DE4028806C2 - Mikrotom, insbesondere Ultramikrotom mit einer Kühlkammer - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Mikrotom, insbesondere einem Ultramikrotom und insbesondere mit der das Ausfließen von in der Kühlkammer enthaltenem Kryogen behindernden Abdichtung einer in der Kühlkammerwand vorgesehenen Öffnung, durch welche der Präparatträgerarm des Mikrotoms hindurchgeführt ist.

Bei der Kryopräparation von Objekten, insbesondere von biologischen Objekten, die einer nachfolgenden mikroskopischen oder elektronenmikroskopischen Untersuchung unterzogen werden, ist es erforderlich, Objekt und Bearbeitungswerkzeug (Messer) auf tiefer Temperatur zu halten. Die Kryopräparation erfolgt deshalb in einer an dem Mikrotom bzw. Ultramikrotom befestigten Kühlkammer, die von oben zugänglich ist und in die ein der gewünschten tiefen Temperatur entsprechend abgekühltes Kryogen in Gasform eingeleitet wird. Um die Temperatur konstant aufrechtzuerhalten und ein Einströmen von feuchter Luft von oben her in das Kühlkammerinnere zu unterbinden, muß das Kryogen kontinuierlich zugeführt werden. Eine derartige Kühlkammer ist beispielsweise in der DE 29 06 153 A1 dargestellt und beschrieben.

Bei der Herstellung von Dünn- oder Ultradünnschnitten bei tiefen Temperaturen ist es üblich, daß als Bearbeitungswerkzeug ein Messer auf dem Boden der Kühlkammer befestigt ist, während das zu schneidende Präparat an einem Trägerarm befestigt ist, der sich relativ zu dem Messer auf und ab bewegt. Um eine einwandfreie Qualität der Schnitte zu erhalten, ist einerseits eine möglichst starre Ausbildung des Trägerarms erforderlich, andererseits darf die Bewegung des Trägerarms beim Schneidevorgang nicht zu einer Beeinträchtigung der Kühlkammeratmosphäre, insbesondere einer Veränderung der Kühlkammertemperatur führen. Es ist deshalb ein Problem, den außerhalb der Kühlkammer gelagerten und angetriebenen Trägerarm so zu gestalten, daß sein das Präparat tragendes Ende innerhalb des Kühlkammerraumes angeordnet werden kann und zugleich die vorstehenden Forderungen erfüllt sind.

Zur Lösung dieses Problems gibt es im Stand der Technik bereits mehrfache Vorschläge. So ist es bekannt, den Trägerarm brückenförmig derart auszubilden, daß er U-förmig den oberen Rand der Kühlkammer übergreift und das Präparat am unteren Ende des in der Kühlkammer liegenden Schenkels des U angeordnet ist (sogenannte CHRISTENSEN-Brücke; US 36 80 420). Diese Ausführungsform des Trägerarms hat den Nachteil, daß dieser aufgrund der U-förmigen Kröpfung nicht so formstabil ist, wie dies wünschenswert wäre und insbesondere bei höheren Schnittkräften zu Verformungen neigt, die die Schnittqualität beeinträchtigen.

Gemäß einer anderen bekannten Lösung ist der Trägerarm durch eine Öffnung in einer der Kammerwände hindurchgeführt, die ausreichend groß ist, um die für den Schneidevorgang erforderliche Auf- und Abbewegung des Trägerarms zu gestatten. Um ein in diesem Fall drohendes Ausfließen des Kryogens durch die Öffnung zu vermeiden, ist der Öffnungsrand mit dem Trägerarm durch eine sehr dünne flexible Membran verbunden (DE-PS 16 22 996).

Nachteilig bei dieser Ausführungsform des Trägerarms ist, daß sich auch die durch die kalte Membran auf den Trägerarm ausgeübten geringen Kräfte störend bei der Auf- und Abbewegung des Trägerarms bemerkbar machen und die Schneidequalität beeinträchtigen können.

In der DE 36 03 278 C1 wird ein Rotationsmikrotom beschrieben, dessen Trägerarm (Objekthalteeinrichtung) linear auf- und abbewegt wird. Dabei ist der Trägerarm durch ein Abdeckblech geführt, das über eine Lagereinrichtung an der Gehäusewand des Mikrotoms drehbar gelagert ist und das einen länglichen Schlitz im Mikrotomgehäuse abdichtet. Während des Mikrotom-Betriebs wird das Abdeckblech vom linear bewegten Trägerarm mitgenommen.

Schließlich ist nach einer weiteren bekannten Lösung der Trägerarm ebenfalls durch eine Öffnung in einer der Kühlkammerwände hindurchgeführt und diese Öffnung als eine Art Labyrinthdichtung ausgestattet, wobei eine Anzahl von auf dem Trägerarm angeordneten scheibenförmigen Membranen jeweils in eine für jede Membran gesonderte Kammer eingreift (US 49 18 941). Die Membranen sind auf der Außenfläche des Trägerarms in dessen Achsrichtung verschieblich angeordnet. Die bei dem während der vertikalen Schwenkbewegung des Trägerarms auftretenden Anstreifen der Membranen an den Wänden der jeweils zugeordneten Kammer auftretenden geringen Kräfte, die bei deren Axialverschiebung auf dem Trägerarm entstehen, können jedoch zu Vibrationen des Trägerarms führen, die als Störeinflüsse die Qualität der Schnitte beeinträchtigen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Abdichtung für den in eine Kühlkammer ragenden Trägerarm eines Mikrotoms oder Ultramikrotoms zu schaffen, die keinerlei mechanische Einwirkung auf den Trägerarm ausübt, zugleich aber das Ausfließen von Kryogen so weitgehend behindert oder verhindert, daß die Kammeratmosphäre dadurch nicht gestört wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Mikrotom mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung geht dabei im Prinzip von denjenigen vorbekannten Konstruktionen aus, bei denen der Trägerarm durch eine Öffnung in einer der Kühlkammerwände hindurchgeführt ist. Jedoch hat bei der erfindungsgemäßen Abdichtung der Trägerarm zu keinem Zeitpunkt seiner Bewegung und an keiner seiner Positionen mechanischen Kontakt mit der Kühlkammerwand, sondern hält zu dieser stets einen Luftspalt ein. Um zu verhindern, daß durch diesen Luftspalt Kryogen in nachteiliger Menge ausfließt, wird der Luftspalt in seinem Querschnitt so klein wie möglich gehalten, während die in Ausfließrichtung des Kryogens durch den Luftspalt hindurch gemessene Luftspaltlänge möglichst groß gewählt wird. Diese Ausgestaltung der Abdichtung beruht auf der Erkenntnis, daß ein Ausfließen des Kryogens auch bei völliger Berührungsfreiheit zwischen der Kühlkammerwand und dem Trägerarm in ausreichendem Maß verhindert werden kann, wenn dafür gesorgt ist, daß ein möglichst hoher Strömungswiderstand in dem vorhandenen Luftspalt aufgebaut wird. Dieser Strömungswiderstand wird wesentlich durch die Länge des Luftspaltes bestimmt, so daß es durch geeignete Maßnahmen zur Einstellung dieser Länge möglich ist, eine einwandfrei wirkende völlig berührungslose Abdichtung zu erzielen. Einen wesentlichen Einfluß auf den Strömungswiderstand hat auch der Strömungsquerschnitt des Luftspaltes. Deshalb ist angestrebt, die Spaltbreite an den seitlichen Flächen des Trägerarms, die sich beim Schneidevorgang auf und ab bewegen, möglichst klein zu wählen. Da der Hub des Trägerarms am oberen und unteren Hubende eine entsprechende Bemessung der Öffnung erfordert, können die Vertikalspalte, das heißt, die Abstände zwischen dem Rand der Öffnung und der Oberfläche des Trägerarms, dort nicht im Sinn einer möglichst geringen Spaltbreite beeinflußt werden. Um jedoch trotzdem auch an diesen kritischen Stellen der Öffnung ein Ausfließen des Kryogens zu verhindern, sind im Rahmen der Erfindung verschiedene Maßnahmen vorgesehen, die auf eine Beeinflussung der Luftspaltlänge und/oder des Luftspaltquerschnitts in dem oben genannten Sinn hinauslaufen.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Mikrotoms ist vorgesehen, die Länge des Luftspaltes zu verlängern, indem die Oberfläche des Trägerarms im Bereich der Öffnung durch quer zur Längsachse des Trägerarms aussagende Vorsprünge vergrößert wird, wobei diese Vorsprünge mit den an die Öffnung angrenzenden Bereichen der Kühlkammerwand eine Fortsetzung des Luftspaltes bilden. So kann beispielsweise auf dem Trägerarm mindestens ein mit diesem starr verbundenes Plattenelement angeordnet sein, das sich im wesentlichen quer zur Trägerarmlängsachse erstreckt. Einen stets gleichbleibend kleinen Luftspalt erhält man bei dieser Ausführungsform während der Auf- und Abbewegung des Trägerarms dann, wenn die Oberfläche des Plattenelements und die Oberfläche der Kühlkammerwand, die zusammen den Luftspalt definieren, komplementär zueinander gekrümmt sind.

So können zum Beispiel die den Luftspalt definierenden Oberflächen im wesentlichen kreiszylindrisch gekrümmt sein, wobei die Krümmungsachse mit der Schwenkachse des Trägerarms zusammenfällt. Eine noch weitergehende Verlängerung des Luftspaltes ohne eine Zunahme des Platzbedarfes erhält man, wenn die den Luftspalt definierenden Oberflächen im wesentlichen torusförmig gekrümmt sind und der Torusmittelpunkt auf der Schwenkachse des Trägerarms liegt.

Die Krümmung der den Luftspalt definierenden Oberflächen muß nicht stetig sein mit dem Ergebnis, daß der Luftspalt in Ausfließrichtung des Kryogens eine konstante Breite hat, sondern es ist denkbar und kann sogar vorteilhaft sein, in Ausfließrichtung hintereinander angeordnete örtliche Erweiterungsräume vorzusehen. Diese Erweiterungsräume können zum Beispiel dadurch gebildet sein, daß an Stelle einer stetig gekrümmten Oberfläche mindestens eine der den Luftspalt definierenden Oberflächen eine durch einen Polygonzug begrenzte Form hat.

Das erwähnte, quer gegenüber dem Trägerarm ausragende Plattenelement kann zur Bildung des Luftspaltes sowohl innerhalb als auch außerhalb der Kühlkammer angeordnet sein. Es ist auch denkbar, ein Plattenelement innerhalb und außerhalb vorzusehen.

Die Luftspaltbreite bei der vorstehend geschilderten Ausführungsform des Mikrotoms, die eine Oberflächenvergrößerung des Trägerarms vorsieht, kann problemlos unter 1 mm gehalten werden. Denn der übliche gesamte Vorschubbereich für das Präparat beträgt 50-200 µm. Der Präparatrückzug, der nach erfolgter Schneidebewegung ein Anstreifen des Präparats am Messer bei der Rückholbewegung vermeidet, beträgt ebenfalls 50-200 µm. Es hat sich gezeigt, daß bei einer Spaltbreite von unter 1 mm ein Ausfließen des Kryogens durch den Luftspalt hindurch weitgehend verhindert werden kann.

Zum Zweck der Justierung des Luftspalts kann es angeraten sein, die quer zur Trägerarmlängsachse ausragenden Vorsprünge, zum Beispiel das Plattenelement, auf dem Trägerarm axial stufenlos einstellbar zu machen.

Ausführungsbeispiele des Mikrotoms sind nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Ultramikrotoms, teilweise im Bereich der Kühlkammer geschnitten, mit einer Durchführung des Trägerarms durch die Kühlkammerwand;

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Kühlkammer eines Ultramikrotoms gemäß Fig. 1, geschnitten längs der Linie II- II, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit eine Reihe von Einrichtungen in der Kühlkammer nicht dargestellt sind;

Fig. 3 einen zu Fig. 1 analogen Schnitt durch die Kühlkammer, mit einer weiteren Durchführung eines Trägerarms durch die Kühlkammerwand;

Fig. 4a und 4b Seitenansicht und Draufsicht eines Trägerarms in Einzeldarstellung, und

Fig. 5 eine Seitenansicht eines anderen Trägerarms in Einzeldarstellung.

Das in Fig. 1 dargestellte Ultramikrotom 1 weist einen Trägerarm 2 auf, an dessen vorderem Ende ein Präparathalter 3 für ein zu bearbeitendes biologisches Präparat 4 angeordnet ist. Auf dem Support des Ultramikrotoms 1 ist eine im Ganzen mit 6 bezeichnete Kühlkammer befestigt. Die Kühlkammer 6 hat im wesentlichen die Form einer Schachtel und weist eine aus gut wärmeleitendem Material bestehende Innenwand 7 auf, die an ihrer Außenseite durch eine Schicht 8 aus wärmeisolierendem Material allseitig umschlossen ist. In dem Kühlkammer-Innenraum 9 ist ein Bearbeitungswerkzeug in Form eines Messers 10 so angeordnet, daß bei Auf- und Abbewegungen des Präparats 4 relativ zu dem Messer 10 Präparatschnitte erzeugt werden können. Aufbau und Wirkungsweise des Ultramikrotoms 1 bezüglich des Schneidevorganges sind von bekannter Art. Sie bedürfen daher an dieser Stelle keiner näheren Erläuterung. Der - in Fig. 2 - linke Teil der Kühlkammer 6 bildet einen Vorratstank 12 für ein flüssiges Kryogen, vorzugsweise für flüssigen Stickstoff (LN₂), der auch an seiner Oberseite durch die Wärmeisolationsschicht 8 bedeckt ist. Der Vorratstank 12 kann durch eine Fülleitung 13 bei Bedarf nachgefüllt werden. Der Vorratstank erstreckt sich über die ganze Breite des Kühlkammer-Innenraums 9 und trägt an seiner dem Kühlkammer-Innenraum zugewendeten Seitenwand eine Zuflußleitung 14, durch die von dem LN₂-Vorrat abdampfender gasförmiger Stickstoff der Kühlkammer zugeleitet wird und durch eine Schlitzöffnung 15 austritt. Der in den Kühlkammer-Innenraum 9 auf diese Weise kontinuierlich eintretende Gasstrom führt zu einem kontinuierlichen Überlauf der Gasatmosphäre in der Kühlkammer über deren oberen Rand, so daß ein Einströmen von Umgebungsluft in den so gebildeten Kältesee nicht möglich ist.

In den Fig. 2 und 3 sind lediglich die für die Kühlung bedeutsamen Teile des Ultramikrotoms gezeigt; die übrigen Ultramikrotom-Komponenten können in gleicher Weise wie in Fig. 1 dargestellt aufgebaut sein. Bei der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungsform der Abdichtung ist die Oberfläche des Trägerarms 22 durch darauf befestigte Plattenelemente 23 und 24 vergrößert. Die Plattenelemente 23 und 24 sind in axialem Abstand voneinander auf dem Trägerarm 22 angeordnet und schließen die Kühlkammerwand 25 im Bereich einer Öffnung 26 zwischen sich ein. Das außenliegende Plattenelement 23 besteht aus einem gut wärmeisolierenden Material der gleichen Art, das auch die Kühlkammer isoliert, oder trägt eine entsprechende Isolationsschicht an seiner Rückseite.

Die nach vorne, das heißt zur Kühlkammer hinweisende Oberfläche 27 des Plattenelements 23 hat die Form einer Teilkreiszylinderfläche, deren Krümmungsachse mit der Schwenkachse S des Trägerarms 22 zusammenfällt. Die Kühlkammer 25 ist im Bereich des Plattenelements 23 komplementär zu der Oberfläche 27 eingekehlt und bildet eine entsprechende konkave Teilkreiszylinderfläche 28. Die Oberflächen 27 und 28 definieren zwischen sich einen Luftspalt 29 von weniger als 1 mm Breite.

Das an der Innenseite der Kühlkammerwand 25 angeordnete Plattenelement 24 besteht aus einem gut wärmeleitenden Material, zum Beispiel aus Kupfer. Die der Kühlkammerwand 25 zugewendete Rückseite des Plattenelements 24 ist ebenfalls als Teilkreiszylinderfläche mit der Schwenkachse S als Krümmungsachse geformt. Komplementär dazu ist die Kühlkammerwand 25 an dieser Stelle nach innen gewölbt, so daß zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen ein Luftspalt 30 gleichbleibender Breite von weniger als 1 mm aufrechterhalten ist.

Obwohl bei dieser Ausführungsform der Querschnitt des Trägerarms 22 kreisförmig und die in der Kammerwand 25 vorgesehene Öffnung 26 rechteckig ist (s. Fig. 2), kann ein Ausfließen des in der Kühlkammer enthaltenen Stickstoffs durch die Öffnung 26 praktisch unterbunden werden, da durch die Plattenelemente 23, 24 und die zugeordneten Oberflächen der Kammerwand 25 Luftspalte 29, 30 von erheblicher Länge mit einem entsprechend hohen Strömungswiderstand gebildet werden.

Die Fig. 4 und 5 zeigen Modifikationen des Plattenelements 23 der vorstehend geschilderten Ausführungsform.

So weist das Plattenelement 33 gemäß Fig. 4 eine zur Kühlkammerwand gerichtete Oberfläche 37 auf, welche die Form einer Torusfläche hat. Die in vertikaler Richtung verlaufende Krümmung hat wieder eine Krümmungsachse, die mit der Schwenkachse S des Trägerarms 32 zusammenfällt (Fig. 4a). Die in horizontaler Richtung verlaufende Krümmung der Oberfläche 37, die aus der Draufsicht gemäß Fig. 4b ersichtlich ist, hat hingegen eine stärkere Krümmung; ihre Krümmungsachse durchsetzt die Trägerarmlängsachse an dem Punkt K.

Mit dieser Ausgestaltung des Plattenelements 33 ist ein Luftspalt erzielbar, der bei gleichem Raumbedarf des Plattenelements im Vergleich zu dem teilkreiszylindrischen Luftspalt 29 gemäß der Ausführungsform nach den Fig. 2 und 3 länger ist. Der Abdichtungseffekt ist daher ausgeprägter.

Bei der Ausführungsform gemäß der Fig. 5, die im Vergleich zur Fig. 4 aus Gründen der besseren Darstellung vergrößert gezeichnet ist, weist das an dem Trägerarm 42 angeordnete Plattenelement 43 eine der Kammerwand zugewendete Oberfläche 47 auf, die im wesentlichen wie das Plattenelement 23 bei der Ausführungsform der Fig. 3 teilkreiszylindrisch geformt ist, wobei ihre Krümmungsachse mit der Schwenkachse des Trägerarms 42 zusammenfällt. Jedoch weist sie keinen stetigen Verlauf auf, sondern ist durch eine Mehrzahl aneinander anschließender ebener Flächen gebildet, die polygonartig aneinander gefügt sind. Die Fig. 5 zeigt die zwischen diesen ebenen Flächen gebildeten Knicke 48. Läßt man das Plattenelement 43 mit der Teilzylinderfläche 28 an der Rückseite der Kühlkammerwand 25 bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 2 und 3 zusammenarbeiten, so entsteht dadurch ein Luftspalt, der sich in Ausfließrichtung des Kryogens mehrfach erweitert und wieder verengt, wie dies in Fig. 5 gestrichelt angedeutet ist. Die Erweiterungsräume 49 sind durch den größeren Abstand der ebenen Polygonflächen von der zugeordneten Kühlkammerwand gebildet, während die Engstellen des Luftspalts 50 durch die Knicke 48 verursacht sind. Dieser Verlauf des Luftspalts führt zu einer weiteren Erhöhung des Strömungswiderstands, der die Verlustmenge an Kryogen herabsetzt.

Das außenliegende Plattenelement 23 bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 2 und 3 kann zusätzlich oder anstelle zu seiner Wärmeisolierung einen in Fig. 3 gestrichelt angedeuteten Heizkörper 19 enthalten, der für eine gleichbleibende Temperatur des Plattenelements sorgt.

Claims (8)

1. Mikrotom, insbesondere Ultramikrotom, mit einer von oben zugänglichen Kühlkammer, die über eine Zufuhrleitung mit einem gasförmigen Kryogen beschickbar ist, und mit einem auf einer Kreisbahn auf und ab bewegbaren Trägerarm für ein zu bearbeitendes Präparat, der durch eine Öffnung in einer Kammerwand in die Kühlkammer hineinragt, wobei die Öffnung gegen ein Ausfließen des Kryogens aus der Kühlkammer abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Trägerarms (2, 22, 32, 42) im Bereich der Öffnung (18, 26) durch mindestens ein mit dem Trägerarm (2, 22, 32, 42) fest verbundenes Plattenelement (23, 24; 33, 43) vergrößert ist, daß die Oberfläche (27, 37, 47) des Plattenelements (23, 24; 33, 43) und die Oberfläche der Kammerwand (16, 25) komplementär zueinander glatt gekrümmt oder mit einer eine Krümmung annähernden Polygonfläche ausgebildet sind, und daß beide Oberflächen zusammen einen in jeder Bewegungsphase des Trägerarms (2, 22, 32, 42) bestehenden Luftspalt (29, 30, 50) definieren und daß zur Abdichtung gegen ein Ausfließen des Kryogens der Querschnitt des Luftspalts relativ klein und die Länge des Luftspalts in Ausfließrichtung des Kryogens relativ groß gehalten ist.

2. Mikrotom nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Luftspalt (29) definierenden Oberflächen im wesentlichen kreiszylindrisch gekrümmt sind und die Krümmungsachse mit der Schwenkachse (S) des Trägerarms zusammenfällt.

3. Mikrotom nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Luftspalt definierenden Oberflächen (37) im wesentlichen torusförmig gekrümmt sind und der Torusmittelpunkt auf der Schwenkachse (S) des Trägerarms (32) liegt.

4. Mikrotom nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt eine Mehrzahl von quer zur Ausfließrichtung des Kryogens verlaufenden und in Ausfließrichtung voneinander beabstandeten Erweiterungsräumen (49) aufweist.

5. Mikrotom nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erweiterungsräume (49) durch örtliche Abweichungen mindestens einer der den Luftspalt (50) definierenden Oberflächen von einer glatten Krümmung gebildet sind.

6. Mikrotom nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Plattenelement (23, 24) der Innenseite und/oder der Außenseite der Kammerwand (25) zugeordnet ist.

7. Mikrotom nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das der Außenseite der Kammerwand zugeordnete Plattenelement (23, 33, 43) aus einem wärmeisolierenden Material besteht oder damit nach außen hin bedeckt ist.

8. Mikrotom nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das der Außenseite der Kammerwand zugeordnete Plattenelement (23) durch einen Heizkörper (19) beheizbar ist.