任意の最初の非対称/相違を低減するが、依然として、凍結剤の「結合」を防ぐのにサンプルSから十分に遠い。
- サンプルSは、直径3mmかつ厚さ0.4mmの平面グリッドを含む。
- マウスピース33a、33bの直径:3~4mm。
- 導管31a、31bの直径:2.5mm。
- マウスピース31a、31bの分離/ギャップ35の幅:1mm。
- マウスピース31a、31bからの流速:約5~15m/s。
- 凍結剤バスの表面9より下の選択された名目上の距離dで配置された、ふた(カバー/ブランカ)41。
- Z軸に実質的に平行のふた41の動作を可能にし、誘導する、レール/誘導装置43。この目的のため、ふた43は、レール43と共に作動して、2つのものの代替の動作を可能にする開口部43’(または例えば、クラスプまたはランナのような他の適当な構造)を含んでもよい。
- (深さdでの)ある種のポイントを超えたふた41の上方向の動作を防ぐ調節可能な停止(例えば、スクリューロックされたカラー摺動のような)。
- 図3Bにおいて、かかる係合は、まだ生じていない。プランジャPは、凍結剤7を介して下方向に動いており、これにより、(さらなる)凍結剤を導管31a、31bに強力に導入する。関連の圧力ヘッドが、凍結剤を両方のマウスピース31a、31bから流出させ、これは、図3Aにおいて、マウスピース31a、31bの間の空間を埋める斜線部により説明される。
- 図3Cにおいて、プランジャPは、ふた41と係合し、プランジャPおよびふた41は、下方向に共に動いている(矢印47を参照)。そのサイズ/位置付けのため、ふた41は、左入口オリフィス37aのみと係合し、これにより、それをブロックし/取り付け、そこに凍結剤が流れるのを防ぎ;他方、右入口オリフィス37bは、この方法で妨げられない。結果として、左マウスピース33aからの凍結剤の流出がやみ、一方、右マウスピース33bからの流出は継続する。このとき、斜線部(流出)は、右マウスピース33bから来るのみである。
図4は、本発明に従って調製されたサンプルを調べるために使用することができるCPMの実施形態の非常に略した図であり;より具体的には、それは、透過型顕微鏡Mの実施形態を示し、この場合では、TEM/STEMである(しかし、本発明の状況下で、同程度に有効なのは、例えば、イオンベースの顕微鏡である)。図において、真空外被V内で、電子源2(例えば、ショットキーエミッタのような)は、電子光学照明器4を横切る電子のビームCを生み出し、それを、標本Sの選択された部分(例えば、(局所的に)薄くされ/平面にされていてもよい)に配向し/集束させるのに役立つ。この照明器4は、電子光学軸C’を有し、一般に、様々な電気/磁気レンズ、(スキャン)偏向器(複数を含む)D、補正器(例えば、スティグメータ)などを含み;典型的には、それはまた、コンデンサシステム(部材4の全体が、ときに「コンデンサシステム」として言及される)を含むことができる。
- TEMカメラ14。カメラ14で、電子流束は、コントローラーEにより処理され、例えば、フラットパネルディスプレイのようなディスプレイ装置(描かれていない)に提示され得る静止画像(またはディフラクトグラム)を形成することができる。不要なときは、カメラ14を引込め/撤収して(図式的に、矢印14’により示される)、軸C’を離れてそれを取得することができる。
- STEM撮像装置(カメラ)16。撮像装置16からの出力は、標本S上のビームCの(X,Y)走査位置の関数として記録され、X、Yの関数として、撮像装置16からの出力の「マップ」である画像が構築され得る。撮像装置16は、例えば、カメラ14に特徴的に存在する画素のマトリクスと対照的に、例えば、20mmの直径を有する単一の画素を含み得る。さらに、撮像装置16は、一般に、カメラ14(例えば、1秒当たり102画像)より、ずっと高い取得速度(例えば、1秒当たり106ポイント)を有する。再度、不要なときは、撮像装置16を引込め/撤収して(図式的に、矢印16’により示される)、軸C’を離れてそれを取得することができる(しかし、かかる取り外しは、例えば、ドーナツ状暗視野撮像装置16の場合、必要ではなく;かかる撮像装置において、撮像装置が使用されないときは、中央孔により、ビームが通過することが可能になる)。
- カメラ14または撮像装置16を使用した画像化の代替として、分光装置18も起動することができ、それは、EELSモジュール、例えば、(EELS=電子エネルギー損失分光法)であり得る。
- 冷却装置H’は、ホルダHに(例えば、銅ロッドおよび/またはひもを介して)熱で強く接続され、凍結剤で充填され得るデュワー/フラスコを含む。
- 複合構造H+H’は、CPM Mに挿入され/CPM Mから取り除かれ得、これにより、位置決めシステムAの受容部により、設置され/クランプ留めされ得る。
Claims (14)
- サンプルが凍結剤を用いた急冷に供される、極低温サンプルを調製する方法であって、以下の、
- 極低温流体を輸送するための2つの導管を用意することであって、導管のそれぞれは、マウスピース内に開通しており、マウスピースは、介在ギャップを介して互いに対面するよう配置される、用意するステップと、
- 前記サンプルを前記ギャップ内に置くステップと、
- 極低温流体を前記導管を介してくみ上げて、前記マウスピースから同時に流出させ、これにより、前記サンプルを2つの対向する側からの極低温流体の中に急速浸漬させるステップと、を含み、
第1の前記マウスピースからの極低温流体の前記流出が、第2の前記マウスピースから適用されるものと異なるように、所定の時間間隔の後に第1の前記マウスピースから適用される極低温流体の前記流出を低減することにより特徴付けられる、方法。 - 前記第1のマウスピースから適用される極低温流体の前記流出の持続時間が、前記第2のマウスピースから適用されるものと比較して短い、請求項1に記載の方法。
- 両方のマウスピースからの前記流出が、実質的に同時に開始する、請求項1または2に記載の方法。
- 前記第1のマウスピースからの前記流出が、前記所定の時間間隔の後に終結される、請求項1~3のいずれか1項に記載の方法。
- シャッターを使用して、前記第1のマウスピースから適用される極低温流体の前記流出が低減される、請求項1~4のいずれか1項に記載の方法。
- - 前記導管がプランジャに配置され、これにより、それぞれの導管が、前記プランジャの下側に入口の開口部を有し、前記ギャップが、前記プランジャの上側において溝として提供され、
- 極低温流体のバスが、前記プランジャの下に提供され、
- 前記サンプルが、前記プランジャに下降圧力を適用するツールを使用して、前記溝に挿入され、これにより、前記プランジャを少なくとも部分的に沈ませ、前記バス中の極低温流体を前記入口の開口部内に流し、前記マウスピースを介して出現させる、請求項1~5のいずれかに記載の方法。 - 前記プランジャが前記バスに沈むにつれ、第1の前記導管に接続された、第1の前記開口部が、前記バスの表面より下の選択された距離で配置されたふたと係合し、次に、ふたが前記プランジャと共に動いて、前記第1の開口部を閉じたままにする、請求項6に記載の方法。
- - 前記サンプルが実質的に平面であり、対向して位置する主な表面を備え、
- 前記サンプルが、前記主な表面が前記マウスピースに対面するように、前記ギャップに配置される、請求項1~7のいずれかに記載の方法。 - - 前記サンプルが、有孔膜を有する平面のグリッドを含み、これにより、前記膜の後側が、前記グリッドの表面に置かれ、
- 前記サンプルが、前記後側が前記第1のマウスピースに対面するように、前記マウスピースの間に位置付けられる、請求項8に記載の方法。 - 前記極低温流体が、範囲-160℃~-183℃内の温度の液体エタンを含む、請求項1~9のいずれかに記載の方法。
- サンプルが凍結剤を用いた急冷に供される、極低温サンプルを調製するための機器であって、
- 極低温流体を輸送するための1対の導管であって、導管のそれぞれは、マウスピース内に開通しており、マウスピースは、前記サンプルが配置され得る介在ギャップを介して互いに対面するよう配置される、1対の導管と、
- 極低温流体を前記導管を介して汲み上げ、前記マウスピースから同時に流出させ、前記サンプルを2つの対向する側からの極低温流体に急速浸漬させるための、くみ上げ機構と、を含み、
所定の時間間隔の後に第1の前記マウスピースから適用される極低温流体の前記流出が、前記第2の前記マウスピースから適用されるものと異なるように、第1の前記マウスピースから適用される極低温流体の前記流出が低減され得るように構成される、機器。 - - 前記導管がプランジャに配置され、これにより、それぞれの導管が、前記プランジャの下側に入口の開口部を有し、前記ギャップが、前記プランジャの上側に溝として提供され、
- 前記極低温流体が、前記プランジャの下のバスに提供させることができ、
- 前記溝が、サンプルを前記溝に挿入し、前記プランジャに下降圧力を同時に適用して、前記バス中に前記プランジャを少なくとも部分的に沈ませ、極低温流体を前記入口の開口部内に流れさせ、前記マウスピースを介して出現させるツールと係合するように構成される、請求項11に記載の機器。 - 前記プランジャが前記バス内で所定の深さに達したとき、前記第1のマウスピースに接続された、第1の前記導管を塞ぐように配置されたシャッターを含む、請求項12に記載の機器。
- - サンプルを保持するためのサンプルホルダと、
- 少なくとも前記サンプルホルダにある間、前記サンプルを極低温に維持するための冷却装置と、
- 荷電粒子のビームを生み出すためのソースと、
- 前記ビームを配向して前記サンプルを照射するための照明器と、
- 前記照射に応じて前記サンプルから放射される放射線の流束を検出するための検出器と、を含む、荷電粒子顕微鏡における請求項1~9のいずれかに記載の方法を使用して調製されたサンプルの使用。
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