制备液氮泥冷冻样品的装置和方法

摘要

本发明涉及扫描电镜领域，公开了制备液氮泥冷冻样品的装置和方法。本发明提供了一种制备液氮泥冷冻样品的装置，其中，该装置包括进样装置(1)、与进样装置(1)连接的液氮泥冷却装置(2)，以及分别与进样装置(1)和液氮泥冷却装置(2)连通的真空泵(3)；其中，进样装置(1)用于固定样品并将样品送入液氮泥冷却装置(2)；真空泵(3)用于将进样装置(1)和液氮泥冷却装置(2)置于真空状态，在液氮泥冷却装置(2)内置于真空下的液氮转变为液氮泥，样品插入液氮泥得到液氮泥冷冻样品。通过使用本发明的装置和方法制备的冷冻样品，具有快速降温，阻止冰晶形成，不破坏微观结构的优点。

权利要求

1.一种制备液氮泥冷冻样品的装置，其特征在于，该装置包括进样装置（1）、与进样装置（1）连接的液氮泥冷却装置（2），以及分别与进样装置（1）和液氮泥冷却装置（2）连通的真空泵（3）；其中，进样装置（1）用于固定样品并将样品送入液氮泥冷却装置（2）；

真空泵（3）用于将进样装置（1）和液氮泥冷却装置（2）置于真空状态，在液氮泥冷却装置（2）内置于真空下的液氮转变为液氮泥，样品插入液氮泥得到液氮泥冷冻样品；

其中，所述进样装置（1）包括从上到下依次连通的样品室（11）、插板阀（12）、带有盖板（14）的进样通道（13），贯穿样品室（11）、插板阀（12）、进样通道（13）和盖板（14）的样品杆（15），第一旋塞阀（16）以及第二旋塞阀（17）；其中，样品室（11）用于固定和存储样品；

插板阀（12）用于将样品室（11）和进样通道（13）进行分隔或连通；

进样通道（13）用于连接插板阀（12）和液氮泥冷却装置（2）；

盖板（14）用于连接进样装置（1）和液氮泥冷却装置（2），并对液氮泥冷却装置（2）进行密封；

样品杆（15）用于将样品室（11）内的样品输送至液氮泥冷却装置（2）；

第一旋塞阀（16）用于将进样装置（1）与真空泵连通；

第二旋塞阀（17）用于将进样装置（1）与大气连通；

其中，所述样品杆（15）包括推拉杆（151）和样品固定头（152）；样品固定头（152）包括样品固定托（1521）和样品固定板（1523）；样品固定托（1521）的表面设置有圆孔（15211），用于盛放样品；样品固定板（1523）与样品固定托（1521）和推拉杆（151）连接；

其中，所述盖板（14）连接液氮泥冷却装置（2）的一面上设置有固定块（141），用于对所述样品固定板（1523）进行卡位，帮助样品固定板（1523）与推拉杆（151）进行脱离。

2.根据权利要求1所述的制备液氮泥冷冻样品的装置，其中，样品固定头（152）还包括样品固定弹片（1522）；其中，样品固定弹片（1522）位于样品固定托（1521）上，用于固定样品。

3.根据权利要求2所述的制备液氮泥冷冻样品的装置，其中，所述推拉杆（151）一端设置有连接样品固定板（1523）的螺纹；

所述样品固定板（1523）的顶部设置有与所述推拉杆（151）连接的螺孔（1524）。

4.根据权利要求1所述的制备液氮泥冷冻样品的装置，其中，所述固定块（141）具有用于所述卡位的呈十字形的凹槽。

5.根据权利要求1所述的制备液氮泥冷冻样品的装置，其中，液氮泥冷却装置（2）包括液氮泥冷却室（21）、放气阀（22）和真空接口（23）；

液氮泥冷却室（21）用于盛放液氮且液氮置于真空下转变为液氮泥；

放气阀（22）用于将液氮泥冷却室（21）与大气连通；

真空接口（23）用于连通真空泵（3）与液氮泥冷却室（21）。

6.由权利要求1-5中任意一项所述的装置制备液氮泥冷却样品的方法，包括以下步骤：（1）将样品放置于样品固定托（1521）上，并置于样品室（11）内，关闭插板阀（12）；

（2）在液氮泥冷却室（21）中加入液氮，并将进样装置（1）置于液氮泥冷却装置（2）上，通过盖板（14）进行密封；

（3）开启真空泵（3），在液氮泥冷却装置（2）内，置于真空下的液氮转变为液氮泥；

（4）打开插板阀（12），将样品从样品室（11）置于液氮泥冷却装置（2）内，并通过固定块（141），对所述样品固定板（1523）进行卡位，帮助样品固定板（1523）与推拉杆（151）进行脱离，在真空条件下，样品插入液氮泥得到液氮泥冷冻样品。

7.根据权利要求6所述的制备液氮泥冷却样品的方法，其中，在步骤（4）中，所述插入液氮泥的时间为120-180s。

说明书

制备液氮泥冷冻样品的装置和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及扫描电镜领域，具体涉及制备液氮泥冷冻样品的装置和方法。

背景技术

[0002] 随着纳米科技的飞速发展，纳米结构及成分的表征对于纳米材料的性能开发及应用至关重要。电子显微镜、X-射线光电子能谱仪等仪器已经成为分析纳米级微观结构及成分必备的手段，这些仪器是以电子束、X-射线等作为光源，经过与试样互相作用，得到试样微观结构及成分的信息，因此需要在高真空环境工作(通常样品室的真空高于10-3Pa)，这就要求所观察的样品干燥无挥发，而一些样品在干燥过程中会发生结构变化，致使无法观察其真实结构(如凝胶、乳液、油水混合体系等)。冷冻技术可以保持液相样品的结构，而且样品经冷冻后若能一直保持在冷冻条件下，在高真空环境中便无挥发，可以实现在扫描电子显微镜、X-射线光电子能谱仪中进行微观结构及成分的分析。

[0003] 冷冻技术一般应用液氮为冷却剂，将溶剂进行冷冻固定，关键在于避免溶剂(一般是水)在冷冻过程中对于样品结构的破坏。如果直接将样品投入液氮中，由于莱顿佛罗斯特效应(指液体不会润湿炙热的表面，而仅仅在其上形成一个蒸汽层的现象)，样品周围的液氮会立即沸腾，将样品包裹在绝热的氮气中，从而使样品不能立即降温，水成为结晶态，水结晶过程体积发生膨胀，致使其中样品的微观结构遭到破坏，比如破坏凝胶分子形成的网状结构、乳液中的液滴涨破等。

发明内容

[0004] 本发明的目的是为了克服现有技术存在的在将微观结构冷冻过程中，存在冰晶形成，使水形成结晶态，微观结构遭到破坏的问题，提供一种制备液氮泥冷冻样品的装置和方法，通过使用本发明的装置和方法制备的冷冻样品，具有快速降温，阻止冰晶形成，不破坏微观结构的优点。

[0005] 为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种制备液氮泥冷冻样品的装置，其中，该装置包括进样装置、与进样装置连接的液氮泥冷却装置，以及分别与进样装置和液氮泥冷却装置连通的真空泵；其中，

[0006] 进样装置用于固定样品并将样品送入液氮泥冷却装置；

[0007] 真空泵用于将进样装置和液氮泥冷却装置置于真空状态，在液氮泥冷却装置内置于真空下的液氮转变为液氮泥，样品插入液氮泥得到液氮泥冷冻样品。

[0008] 本发明第二方面提供由上述的装置制备液氮泥冷却样品的方法，包括以下步骤：

[0009] (1)将样品放置于样品固定托上，并置于样品室内，关闭插板阀；

[0010] (2)在液氮泥冷却室中加入液氮，并将进样装置置于液氮泥冷却装置上，通过盖板进行密封；

[0011] (3)开启真空泵，在液氮泥冷却装置内，置于真空下的液氮转变为液氮泥；

[0012] (4)打开插板阀，将样品从样品室置于液氮泥冷却装置内，并通过固定块，对所述样品固定板进行卡位，帮助样品固定板与推拉杆进行脱离，在真空条件下，样品插入液氮泥得到液氮泥冷冻样品。

[0013] 根据本发明的方法，液氮由液态逐渐变为固态，形成泥状，得到液氮泥。将样品置于液氮泥中进行冷冻时，由于液氮泥不存在沸腾现象，所以样品不会受到莱顿弗罗斯特效应的影响，可迅速降温，使得水分子来不及重排成晶体，从而形成玻璃态的水，避免水的结晶对于样品微观结构的破坏。

附图说明

[0014] 图1是制备液氮泥冷冻样品的装置的结构示意图；

[0015] 图2是进样装置的结构示意图；

[0016] 图3是进样装置的3D结构示意图；

[0017] 图4是样品固定头的结构示意图；

[0018] 图5是实施例1的样品的扫描电镜图；

[0019] 图6是实施例2的样品的扫描电镜图；

[0020] 图7是实施例3的样品的扫描电镜图；

[0021] 图8是对比例1的样品的扫描电镜图；

[0022] 图9是对比例2的样品的扫描电镜图；

[0023] 图10是对比例3的样品的扫描电镜图。

[0024] 附图标记说明

[0025] 1、进样装置         2、液氮泥冷却装置   3、真空泵

[0026] 11、样品室          12、插板阀          13、进样通道

[0027] 14、盖板            15、样品杆          16、第一旋塞阀

[0028] 17、第二旋塞阀      141、固定块         151、推拉杆

[0029] 152、样品固定头     1521、样品固定托    15211、圆孔

[0030] 1522、样品固定弹片  1523、样品固定板    1524、螺孔

[0031] 21、液氮泥冷却室    22、放气阀          23、真空接口

具体实施方式

[0032] 在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

[0033] 本发明第一方面提供一种制备液氮泥冷冻样品的装置，其中，该装置包括进样装置1、与进样装置1连接的液氮泥冷却装置2，以及分别与进样装置1和液氮泥冷却装置2连通的真空泵3，如图1所示。

[0034] 在本发明中，进样装置1用于固定样品(图中未标出)并将样品送入液氮泥冷却装置2。

[0035] 在本发明中，真空泵3用于将进样装置1和液氮泥冷却装置2置于真空状态。

[0036] 在本发明中，在液氮泥冷却装置2内置于真空下的液氮转变为液氮泥，样品插入液氮泥得到液氮泥冷冻样品。

[0037] 在本发明中，如图2和图3所示，进样装置1包括从上到下依次连通的样品室11、插板阀12、带有盖板14的进样通道13，贯穿样品室11、插板阀12、进样通道13和盖板14的样品杆15，第一旋塞阀16以及第二旋塞阀17。

[0038] 在本发明中，样品室11用于固定和存储样品。

[0039] 在本发明中，插板阀12用于将样品室11和进样通道13进行分隔或连通。一方面，在液氮转变为液氮泥的过程中，样品通过插板阀被分隔在样品室中，待液氮转变为液氮泥之后，再将样品置于液氮泥之中，这样可以避免在液氮转变为液氮泥的慢降温引起样品部分冷冻，导致破坏微观结构的缺陷。另一方面，样品从样品室置于液氮泥冷却装置内之后，可以关闭插板阀，仅对样品室部分进行破真空，将其他样品置于样品固定托上，抽真空，打开插板阀，样品插入液氮泥得到液氮泥冷冻样品，这样实现了快速、连续的制样。

[0040] 在本发明中，进样通道13用于连接插板阀12和液氮泥冷却装置2。

[0041] 在本发明中，盖板14用于连接进样装置1和液氮泥冷却装置2，并对液氮泥冷却装置2进行密封。

[0042] 在本发明中，样品杆15用于将样品室11内的样品输送至液氮泥冷却装置2。

[0043] 在本发明中，第一旋塞阀16用于将进样装置1与真空泵连通。

[0044] 在本发明中，第二旋塞阀17用于将进样装置1与大气连通。

[0045] 在本发明中，如图4所示，样品杆15包括推拉杆151和样品固定头152。

[0046] 在本发明中，样品固定头152包括样品固定托1521、样品固定弹片1522和样品固定板1523。

[0047] 在本发明中，样品固定托1521的表面设置有圆孔15211，用于盛放样品。

[0048] 在本发明中，样品固定弹片1522位于样品固定托1521上，用于固定样品。

[0049] 在本发明中，样品固定板1523与样品固定托1521和推拉杆151连接。

[0050] 在本发明中，所述推拉杆151一端设置有连接样品固定板1523的螺纹，所述样品固定板1523的顶部设置有与所述推拉杆151连接的螺孔1524。

[0051] 在本发明中，所述盖板14连接液氮泥冷却装置2的一面上设置有固定块141，用于对所述样品固定板1523进行卡位，帮助样品固定板1523与推拉杆151进行脱离；

[0052] 在本发明中，所述固定块141具有用于所述卡位的呈十字形的凹槽。

[0053] 在本发明中，液氮泥冷却装置2包括液氮泥冷却室21、放气阀22和真空接口23。

[0054] 在本发明中，液氮泥冷却室21用于盛放液氮且液氮置于真空下转变为液氮泥。

[0055] 在本发明中，放气阀22用于将液氮泥冷却室21与大气连通。

[0056] 在本发明中，真空接口23用于连通真空泵3与液氮泥冷却室21。

[0057] 本发明第二方面提供由上述的装置制备液氮泥冷却样品的方法，包括以下步骤：

[0058] (1)将样品放置于样品固定托1521上，并置于样品室11内，关闭插板阀12；

[0059] (2)在液氮泥冷却室21中加入液氮，并将进样装置1置于液氮泥冷却装置2上，通过盖板14进行密封；

[0060] (3)开启真空泵3，在液氮泥冷却装置2内，置于真空下的液氮转变为液氮泥；

[0061] (4)打开插板阀12，将样品从样品室11置于液氮泥冷却装置2内，并通过固定块141，对所述样品固定板1523进行卡位，帮助样品固定板1523与推拉杆151进行脱离，在真空条件下，样品插入液氮泥得到液氮泥冷冻样品。

[0062] 根据本发明的方法，关闭插板阀，将液氮泥冷却室放气，可将冷冻好的样品在液氮中转移取出，根据需要经过处理后，可装载于SEM、XPS样品台等进行扫描电镜、X-光电子能谱等观察。

[0063] 根据本发明的方法，样品从样品室置于液氮泥冷却装置内之后，可以关闭插板阀，仅对样品室部分进行破真空，将其他样品置于样品固定托上，抽真空，打开插板阀，并将样品插入液氮泥得到液氮泥冷冻样品，这样实现了快速、连续的制样。

[0064] 根据本发明的方法，由上述的装置制备液氮泥冷却样品的过程是在真空中进行，尤其是样品插入液氮泥得到液氮泥冷冻样品的过程是在真空中进行，如果提前破真空，样品的微观结构将遭到破坏。

[0065] 根据本发明的方法，所述样品为液体及半液体样品，主要包括有机材料样品，例如聚丙烯酰胺水凝胶样品、微乳液样品等，或者生物样品，例如酵母菌样品等。

[0066] 根据本发明的方法，所述真空的条件包括：真空压力为-2至-3Pa。

[0067] 根据本发明的方法，在步骤(4)中，所述插入液氮泥的时间为120s-180s。

[0068] 以下将通过实施例对本发明进行详细描述。

[0069] 实施例1

[0070] (1)将聚丙烯酰胺水凝胶液相样品滴加到带凹槽的样品载片中，并将承载有液体样品的载片固定于样品固定头152的样品固定托1521上，载片的凹槽处于样品固定托1521的圆孔15211上，压紧样品固定弹片1522；将样品固定板1523顶部的螺孔1524与推拉杆151上的螺纹通过顺时针拧转进行组装，并将推拉杆151拉回至样品室11，关闭插板阀12；

[0071] (2)在液氮泥冷却装置2的液氮泥冷却室21中加入液氮，并将进样装置1置于液氮泥冷却装置2上，通过盖板14进行密封；

[0072] (3)开启真空泵3，通过第一旋塞阀16和真空接口23分别对进样装置1和液氮泥冷却装置2进行抽真空，在液氮泥冷却装置(2)内，置于真空压力为-2Pa，液氮转变为液氮泥；

[0073] (4)打开手动插板阀12将样品从进样通道13插入液氮泥中进行快速冷冻，样品固定板1523卡位在固定块141的十字形凹槽中，通过逆时针旋转推拉杆151，样品固定板1523与推拉杆151进行脱离，样品留在在液氮泥中，将推拉杆151抽回至样品室11，关上插板阀12，在真空条件下，样品插入液氮泥150s；

[0074] (5)在液氮泥冷冻样品完成后，关闭真空泵3，通过打开第二旋塞阀17和放气阀22进行破真空。

[0075] (6)进行表征

[0076] 将完成冷冻的样品置于液氮中转移出来进行冷冻断裂和冷冻观察，通过电子扫描电镜(日立公司生产，型号为S-4300)进行表征，结果如图5所示，可以看出网状结构保持的比较好，说明没有冰晶形成，所以冷冻过程能够保持其微观结构。

[0077] 实施例2

[0078] 按照实施例1的方法，不同的是，样品为异辛烷和水形成的微乳液体系，其中以碳纳米管和磷酸银为稳定剂，真空压力为-3Pa，样品插入液氮泥120s，得到液氮泥冷冻样品。

[0079] 按照实施例1的方法进行表征，得到表征的结果如图6所示，可以观察到乳液体系中的球形结构，说明没有冰晶形成，所以冷冻过程能够保持其微观结构。

[0080] 实施例3

[0081] 按照实施例1的方法，不同的是，样品为酵母菌，真空压力为-3Pa，样品插入液氮泥180s，得到液氮泥冷冻样品。

[0082] 按照实施例1的方法进行表征，得到表征的结果如图7所示，可看到酵母菌细胞没有变形，而且可以看到内部的细胞器等细节结构，说明没有冰晶形成，所以冷冻过程能够保持其微观结构。

[0083] 对比例1

[0084] 将实施例1的聚丙烯酰胺水凝胶在液氮下进行冷却，得到冷冻样品。

[0085] 按照实施例1的方法进行表征，得到表征的结果如图8所示，凝胶的网状微观结构遭到破坏。

[0086] 对比例2

[0087] 将实施例2的微乳液体系在液氮下进行冷却，得到冷冻样品。

[0088] 按照实施例1的方法进行表征，得到表征的结果如图9所示，由于有冰晶形成，圆形结构被挤压变形。

[0089] 对比例3

[0090] 将实施例3的方法，不同的是，在液氮转变为液氮泥之后进行破真空，在不是真空的条件下，样品插入液氮泥180s，得到冷冻样品。

[0091] 按照实施例1的方法进行表征，得到表征的结果如图10所示，可以看到酵母细胞变形，内部结构也无法保持。

[0092] 通过实施例和对比例的结果可以看出，采用本发明装置和方法制备的冷冻样品，具有快速降温，使得水分子来不及重排成晶体，从而形成玻璃态的水，避免了水的结晶对于样品微观结构的破坏。

[0093] 以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。