Quorum PP3010: Kryo-Upgrade für Ihr Rasterelektronenmikroskop
Abb. 1: Präparationskammer PP3010 an einem REM angeflanscht
Seit der Verleihung des Nobelpreises im Jahr 2017 für die Entwicklung der Kryotransmissionselektronenmikroskopie (Kryo-TEM) steht diese Methode stark im Fokus der wissenschaftlichen Aufmerksamkeit. Häufig werden dabei biologische Proben wie Viren oder Proteine untersucht. Von ihnen werden Tausende einzelner Aufnahmen erstellt, die anschließend mithilfe der sogenannten Single-Particle-Analyse (Einzelpartikelanalyse) zu einem dreidimensionalen Volumen rekonstruiert werden. Auf diese Weise lassen sich wichtige strukturelle Erkenntnisse gewinnen.
Insbesondere während der Coronapandemie hat sich die Kryo-TEM als eine essenziell wichtige Methode erwiesen, um Strukturen im Submikrometerbereich – etwa Viren – besser zu verstehen. Sie ist jedoch nicht die einzige elektronenmikroskopische Technik, mit der sich Proben in möglichst naturnahen Zustand untersuchen lassen.
Abb. 2 Beispiel für eine mit dem PP3010 präparierten Probe: gefriergebrochenes, mit AuPd besputtertes Gingkoblatt
Auch die Kryorasterelektronenmikroskopie (Kryo-REM) ist in Biologie und Medizin bereits etabliert, um Proben im gefrorenen Zustand zu analysieren. In den vergangenen Jahren haben sich darüber hinaus zunehmend Anwendungen in den Materialwissenschaften entwickelt. Immer häufiger sollen Materialien untersucht werden, die sich unter dem Elektronenstrahl stark verändern oder sogar beschädigt beziehungsweise zerstört werden können. Eine Möglichkeit, solche Strahlenschäden zu minimieren, besteht darin, die Proben gekühlt oder gefroren zu untersuchen. Hierzu wird meist Flüssigstickstoff eingesetzt, der ein Auskristallisieren von Wasser verhindert. Ein Beispiel für besonders empfindliche Materialien sind Batteriematerialien.
Quorum Technologies bietet mit der PP-Reihe verschiedene Lösungen – vom inertem Probentransfer über Probenkühlung bis hin zum umfassenden Kryopräparationssystem PP3010. Letzteres möchten wir hier näher vorstellen.
Abb. 3: Aufbau des PP3010 Systems für (FIB)REM
Das PP3010 besteht aus mehreren Komponenten: einer stickstoffgasgekühlten Probenbühne, dem Prepdek® zum Einfrieren der Proben, einer Einheit für den gekühlten beziehungsweise inerten Probentransfer in das Rasterelektronenmikroskop sowie einer Präparationskammer (Abb. 1), die direkt an das REM angeschlossen wird.
Diese zusätzliche Präparationskammer bietet gegenüber vielen konkurrierenden Systemen einen entscheidenden Vorteil: Die gefrorene Probe kann unter Vakuum mittels Gefrierbruch weiter präpariert und anschließend ohne zusätzlichen Probentransfer leitfähig beschichtet werden. Die Probe wird dabei im PP3010 gebrochen und kann anschließend beispielsweise mit Platin besputtert oder mit Kohlenstoff bedampft werden. Während des gesamten Prozesses bleibt sie gekühlt, um Kontaminationen durch entstehende Eiskristalle zu vermeiden. Automatisierte Abläufe ermöglichen außerdem die Sublimation der Probe – ein weiterer Schritt, um Eiskristalle auf der Probenoberfläche zu reduzieren. Die gefrorene, frisch freigelegte und beschichtete Probe kann anschließend direkt im REM analysiert werden.
Alternativ lässt sich das PP3010 auch an viele gängige FIB-REM-Systeme anschließen. Mithilfe eines fokussierten Ionenstrahls (FIB, engl. Focused Ion Beam) kann gezielt ein interessanter Bereich der Probe herauspräpariert werden – entweder für eine weitere Analyse im REM oder zur Herstellung einer sogenannten TEM-Lamelle, die anschließend mittels Kryo-TEM untersucht werden kann.
Abb. 4 Quorums Applikationsspezialistin beim Einschleusen einer Probe ins REM über die Präparationskammer PP3010
Neben einer automatischen Kühllösung (zukünftig auch für Laufzeiten von über 24 Stunden verfügbar) steht mit dem Prepdek® ein weiteres wichtiges Modul zur Verfügung. In diesem System wird flüssiger Stickstoff unter Vakuum in sogenannten „Slushy“-Stickstoff überführt – eine Mischung aus festen und flüssigen Stickstoffpartikeln. Diese besitzt gegenüber reinem Flüssigstickstoff eine höhere Kühlrate und eine bessere thermische Stabilität. Dadurch können Proben besonders schnell eingefroren werden (Rapid Freezing), was die Bildung von Eiskristallen reduziert und zu einer besseren Konservierung der Probenstruktur führt. Im Prepdek können zudem bereits gefrorene Proben in die für das PP3010 vorgesehenen Probenhalter eingesetzt werden.
Proben, die aufgrund ihrer hohen Reaktivität mit Sauerstoff oder der Umgebungsluft in Handschuhboxen hergestellt werden, können über eine optional verfügbare Schnittstelle direkt aus der Handschuhbox in den Transferhalter geladen werden.
Wer sich ein genaueres Bild davon machen möchte, wie das PP3010 als Kryopräparationslösung eingesetzt werden kann, findet auf der Website von Quorum Technologies einen eigens eingerichteten digitalen Showroom. Dort lassen sich die einzelnen Komponenten sogar mittels Augmented Reality betrachten. Zusätzlich bietet Quorum Online-Demonstrationen an: Gemeinsam mit der Applikationsspezialistin in England schalten wir uns remote zusammen, und sie zeigt die Arbeitsschritte am PP3010 – auf Wunsch auch mit Ihren eigenen Proben.
Wenn Sie Interesse daran haben, Ihr bestehendes (FIB-)REM mit einem PP3010 nachzurüsten, sprechen Sie uns gerne an. Für die meisten gängigen Systeme ist eine Integration möglich. Wir beraten Sie gerne und prüfen gemeinsam, ob Ihr Elektronenmikroskop dafür geeignet ist.
