【顯微課堂】高質(zhì)量超薄切片:自動(dòng)對(duì)刀
如何提高超薄切片機(jī)的切片質(zhì)量
并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)齊功能
超薄切片技術(shù)是獲取樣品切片的zui常用方法,。在室溫條件制備時(shí),,將樣品小塊嵌入環(huán)氧樹(shù)脂中,然后通過(guò)修剪去除多余的樹(shù)脂,,并使用玻璃刀或金剛石刀將樣品切成厚度為50-100納米之間的薄片,。
切片過(guò)程涉及多個(gè)手動(dòng)制備步驟。在本應(yīng)用說(shuō)明中,,我們將概述該過(guò)程,,并解釋新的自動(dòng)化解決方案,如何wanquan消除復(fù)雜的手動(dòng)設(shè)置需求,。
簡(jiǎn) 介
透射電子顯微鏡(TEM)和掃描電子顯微鏡(SEM)等電子顯微鏡技術(shù),,廣泛應(yīng)用于獲取生物或非生物材料樣品的結(jié)構(gòu)信息,。在電子顯微鏡(EM)應(yīng)用中,,較厚的樣品被切割成厚度小于100納米的超薄切片,。
該樣品制備方法有助于獲取高分辨率的電子顯微鏡圖像,并且能夠進(jìn)一步通過(guò)計(jì)算重建從多個(gè)連續(xù)切片中收集的信息,,從而獲得較厚樣品的概覽(體積電子顯微鏡學(xué)),。
樣品塊的修整
為了獲得具有特定厚度的均勻切片,必須執(zhí)行多個(gè)手動(dòng)步驟,,并具備相應(yīng)的技能和專業(yè)知識(shí)。
粗 修
在切割感興趣區(qū)域之前,,必須對(duì)樣品進(jìn)行初步修整,,以露出目標(biāo)點(diǎn),并去除過(guò)量的無(wú)樣品聚合物或非目標(biāo)樣品區(qū)域,。通常,,修整的結(jié)果是形成(堆疊的)金字塔形狀,,其尺寸逐漸減小(圖1),。
圖1:經(jīng)過(guò)粗修和精修后的樣品塊,。放大圖顯示了聚合物塊前端上的樣品面。聚合物塊前端面使用銑削裝置,,以45°的形狀進(jìn)行修整,。使用超薄 切片機(jī)和具有45°邊緣的切片刀對(duì)塊面進(jìn)行修整,,形成金字塔形狀,。
首先,粗修是通過(guò)手動(dòng)使用刀片或使用EM RAPID來(lái)制備金字塔截體,。EM RAPID的高速金剛石銑削頭,,可以以特定角度朝向樣品,同時(shí)樣品在四輪中能夠進(jìn)行90°旋轉(zhuǎn)(圖2),。
圖2:使用EM RAPID銑削裝置對(duì)樣品塊進(jìn)行粗修,。左:修整前的樣品塊。中:銑削第二個(gè)區(qū)域,。右:最終粗修后的樣品,。
精 修
接下來(lái),將樣品塊安裝在超薄切片機(jī)上,,并使用修塊刀減小樣品區(qū)域并塑造其形狀,,以形成最終的切面。精修的目的是將樣品感興趣區(qū)域包含在小于1平方毫米的矩形或梯形區(qū)域內(nèi),,并使上下邊緣與切片刀wanquan平行(圖3),,這將在后續(xù)步驟中允許切片彼此粘附形成帶狀。帶狀切片可以整體收集,,使用戶能夠按照切片的順序進(jìn)行拍攝,,這對(duì)于陣列斷層掃描應(yīng)用尤其重要。
圖3:使用金剛石修塊刀進(jìn)行精修,。左:粗修后的樣品塊,。中:精修前樣品塊的前端。下方可見(jiàn)一把45°金剛石修塊刀,。右:樣品塊面的前端和右側(cè)已經(jīng)進(jìn)行了精修,。
樣品與切片刀之間對(duì)齊
在對(duì)樣品塊進(jìn)行修整以獲得平坦且暴露的塊面后,將其正確對(duì)齊到切片刀邊緣至關(guān)重要,。最終目標(biāo)是使樣品與切割平面之間的距離盡可能小,,以避免樣品材料損失和切片不完整。
wanmei對(duì)齊樣品和切片刀是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù),。它需要精密地手動(dòng)調(diào)整樣品傾斜,、旋轉(zhuǎn)和切片刀角度,同時(shí)需要正確地控制樣品進(jìn)給(進(jìn)刀),。
這對(duì)于新手或不常使用超薄切片機(jī)的用戶來(lái)說(shuō)尤其困難,。不僅存在損壞昂貴切片刀的風(fēng)險(xiǎn),而且還可能損壞樣品,,無(wú)法用于切片,。即使經(jīng)驗(yàn)豐富的操作人員也需要小心謹(jǐn)慎,以確保在較薄樣品(如細(xì)胞單層)切片過(guò)程中,,不會(huì)因初始位置未對(duì)齊,,而損失太多材料。
方 法
為了判斷切片刀與樣品之間的距離,,用戶需要使用底照光來(lái)觀察它們之間的間隙,,整個(gè)過(guò)程在體視顯微鏡下進(jìn)行。底照光從下方照亮切片刀的背面,,并通過(guò)樣品塊面的光滑表面反射光線,,呈現(xiàn)為一條明亮的條紋(圖4)。這被稱為“光隙”,。
wanmei對(duì)齊表現(xiàn)為在整個(gè)塊面長(zhǎng)度上均勻?qū)挾鹊谋,。ㄋ{(lán)色)光隙(見(jiàn)下文),。
圖4:切片刀背面在樣品塊面上的反射圖像。左:概覽圖,,底照光被切片刀的背面反射至樣品塊面,,幾乎照亮了整個(gè)前端面。右:用切片刀接近樣品時(shí),,塊面上的反射光變成小條紋,,稱為光隙。光隙是指示切片刀與塊面之間方向的工具,。
以下步驟通常以迭代順序執(zhí)行,,直到塊面和切片刀對(duì)齊為止。通常,,兩者之間的距離可以小于500納米,。
樣品旋轉(zhuǎn)
為確保切片能夠彼此粘附并形成帶狀,切片的上下邊緣必須wanquan平行,。這只有在整個(gè)塊面與切片刀wanquan接觸時(shí)才能實(shí)現(xiàn),。因此,必須旋轉(zhuǎn)樣品以使其與切片刀邊緣平行(圖5),。
圖5:調(diào)整樣品旋轉(zhuǎn),。左:樣品旋轉(zhuǎn)與切片刀邊緣的示意圖。中:樣品未正確旋轉(zhuǎn),。右:樣品正確對(duì)齊到切片刀,。
首先,將切片刀座移至足夠接近樣品的位置,,以產(chǎn)生光隙,。一旦在塊面上觀察到光隙,用戶需要調(diào)整樣品旋轉(zhuǎn),,使塊面下邊緣與切片刀平行,。如果未調(diào)整切片刀角度,可能無(wú)法使樣品和切片刀平行,,因?yàn)閴K面尚未被修塊刀修整,。
切片刀角度
為了補(bǔ)償塊面表面與切片刀之間的角度,需要旋轉(zhuǎn)切片刀,,直到塊面的前導(dǎo)邊緣與切片刀平行(圖6),。這將確保樣品從左到右的整個(gè)區(qū)域與切片刀接觸,從而提供完整的切片,,不會(huì)損失太多樣品材料,。此外,上述操作確保樣品切割均勻,并使切片能夠彼此粘附,,在切片刀水槽中形成條帶(圖6,,下圖)。
圖6:調(diào)整切片刀角度,。左上:切片刀和樣品塊面的示意圖,。藍(lán)色切片刀以其邊緣與塊面平行的方式轉(zhuǎn)動(dòng)。中上圖像:底照光照亮的塊面圖像,。切片刀邊緣在圖像底部可見(jiàn)為黑色條紋。切片刀邊緣必須與塊面的下邊緣平行,,但在這里并非如此,。右上圖像:調(diào)整切片刀角度,使其與塊面邊緣平行,。下圖像:切片在切片刀水槽中形成條帶,。切片具有wanquan平行的邊緣,因此彼此粘附,。
樣品傾轉(zhuǎn)
樣品傾轉(zhuǎn)是最關(guān)鍵但不易觀察的影響參數(shù)之一,。如果樣品傾轉(zhuǎn)不正確,切片刀在切割過(guò)程中將不會(huì)與樣品運(yùn)動(dòng)保持一致,。因此,,在獲得完整切片之前,可能會(huì)丟失珍貴的樣品,。
通過(guò)弧形樣品夾以調(diào)整塊面與切片刀邊緣之間的角度,,可以調(diào)節(jié)樣品傾轉(zhuǎn)。以光隙為指標(biāo),,用戶在調(diào)整過(guò)程中需要上下移動(dòng)樣品,,直到光隙在整個(gè)塊面上顯示相同的厚度(圖7)。
這需要通過(guò)迭代方法來(lái)調(diào)整樣品傾轉(zhuǎn),。在這個(gè)階段,,切勿將切片刀太靠近樣品,否則塊面的離切片刀較近部分可能會(huì)被wanquan切掉,,從而有損失整個(gè)樣品的風(fēng)險(xiǎn),。同時(shí),也存在切片刀損壞的風(fēng)險(xiǎn),。
圖7:調(diào)整樣品傾轉(zhuǎn),。左:樣品傾轉(zhuǎn)原理的示意圖。樣品傾轉(zhuǎn),,直到塊面表面沿切割運(yùn)動(dòng)方向與切片刀邊緣對(duì)齊,。中:上下移動(dòng)樣品時(shí)的兩個(gè)光隙圖像。灰色條紋的厚度不同,。右:調(diào)整后的光隙,。
以光隙為作為調(diào)整的指標(biāo)
樣品和切片刀角度調(diào)整的最后一步是使用光隙作為指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整。在調(diào)整樣品傾轉(zhuǎn)之后,,小心地將切片刀朝樣品推進(jìn),,直到切片刀與塊面之間的光隙幾乎看不見(jiàn)。在接近過(guò)程中,,光隙的顏色會(huì)發(fā)生變化,,直到最終變?yōu)樗{(lán)色(顏色的變化是衍射的結(jié)果,圖8),。使用這種方法,,在整個(gè)塊面上對(duì)齊偏差能夠小于1µm。從塊面反射出的藍(lán)色光隙,,通常表示塊面與切片刀之間的距離約為400納米,。在此距離下,在所有角度上均勻分布的光隙是zui精確指標(biāo),,盡可能減小材料的損失,。
圖8:精細(xì)調(diào)整過(guò)程中,切片刀與塊面之間衍射產(chǎn)生的藍(lán)色光隙,。
圖9:帶有電動(dòng)切片刀架(1)和弧形樣品夾(2)的UC Enuity
內(nèi)置的flexacam(i5或c5)相機(jī),,提供了切片刀和光隙的圖像,這些圖像會(huì)被分析,,并將信息發(fā)送回來(lái),,以進(jìn)行自動(dòng)對(duì)齊工作(圖10)。
圖10:內(nèi)置flexacam i5相機(jī)和觸摸屏截圖,,顯示帶有自動(dòng)對(duì)齊反饋線的圖像(也見(jiàn)下文),。
對(duì)齊過(guò)程會(huì)引導(dǎo)用戶完成接近階段,最終對(duì)齊步驟將自動(dòng)完成,。這種自動(dòng)化設(shè)計(jì)旨在保護(hù)切片刀和塊面免受損壞,,同時(shí)幫助用戶實(shí)現(xiàn)wanmei對(duì)齊。該功能幫助未經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的用戶,,如在核心設(shè)施或研究組內(nèi)工作的用戶,,在切片刀和樣品的初始定位階段,在不承擔(dān)損壞風(fēng)險(xiǎn)的情況下獲得高質(zhì)量切片,。
需要注意的是,,要執(zhí)行wanquan自動(dòng)對(duì)齊功能,必須滿足某些先決條件,。例如,,塊面尺寸必須至少為250 x 250µm,,最大為1200 x 1200µm。此外,,塊面必須具有反射性且足夠干凈,。
自動(dòng)化工作流程
開(kāi)始自動(dòng)對(duì)齊程序前,首先應(yīng)將切片刀接近塊面并居中,。在用戶確認(rèn)后,,將執(zhí)行自動(dòng)對(duì)齊功能(圖11)。
圖11:UC Enuity顯示屏截圖,,顯示檢測(cè)光隙步驟中的相關(guān)交互按鈕(左),。自動(dòng)對(duì)齊過(guò)程中的相機(jī)圖像(右)。反饋線指示圖像中是否檢測(cè)到正確的邊緣,。綠色:垂直中心線,;洋紅色:光隙的上邊緣;白色:光隙的下邊緣(此處不可見(jiàn),,與紅線重合);紅色:切片刀邊緣,;藍(lán)色:自動(dòng)檢測(cè)到的塊面左邊緣和右邊緣,。
軟件檢測(cè)圖像中的不同邊緣,并對(duì)切片刀角度,、樣品傾斜和樣品旋轉(zhuǎn)進(jìn)行迭代對(duì)齊,。在此過(guò)程中,樣品會(huì)上下?lián)u動(dòng),,以觀察分析整個(gè)塊面范圍的光隙,,并據(jù)此調(diào)整樣品傾斜。
在過(guò)程結(jié)束時(shí),,可以自動(dòng)將切片刀接近樣品,,直到大約5µm的距離(圖12)。如果需要,,也可以進(jìn)行手動(dòng)校正,。
圖12:切片刀接近樣品,安全距離約為5µm,。左:對(duì)齊后,,用戶可以決定自動(dòng)或手動(dòng)接近樣品。右:接近后的光隙,。將保持約5µm的安全距離,。
多組測(cè)試結(jié)果
對(duì)齊過(guò)程的目的是避免在獲得完整切片之前,不必要地?fù)p失部分樣品區(qū)域,。為了提供確鑿的證據(jù),,證明自動(dòng)對(duì)齊功能能夠可靠地產(chǎn)生高質(zhì)量切片,,我們對(duì)樣品進(jìn)行了一系列超薄切片測(cè)試。
在第一組代表性樣品中,,專家手動(dòng)進(jìn)行了對(duì)齊,。通常,專家需要切割5-10個(gè)厚度為100nm的部分切片,,直到獲得完整切片,。另一組樣品使用UC Enuity的自動(dòng)對(duì)齊功能進(jìn)行修塊,其中五個(gè)不同樣品使用不同設(shè)備進(jìn)行修塊,,樣品塊面尺寸不同,。在兩組測(cè)試中,部分切片的平均數(shù)量均低于或等于10,,而最少部分切片的數(shù)量在3到7之間(表2),。這證明使用UC Enuity可以成功實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)齊。
表2:使用UC Enuity自動(dòng)對(duì)齊后獲得完整切片所需的部分切片數(shù)量,。
測(cè)試1,,n=4;測(cè)試2,,n=2,;測(cè)試3,n=4,;測(cè)試4,,n=7;測(cè)試5,,n=2,。
在超薄切片中,切片刀和樣品的對(duì)齊,,對(duì)于實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量切片和減少獲得完整切片前的樣品材料損失至關(guān)重要,。
由于對(duì)齊過(guò)程較為復(fù)雜,手動(dòng)操作時(shí)需要用戶具備豐富經(jīng)驗(yàn),,因此UC Enuity提供的自動(dòng)對(duì)齊解決方案,,有助于減少非熟練和不常用戶對(duì)樣品或切片刀造成損壞的風(fēng)險(xiǎn)。UC Enuity還幫助他們實(shí)現(xiàn)wanmei的光隙調(diào)整,,為高質(zhì)量的切片提供了基礎(chǔ),。
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