用于在诸如透射电子显微镜的带电粒子设备中处置用于研究的样本的系统和方法与流程

用于在诸如透射电子显微镜的带电粒子设备中处置用于研究的样本的系统和方法
具体实施方式
1.本发明涉及一种用于处置样本的系统和方法，该系统包括存储设备、转移装置和带电粒子设备(cpa)，诸如呈透射电子显微镜(tem)的形式的带电粒子显微镜(cpm)。
2.生物学是研究生命和活生物体(包括其物理结构、化学过程、分子相互作用、生理机制、发育和进化)的自然科学。
3.细胞生物学是生物学的一个分支，其研究细胞(生命的基本单位)的结构和功能。细胞生物学涉及细胞的生理特性、代谢过程、信号传导路径、生命周期、化学组成以及细胞与其环境的相互作用。在细胞生物学中，大分子之间的分子识别控制着细胞中所有最复杂的过程。最常见的大分子包括生物聚合物(核酸、蛋白质、碳水化合物和脂质)和大的非聚合分子(诸如脂质和大环化合物)。
4.许多研究人员对以高分辨率研究其自然环境中的大分子复合物以便揭示其结构动力学和相互作用感兴趣。为此，可以使用带电粒子显微镜。
5.带电粒子显微镜是一种众所周知且日益重要的微观物体成像技术，特别是呈电子显微镜(em)的形式。历史上，电子显微镜的基本种类已演变成许多众所周知的设备类别，诸如透射电子显微镜(tem)、扫描电子显微镜(sem)和扫描透射电子显微镜(stem)，并且还演变成各种子类别，诸如所谓的“双束”工具(例如，fib-sem)，该工具另外采用了“机加工”聚焦离子束(fib)，例如从而允许诸如离子束铣削或离子束诱导沉积(ibid)的支持性活动。技术人员将熟悉不同类别的带电粒子显微镜。
6.在sem中，扫描电子束对样本的辐照促进“辅助”辐射以二次电子、背散射电子、x射线和阴极发光(红外、可见光和/或紫外光子)的形式从样本发出。可检测此发出的辐射的一个或多个分量并将其用于样本分析。
7.在tem中，电子束透射穿过试样，以在该束透射穿过试样时根据电子与样本的相互作用形成图像。然后将图像放大并聚焦到成像装置上，该成像装置诸如荧光屏、照相胶片层或传感器(诸如附接到电荷耦合装置(ccd)的闪烁器)。闪烁器将显微镜中的原电子变换为光子，使得ccd能够检测其。
8.em提供了许多研究生物样本的方式：常规tem用于研究生物样本的总体形态；电子晶体学和单粒子分析致力于研究蛋白质和大分子复合物；并且(低温)电子断层扫描术和玻璃切片的低温-em(cemovis)针对细胞器和分子架构。在低温-em和cemovis中，使用玻璃化技术通过快速冷冻来保存样本，并通过低温-tem观察。cemovis还包括对样本进行低温切片，这可以使用低温-fib技术完成。
9.制备用于在分析装置中研究的生物样本通常是费时又费力的。制备低温-em试样例如包括以下步骤：获取生物材料(通常是纯化的蛋白质复合物)的水性样本；将其施加到支撑结构(格栅)，将其尺寸缩小为尽可能薄(约至取决于生物分子的大小)的一层；然后足够快地冷冻这一层以防止水结晶。这种制备生物样本的过程的许多方面都是有问题的。
10.一旦低温-em样本已制备，其就需要在适当条件下存储和处置，以供稍后在带电粒子显微镜中使用。为此，多个低温-em样本可存储在个别格栅箱中。这些格栅箱可放置于锥形法尔康管中，然后存储到长期液氮存储杜瓦瓶中。
11.一旦需要，就从杜瓦瓶取出法尔康管，并且从法尔康管检取对应于所要样本的正确的格栅箱。
12.可应用不同方法来将所要样本放到低温-电子显微镜中。
13.在第一实施方案中，可使用低温转移固持器。这是被设计用于将液氮温度下的样本无霜转移到透射电子显微镜(tem)中的液氮固持器。将样本从格栅箱取出并手动地放置在低温转移固持器内部。然后，低温转移固持器可连接到tem。低温转移固持器在获取期间将样本固持在tem内部适当位置。低温转移固持器在tem内部的放置已经被证明很麻烦，因为低温固持器到显微镜中的插入的失败率相对较高。在连接低温转移固持器之后20分钟周期期间，发生大量样本漂移。此外，低温转移固持器限制了tem中样本的输贯量，因为低温转移固持器需要每隔12小时手动地用液氮再填充，并且4至5次插入之后需要显微镜的4小时长的低温循环。
14.在第二实施方案中，样本使用低温样本操纵机器人装载到tem中。此类样本操纵机器人例如被称为由thermo scientific
tm
出售的产品autoloader。autoloader是作为tem的一部分安装的模块。将样本手动地放置在autoloader仓内部。这些autoloader仓然后存储在诸如杜瓦瓶的低温存储器中。一旦需要，就从杜瓦瓶检取仓并将其放置在autoloader模块内部。然后，由操纵机器人从仓取出所要样本，操纵机器人将样本转移到tem内部的样本固持器。然后，可使用tem使样本成像。尽管此已知系统提供极佳的效果，尤其是在样本转移质量和筛检输贯量方面，但其它方面仍存在改进空间，诸如例如改进样本到仓中的装载、复杂性、安装和维护的容易度，以及相关联成本。
15.这些实施方案中的一个或多个实施方案可能需要用户执行闩锁低温转移固持器和/或仓的步骤，或执行其他任务，包括连接线缆、打开和/或关闭过渡腔室、打开和/或关闭阀和/或插入样本。
16.从上可知，因此需要一种提供改进的安全性以及存储低温样本、转移低温样本和在带电粒子显微镜或类似设备中研究低温样本的改进的用户体验的改进的样本存储和处置系统。
17.一般来讲，期望一种提供存储样本、转移样本以及在诸如带电粒子显微镜的带电粒子设备中使用这些样本的改进的用户体验的改进的样本存储和处置系统。因此，本公开不限于低温-em样本，而是也可用于非低温-em样本。
18.考虑到上述内容，本公开提供了一种样本处置和存储系统。
19.该样本处置和存储系统包括存储设备，该存储设备用于存储多个样本。该存储设备被布置用于存储样本，该样本可以是低温-em样本。该存储设备可被布置用于在低温条件下存储样本。
20.该样本处置和存储系统进一步包括带电粒子设备(cpa)，该带电粒子设备位于远离该存储设备的位置处。cpa和存储设备之间的距离使得存储设备与cpa之间的直接样本转移是困难或几乎不可能的。因此，系统进一步包括转移装置，该转移装置被布置成可在存储设备和cpa之间移动。
21.转移装置能够可释放地连接到该存储设备和该cpa。这就是说，转移装置可连接到存储设备以及与该存储设备断开连接。此外，转移装置能够可释放地连接到该cpa，并且因此转移装置可连接到该cpa以及与该cpa断开连接。在转移装置的断开连接状态中，转移装置可在存储设备和cpa之间移动，特别是借助于人类操作者，该人类操作者分别从存储设备和cpa携载转移装置和将该转移装置携载到存储设备和cpa，或反之亦然。在转移装置的连接状态中，转移装置和其连接到的设备之间的样本转移是可能的。因此，系统被布置成当该转移装置连接到该存储设备时将样本从该存储设备转移到该转移装置，并且被布置成当连接到该cpa时将该样本从该转移装置转移到该cpa。也可设想借助于转移装置从cpa转移回到存储设备。换句话说，转移装置被布置成用于在cpa处获取样本，以及用于将该样本从该转移装置转移到该存储设备。这增加了如本文所限定的存储和处置系统的通用性。
22.因此，有可能将单个转移装置连接到存储设备并获取样本，并且将带有样本的转移装置运送到cpa(诸如tem)以供将样本装载到cpa中。从该转移装置到该cpa的转移可包括到作为cpa的一部分的样本固持器(即，样本载台)的转移。从存储设备到cpa的运送可手动地进行，即，由人类操作者将转移装置从存储设备携载到cpa。
23.如本文所限定，样本处置和存储系统包括至少一个抽吸盘机构，该至少一个抽吸盘机构用于紧固该转移装置与该存储设备和该cpa中的至少一者之间的该连接。
24.通过使用抽吸盘机构，可在转移装置与该存储设备和该cpa中的至少一者之间建立紧固连接。这允许转移装置容易且快速地连接到存储设备和/或cpa。该连接是可靠且可再现的，并且允许从待建立的各种设备安全地转移样本和将样本安全地转移到待建立的各种设备。由此，实现如本文所限定的目的。
25.如前面所指示，转移装置可连接到存储设备和带电粒子设备。出于简明的原因，将其称为“所要设备”。因此，转移装置可连接到所要设备，该所要设备包括存储设备和/或cpa。
26.抽吸盘机构可包括至少第一密封环。在转移装置到所要设备的连接状态中，第一密封环将与转移装置和所要设备接触。第一密封环、转移装置的至少一部分和所要设备(即存储设备或cpa)的至少一部分将限定抽吸盘体积部。通过降低该抽吸盘体积部中的压力，所得到的减小的压力将确保转移装置和所要设备之间的连接更牢固。降低抽吸盘体积部中的压力可以多种方式获得，包括借助于泵送元件降低压力，并且包括在保持外壳密闭的同时扩大抽吸盘体积部的体积。例如，可通过使用柔性或可移动壁元件来扩大体积。
27.下文将论述有利的实施方案。
28.在一个实施方案中，转移装置包括细长壳体。存储设备可包括接纳凹陷部，该接纳凹陷部适于接纳转移装置的细长壳体的至少一部分。类似地，cpa可包括对应接纳凹陷部，用于接纳转移装置的该细长壳体的至少一部分。cpa的接纳凹陷部可在很大程度上对应于存储设备的接纳凹陷部，尽管当然可能存在差异。通过使用细长壳体和对应凹陷部，转移装置到cpa和/或存储设备的初始连接可为快速且容易的。一旦细长转移装置插入凹陷部中，抽吸盘机构可被启动以确保该连接，使得可发生样本转移。
29.在一个实施方案中，接纳凹陷部的侧壁为该转移装置的该壳体提供引导表面。另外，凹陷部可包括底壁，该底壁为该壳体提供邻接表面。通过将转移装置的细长壳体插入接纳凹陷部中，并且继续插入运动直到转移装置的顶面到达凹陷部的底壁，确保了转移装置
以可预测的方式(特别是具有其可再现的位置)连接到对应设备。
30.在一个实施方案中，细长壳体包括连接面，在连接状态中，该连接面指向该凹陷部的该底壁并至少部分地与该底壁接触。
31.在该转移装置上设置抽吸盘机构可为有利的。在其它实施方案中，抽吸盘机构可设置在存储设备和cpa上。在另外的实施方案中，存储设备、cpa和转移装置各自具有相应抽吸盘机构。然而，鉴于成本和可连接性，仅为转移装置提供抽吸盘机构可为有利的。在这种情况下，在一个实施方案中，优选的是，该抽吸盘机构设置在该转移装置的该连接面上，使得其可与该凹陷部的该底壁接触以暂时建立固定连接。
32.在一个实施方案中，该转移装置包括设置在该连接面中的转移端口，并且该凹陷部的该底壁包括转移开口。转移装置可包括设置在该细长壳体内的转移存储室。转移端口可用于进入该转移存储室。转移存储室可被布置成用于将样本维持在所要环境下。例如，在使用低温-em样本的情况下，可设想，转移存储室被布置成用于将该低温-em保持在低温条件下或接近低温条件。这可包括主动和/或被动冷却元件。
33.在一个实施方案中，在转移装置到所要设备的连接状态中，该抽吸盘机构包围该转移端口。为此，抽吸盘机构可包括第一密封环和第二密封环。与第一密封环相比，第二密封环包括较小尺寸。第一密封环以其完全环绕该第二密封环的这样一种方式设置。该第一密封环和该第二密封环与转移装置和所要设备一起限定抽吸盘体积部。因此，第一密封环限定抽吸盘体积部的最外轮廓，并且因此第二密封环限定抽吸盘体积部的最内轮廓。第二密封环包围该转移端口。
34.应注意，在以上实施方案中，也可在转移装置上设置抽吸盘机构。还可设想，在所要设备上设置抽吸盘机构。在使用两个密封环的实施方案中，密封环可设置在所要设备上使得在转移装置到所要设备的连接状态中，第二密封环包围转移装置的转移端口。
35.在一个实施方案中，该转移装置与该存储设备和该cpa中的至少一者设置有电接触元件。电接触元件可设置在转移装置和所要设备上。电接触元件被布置成在该转移装置到该存储设备和该cpa中的该至少一者的连接状态中彼此接触。电接触元件可设置在转移装置的细长壳体上，以及所要设备的凹陷部上。
36.如前面所指示，细长壳体可包括连接面，在连接状态中，该连接面指向该凹陷部的底壁。抽吸盘机构可被布置成作用在凹陷部的底壁和连接面上。具体地，抽吸盘机构可设置在转移装置的连接面上。另外，可设想，电接触元件也设置在连接面和底壁上。
37.在一个实施方案中，转移装置包括转移机构，该转移机构被布置成用于当连接到该存储设备时从该存储设备获取该样本，以及用于当连接到该cpa时将该样本递送到该cpa。转移机构可被布置在细长壳体内，并且可被布置成用于将该样本存储在该转移存储室内。转移机构可被布置成用于通过该转移端口将该样本从该转移存储室移动到该所要设备。转移机构确保系统的设备和转移装置之间安全且可靠的转移。不需要手动操作或手动样本处置来将样本从存储设备转移到转移装置。此外，不需要手动操作或手动样本处置来将样本从转移装置转移到cpa。
38.转移机构可包括例如夹钳。夹钳可被布置用于夹持样本。
39.系统中使用的样本可包括em格栅。这些格栅本身为本领域的技术人员所知，并且可包括小(几毫米)铜盘，该铜盘包括顶部上具有碳金属箔片的精细网状物。格栅也可由其
它材料构成。样本可以是施加到样本格栅的材料科学样本。样本可存储在存储设备中。人类操作者可手动地将样本装载到存储设备中。在一个实施方案中，这是需要在系统中使用的唯一的直接人类样本操纵。
40.将样本手动地装载到存储设备中可包括将个别样本手动地装载到样本盒中的步骤。存储设备可包括用于存储该多个样本的至少一部分的至少一个盒。人类操作者将所要样本放置到此盒中，并且然后可将该盒放置在存储设备内部。自然地，在这种情况下，转移装置被布置成用于从该盒获取样本。
41.存储设备可以是第一工作台的一部分。第一工作台包括人类操作者桌，人类操作者在该人类操作者桌处能够坐下或站立。人类操作者可手动地在存储设备中存储或移除多个样本。人类操作者可另外或替代地将转移装置连接到存储设备。为此，转移装置可对接到第一工作台的一部分。
42.在一个实施方案中，该存储装置和该cpa各自包括第一对接构件，并且该转移装置包括被布置成与该第一对接构件匹配的另一(第二)对接构件。第一对接构件可包括如本文所述的凹陷部。第二对接构件可包括如本文所述的细长壳体(的一部分)。第一对接构件和第二对接构件中的至少一者可包括抽吸盘机构的一部分，并且优选地该第二对接构件包括抽吸盘机构。第一对接构件和第二对接构件可包括电接触元件。使用第一对接构件和第二对接构件确保：相对容易地在转移装置和存储装置之间建立连接；使转移装置从存储装置断开连接；以及将转移装置移动到cpa，在cpa处，转移装置随后连接到cpa以用于将样本从转移装置转移到cpa。具体地，抽吸盘机构允许在将样本从存储设备转移到cpa(并且反之亦然)期间容易地连接和释放。
43.在一个实施方案中，该第一对接构件中的每个第一对接构件包括第一阀，其中该第一阀被布置成在拆卸状态下关闭，并且其中该阀被布置成可在对接状态下打开。并且第二对接构件可包括该转移端口。转移端口可在对接状态下打开，并且可在拆卸状态下关闭。因此，可在存储设备、转移装置和cpa内部维持优选的样本条件(诸如例如，温度、湿度和压力)。转移装置可借助于对接构件连接到存储设备，并且阀和/或转移端口可打开使得该转移装置的转移室流体地连接到该存储设备的存储室。然后，存储设备和转移装置之间的流体连接允许发生样本转移。
44.该存储设备可包括操作者输入装置和控制单元。在该实施方案中，输入装置可以是第一工作台的一部分。操作者输入装置可被布置成用于通过人类操作者选择待转移的低温样本。该控制单元被布置成用于控制该存储设备和该转移装置，用于尤其以自动方式将该所选择的低温样本从该存储设备转移到该转移装置。这改进系统的可靠性，因为其允许校正样本的标记及其后续处置。
45.根据一个方面，提供了一种用于转移在如本文所限定的样本处置和存储系统中使用的样本的转移装置。转移装置能够可释放地连接到用于存储多个样本的存储设备，其中在该转移装置到该存储设备的连接状态中，样本可从该存储设备转移到该转移装置。此外，转移装置能够可释放地连接到带电粒子设备(cpa)，其中在该转移装置到该cpa的连接状态中，该样本可转移到该cpa。如本文所限定，该转移装置包括至少一个抽吸盘机构，该至少一个抽吸盘机构用于紧固该转移装置与该样本处置和存储系统以及该cpa之间的该连接。抽吸盘机构可如本文先前关于作为转移装置的一部分的抽吸盘机构所描述的来体现。
46.在一个实施方案中，转移装置包括具有至少一个连接面的细长壳体。抽吸盘机构可设置在该转移装置上，特别是该连接面上。
47.转移装置可包括设置在该连接面中的转移端口。
48.在一个实施方案中，抽吸盘机构包围该转移端口。
49.根据一个方面，本公开涉及一种被布置成用于存储和处置在带电粒子设备中使用的样本的样本处置和存储系统，其中该样本在低温条件下处置。其一个示例是低温电子显微镜(低温-em)，这是一种应用于样本的低温显微镜技术，该样本被冷却到低温温度并且包埋在玻璃水环境中。这些类型的样本通常被称为低温-em样本，但通常这些样本也可与其它带电粒子设备一起使用。在下文中，将这种类型的样本称为低温样本(cs)。
50.因此，在一个实施方案中，本公开可涉及一种低温样本处置和存储系统。处置和存储系统可被布置成用于处置和存储低温-em样本。
51.如本文所限定的低温样本存储和处置系统允许将在低温条件下存储的样本快速且容易地收集到诸如tem的带电粒子设备以供研究。样本收集(即，从存储设备获取)和样本投送(即，转移到cpa)可半自动地进行，即，没有任何人类操作者实际上处置样本。从存储设备到cpa的运送可手动地进行，即，由人类操作者将转移装置从存储设备携载到cpa。
52.该实施方案提供了一种改进的低温样本存储和处置系统，使用该系统，低温-em样本等可被容易且安全地存储，被转移到诸如低温-tem的带电粒子设备，并且被返回到存储设备，在该存储设备中，样本可在低温条件下存储。因此，获得了改进的低温样本存储和处置系统。
53.在一个实施方案中，该低温样本存储设备包括低温存储室。存储室可流体地连接到该转移装置，具体地连接到其转移室。存储室可在转移装置的连接状态中直接连接到该转移室。也可提供中间室。在这种情况下，可从存储室到中间室进行样本转移，并且然后可从中间室到转移装置的转移室进行转移。存储设备也可包括转移机构。存储设备转移机构可被布置成与该转移装置的该转移机构协作，使得可发生存储设备和转移装置之间的有效样本转移。
54.应注意，如本文所述的一般系统可包括至少一个另外的cpa。在这种情况下，转移装置可被布置成能够可释放地连接到该另外的cpa，并且因此转移装置也可连接到该另外的cpa以及与该另外的cpa断开连接。在转移装置的断开连接状态中，转移装置可在存储设备、cpa和该至少一个另外的cpa之间移动。在转移装置的连接状态中，转移装置和其连接到的设备(诸如另外的cpa)之间的样本转移是可能的。因此，转移装置可被布置成用于当连接到该另外的cpa时将该样本从该转移装置转移到该另外的cpa。因此，在存在多个cpa的情况下，可以在系统中使用单个转移装置。针对存储和处置系统的此集中方法确保该多个cpa中的每个cpa不需要特定的专用转移机构，诸如当cpa中的每个cpa待装备有例如autoloader模块时将发生的情况。因此，系统可为建设性地简单的并且因此相对便宜。
55.如本文所述的系统、设备和装置允许执行用于转移样本的方法。该方法包括提供如本文所限定的样本处置和存储系统的步骤。该方法可进一步包括以下步骤：
[0056]-将至少一个样本存储在该存储设备中；
[0057]-将该转移装置连接到该存储设备；
[0058]-将该样本从该存储设备转移到该转移装置；
[0059]-从该存储设备拆卸该转移装置；
[0060]-将该转移装置移动到该带电粒子设备(cpa)，其中该cpa远离该存储设备定位；
[0061]-将该转移装置连接到该cpa；以及
[0062]-将该样本从该转移装置转移到该cpa。
[0063]
将样本从所要设备转移到转移装置(并且反之亦然)的步骤可机械地进行。机械转移机构可用于建立该转移。
[0064]
转移样本的步骤可自动进行。自动是指不需要来自人类操作者的手动样本处置和/或操纵。然而，可设想，人类操作者例如通过使用按钮、拨号盘、旋钮等或通过将对应命令输入到诸如图形用户界面(gui)的用户界面中来起始样本转移。
[0065]
连接和/或拆卸的步骤可借助于人类操作者来进行，该人类操作者将转移装置物理地连接到存储设备或cpa。连接和/或拆卸的一些部分可能需要使用对接机构，诸如在一个实施方案中，阀的打开和关闭。
[0066]
移动转移装置的步骤可借助于人类操作者来进行，该人类操作者从存储设备和/或cpa物理地移动转移装置以及将转移装置物理地移动到存储设备和/或cpa。
[0067]
如本文所限定的方法和系统允许安全且有效的样本转移，其中人类操作者用于在相关设备之间转移样本，并且更专用的转移机构允许从转移装置到设备的安全且可靠的转移。由此，实现如本文所限定的目的。
[0068]
现将基于示例性实施方案和所附示意图更详细地阐明本发明，在所附示意图中：
[0069]
图1-示出了根据本发明的第一实施方案的带电粒子显微镜的纵向剖视图；
[0070]
图2-示出了根据本发明的第二实施方案的带电粒子显微镜的纵向剖视图；
[0071]
图3-示出了现有技术样本处置和存储方法；
[0072]
图4-示出了如本文所限定的样本处置和存储方法及设备的实施方案；
[0073]
图5-示出了在如本文所限定的样本处置和存储方法及设备中使用的转移装置的实施方案；
[0074]
图6-示出了在如本文所限定的样本处置和存储方法及设备中使用的转移装置和带电粒子设备的实施方案；
[0075]
图7a至图7f-示出了用于在如本文所限定的低温样本处置系统中转移样本的方法的各个阶段；
[0076]
图8a至图8d-示出了如本文所述的抽吸盘机构的实施方案。
[0077]
图1(未按比例绘制)是带电粒子显微镜m的高度示意性描绘。更具体地，该图示出了透射型显微镜m的实施方案，在这种情况下，该透射型显微镜为tem/stem(但在本发明的上下文中，其可能只是有效地为例如sem(参见图2)或基于离子的显微镜)。在图1中，在真空外壳2内，电子源4产生电子束b，电子束b沿着电子光学轴线b
′
传播并穿过电子光学照射器6，从而用于将电子引导/聚焦到试样s的所挑选部分上(其可例如(局部地)薄化/平面化)。还描绘了偏转器8，该偏转器(尤其)可用来实现束b的扫描运动。
[0078]
试样s固持在试样固持器h上，该试样固持器可通过定位装置/载台a以多个自由度定位，该定位装置/载台移动托架a
′
，固持器h(可移除地)附连到该托架中。例如，试样固持器h可包括可以(尤其)在xy平面中移动的指状物(参见所描绘的笛卡尔坐标系；通常，平行于z的运动和围绕x/y倾斜也将是可能的)。此类移动允许试样s的不同部分被(在z方向上)
沿着轴线b
′
行进的电子束b照射/成像/检查(和/或允许执行扫描运动，作为束扫描的替代)。如果需要，可将任选的冷却装置(未描绘)与试样固持器h进行密切热接触，以便例如将试样固持器(和其上的试样s)维持在低温温度下。
[0079]
电子束b将以此类方式与试样s相互作用以便使各种类型的“受激”辐射从试样s发出，包括(例如)二次电子、背散射电子、x射线和光学辐射(阴极发光)。如果需要，这些辐射类型中的一种或多种类型可借助分析装置22来检测，该分析装置可以例如是组合的闪烁器/光电倍增管或者edx或eds(能量色散x射线光谱法)模块。在这种情况下，可使用与sem中的基本相同的原理来构造图像。然而，替代地或补充地，可研究穿过(通过)试样s，从该试样离开/发出并继续沿着轴线b
′
传播(基本上，尽管通常具有一定偏转/散射)的电子。此类透射电子通量进入成像系统(投影透镜)24，该成像系统将通常包括各种静电/磁透镜、偏转器、校正器(诸如消象散器)等。在正常(非扫描)tem模式下，此成像系统24可将透射电子通量聚焦到荧光屏26上，如果需要，该荧光屏可缩回/撤回(如由箭头26
′
示意性地指示)，以便使其避开轴线b
′
。试样s的(一部分)的图像(或衍射图)将由成像系统24在屏幕26上形成，并且这可通过位于外壳2的壁的适当部分中的察看端口28来察看。屏幕26的缩回机构可例如本质上为机械和/或电气的，并且在此处未经描绘。
[0080]
作为在屏幕26上察看图像的替代，可反而利用以下事实：离开成像系统24的电子通量的聚焦深度通常很大(例如，约1米)。因此，可在屏幕26的下游使用各种其它类型的分析设备，诸如：
[0081]-tem相机30。在相机30处，电子通量可形成静态图像(或衍射图)，该静态图像可由控制器/处理器20处理并显示在诸如例如平板显示器的显示装置14上。当不需要时，相机30可缩回/撤回(如箭头30
′
示意性地指示)，以使其避开轴线b
′
。
[0082]-stem相机32。可根据束b在试样s上的(x、y)扫描位置记录来自相机32的输出，并且可构造图像，该图像是根据x、y的来自相机32的输出的“图(map)”。相机32可包括与相机30中典型存在的像素矩阵相反的直径为例如20mm的单像素，但相机32也可以是电子显微镜像素阵列检测器(empad)。此外，相机32将通常具有比相机30(例如，每秒102个图像)高得多的获取速率(例如，每秒106个点)。再次，当不需要时，相机32可缩回/撤回(如箭头32
′
示意性地指示)，以使其避开轴线b
′
(但在例如面包圈形环形暗场相机32的情况下此类缩回不是必需的；在此类相机中，当照相机不使用时，中心孔将允许通量通过)。
[0083]-作为使用相机30或32进行成像的替代，也可调用分光设备34，该分光设备可为例如eels模块。
[0084]
应注意，物品30、32和34的次序/方位并不严格，并且可设想许多可能的变化。例如，分光设备34也可集成到成像系统24中。
[0085]
在所示的实施方案中，显微镜m进一步包括通常由附图标记40表示的可伸缩x射线计算机断层扫描(ct)模块。在计算机断层扫描(也称为断层扫描成像)中，源和(径向相对的)检测器用来沿着不同视线查看试样，以便从各种视角获取试样的穿透性观察。
[0086]
应注意，控制器(计算机处理器)20经由控制线(总线)20
′
连接到各种示出的部件。此控制器20可提供多种功能，诸如同步动作、提供设定点、处理信号、执行计算以及在显示装置(未描绘)上显示消息/信息。更不用说，(示意性地描绘的)控制器20可(部分地)位于外壳2的内部或外部，并且可根据需要具有一体式或复合结构。如在此实施方案中所示，控制
器包括被布置成用于实行如本文所限定的方法的数据处理设备p。
[0087]
技术人员将理解，外壳2的内部不必保持在严格真空下；例如，在所谓的“环境tem/stem
′”
中，有意地将给定气体的背景气氛引入/维持在外壳2内。技术人员还将理解，在实践中，可为有利的是，限制外壳2的体积使得在可能的情况下其基本上围绕轴线b
′
，从而采取所采用的电子束通过其中的(例如，直径为约1cm)小管的形式，但加宽以容纳诸如源4、试样固持器h、屏幕26、相机30、相机32、分光设备34等的结构。
[0088]
现参考图2，示出了带电粒子设备的另一实施方案。图2(未按比例绘制)是带电粒子显微镜m的高度示意性描绘；更具体地，该图示出了非透射型显微镜m的实施方案，在这种情况下，该非透射型显微镜为sem(尽管，在本发明的上下文中，它可能只是有效地为例如基于离子的显微镜)。在图中，与图1中的物品对应的部分使用相同的附图标记指示，并且在此不再单独论述。附加到图1中的(尤其)为以下零件：
[0089]-2a：真空端口，该真空端口可被打开以便向/从真空腔室2的内部引入/移除物品(部件、试样)，或者例如辅助装置/模块可安装在该真空腔室上。如果需要，显微镜m可包括多个此类端口2a；
[0090]-10a、10b：照射器6中示意性描绘的透镜/光学元件；
[0091]-12：电压源，如果需要，允许试样固持器h或至少试样s偏置(浮动)到相对于地面的电位；
[0092]-14：显示器，诸如fpd或crt；
[0093]-22a、22b：分段式电子检测器22a，该分段式电子检测器包括围绕中心孔口22b(允许束b通过)设置的多个独立检测分段(例如象限)。此类检测器可例如用于探究从试样s出射的输出(二次或反向散射)电子的通量(的角相依性)。
[0094]
此处还存在控制器20。控制器连接到显示器14，并且显示器14可连接到被布置成用于实行如本文所限定的方法的数据处理设备p。在所示的实施方案中，数据处理设备p是单独结构，不形成控制器的部分，并且甚至不形成显微镜p的部分。数据处理设备p可为本地的或基于云的，并且原则上不限于任何位置。
[0095]
图1和图2中所示的带电粒子设备，并且特别是电子显微镜(em)，供应了许多研究生物样本的方式：常规tem用于研究生物样本的总体形态；电子晶体学和单粒子分析致力于研究蛋白质和大分子复合物；并且(低温)电子断层扫描术和玻璃切片的低温-em(cemovis)针对细胞器和分子架构。
[0096]
如引言中所指示，这些生物样本可使用玻璃化技术通过快速冷冻来保留，以随后使用诸如低温-tem的低温-em技术研究。使用低温fib技术对样本进行低温切片可以是样本研究的一部分。
[0097]
这些研究中使用的样本必须首先制备，并且然后存储。为此，取生物材料(通常为纯化蛋白质复合物)的水性样本且将其施加到支撑结构(格栅)，尺寸缩小到非常薄的一层，然后将这一层足够快地冷冻以防止水结晶。然后制备样本并存储以供进一步处置。
[0098]
如引言中所指示，用于存储和处置样本的方法中的一种方法涉及所谓的autoloader。现参考图3，论述此现有技术的实施方案。图3示出了使用autoloader al和相关联nanocab n仓收集样本s以运送到诸如低温-tem的带电粒子显微镜m的工作流程。autoloader al是显微镜m的一部分。nanocab装载有多个样本s，并且然后被运送到
autoloader al以供将样本装载到tem中。
[0099]
图3中所示，从左到右，顶部行为nanocab n的制备。多个样本s(即，设置在格栅上的生物试样)设置在格栅箱g中。将带有样本s的格栅箱g放置到装载台101中。用液氮103填充装载台101，从而将样本s和格栅箱g保持在所要低温度下。还在液氮103中设置盒c。将样本s从格栅箱g手动地转移到盒c。一旦盒已满，就将nanocab装置n连接到装载台101，并且盒设置于nanocab n内部。nanocab n装置现含有带有所要样本s的盒c，其中用液氮填充nanocab n装置以将样本s保持在所要低温度下。当在将盒c引入到nanocab装置n中时或之后从装载台移除液氮时，装载台101然后可回到室温。
[0100]
图3的底部部分示出了包括带有多个样本s的盒c的nanocab n连接到autoloader al模块。autoloader al模块连接到显微镜，或成为显微镜的部分。
[0101]
autoloader al模块包括盒臂113和样本臂111。autoloader al壳体的内部保持在被布置成用于保持低温样本的所要低温度下。autoloader al模块包括两个阀元件115、117。第一个115能够提供到已连接nanocab n的连接。第二个117能够提供到显微镜m的连接。
[0102]
用于将样本从nanocab n装载到显微镜m的程序如下。nanocab n连接到autoloader al，如图3下部部分所示。阀115打开，并且盒臂113向下伸以抓握带有样本s的盒c，然后起始向上移动用于将所要样本s移动到样本臂111前方。阀115可再次关闭。
[0103]
样本臂111然后可收集样本s，然后盒臂113将带有剩余样本的盒c进一步向上移动，并且避开样本臂111。
[0104]
然后，阀117可打开，并且样本臂111朝向显微镜m的样本固持器h移动样本。一旦试样s转移到显微镜m，样本臂111就可返回，并且阀117可再次关闭。然后，可进行样本的观察或操纵。
[0105]
如所指示，此已知autoloader al系统提供极佳效果，尤其是在样本转移质量和筛检输贯量方面。然而，需要尤其是在样本装载、复杂性、安装和维护的容易度及相关联成本方面改进此系统。
[0106]
为此，本发明提供了一种用于处置和存储诸如低温-em样本的低温带电粒子样本的系统。一般来说，此系统包括存储设备、带电粒子设备，和被布置成用于将低温样本从存储设备转移到带电粒子设备的转移装置。
[0107]
图4示出了存储设备l的实施方案。图4的顶部行示出了样本s如何装载到存储设备l中。为此，将样本设置于格栅箱g中。格栅箱放置在存储设备l的壳体201内部，其中该壳体201用液氮203部分填充。盒c也设置于液氮203中。然后，将样本从格栅箱g手动地转移(步骤1)到盒c。一旦样本s被转移，盒c就保持(步骤2)在存储设备l的壳体内部。盒c可诸如例如使用盒臂211(参见图4的底部部分)移动到存储设备的单独存储位置(未示出)。
[0108]
如图4中所示，带有样本s的盒c存储在存储设备l的壳体201内部。在此意义上，带有液氮203的壳体201提供低温存储室以将样本安全地存储在存储设备内部。
[0109]
一旦需要所要样本，就可遵循以下程序。首先，提供如本文所限定的转移装置t，并且将该转移装置t连接到存储设备s。
[0110]
转移装置t包括用气态氮303填充的细长壳体303，在该细长壳体中，待转移的样本s可暂时存储在适当温度下。转移装置t包括带有夹钳331的转移臂311。夹钳331可用于收集
样本s。然后，带有样本s的夹钳可在转移装置t的壳体303内部移动。
[0111]
在图4中所示的实施方案中，存储设备l包括阀构件215。转移装置t也包括阀构件315或转移端口315。存储设备包括被布置成与转移装置t的第二对接构件321匹配的第一对接构件221(示意性地示出)。存储设备可包括槽221，并且转移装置的壳体部分321可滑动到该槽221中以用于提供转移装置t和存储设备的连接状态。因此，提供平移对接。也可设想其它将转移装置t连接到存储设备l的对接机构或方式。在转移装置t的对接构件321充当公连接器321并且存储设备l的对接构件221充当母连接器221的情况下，这是有利的。
[0112]
如本文所限定，并且如稍后更详细解释，系统包括用于紧固该转移装置t和该存储设备l之间的该连接的至少一个抽吸盘机构340。此处，抽吸盘机构340包括第一密封环341和第二密封环342，它们与转移装置t和存储设备l一起限定环形、圆形抽吸盘体积部345。应注意，第二密封环342包围该运送端口315(阀315)，使得运送端口315不是抽吸盘体积部345的一部分。
[0113]
转移装置t可连接(或对接)到存储设备l。当转移装置t与存储设备接触并且抽吸盘体积部345被建立和关闭时，抽吸盘体积部345内部的压力可被降低。这样，降低的压力确保了转移装置t和设备l之间的抽吸力，使得连接被暂时固定并且转移装置t和设备l之间的移动基本上被阻止。抽吸盘机构以这种方式确保连接是容易、安全且紧固的，而不需要例如复杂的闩锁机构。
[0114]
一旦转移装置t连接(或对接)到存储设备l，就可进行样本s的转移。转移装置t的阀315打开，并且存储设备的阀215也打开。盒臂211将所要样本s定位成与转移装置t的转移臂311成一直线。转移臂311在存储设备l的壳体201内部移动，并且使用夹钳331从盒c拾取样本s。因此，转移装置t被布置成用于从该盒c获取样本s。然后，将带有样本s的夹钳331移动到转移装置t的壳体303的内部。然后关闭所有阀215、315。转移装置t可然后从存储设备l断开链接，以便移动到带电粒子设备。
[0115]
图4中指示，使用盒臂211定位所要试样s的步骤机械地并且具体地自动地进行，而无需人类操作者处置。人类操作者可通过用户界面选择所要样本，但移动、定位、收集和转移自动地进行。此限制了可能发生错误的可能性。
[0116]
图5示出了处于断开连接状态的转移装置t，其中样本s安全地安置于转移臂311的夹钳331中。样本容纳在壳体303内部，其中壳体用气态氮填充以将样本保持在所要低温度下。壳体303内部的气态冷氮的热容量使得转移装置将样本保持在所要温度范围达几分钟，诸如例如15分钟。额外冷却器件可设置在转移装置t上或内部以提供壳体331内部样本s的有效冷却。转移装置t可由人类操作者运送。运送装置t的尺寸挑选为使得普通人类操作者能够将运送装置从第一位置携载到第二位置，例如从存储设备l携载到带电粒子显微镜m。装置可具有约数厘米、分米乃至米的长度。在实践的实施方案中，装置t具有40cm到80cm之间的长度，但也可设想其它尺寸。装置t的重量可为约1千克到几千克。
[0117]
图6示出了连接到显微镜m的转移装置t。显微镜m设置有能够与运送装置t的第二对接构件321匹配的第一对接构件421。如先前所指示，运送装置t的对接构件321可由运送装置t的外部壳体部分形成。显微镜m可设置有槽421，该槽能够接纳运送装置t或至少其第二对接构件321。
[0118]
如本文所限定，并且如稍后更详细解释，系统包括用于紧固该转移装置t和该存储
设备l之间的该连接的至少一个抽吸盘机构340。此处，抽吸盘机构340包括第一密封环341和第二密封环342，它们与转移装置t和存储设备l一起限定环形、圆形抽吸盘体积部345。应注意，第二密封环342包围该运送端口315(阀315)，使得运送端口315不是抽吸盘体积部345的一部分。
[0119]
在该实施方案中，抽吸盘机构(并且特别是密封环)主要设置在转移装置上，使得单个抽吸盘机构原则上足以建立与所有所要设备的紧固连接。然而，将清楚的是，抽吸盘机构也可设置在设备上，使得转移装置没有任何抽吸盘机构，并且特别是没有任何密封环。然而，优选的实施方案在转移装置上使用至少一个密封环。该抽吸盘机构的进一步细节将关于图8给出。
[0120]
转移装置t可连接(或对接)到图示的粒子设备cpa。当转移装置t与cpa接触并且抽吸盘体积部345被建立和关闭时，抽吸盘体积部345内部的压力可被降低。这样，降低的压力确保了转移装置t和cpa之间的抽吸力，使得连接被暂时固定并且转移装置t和cpa之间的移动被基本上阻止。抽吸盘机构以这种方式确保连接是容易、安全且紧固的，而不需要例如复杂的闩锁机构。
[0121]
显微镜m具有阀构件415。一旦运送装置t连接并固定到显微镜m或一般来说带电粒子设备cpa，阀315、415就可打开，并且转移臂311可在显微镜内部移动以将样本s转移到显微镜m的固持器h。因此，样本从存储位置到诸如电子显微镜m的带电粒子设备的转移完成。
[0122]
转移装置t可从显微镜m移除，并且可在显微镜正检查第一样本s的同时进行第二样本s2的转移。
[0123]
图7a至图7f示意性地示出了如本文所限定的样本处置和存储系统500。
[0124]
图7a示出了系统500包括用于存储多个样本s、s2的存储设备l。存储设备l可包括例如呈具有屏幕的常规个人计算机的形式的用户输入装置114。
[0125]
系统进一步包括带电粒子设备(cpa)m，诸如sem、tem、stem和/或fib。cpa m定位于远离该存储设备l的位置处。此意味着，在一个实施方案中，cpa m定位于距存储设备l至少50cm的距离处。例如，cpa可定位于距存储设备一米到几米的距离处。实际上，存储设备l和带电粒子设备m之间的距离大到使得从存储设备l到设备m的直接转移不可能实现，并且中间转移步骤是必需的。此系统的优点是，其相对灵活，因为存储设备l和带电粒子设备可定位于任何期望位置处，即使在具有不同环境条件的不同房间内也如此。
[0126]
为了确保带电粒子设备cpa和存储设备l之间的安全且可靠的样本转移是可能的，系统500包括转移装置t。转移装置t可由人类操作者600处置。人类操作者600可携载转移装置t进出存储装置，以及进出带电粒子设备cpa m。
[0127]
现转到图7b，示出了转移装置t能够可释放地连接到该存储设备l。如前面关于图4所指示，转移装置被布置成用于在连接到该存储设备l时从该多个样本s、s2获取样本s。在所示的实施方案中，样本是低温样本。转移通过将转移装置t连接到存储设备l，例如通过将转移装置t插入存在于存储设备中的槽或凹陷部中来实现。然后借助于抽吸盘机构(未示出)紧固该连接，该抽吸盘机构已参考图4和图6进行了描述，并且也将参考图8进行描述。在连接和紧固之后，可进行如图4中所描述的样本转移。如图7b和图7c中所示，在转移装置t相对于该存储设备l的对接位置中，样本从存储设备l移动到转移装置t。在一个实施方案中，从存储设备l到转移装置t的样本转移自动地进行，而无需人类操作者进行样本处置。
[0128]
一旦样本位于转移装置t内部，人类操作者就可从存储设备l检取转移装置t。然后，带有所要样本s的转移装置t可移动到另一位置，诸如显微镜。人类操作者600可走到另一位置，其中转移装置t由人类操作者600携载。
[0129]
现转到图7e，其示出了带有样本s的转移装置t连接到显微镜m(或一般来说，带电粒子设备)。然后，转移装置t的转移机构将样本s从转移装置t转移到显微镜m的样本固持器h。
[0130]
然后，样本可通过显微镜m来观察和/或检查，如关于图1和图2所描述的那样。
[0131]
如图4至图7中所指示，转移装置t包括转移机构311、331，该转移机构被布置成用于当连接到该存储设备l时获取该样本s(在所示的实施方案中，其为低温样本，但也可使用其它样本)，以及用于当连接到该cpa时将该样本递送到该cpa。如此，可使用单个机构在两个外部设备之间转移样本。设备不需要具有此机构，但其应被布置成与转移机构协作。此外，设备可包括额外措施，包括机械臂211、阀215、415等，用于优化样本转移以及与转移装置的转移机构311、331的协作。
[0132]
在一个实施方案中，转移机构包括可移动臂311。可移动臂可布置成平移移动。可移动臂311的外端可以设置有夹钳331，其中该夹钳331被布置成用于夹持和释放样本，具体地，包括设置在试样格栅上的试样的样本。试样格栅也可连接到其它格栅元件，其中这些格栅元件有助于容易地处置样本。格栅元件可包括例如试样格栅可安装到上面的c型夹环(即，autogrid，thermo fisher scientific
tm
)，以及用于将试样格栅固定在c型夹环内部的c型夹具。当然，也可设想其它格栅。
[0133]
如图7a至图7f中所示，存储设备l包括呈计算机的形式的操作者输入装置114，以及控制单元220，该控制单元连接到该操作者输入装置114并被布置成用于例如在该转移装置t到该存储设备l的连接状态中执行该存储设备l或该系统500的至少一些功能。在一个实施方案中，操作者输入装置被布置成用于选择待由人类操作者600从存储设备转移到带电粒子显微镜m的样本s、s2。控制单元220被布置成用于在其连接状态中控制该存储设备l和该转移装置t，以将该所选择的样本s从该存储设备l转移到该转移装置t。
[0134]
包括操作者输入装置114的存储设备l可形成第一工作台，该第一工作台使得人类操作者能够将所制备的样本快速且可靠地转移到存储设备l。例如，存储设备l的壳体201的顶部部分可与工作台的桌特征一致。壳体201的顶部部分和/或工作台的桌特征可包括封盖，该封盖可由人类操作者打开和关闭，使得含有样本s的格栅箱g(参见图4，步骤1)可插入存储设备l中，并且样本格栅s可转移到容器c。封盖还可用于再填充壳体201内部的液氮水平203。操作者输入装置和/或控制器可连接到壳体201，使得关于壳体201的信息可提供到人类操作者。例如，存储设备可包括若干传感器元件(诸如温度传感器、液位传感器等)用于监测存储设备的条件。操作者输入装置114可将相对于这些条件中的一个或多个条件的反馈提供到用户。
[0135]
此外，可设想，操作者输入装置114用于标记和跟踪特征。在一个实施方案中，操作者输入装置114可无线地连接到带电粒子设备，使得关于样本s的信息可传递到带电粒子设备。信息可包括样本输入信息，例如人类操作者在样本s装载到盒c中时输入到操作者输入装置114中的信息。
[0136]
现转到图8，将更详细解释如本文所限定的抽吸盘机构的实施方案。
[0137]
图8a示出了转移装置t的概览图。转移装置t包括细长壳体303。在细长壳体303的一侧上设置有支撑手柄305，该支撑手柄允许用户容易地转移和操作转移装置t。在细长壳体的相对侧上，转移装置t包括连接面306。在连接面306上设置了抽吸盘机构340。抽吸盘机构340被布置成用于紧固该转移装置t和所要设备(诸如存储设备l或cpa m)之间的连接。在所示的实施方案中，抽吸盘机构340包括第一密封环341和第二密封环342。第一密封环341沿着连接面306的外边缘设置。第二密封环342设置在连接面306的中心部分附近。连接面306还包括转移端口315或转移阀315。转移端口315被第二密封环342环绕。如图8a中所示，抽吸盘体积部345是圆形或面包圈形的，其中转移阀315设置在该圆形/面包圈的“孔”中。这样，转移端口315不形成抽吸盘体积部345的一部分，而是被抽吸盘体积部包围。在一个替代实施方案(未示出)中，可设想，转移端口315不被抽吸盘体积部340包围，而是抽吸盘体积部被设置在距该转移端口315一定距离处。然而，通过由抽吸盘体积部包围转移端口315，在转移装置t和所要设备l、m之间建立了安全且可靠的连接，并且还降低了样本在转移期间污染的风险。
[0138]
为了建立转移装置t和所要设备l、m之间的连接，可操作抽吸盘机构340。为此，使连接面306与所要设备接触，并且从抽吸盘体积部345移除过量空气。转移装置t包括可用于移除过量空气的排气装置346。
[0139]
如图8a中所示，转移装置t包括电接触元件355。这些电接触元件355被布置成用于连接到设置在所要设备l、m上的另外的电接触元件355。由电接触元件355提供的电连接允许在已连接的装置和所要设备之间交换信息，但也允许操作转移装置的部分，其中该操作由例如所要设备起始。该信息可与样本类型、温度、样本存储条件相关，但也可包括例如关于成功连接的信息。
[0140]
转移装置t进一步包括可用于操作转移机构的接口开口359，在某些实施方案中，该转移机构位于转移装置的内部。在一个实施方案中，接口开口359允许压缩空气从所要设备l、m传递到转移装置(或反之亦然)，以用于操作转移机构311、331。
[0141]
一旦转移装置t连接(或对接)到所要设备l、m，并且抽吸盘机构340被操作，将可能将样本s从转移装置t转移到所要设备l、m(或反之亦然)。如可在图8b中更详细地看到，转移装置包括用以打开阀315的闩锁机构351。闩锁机构351大体上包括滑动门机构。闩锁机构351包括滑动门中的凹陷部，该凹陷部可由钩元件461操作，该钩元件是所要设备l、m的一部分。这样，防止了阀的无意和非期望的打开，并且仅可在转移装置的真正连接状态中打开。
[0142]
图8d示出了所要设备的对接构件421的实施方案，在所示的实施方案中，该对接构件是用于显微镜的，但也可被实现用于存储设备l，其中，根据如图8a至图8c中所示的实施方案，所要设备l、m被布置成可连接到转移装置t。此处，第一对接构件421能够与如图8a至图8c中所示的运送装置t的第二对接构件321匹配。对接构件421包括具有底壁406和侧壁407的槽或凹陷部。电接触元件455被设置成能够连接到转移装置t的电接触元件355。当将转移装置t连接到对接构件421时，密封环341、342、所要设备l、m的连接面和底壁406限定抽吸盘体积部345。过量空气可通过转移装置的排气装置346和/或所要设备l、m的排气装置446从该抽吸盘体积部345中移除，以确保转移装置t和所要设备l、m之间的连接。然后，可通过打开相应阀315、415来起始转移，其中可使用钩461来打开转移装置t的闩锁机构351。
[0143]
以上，已使用5个示例性实施方案更详细地论述了该系统。所要保护由所附权利要
求书赋予。