KR100938241B1 - 투과전자현미경 홀더 전처리를 위한 dps - Google Patents

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Abstract

본 발명은 투과전자현미경에서 생체시료를 관찰하기 위한 Cryo transfer holder의 전처리를 위한 Dry pumping system(DPS)에 관한 것으로서, 진공챔버가 게이트밸브에 의해 제1진공챔버와 제2진공챔버로 구획되고, 상기 제1진공챔버 및 제2진공챔버는 진공펌프에 의해 배기되며, 진공포트 및 에어밸브가 제2진공챔버에 장착되어 있는 DPS에 관한 것이다.
본 발명에 의한 DPS를 이용하면 cryo 실험 시 사용하는 cryo transfer holder의 전처리 작업 시간이 많이 단축하는 효과를 얻을 수 있다.
생체, 시료, 진공, TEM, 투사전자현미경, 홀더, Dry pumping system, 전처리

Description

투과전자현미경 홀더 전처리를 위한 DPS{DPS for Pre-treating a Cryo transfer holder of TEM}
본 발명은 투과전자현미경에서 생체시료를 관찰하기 위한 Cryo transfer holder의 전처리를 위한 Dry pumping system에 관한 것이다.
TEM(Transmission electron microscope: 투과 전자 현미경)은 전자현미경의 일종으로, 광원과 광원렌즈 대신 유사한 성질을 지닌 전자선과 전자 렌즈를 사용한 현미경이다. 전자선은 광선과 비교하면 물질과의 상호작용이 현저하게 크기 때문에 시료는 아주 얇아야 하며 진공 중에 놓여지게 된다. 전자선이 시료를 투과할 때에 생기는 산란흡수, 회절, 위상 3가지의 contrast(명암) 발생원리을 이용한 장비이다.
TEM은 해상력이 광학현미경에 비해 매우 뛰어나서 대상물의 미시적인 내부구조를 고배율로 확대하여 관찰할 수 있을 뿐 아니라, 국부적인 영역의 화학조성까지도 비교적 정확하게 분석할 수 있다. 이러한 특성에 따라, TEM은 반도체, 금속 등의 재료과학분야에서 재료의 입계(粒界), 계면, 격자 결함, 상전이 등의 연구에 응 용되며, 의학, 생물분야에서는 미생물, 세포등의 생체조직의 연구에 사용되며 특히 시료가 미량인 생체고분자의 연구에 효과적으로 사용되고 있는 등, 생명과학 분야 및 신소재, 신기능소자의 개발에 불가결한 장치이다.
TEM에서 생체 시료를 관찰하는 방법에는 화학고정법과 cryo법이 있다. 화학고정법은 고정액을 미세한 세포구조에 투입시켜 고정한 후 박막으로 절단하여 관찰하는 방법이다. 이 방법에 의하면, 고정액이 세포까지 투입되는 속도가 느리고, 화학적 고정액에 의해 세포가 변형되기 때문에 원형 그대로의 세포 구조를 관찰하기는 힘들다.
한편, 생체시료는 근본적으로 매우 가벼운 원소로 구성되어 있다. 따라서 염색되지 않은 상태라면 산란에 의한 명암효과가 매우 적게 나타난다. 그런데 얼음에서의 전자산란효과는 액체 상태에서의 전자산란효과보다 우수하기 때문에, 수분함유 생체의 동결시료에서의 수분은 명암효과를 증대시키는 효과를 나타낸다. 또한 수분함유 생체의 동결시료는, 화학적 고정이나 추가적인 염색과정에 의해 생체가 영향받지 않기 때문에 자연상태의 시료와 매우 유사하다. 따라서 cryo-TEM은 생명과학분야 연구에서 중요한 역할을 하고 있다.
cryo-TEM 방법으로 생체시료를 관찰하기 위하여 통상 다음과 같은 절차를 밟는다. 먼저, 시료를 액체(물, 버퍼 등)에 혼탁시킨 후 피펫으로 소정의 전처리된 지지막(그리드)에 얹고 여과지 등으로 물기를 제거한다. 액체질소온도 수준으로 냉각된 ethane 용액에 시료그리드를 담가 얼음결정이 생기지 않게 급속 냉각시킨 다. 급속냉각된 시료그리드를 액체질소가 든 작업통(workstation insulated vessel)에서, cryo transfer holder(이하 '홀더'라 함) 말단의 시료대(specimen cradle)로 옮긴다(이때까지를 "시료준비단계"라 함). 홀더를 TEM에 장착하고 이미지를 얻는다.
이때 홀더(시료대)의 온도가 변화하거나, 홀더와 TEM 본체와의 온도 차이가 있는 경우 해상도에 큰 악영향이 있기 때문에, 도 1에 도시된 바와 같이 시료지지봉 및 단열용기부(dewar)로 이루어진 구조의 홀더를 사용한다. 도에서 위는 장착대에 장착된 홀더의 사진이고, 아래는 홀더의 단면구조를 개념적으로 표현한 도면이다. 시료를 일정한 저온에서 안정적으로 유지하기 위해서는 홀더 단열용기부는 외부에서 내부로의 열전도가 차단되도록 이중용기(보온병)구조로 되어 있고, 외부로는 배기포트 및 에어밸브가 설치되어 있다. 홀더를 이용하기 위해서는 먼저 단열용기부의 배기포트에 진공펌프를 연결하여 외부용기와 내부용기(액체질소용기) 사이를 고진공 상태로 유지되도록 한 다음 단열용기부의 내부용기에 액체질소를 담고(이때까지가 "홀더 전처리단계") 상기 "시료준비단계"를 진행하는 것이다.
이때 사용하는 진공펌프 시스템(DPS; Dry pumping system)은 도 2에 도시된 것과 같은 구조로 되어 있다. 도 2a와 2b는 각각 홀더와 DPS가 연결튜브로 연결된 상태의 사진 및 개념도이다. 종래 DPS의 사용 순서는 통상 다음과 같다. : ① 먼저, DPS의 에어밸브를 잠근 상태에서 진공펌프(통상 diaphragm pump와 turbo molecular pump를 사용)를 작동시켜 진공챔버 내를 소정의 진공상태(통상 10-6torr) 가 되도록 한다. ② 홀더의 배기포트와 DPS의 진공포트를 연결튜브로 연결하고 DPS의 에어밸브와 홀더의 에어밸브를 개방한다. ③ 소정의 진공상태(통상 10-6torr)에서 통상 24시간 유지한다. ④ 필요한 경우 baking-out 절차를 밟는다. ⑤ 홀더의 에어밸브와 DPS의 에어밸브를 잠그고 펌프 전원을 차단한 후 홀더를 분리(하여 시료준비단계 수행)한다.
그러나 종래 DPS는 장비를 가동할 때 pump 회전이 최고속도까지 도달하는 시간이 오래 걸리고 holder를 장착·탈착할 때도 pump가 정지하여야 하기 때문에 시간이 많이 소비되어 홀더 내부의 최적의 조건을 만드는데 시간이 상당히 오래 걸리는 단점이 있다.
본 발명은 홀더의 전처리 시간을 줄이고, holder 내부의 진공도를 향상시켜 시료의 손실을 막고 TEM내에서 시료 관찰시간을 늘릴 수 있는 새로운 구조의 Dry pumping system을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 진공펌프, 진공챔버, 에어밸브가 장착된 진공포트(이때 진공포트는 실린더를 매개로 진공챔버에 연결됨)를 포함하 는, cryo transter holder의 전처리를 위한 Dry pumping system(DPS)에 있어서, 상기 진공챔버는 게이트밸브에 의해 제1진공챔버와 제2진공챔버로 구획되고, 상기 제1진공챔버 및 제2진공챔버는 진공펌프에 의해 배기되며, 상기 진공포트 및 에어밸브는 제2진공챔버에 장착되어 있는 DPS에 관한 것이다.
본 발명에서 상기 제1진공챔버에는, 외부에서 내부로의 열전도가 차단되도록 이중용기구조로 되어 있는, 내부용기(액체질소용기) 사이의 공간은 상기 진공챔버와 연결되어 있고 내부용기에는 액체질소가 채워지는 보조냉각용기가 추가로 장착된다. 이에 의해, 종래 진공장비의 진공도 보다 10E-1이하로 진공도 향상이 가능하기 때문에 홀더 내부의 가스를 배출하는 시간과 진공도 향상에 도움을 준다.
또한 본 발명에서, 상기 에어밸브가 장착된 진공포트는 복수개여서 동시에 복수개의 홀더를 전처리할 수 있도록 할 수도 있다.
본 발명에서, 상기 제1진공챔버는 turbo molecular pump와, 상기 제2진공챔버는 diaphragm pump와 각각 연결되도록 하여 챔버를 진공화하는 속도와, 진공도를 높게 할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서, DPS와 홀더 사이의 진공배기를 위한 통로를 넓혀서 홀더의 이중용기 사이의 가스를 빠른 시간 내에 밖으로 배출할 수 있도록, 상기 진공포트를 위한 실린더의 길이가 홀더의 길이와 비슷한 것(즉, 실린더가 홀더의 에어포트에 최대한 가까워질 수 있는 길이인 것)이 바람직하다.
또한 본 발명에서는, 상기 실린더는 챔버연결실린더, 포트연결실린더 및 상기 챔버연결실린더 및 포트연결실린더를 밀폐연결시키면서 연결길이를 조절할 수 있는 조절실린더로 구성되도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 DPS를 이용하면 cryo 실험 시 사용하는 cryo transfer holder의 전처리 작업 시간이 많이 단축하는 효과를 얻을 수 있다.
종래 DPS는 홀더를 장착탈착할 때 메인 스위치를 off하여야 하기 때문에 ON/OFF할 때 시간이 오래 걸리는 단점이 있다. 그러나 본 발명에 의한 진공 챔버를 에어록 밸브로 2중으로 구분함으로써 불필요한 소비시간을 줄일 수 있다.
또한 챔버에 보조냉각용기를 장착함으로써 baking-out 과정에서 발생하는 가스분자들을 빠르게 흡착하게 하여 진공도 향상시키게 된다.
또한 단면적이 넓은 진공포트를 적용함으로써 DPS와 홀더의 진공도 차이를 줄일 수 있으며, 길이가 다른 홀더에 대해서도 호환이 가능하며 쉽고 간편하게 장착할 수 있게 된다.
이하 첨부된 도면과 실시예를 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 이러한 도면과 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것 은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.
도 3 및 도 5는 본 발명에 의한 DPS(10)의 예시적 단면구조를 보여주는 개념도이다. 도면에서 볼 수 있듯이, 본 발명에 의한 DPS(10)는, 진공챔버가 게이트밸브(4)에 의해 제1진공챔버(2)와 제2진공챔버(3)로 구획되어 있다. 도면에는 예시적으로 하나의 진공펌프(1)로 상기 제1 및 제2진공챔버(2, 3)를 진공화시키는 구조를 보여주고 있으나, 상기 제1진공챔버(2)는 turbo molecular pump와, 상기 제2진공챔버(3)는 diaphragm pump와 각각 연결되도록 하여 진공화 속도와 진공화도를 증대시키도록 할 수도 있으며, 또한 필요한 진공도나 전처리 속도 등에 따라 다양한 종류의 펌프를 적용할 수 있음은 당연할 것이다. 개념도에는 도시하지 않았지만, 각 챔버의 진공도를 측정하여 보여주는 게이지, 각 홀더(50)의 진공도와 온도를 측정하여 보여주며 에어밸브의 개폐를 조작하고, baking-out 과정을 통제하는 콘트롤러 등이 추가될 수 있음은 당연하다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 DPS(10)에서 게이트밸브(4)에 의해 챔버가 나누어져 있고, 제1진공챔버(2)는 항상 진공상태로 유지되게 된다. 따라서 전처리 작업 시 제2진공챔버(3)만 진공상태로 만들면 되므로, 전체적으로 제1진공챔버(2)와 제2진공챔버(3)가 고진공상태에 도달하는 시간을 대폭 단축할 수 있게 되는 것이다.
한편, 본 발명에서는 상기 제1진공챔버(2) 또는 제1진공챔버(2)와 제2진공챔 버(3)에 내부용기(53)에는 액체질소가 채워지는 보조냉각용기(5)를 추가할 수 있다. 보조냉각용기(5)는 각 챔버의 진공속도를 향상시키는 기능을 함과 동시에, 전처리 마지막 단계에서 홀더(50)를 baking-out 하는 과정에서 발생하는 가스를 흡착함으로써 챔버의 진공도를 향상시키는 역할을 한다.
도 4a에 본 발명에 의한 DPS(10)에 사용되는 상기 진공포트(7)를 위한 실린더(6)의 규격이 Φ 14mm×길이 300mm인 실린더(6) 사진을 도시하였다. 이에 따라 종래 3.2mm 지름, 400~500mm 길이로 사용되던 연결튜브(56)를 100~150mm 길이로 사용할 수 있게 됨으로써 진공을 위한 공기의 유동저항을 대폭 줄일 수 있게 된다.
도 4b에 본 발명에 의한 길이조절 가능한 실린더(6) 구조를 도시하였다. 도면에서 볼 수 있듯이, 상기 실린더(6)는, 챔버측의 챔버연결실린더(6-1), 배기포트(51)측의 포트연결실린더(6-2) 및 상기 챔버연결실린더(6-1) 및 포트연결실린더(6-2) 사이에서 이들을 밀폐연결시키면서 연결길이를 조절할 수 있는 조절실린더(6-3)로 이루어진다. 이에 따라 길이가 서로 다른 홀더(50)라도 호환가능하고 편리하게 장착할 수 있게 된다.
도 5에 본 발명에 의한 장치에 전처리를 위한 홀더(50)가 장착된 상태의 개념도를 도시하였다. 본 발명의 기술적 사상에 관한 것이 아닌 각 구성부분의 상태를 측정하고 제어하며, baking-out을 조절하는 컨트롤러에 대해서는 도시를 생략하였다.
상기와 같은 DPS(10)의 작동은 다음과 같이 이루어질 수 있다. 구체적인 순서는 일부 바뀌더라도 동일한 효과를 나타낼 수 있음은 당업자에게 익숙한 일이다.
① DPS(10)에 홀더(50)를 장착한다. ② 제2진공챔버(3)를 위한 에어밸브(8)와 게이트밸브(4)를 개방한 후 펌프를 작동시킨다. ③ 진공챔버(2, 3) 내부가 소정의 진공상태(통상 10-6torr)가 되도록 기다린다. ④ 홀더(50)의 배기포트(51)와 DPS(10)의 진공포트(7)를 연결튜브(56)로 연결하고 DPS(10)의 에어밸브(8)와 홀더(50)의 에어밸브(52)를 개방하여 홀더(50) 내부공간의 가스를 배출한다. ⑤ 필요한 경우 cold stage controller(도시 생략)를 이용하여 baking-out 절차를 밟는다. ⑥ 보조냉각용기(5)에 액체질소를 넣는다. ⑦ 모든 밸브를 폐쇄한 후 홀더(50)를 분리한다.
<실시예>
도 5에 도시된 구조의 본 발명에 의한 DPS(10)와, 도 4a에 도시된 진공포트(7)를 위한 실린더(6)를 적용하여 홀더(50)의 전처리를 수행하면서 종래 DPS(10)와 비교하였다.
본 발명에 의한 DPS(10)를 적용한 경우 시간에 따른 홀더(50) 진공공간(55)의 진공도 변화 데이터를 도 6에, 전처리 과정중 진공챔버(2, 3)와 홀더(50) 진공공간(55)의 진공도 및 그에 이르는 경과시간을 표 1에 나타내었다. 도에서 A는 사 전진공과정, B는 baking-out과정, C는 Baking-out 이후의 과정을 나타낸다.
Figure 112008088928861-pat00001
그 결과, 표에서 볼 수 있듯이, 종래 DPS(10)를 사용한 경우에 비해 본 발명에 의한 DPS(10)를 사용한 경우에 단계 B인 baking-out과정을 31시간 단축시킬 수 있음을 확인하였다.
도 1은 cryo transfer holder의 구조를 보여주는 사진(도 1a) 및 도면(도 1b).
도 2는 종래 Dry pumping system과 그의 사용 상태를 보여주는 사진(도 2a) 및 개념도(도 2b).
도 3은 본 발명에 의한 Dry pumping system의 단면구조를 보여주는 예시적 개념도.
도 4는 본 발명에 의한 DPS에 사용되는 상기 진공포트를 위한 실린더 사진(도 4a) 및 본 발명에 의한 길이조절 가능한 실린더의 예시적 구조도(도 4b).
도 5는 본 발명에 의한 DPS에 전처리를 위한 홀더가 장착된 상태의 개념도.
도 6은 본 발명에 의한 DPS를 적용한 경우 시간에 따른 홀더 진공공간의 진공도 변화를 보여주는 도표.
<도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명>
1. 진공펌프 2. 제1진공챔버 3. 제2진공챔버
4. 게이트밸브 5. 보조냉각용기 6. 실린더
6-1. 챔버연결실린더 6-2. 포트연결실린더 6-3. 조절실린더
7. 진공포트 8. 진공포트용 에어밸브 10. DPS
50. 홀더 51. 배기포트 52. 배기포트용 에어밸브 53. 내부용기 54. 외부용기 55. 진공공간 56. 연결튜브

Claims (6)

  1. 진공펌프, 진공챔버, 에어밸브가 장착된 진공포트(이때 진공포트는 실린더를 매개로 진공챔버에 연결됨)를 포함하는, cryo transter holder의 전처리를 위한 Dry pumping system(DPS)에 있어서,
    상기 진공챔버는 게이트밸브에 의해 제1진공챔버와 제2진공챔버로 구획되고, 상기 제1진공챔버 및 제2진공챔버는 진공펌프에 의해 배기되며, 상기 진공포트 및 에어밸브는 제2진공챔버에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 DPS.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1진공챔버 또는 제1진공챔버와 제2진공챔버에는
    외부에서 내부로의 열전도가 차단되도록 이중용기구조로 되어 있고, 외부용기와 내부용기(액체질소용기) 사이의 공간은 상기 진공챔버와 연결되어 있고, 내부용기에는 액체질소가 채워지는 보조냉각용기가 추가로 장착된 것을 특징으로 하는 DPS.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 에어밸브가 장착된 진공포트는 복수개인 것을 특징으로 하는 DPS.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제1진공챔버는 turbo molecular pump와, 상기 제2진공챔버는 diaphragm pump와 각각 연결된 것을 특징으로 하는 DPS.
  5. 삭제
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 실린더는 챔버연결실린더, 포트연결실린더 및 상기 챔버연결실린더 및 포트연결실린더를 밀폐 연결시키면서 연결길이를 조절할 수 있는 조절실린더로 구성되는 것을 특징으로 하는 DPS.
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