Was ist ein Kryostat?
Ein Kryostat ist im Allgemeinen ein ganzes System, einschließlich Ausrüstung und spezieller Kühlgefäße, zur Erreichung und Aufrechterhaltung kryogener Temperaturen.
Geschlossene Systeme verwenden flüssiges Helium, elektrische Systeme wie Peltier-Elemente und mechanische Kühler, um kryogene Temperaturen zu erzeugen und aufrechtzuerhalten, indem sie in einem Vakuumgefäß gehalten werden, während offene Systeme Kältemittel durch eine dünne Düse direkt auf das Objekt sprühen.
Kryostate werden in Kryo-Elektronenmikroskopen, Sensorsektionen von astronomischen Instrumenten, Halbleitermessgeräten und Geräten mit supraleitenden Bauteilen verwendet.
Anwendungen von Kryostaten
Kryostate werden in den folgenden Geräten verwendet, um Proben und das gesamte Gerät bei niedrigen Temperaturen zu halten, supraleitende Spulen zu nutzen, thermische Schwingungen des Geräts zu unterdrücken und thermodynamische Schäden an der Probe zu verhindern:
- Kryo-Elektronenmikroskope
- Medizinische MRI-Geräte
- Halbleitermessgeräte
- Kryogenische optische Messgeräte
- Sensorsektionen für astronomische Instrumente
- Kernfusionsreaktoren
- Ausrüstung für die Proteinkristallographie
Als künftige Energiesysteme werden voraussichtlich auch supraleitende Generatoren und supraleitende Energiespeichersysteme mit Kryostaten entwickelt werden.
Funktionsweise des Kryostats
Zur Erzielung niedriger Temperaturen werden flüssiger Stickstoff, flüssiges Helium, Peltier-Elemente und Kältemaschinen eingesetzt. Die gewünschte Temperatur kann durch die Wahl des geeigneten Kältemittels und des Kühlsystems genau eingestellt werden. Heutzutage können die niedrigsten erreichbaren Temperaturen mehrere Kelvin erreichen.
Es gibt zwei Hauptarten von Systemkonfigurationen: geschlossene Systeme in Kombination mit einem Vakuumbehälter und offene Systeme, bei denen das Kältemittel direkt auf das System gesprüht wird.
Bei versiegelten Systemen wird das zu kühlende Objekt in einem speziell konstruierten Vakuumbehälter eingeschlossen, der den thermischen Kontakt mit der Außenwelt unterbindet und so die niedrige Temperatur aufrechterhält. Bei diesem System ist es relativ einfach, die niedrige Temperatur aufrechtzuerhalten, aber der Nachteil ist, dass die Gesamtstruktur der Anlage komplex ist und Arbeiten wie der Wechsel des Objekts kompliziert sind.
Das offene System, bei dem flüssiger Stickstoff oder ein anderes Kältemittel durch eine dünne Düse direkt auf das Objekt gesprüht wird, ist dagegen relativ einfach aufgebaut und leicht zu bedienen, da das Objekt unter direkter Beobachtung gekühlt werden kann, hat aber den Nachteil, dass die erreichbare Mindesttemperatur begrenzt ist und es schwierig ist, extrem niedrige Temperaturen von mehreren Grad Kelvin zu erreichen. Allerdings gibt es eine Grenze für die erreichbare Mindesttemperatur.
Vorbereitung von Pathologieproben mit einem Kryostaten
In diesem Abschnitt wird beschrieben, wie pathologische Proben mit einem Kryostaten präpariert werden, insbesondere frisch eingefrorene Schnitte.
Die intraoperative Schnelldiagnose wird häufig eingesetzt, um die Art der Läsion innerhalb einer begrenzten Zeit während der Operation zu bestimmen, z. B. ob der Tumor gutartig oder bösartig ist und ob Metastasen oder andere Läsionen zurückgeblieben sind. Die Anfertigung von frischen Gefrierschnitten ist für diese schnelle intraoperative Diagnose unerlässlich.
Das Gewebe für die Schnelldiagnose wird im Rohzustand bereitgestellt. Die Läsion wird aus dem Rohgewebe entnommen, in OCT-Material eingebettet und dann eingefroren. Die Gefriermethode sollte so schnell wie möglich sein, um das Gewebe einzufrieren. Flüssigstickstoff ist den Methoden mit Trockeneis und organischen Lösungsmitteln aufgrund der Kosten, der Wartung und der Sicherheitsmaßnahmen überlegen.
Die frisch gefrorenen Schnitte werden dann in dünne Stücke geschnitten. Die Temperatur in der Kryostat-Kammer beträgt -20 bis -25 Grad Celsius, was für die Herstellung von frisch gefrorenen Schnitten geeignet ist. Die Dünnschnitte werden dann mit Alkohol oder Formalin fixiert. Schließlich werden die Schnitte je nach der zu erkennenden Pathologie gefärbt.
Zusammenfassung der Verwendung eines Kryostaten
Dieser Artikel bietet eine kurze Einführung in die Funktionsweise gängiger Kryostate. Da sich die Bedienungsanweisungen je nach Hersteller und Modellnummer leicht unterscheiden können, sollten Sie vor der Benutzung immer die dem jeweiligen Gerät beiliegende Anleitung lesen.
Entriegeln Sie zunächst den Schlüsselschalter, indem Sie ihn mindestens fünf Sekunden lang gedrückt halten. Drücken Sie dann die Taste für die Kammerbeleuchtung, um die Beleuchtung einzuschalten. Stellen Sie die Temperatur ein, indem Sie die Rolltaste drücken. Da verschiedene Proben unterschiedliche Schnitttemperaturen haben, muss im Voraus entschieden werden, auf welche Temperatur die Temperatur eingestellt werden soll.
Die Probe wird dann durch Auftragen eines Tropfens OTC-Masse auf den Probenträger, Verkleben der Probe und Befestigen des Probenträgers mit den Schrauben fixiert.
Einstellen von Messer und Messertisch. Stellen Sie zunächst die Position und den Entlastungswinkel des Messertischs ein. Lösen Sie den rechten Hebel am Messertisch und setzen Sie das Messer in die Halterung. Halten Sie das Messer und üben Sie den richtigen Druck auf die Platte aus. Wenn der Schnitt nicht richtig ausgeführt werden kann, muss er erneut eingestellt werden.
Führen Sie die Oberflächenvorbereitung durch. Bewegen Sie die Probe nahe an das Messer und stellen Sie die Schnittstärke ein. Schneiden Sie, bis die Probe herauskommt, und führen Sie dann die Oberflächenpräparation durch. Stellen Sie die Schraube so ein, dass die Spitze der Anti-Roll-Platte nur leicht über das Messer hinausragt.
Verwenden Sie schließlich die Motorfunktion, um einen dünnen Schnitt durchzuführen.