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DE19938971B4 - Vorrichtung zur Regelung der Temperaturen in einer Kühlkammer für ein Mikrotom - Google Patents

Vorrichtung zur Regelung der Temperaturen in einer Kühlkammer für ein Mikrotom Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zur Regelung der Temperaturen in einer Kühlkammer für ein Mikrotom, insbesondere Ultramikrotom, mit wenigstens zwei verschiedenen Temperatur-Regelkreisen für die Temperaturen des Objektes und des Messers, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Regelkreis für die Temperatur des Objektes (8) und der Regelkreis für die Temperatur des Messers (9) ein gemeinsames Einstellelement (17) aufweisen, durch das die Regelkreise auf eine identische Temperatur als Sollwert programmierbar sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung der Temperaturen einer Kühlkammer für Mikrotome, insbesondere Ultramikrotome, mit wenigstens zwei verschiedenen Temperatur-Regelkreisen für die Temperaturen des Objektes und des Messers.
  • Das Schneiden weicher, elastischer oder zäher Proben, bzw. ganz allgemein von Materialien, welche bei Raumtemperatur keine schneidfähige Konsistenz aufweisen (z.B. wässrige Suspensionen, Lacke), macht ein Abkühlen auf Temperaturen nötig, welche teilweise erheblich unter der Raumtemperatur liegen. Für die mikroskopische, insbesondere elektronen-mikroskopische Untersuchung bedient man sich hierbei spezieller Kühlkammern, die im Verein mit geeigneten Mikrotomen bzw. Ultramikrotomen die Abnahme hinreichend dünner Schnitte ermöglichen (vgl. hierzu u.a. H. Sitte, Ultramikrotomie, in: mta-journal extra Nr. 10, Umschau-Verlag, Breidenstein GmbH, Frankfurt/Main, 1983). Der Temperaturbereich derartiger Kühlkammern liegt zwischen Raumtemperatur und etwa –180°C wobei die Temperaturen des Objektes und des Messers, in vielen Fällen auch des Kammergases getrennt regelbar sind. Diese gesonderte Regelung der drei wesentlichen Temperaturen erschien bislang vorteilhaft, weil dadurch alle den Schneidevorgang beeinflussenden thermischen Parameter gesondert optimiert werden konnten. Als Kühlmedium („Kryogen") wurde in den meisten Fällen entweder kaltes Stickstoffgas (N2g) aus einem mit Flüssigstickstoff (N2fl) gefüllten Dewargefäß oder N2fl zur direkten Kühlung verwendet. Das in der Kühlkammer vorhandene, Messer und Präparat umspülende, Gas besteht in diesen Fällen aus reinem N2g.
  • Die vorgewählten Temperaturen von Objekt, Messer und Kammergas wurden in technisch bekannter Weise durch elektronische Regelkreise erreicht und konstant gehalten, welche jeweils einen Temperatursensor (z.B. Pt 100 Platinwiderstand oder Mikro-Thermo-Element) und ein Heizelement (z.B. Heizwiderstand) aufweisen. Einstellelemente ermöglichten die Vorwahl der gewünschten Temperaturen, Temperaturanzeigen die Überprüfung der jeweils erreichten Werte. Berücksichtigt man, daß die Messertemperatur z.B. für den Einsatz bestimmter Abschwimmflüssigkeiten (z.B. DMSO/H20) maßgeblich ist, wogegen die Objekttemperatur die Konsistenz des Präparates (z.B. spröde oder zäh-elastisch, bzw. flüssig oder fest) bestimmt, so wird verständlich, daß man diese Art der gesonderten Temperatursteuerung der drei wesentlichen Temperaturen durchwegs als optimal empfand, und daß Kühlkammern der verschiedensten Konstruktionen und Hersteller durchgehend mit der beschriebenen getrennten Temperatursteuerung für Objekt und Messer, teilweise auch für das Kammergas ausgestattet waren.
  • In der täglichen Praxis weist dieses Prinzip jedoch erhebliche Nachteile und Mängel auf, welche vorzugsweise in den technischen Möglichkeiten einer präzisen Temperaturmessung kleinster Bereiche begründet liegen. Es ist zunächst technisch unmöglich, die wesentlichen Temperaturen korrekt zu messen. Auch die kleinsten und dadurch fast trägheitsfrei arbeitenden Temperatursensoren (z.B. Mikro-Thermo-Elemente) können nicht in die äußersten Oberflächenschichten des Objektes integriert werden. Zwangsläufig mißt man stets die Objekttemperatur in einer tieferen Lage, die beispielsweise 0,5 bis 1 mm von der Objektoberfläche und damit dem Ort des Schneideprozesses entfernt ist. Gleiches gilt für die Messerschneide. Weder bei den heute in der Ultramikrotomie vorzugsweise verwendeten Diamantmessern, noch bei den billigeren Metall- oder Glasklingen können Sensoren an der eigentlichen Schneide angebracht werden. Aus praktischen Gründen verlegt man diese Sensoren vielmehr in die kompakten Metallhalterungen des Objektes und Messers, um den häufigen Austausch von Messer und Präparat auf einfache und rasche Weise zu ermöglichen. Die an diesen Elementen angeordneten Sensoren geben in vielen Fällen Temperaturwerte wieder, welche von der Realität weit entfernt sind. Dadurch wird ein Reproduzieren der Temperaturen fast unmöglich, insbesondere, wenn man an Kühlkammern unterschiedlicher Konstruktionen bzw. Hersteller arbeitet.
  • Besonders problematisch wird die Situation, wenn man für Objekt, Messer und Kammergas unterschiedliche Temperaturen vorwählt. So kühlt bekanntlich ein kaltes Kammergas die Oberflächen von Messer und Präparat weit unter die vorgewählten bzw. angezeigten Werte ab. Umgekehrt bewirkt die Wärmestrahlung des wärmeren Messers auf das kältere Präparat ein beträchtliches Aufwärmen der oberflächlichen Präparatschichten. Aussagen darüber, in welchem Umfang die realen Temperaturen gegenüber den Anzeigen verfälscht werden, sind kaum möglich und man befindet sich stets in einem Zustand großer Unsicherheit. Zu dieser Unsicherheit treten noch die dynamischen Phänomene, die man angesichts der sich oft langsam einstellenden Fließgleichgewichte erwarten muß. In der Praxis ist es schließlich ein fast hoffnungsloses Unterfangen, durch systematisches Ändern der drei genannten Temperaturen zu optimalen Ergebnissen zu gelangen, weil die Kombinatorik praktisch unendlich viele Kombinationen ermöglicht. Abgesehen davon ist eine einmal ermittelte optimale Temperaturkombination auf andere Kühlkammern nicht ohne weiteres übertragbar und daher in den meisten Fällen nur von sehr geringem methodischen Wert.
  • Abgesehen von diesen prinzipiellen Problemen muß man zumindest zwei, meist drei oder in speziellen Fällen noch mehr – Einstellvorgänge durchführen, um die jeweils gewünschten Temperaturen vorzuwählen. Ebenso muß man sich jeweils davon überzeugen, daß alle vorgewählten Werte tatsächlich erreicht sind, bevor man nach der Temperaturvorwahl oder nach einer Temperaturänderung die Schnittpräparation aufnimmt oder nach einem Wechsel der Werte neuerlich fortsetzt. Alles in allem ergibt sich dadurch bei der überwiegenden Zahl der Schnittpräparationen bei reduzierter Temperatur eine nicht unerhebliche Verzögerung der praktischen Arbeit.
  • Aus der DE 1 922 740 U ist ein Mikrotom mit einem Messer und einem Gestelltisch bekannt. Sowohl das Messer als auch der Gestelltisch sind jeweils mit einem thermoelektrischen Kühl- und Heizelement ausgestattet. Die Temperatur am Gestelltisch lässt sich unabhängig von der Temperatur des Messers regeln.
  • Aus der DE 1 962 263 U ist eine gekühlte geschlossene Kammer zur Aufnahme eines Mikrotoms mit einem Messer und einem Objektträger bekannt. Bei dieser Einrichtung lassen sich sowohl der Innenraum der Kammer als auch das Messer sowie der Objektträger unabhängig voneinander regeln.
  • Die DE 1 622 996 C beschreibt eine Kühlkammer zur Aufnahme eines Ultramikrotoms. Zur Kühlung wird flüssiger Stickstoff in die Kammer eingefüllt. Ferner ist eine Einrichtung zur Temperaturregelung des Messers und des Objekthalters vorgesehen, wobei die Temperaturreglereinrichtung eine elektrische Widerstandsheizvorrichtung aufweist. Eine unabhängige Regelung der Temperatur des Messers beziehungsweise des Objekthalters ist hier nicht vorgesehen.
  • Aus der DE 196 40 044 A1 ist ein Kryostatmikrotom mit einer Kryostatkammer bekannt. In der Kryostatkammer ist ein Mikrotom mit einem Präparathalter und einem Messerhalter angeordnet. Die Temperatur des Präparathalters sowie die Temperatur des Messerhalters lassen sich unabhängig voneinander einstellen, wobei jeweils eine separate Kühl- und Heizeinrichtung für den Messerhalter und den Präparathalter vorgesehen sind. Ein gemeinsames Einstellelement zur Regelung der Temperaturen am Präparathalter und am Messerhalter ist hier nicht vorgesehen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine einfachere Temperaturregelung zu realisieren, die in der täglichen Praxis auch dann zu reproduzierbaren Ergebnissen führt, wenn unterschiedlich aufgebaute Kühlkammern unterschiedlicher Hersteller verwendet werden.
  • Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß (zumindest) der Regelkreis für die Temperatur des Objektes und der Regelkreis für die Temperatur des Messers ein gemeinsames Einstellelement aufweisen, durch das die Regelkreise auf eine identische Temperatur als Sollwert programmierbar sind. Es können auch weitere für den Betrieb der Kühlkammer vorgesehene Regelkreise, beispielsweise für das im Kammerraum, insbesondere im Objekt-Messerbereich befindliche Kammergas, in die gemeinsame Temperaturvorwahl durch das Einstellelement einbezogen sein. Damit werden durch ein gemeinsames Regelelement – beispielsweise durch den Regler für die vor allem wesentliche Objekttemperatur – alle relevanten Regelkreise auf die gleiche Temperatur programmiert. Dies hat zur Folge, daß die nach dem Stand der Technik getrennten Regelkreise die Temperaturen jeweils auf den gleichen Wert zusteuern, der hierdurch in einer minimalen Zeit erreicht wird. Abgesehen davon, daß hierdurch die Einstellung vereinfacht wird, erreicht man unabhängig von der jeweils gegebenen Konstruktion der verwendeten Kühlkammer und ihrer entscheidenden Elemente eine sehr weitgehende Reproduzierbarkeit der Werte, weil gleichartige Temperaturen der verschiedenen Elemente automatisch Aufheiz- oder Abkühleffekte unterschiedlich warmer Teilelemente der Kühlkammer ausschließen.
  • Eine Ausgestaltung der Erfindung kann darin bestehen, daß eine akustische und/oder optische Signalanzeige vorgesehen ist, die anspricht, wenn zumindest Objekt und Messer, vorzugsweise auch das Kammergas, den vorgewählten gemeinsamen Sollwert der Temperatur wenigstens annähernd erreicht haben. Diese Signalanzeige zeigt also die Betriebsbereitschaft der Vorrichtung an, d.h. das Erreichen eines Gleichgewichtszustandes („steady state"). Dies bedeutet, daß z.B. bei einer Vorwahl einer Temperatur von –90°C für das Objekt ein Signal das Erreichen des vorgewählten und angestrebten Zustandes anzeigt, wenn Objekt, Messer und Kammergas diese Temperatur annähernd erreicht haben.
  • Eine weitere mögliche Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die akustische und/oder optische Signalanzeige auch dann anspricht, wenn die Istwerte der einzelnen Temperaturen vom gemeinsamen Sollwert um Beträge abweichen, die kleiner als die durch ein Einstellelement vorgewählte Toleranzbreite sind. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, bei Arbeiten mit wenig sensiblen Objekten, welche ihre Schneidekonsistenz in einem Bereich von +/–5°C kaum verändern, diese Spanne in die Elektronik in technisch bekannter Weise mittels eines analogen oder digitalen Einstellelementes einzugeben und damit rascher zum Signal zu gelangen, das die Schnittpräparation freigibt, als bei einem kritischeren Präparat, für das man beispielsweise eine Toleranzbreite von +/–1 °C verwenden muß und vorwählt.
  • Das gemeinsame Einstellelement für den identischen Sollwert der Temperatur mehrerer Regelkreise kann das einzige Temperatur-Einstellelement der Vorrichtung sein. Die Vorrichtung kann aber auch gesonderte Einstellelemente für einzelne Regelkreise aufweisen, um – wenn in einem speziellen Fall eine einheitliche Temperaturwahl für alle Regelkreise nicht opportun ist – eine gesonderte Temperaturregelung der einzelnen Regelkreise (wie an sich bekannt) durchgeführt werden kann. Beispielsweise kann neben dem Einstellelement für die Objekttemperatur, das auch das gemeinsame Einstellelement sowohl für die Objekttemperatur als auch die Messertemperatur (und gegebenenfalls der Kammergastemperatur) sein kann, noch ein extra Einstellelement für die Messertemperatur (und gegebenenfalls für die Kammergastemperatur) vorhanden sein. Dann kann man von der Verwendung einheitlicher Temperaturen bei Bedarf auf einfachste Weise dadurch abgehen, daß man nach der Vorwahl der Objekttemperatur die vorhandenen Einstellelemente für die Messer- und/oder Kammergastemperatur betätigt und damit die einheitliche Steuerung außer Kraft setzt. Damit wird bewußt wieder die bislang übliche, komplexere Einzelregelung in einzelnen speziellen Fällen wieder hergestellt und das System trotz der möglichen Vereinfachung universell einsetzbar.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Vorrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand eines bevorzugten Beispieles in der beiliegenden Zeichnung, welche in grobschematisch vereinfachter Darstellung eine an einem Mikrotom/Ultramikrotom befestigte Kühlkammer samt Schalttafel des Steuergerätes zeigt.
  • Das in der beiliegenden Zeichnung dargestellte Mikrotom/Ultramikrotom ist im wesentlichen herkömmlicher Bauart (vgl. auch hier H. Sitte, 1983, 1.c. sowie H. Sitte und K. Neumann, Ultramikrotome und apparative Hilfsmittel der Ultramikrotomie, in: G. Schimmel und W. Vogell, Methodensammlung der Elektronenmikroskopie, Wissenschaftliche Verlags-GmbH, Stuttgart 1983).
  • Am Messersupport 1 des Mikrotoms/Ultramikrotoms 2 ist die Kühlkammer 3 befestigt. Am Boden der Kühlkammer 3 ist die Messerhalterung 4 montiert.
  • Durch die hintere Wandung der Kühlkammer 3 ist der Präparatträgerstab 5 eingeführt, der während der Schnittpräparation um das Lager 6 eine schwingende Auf/Ab-Bewegung ausführt. Am freien Ende des Stabes 5 ist der Präparathalter 7 mit dem Präparat 8 befestigt, das im Rahmen der Schneidebewegung (Doppelpfeil) an der Schneide des Messers 9 vorbeigeführt wird. Miteinander kommunizierende Tank 10, 11 erden von außen mit N2fl (Flüssigstickstoff) 12 gefüllt, aus dem in den Kammerraum laufend N2g (Stickstoffgas) absiedet. Ein Teil dieses N2g wird durch ein Rohr 13 in den Objekt-Messer-Bereich geleitet. Der Messerhalter 4 ist durch den Metallstab 14, die Präparathalterung 7 durch das Metallprofil 15 mit dem N2fl 12 im Tankabschnitt 10 thermisch verbunden. Die Temperaturregelung erfolgt durch die Elektronik des Steuergerätes 16, auf dessen Paneel (Schalttafel) z.B. jeweils drei Wipptaster 17/18/19 zur Temperatureinstellung, sowie Digitalanzeigen 20/21/22 der Istwerte bzw. 23/24/25 die vorgewählten Sollwerte für Objekt, Messer und N2g angeordnet sind. Im Objekthalter 7 sind ein Temperatursensor 26 und ein Heizwiderstand 27 zur Temperaturregelung und -anzeige angeordnet. Analoge Elemente 28/29 befinden sich im Messerhalter 4. Direkt neben der Schneide des Messers 9 befindet sich frei im Kammergas der Sensor 30 für die N2g-Temperatur, welche durch das Heizelement 31 im Metallblock 32 variiert werden kann, der die Röhre 13 umfaßt.
  • Bei einer solchen Vorrichtung kann die Erfindung dadurch verwirklicht werden, daß mittels einer geeigneten Software in technisch bekannter Weise die Temperaturvorwahl zumindest für die Objekt- und Messertemperatur, gegebenenfalls auch für die N2g-Temperatur durch ausschließliches Betätigen des Einstellelementes 17 für das Objekt vollzogen wird. Die Sollwert-Anzeigen 23/24/25 weisen danach identische Werte (z.B. 90°C) für alle drei Regelkreise auf und die Istwert-Anzeigen 20/21/22 streben diesem einheitlichen Sollwert zu.
  • Die Vorrichtung kann auch eine optische und/oder akustische Signalanzeige, beispielsweise einen im Steuergerät 16 angeordneten Summer 33 oder ein am Paneel des Steuergerätes 16 angeordnetes Kontrollicht (z.B. LED) 34, aufweisen, wodurch das Erreichen der Sollwerte der gleichgeschalteten Regelkreise für das Objekt, das Messer und gegebenenfalls die N2g-Temperatur durch ein akustisches oder optisches Signal angezeigt wird. Eine sinnvolle Ausgestaltung kann auch in einer Kombination beider Signale, z.B. einen kurzen Signalton des Summers 33 bei gleichzeitigem dauernden Aufleuchten eines Kontrollichtes 34, bestehen.
  • Eine weitere Ausgestaltung kann in einer gezielten und variablen Festlegung der Toleranzgrenzen für das Erreichen der Sollwerte bestehen. Während im vorangehenden Beispiel das Erreichen der Sollwerte beispielsweise erst dann durch ein Signal angezeigt wird, wenn die Istwerte innerhalb der Meßgenauigkeit des Systemes den Sollwerten entsprechen, kann hierbei in vorteilhafter Weise das Signal, welches die Schneidebereitschaft des Systemes anzeigt, bereits ausgelöst werden, wenn die Istwerte sich innerhalb einer vorwählbaren Toleranzgrenze den Sollwerten angenähert haben. Diese Toleranzgrenze kann z.B. durch einen am Paneel des Steuergerätes 16 angeordneten analogen Drehknopf 35 auf Werte zwischen +/–1 und +/–10°C eingestellt und damit den speziellen Erfordernissen der jeweiligen Schnittpräparation angepaßt werden.
  • Das System kann in Anpassung an die unterschiedlichen Konstruktionen von Kühlkammern für normale Mikrotome oder Ultramikrotome sowie an den unterschiedlichen Bedarf in den speziellen Arbeitsgebieten in verschiedenen Kombinationen und mit verschiedenen Konstruktionselementen verwirklicht werden. Dies gilt insbesondere für die Ausbildung der Regelkreise und die hierfür verwendeten digitalen oder analogen Anzeigen und Einstellvorrichtungen. Unerheblich ist insbesondere die Genauigkeit der Einstellungen und Anzeigen, die im wesentlichen nach den Erfordernissen der Praxis auszurichten sind. Unerheblich ist darüber hinaus, ob das System bei einfacheren Kühlkammern ausschließlich, d.h. ohne die Möglichkeit einer gesonderten unterschiedlichen Einstellung der Objekt- und Messertemperatur, realisiert wird, sowie ob und in welchem Ausmaß andere Temperaturregelkreise, wie z.B. jener für die N2g-Temperatur oder für eine Schnittpresse in das Gesamtsystem einbezogen werden.

Claims (5)

  1. Vorrichtung zur Regelung der Temperaturen in einer Kühlkammer für ein Mikrotom, insbesondere Ultramikrotom, mit wenigstens zwei verschiedenen Temperatur-Regelkreisen für die Temperaturen des Objektes und des Messers, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Regelkreis für die Temperatur des Objektes (8) und der Regelkreis für die Temperatur des Messers (9) ein gemeinsames Einstellelement (17) aufweisen, durch das die Regelkreise auf eine identische Temperatur als Sollwert programmierbar sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weitere für den Betrieb der Kühlkammer vorhandene Regelkreise, beispielsweise für das im Kammerraum, insbesondere im Objekt-Messerbereich befindliche Kammergas, in die gemeinsame Temperaturvorwahl durch das Einstellelement (17) einbezogen sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine akustische (33) und/oder optische (34) Signalanzeige vorhanden ist, die anspricht, wenn zumindest Objekt und Messer, vorzugsweise auch das Kammergas, den vorgewählten gemeinsamen Sollwert (23) der Temperatur wenigstens annähernd erreicht haben.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die akustische (33) und/oder optische (34) Signalanzeige auch dann anspricht, wenn die Istwerte der einzelnen Temperaturen (20, 21, 22) vom gemeinsamen Sollwert (23) um Beträge abweichen, die kleiner als die durch ein Einstellelement (35) vorgewählte Toleranzbreite sind.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auch weitere Einstellelemente (17, 18, 19) zur wahlweisen gesonderten Vorwahl der Temperaturen der einzelnen Regelkreise vorhanden sind.
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