低温电子显微镜样品制备借助于聚焦离子束

Summary

低温电子显微镜，或扫描（SEM）或透射（TEM），被广泛地用于具有高的水含量¹的生物样品或其它材料的特性。的SEM /聚焦离子束（FIB）来识别的样品中感兴趣的特征，并提取用于转移到低温TEM薄，电子透明薄片。

Abstract

这里，我们提出用于制备黑曲霉孢子低温TEM样品的协议，但它可以很容易地适应任何数量的微生物或解决方案。我们利用一个定制的冷冻中转站和改进的低温扫描电镜制备室^2。孢子从培养取，切入式冷冻在液氮雪泥和在低温SEM观察来选​​择感兴趣的区域。薄的薄片，然后使用FIB萃取，附着于TEM网格并随后减薄至电子透明度。网格转移至低温TEM支架和成TEM高分辨率研究。由于引入了冷却nanomanipulator尖和一个冷冻中转站，该协议是一个简单的适应经常使用的纤维蛋白原制剂的TEM样品的低温。因此，它具有需要少量的修改现有的工具，设置和程序的优点;但我很容易实现;它具有广泛的应用范围，原则上相同，对于低温TEM样品制备。一个限制是，它需要的标本中熟练运用的关键步骤，以避免或尽量减少污染。

Introduction

在这个协议中一个cryo-FIB/SEM是用于生产的TEM样品从样品中的特定区域，通过SEM分析以高精度预先确定的。电子显微镜（扫描或透射）分析生物样品是用于研究和诊断的常规技术。 SEM是相当快速和容易使用和解释，但信息只从样品表面，并与在1.5纳米范围内的分辨率获得。 TEM具有更高的分辨率，但更难以实现，图像分析是较复杂的和而得到的体信息，样品必须减薄至电子透明度（小于约500纳米厚以下）。另外一个问题是，这些工具的真空要求很少通过含水样品的耐受性。在大多数情况下，生物样品必须通过化学固定（代水用，例如，聚合物）或干燥。在这两种情况下，显著改变试样的形态和结构都可能发生。低温透射电镜制备水 ​​合样品的诱导最少的化学变化和它产生的样本尽可能接近其天然状态，特别是如果冰的玻璃化，得到^1-6。

的FIB被广泛用于制备TEM样品，它的许多优点^7。仅举几例：在接近垂直入射采用高能离子最大限度地减少材料相关的微分磨粉率的影响;从散装样品提取的区域可以与亚微米精度来选择;极少量的材料被提取。一些最新的技术发展已经使用FIB也为TEM样品制备在低温下^2,8-10成为可能。有超过主要用于软物质的样品，例如缺乏切片薄片的机械变形的冷冻超薄切片^11,12的传统制备方法的诸多优势，没有刀痕，并有可能准备与软/硬接口或部件复合材料样品。

Protocol

注：在本协议中给出的所有参数都是有效的在这里指出的仪器和模型。其中一些参数（带*的文本）可能会有所不同，如果其他制造商或型号使用。

1，启动的FIB / SEM的

1. 安装定制冷nanomanipulator（NM）尖不附加铜​​辫子的anticontaminator（AC）。代替确保发辫被连接到网管的其余部分上面的绝缘点，以防止充电过程中向上锐化步骤（1.2）。
   1. 关闭扫描电镜室，泵高真空和图像网管技巧。
   2. 如果针尖是钝的，弯曲的，或通过先前的使用受到污染，削通过离子束的方法：选择多边形铣削图案沿着尖端的侧面，使研磨后，针尖将逐渐下降到1微米或更小。
   3. 一旦该尖端部的两侧被研磨去，由90手动旋转°整个NM杆从扫描电镜室外面。
   4. 调节多边形铣削模式相适应的旋转头，并从不同的角度重复铣削。
2. 一旦前端已削尖小于1微米，收回网管和插入气体注入系统（GIS）的针;重新定位针是上面的​​工作距离（而不是通常的175微米）约1mm。
3. 如果使用的是铂前体，改变其工作温度为24-26℃（而不是通常的40°C）。需要这些步骤铂低温沉积^13。
4. 打开扫描电镜室，并通过安装在冷冻样品台和交流准备的FIB / SEM的低温状态。
5. 网管切换到插入位置，并连接它的铜辫子交流。确保不小心碰网管技巧。该系统与冷却插入，以确保的铜编织的灵活性在低温下的损失不会妨碍网管招网管换货。
6. 吹扫管与干燥氮气冷却几分钟。
7. 泵的低温制备室和主样品室高真空。
8. 添加液氮杜瓦瓶的冷却两院。等待，直到达到所需的温度。

2，样品冷冻

1. 1. 将两片TEM网格上的扫描电镜转让持有的FIB样品。通过加强与螺丝刀相应的螺丝固定。
   2. 装载样品存根适当的样品并添加试样的部分。取决于样品的种类，试样可以是固定的与深冷胶或用夹子。使用尽可能小的值，以确保最佳的冷冻。
   3. 扫描电镜传送架安装到真空传输设备（VTD）。
2. 1. 添加液氮进入减水剂站，抽空来获得氮气的雪泥。
   2. 打开SLushing站和切入冻结SEM转让持有人。再次抽空至沸腾完成并获得烂泥了。但应注意的是，乙烷或丙烷或搪塑高压冷冻更适合的技术来获得样品的玻璃化。
3. 1. 扫描电镜转印夹持器缩回到VTD的真空室和密封。
   2. 发泄减水剂站和低温制备室气闸。
   3. 匹配VTD密封的低温制备室和泵的气闸。
   4. 当一个良好的真空水平达到，搞的气闸针打开VTD和外气闸舱的密封;插入扫描电镜转让持有人。有在显示的溅射和压裂样品位置的准备室的滑动触点标记。
4. 如果有必要，可将样品：断裂与冷刀;通过设置一个较高的温度（通常为-100升华6，C）;受冷溅镀的方式涂上金/钯或铂（300 V，10毫安，60秒为2-3纳米金/钯帽）*。升华不应被用于玻璃化的样品，以避免其重结晶。
5. 1. 使用冷刀切开TEM网格插槽的保护盖。
   2. 带来的冷阶段，在样品腔室，所述接收高度（16毫米*）。
   3. 关闭在FIB / SEM的HT和打开内气闸。
   4. 使用VTD的扫描电镜夹持器传输到样品室中。调暗灯光在室内可能有助于该步骤。
   5. 一旦扫描电镜夹持器是在寒冷的阶段，通过按压并旋转脱开VTD。
   6. 收回VTD杆一路到VTD真空室，并关闭气闸内，外气闸和VTD密封。外气闸现在可以排到取出VTD密封。不需要这最后一步，但建议作为VTD杆可以由事故很容易脱落，这可能导致损坏到VTD或气闸。

3。离子铣削

1. 打开上两列的高度紧张，并设置适当的成像参数（加速电压：10千伏的电子束，30千伏的离子束，光斑直径：3，工作距离：5mm时，离子束电流：10-100 pA的成像，1-3 nA的铣削）*。
2. 使用电子束来找到感兴趣的特征以及获取的图像文件的样本的薄片的萃取前的状态。
3. 一旦感兴趣区（ROI）提取区域已被确定，通过离子束图案标记它，除非样品本身的地形使得即使在铂沉积容易识别的投资回报率。为提高精确度，可以使用由彼得森等人 ¹⁴所述的方法中的标记要深，宽和足够远是被覆盖的低温沉积的Pt（这是不SEL后仍可见ective和将覆盖在样品表面的几个毫米^2）。
4. 加热该前体气体至24-26℃，并插入在GIS针的样品表面上方约1毫米的高度（参见步骤1.3）。
5. 而用电子束成像，打开了几秒钟的气体阀。的冷冻铂沉积速率为100-500毫微米/秒或更多，这取决于在GIS针，样品的粗糙度和在用户的系统中的距离。明智的做法是运行一些测试的供词，以确定最佳参数。
6. 原料冷冻铂沉积是非常粗糙和不均匀。通过使用一个1000 pA的离子束在低倍率（例如2,000倍）治愈存款除以投资回报率。不像低温沉积，这种固化是现场的选择性，并应仅在ROI执行的。该第一低温沉积的目的是为了保护该样本的表面从离子束的损坏，并在离子减薄^13，以减少结壳。
7. 样品倾斜52°，使得表面是垂直于离子束。磨客场2梯田战壕上的投资回报率的两侧。典型的尺寸为沟槽是20-30微米的平行于薄片将被提取，10-15微米的垂直方向（Y）和具有可变方向（X）倾斜的深度（Z），与​​最深点贴近的投资回报率。坡度应为45-55°。在一些乐器，梯田战壕只能研磨，顶部的最深点。在这种情况下，磨一个投资回报率下，然后将图像旋转180°和工厂，第二个在另一边。铣削的深度可以，如果该材料的溅射速率是已知的被选择。对于大多数冷冻水合样品，冰的溅射速率可以使用^7。
8. 样品向后倾斜至0℃，并使用离子束切去薄片的两侧和底部，确保切割痕迹通过整个薄片（他们应该离开铣痕迹的山坡梯田磨在上一步骤ED）。只留下2薄片连接到样品的其余部分小的桥。
9. 将GIS针（这可能稍​​有移位样品）。操纵NM直至其尖端与所述薄片的物理接触，最好是在一侧。确保网管不会妨碍两个小连接桥的离子束视图。
10. 1. 打开GIS阀数秒并通过连续成像的电子束监视低温沉积。
    2. 当Pt的额外1-2微米的层一直低温沉积，关闭阀门。
    3. 治愈铂（见步骤2.6）只能在周围的地步NM是与薄片接触的几微米。
    4. 使用高离子束流切割薄板自由。两个连接桥应被研磨去，以及可能形成的薄片与样品的其余部分之间的新接触点的任何过量的Pt。不要收回GIS针呢。
    小心机动网管从战壕中提取薄片，将其移动至少500微米以上的样品表面。只有在这一步，收回的GIS针。
11. 降低样品台上几个毫米并移动它，直到TEM网格中的一个处于图。移动对电网的连接区域进入工作位置，并插入GIS针。
12. 1. 小心机动网管带来附加的薄片与在TEM网格附件区物理接触。应该有鳞片，在TEM网格和网管之间没有压力或紧张。
    2. 开了几秒钟，并冷冻存款的Pt的额外1-2微米的层的气体阀。
    3. 固化的Pt（参见步骤2.6）只有在周围薄片和TEM网格之间的接触点的几个微米。
13. 使用高离子束流切割薄板自由网管的。这可以通过研磨或相差网管尖或样品的一侧来完成。在T他第一种情况下，针尖将必须再次激化了在下一次使用之前，如在步骤1.2中描述。
14. 可选：在这个阶段，可以使用VTD采取SEM转让持有人，其存储O / N在充满液氮杜瓦。这种转移和O / N存储很可能造成薄片的表面上形成冰，如果冰晶已经存在和/或，如果液氮被暴露于潮湿的空气中;但这种污染会通过在一个相对短的时间的下一个步骤中被除去。正如前面的步骤可能会采取几个小时才能完成，也可能是适当的话，因为下面的步骤之后，这种存储O / N是不推荐的，因为就没有办法通过升华除去冰除污染（这如果样品的玻璃化要保持不能被执行）。
15. 样品倾斜至52°，并使用离子束薄到透明电子^7。建议在开始走高，roug她的电子束电流以除去大部分并进行精细抛光的表面具有较低的离子束电流，最终也降低加速电压。薄片的最终厚度应在100-200千伏TEM 100-200纳米或更低的超微结构分析或在300千伏的TEM高达500纳米的成像，这取决于样品的组合物。在减薄，样品的内部应力可能会导致薄片卷曲或弯曲。在这种情况下，薄的区域应被限制。发生这种情况，例如在图11和12。

4，低温转移到TEM

1. 1. 同花顺干燥氮气的低温中转站了几分钟。
   2. 添加液氮的TEM交流的杜瓦和冷冻电中转站。
   3. 将冷冻透射电镜转让持有的冷冻中转站的相应插槽中，并填补其杜瓦为好。等到每个比赛onent已达到所需温度时（约15分钟）。如果可能的话，在冷冻透射电镜转让持有的控制器应连接在传输过程中监测温度。要认识到，在TEM架（其中所述温度传感器是位于）的前端将与低温转运站接触，因此，将冷却比TEM支架的其余部分更快的是很重要的。因此，建议在需要对整个冷冻转让TEM支架降温的时间被预先测量，并且该系统允许热化，至少要的时间量。
   4. 补的低温杯用液氮和沉浸在它：在TEM样品夹持工具，螺丝刀和镊子，以便其尖端冷却到所需的温度。所有工具应适当绝缘的另一端，以便不引起冷灼伤到操作者的手。
2. 匹配VTD到外气闸。把冷雄鹿e来输送高度（16㎜*）。关闭高压。
3. 1. 打开VTD密封，外气闸和内气闸。
   2. 使用VTD杆推并顺时针旋转锁定到SEM转让持有人。
   3. 扫描电镜转印夹持器缩回到冷冻制备室。
   4. 使用冷刀关闭TEM网格的保护盖。这是必要的，以减少传输过程中可能的冰污染。
   5. 使用VTD杆的样品移动到VTD的真空室。
   6. 关闭气闸和密封。
4. 泄了气闸外，拆下VTD。匹配VTD到冷冻中转站的扫描电镜口。同时用干燥氮气冲洗，使用站上的脚打开VTD的密封和SEM转让持有滑入冷冻中转站的杜瓦。
5. 1. 添加足够的液体氮，以使冷冻传送站的电平足够高时只是淹没样品。
   2. 使用先前冷却螺丝刀打开盖子之一，松开相应的螺丝是保持TEM网格到位。
   3. 使用先前冷却镊子挑TEM网格并把它放入透射电镜持有人。
   4. 使用冷却hexring紧固TEM网格上的TEM持有人。
   5. 关闭冷冻透射电镜转让持有的快门。将样品转移步骤是关键的和用氮气可能会阻碍减少小TEM样品的可见性。
   6. 断开冷冻传送站从泵送系统和运输它附近的透射电子显微镜，用低温TEM传输支架的加热器控制器一起。
   7. 启动TEM的后盾线泵的TEM气闸的涡轮分子泵。
   8. 设置在TEM样品台到-70°倾斜*。
   9. 设定最短泵送时间为气闸（30-60秒），用干燥氮气吹扫的仅一个周期。
   10. 确保在低温传输TEM持有人的保护盖是关闭的。从冷冻中转站取出TEM持有人，将其插入倾斜的测角仪（液氮将洒出的TEM持有人杜瓦瓶）。泵送循环开始。一旦循环完成后，将测角器以向后倾斜至0℃，并在同一时间，保持在TEM支架，使得它不与测角器旋转。完全插入它的TEM里面。在此步骤中，低温转印TEM支架应该连接到其加热器控制器来监控温度。到样品架插入TEM的程序可以在不同的电信设备制造商之间变化。因此，建议联系TEM制造商，以获得相应的程序。
   11. 重新加注冷冻透射电镜转让持有杜瓦。等待在TEM的真空，以达到可接受的水平。

Representative Results

在这项工作中，我们利用了：双束FIB / SEM配备了nanomanipulator和低温制备室;用低温传输持有人的TEM;原型冷冻中转站。在低温制备室的anticontaminator（AC）叶片和nanomanipulator（NM）的前端由加坦进行了修改。相对于一个标准的低温​​制备室中，AC叶片都较大，为网管尖端有较大的散热片。此外，交流配有夹子，用于连接铜辫子与网管尖热交换。的FIB / SEM的气动装置进行了修改，以允许NM是，甚至当试样腔室通风保持插入。但应注意，在该工作中所使用的参数最适合于上面列出的设备;可能需要这些参数与其它类型的设备中工作时进行调整。要使用此协议的工作，正常的预防措施低温，液态氮和真空系统应遵循。

该方法已经过测试，在不同类型的样品具有良好的效果，从溶液或含有纳米粒子的聚合物基体，以单细胞生物线虫。的各个步骤的程序的例子示于图1-12上A.曲霉孢子沾有四氧化锇和高锰酸钾。孢子是通过SEM第一成像（ 图1），以确定现场提取。在这种情况下，任何孢子的横截面是足够的，但它可以放置ROI提取与亚微米的精度，例如，切片的特定单元格在从细胞膜的特定距离。一旦所感兴趣的特征已被确定时，冷冻的Pt沉积的第一步骤的实现（ 图2），以保护样本从离子束铣削的损坏。将样品倾斜至52°进行的第一个步骤ÖF中的铣削（ 图3）：在薄片的两侧的两个沟溅射。然后将样品向后倾斜，并进一步研磨以仅留下2将其连接到大容量小的桥（ 图4）。将冷却的nanomanipulator被带入与薄片接触 ​​（ 图5）和另一低温沉积的Pt的焊料与它们在一起（ 图6）。小连接桥然后研磨相差和网管移动TEM网格的连接区域（ 图7），在那里它被焊接与最终低温沉积的Pt（ 图8）附近的薄片。网管然后从该薄片（ 图9），这是减薄至电子与离子束透明度（ 图10和11）分开。该薄片是最后转移到TEM（ 图12），其中高解析度成像，光谱，成像和其他技术的CAn为使用。

图1：A的孢子冷冻SEM图像尼日尔 ，铂沉积之前。

图2中 ，相同的区域在图1中的Pt的沉积之后，但在固化之前。

相同的区域在图2的图3。冷冻SEM图像，倾斜52°，铂沉积和固化之后，随着沟槽铣削正在进行（见步骤3.7）。

图4的薄片，准备提列。

图5。冷nanomanipulator尖使得与薄片接触 ​​。

图6。第二 ​​个铂低温沉积是用来焊接在一起nanomanipulator和薄板。

图7。冷nanomanipulator用于薄片传送到TEM网格的附着面积。

图8。超低温沉积用于再次向薄片附着到TEM网格。

图9的薄片被切断游离的nanomanipulator的，它现在可以存储或减薄至电子透明度。

图10。变薄的中间步骤，在横截面可见几孢子。

图最终减薄后的试样的11的Cryo-SEM图像;其他大部分孢子只好被碾碎了，因为薄片已经开始卷曲。

图12。的薄片的复合冷冻透射电子显微镜照片。铝存根的一部分已被列入在薄片（黑色箭头）。

Discussion

此协议是一个相当简单的适应于在室温材料科学中使用的标准FIB / TEM样品制备的低温下。该方法可产生游离的机械变形和刀痕（切片技术的主要缺点）的透射电子显微镜的样品，但如果样品表面是不均匀的，可能会出现结壳。这可以减少通过低温沉积盖层（在本工作使用Pt），固化的，直到它是光滑和没有特征^13。样品具有非常不同硬度的组件可以被制备为良好，没有他们将制备过程中在应力下破裂的风险。内部应力仍可能导致薄的薄片弯曲或卷曲，在这种情况下，段的大小必须减小。相对于其他方法的缺点是改变的生物结构由于暴露于离子束和样品中的离子可以植入的可能性。这些缺点也出现在RT样本prepar通报BULLETIN在材料科学^15。它们可以通过完成与在最低的加速电压为离子（500-1,000 V）的最终抛光步骤中的变​​薄会降低。这很温柔的抛光步骤会从鳞片去除损伤层。

由于低温沉积（步骤3.5，3.10和3.13）的性质，样品的大部分地区将被覆盖，从而阻碍了原始表面的看法。这可能使得难以跟踪ROI的，除非多个标记被用作在步骤3.3建议。

在步骤4.5和4.7来与空气接触的薄鳞片风险。这必须避免，因为它会导致空气中的水分而形成冰晶的样品的表面上，可能是为了掩盖重要的特征点。这些步骤应尽可能快地进行，但在同一时间在转移过程中一个误操作有可能导致样品的损失它自我。建议用户通过使用空TEM网格上之前，在实际样品试图实行这些步骤。

在材料科学，FIB表仪器已成为一个十年的商业化中的TEM样品制备的主要方法。因为它可以在几乎任何样品中使用，它消除了需要调整的制备技术，以样品的种类。我们坚信同样可能发生在低温下，由于这里详述的过程。其应用到更大的样本仍然受到以冷冻保存他们在一个玻璃化状态的能力，但如暴跌冻结或高压冷冻^3,5技术可以被证明是最佳的解决这一问题。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Strata DB 235	FEI		FIB/SEM
Omniprobe 100	Oxford Instruments		Nanomanipulator
Alto 2500	Gatan		Cryo preparation chamber
Cryo-holder model 626	Gatan		Cryo transfer TEM holder
Tecnai F30	FEI		TEM