마이크로톰
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1. 개요
마이크로톰은 광학 현미경 관찰을 위해 식물 및 동물 조직의 얇은 절편을 제작하는 데 사용되는 장치이다. 18세기 후반에 개발되어, 초기에는 수동으로 작동되었으나, 19세기에는 테이블 기반 모델이 등장하며 발전했다. 마이크로톰은 회전식, 활주식, 극저온, 초미세, 진동식, 톱, 레이저 마이크로톰 등 다양한 종류가 있으며, 조직학, 전자 현미경, 분광법 등 다양한 분야에서 활용된다.
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| 마이크로톰 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 정의 | 조직 표본을 얇게 절단하는 데 사용되는 실험실 도구 |
| 사용 목적 | 현미경 검사를 위한 표본 준비 조직병리학, 생물학, 재료 과학 분야에서 사용 |
| 종류 | |
| 회전식 마이크로톰 | 가장 일반적인 유형 |
| 슬라이딩 마이크로톰 | 더 크고 단단한 표본에 적합 |
| 극저온 유지 장치 | 냉동된 표본을 절단하는 데 사용 |
| 진동 마이크로톰 | 고정되지 않은 표본을 절단하는 데 사용 |
| 레이저 마이크로톰 | 매우 정밀한 절단에 사용 |
| 작동 원리 | |
| 기본 원리 | 매우 날카로운 칼날을 사용하여 표본을 얇게 절단 |
| 절단 두께 | 일반적으로 0.5 ~ 100 마이크로미터 범위 |
| 준비 과정 | |
| 표본 준비 | 일반적으로 파라핀 또는 수지와 같은 매질에 넣어 고정 냉동 절편의 경우, 표본을 액체 질소 또는 다른 극저온 냉매로 급속 냉동 |
| 절단 | 준비된 표본을 마이크로톰에 장착하고 원하는 두께로 절단 |
| 슬라이드 장착 | 절단된 표본을 유리 슬라이드에 올려 현미경으로 관찰 |
| 역사 | |
| 초기 개발 | 19세기 후반에 개발 |
| 주요 개발자 | 빌헬름 히스 (Wilhelm His) 카밀로 골지 (Camillo Golgi) |
| 응용 분야 | |
| 조직병리학 | 질병 진단을 위해 조직 샘플을 검사 |
| 연구 | 조직의 미세 구조를 연구 |
| 재료 과학 | 재료의 미세 구조를 분석 |
2. 역사
광학 현미경 개발 초기에는 식물이나 동물 표본 절편을 수동으로 만들었으나, 1770년 조지 아담스 2세가 최초의 마이크로톰 장치 중 하나를 발명하고 알렉산더 커밍스가 발전시켰다.[1] 1835년 앤드루 프리처드는 테이블 고정형 모델을 개발했다.[4] 빌헬름 히스, 시니어나 얀 에반젤리스타 푸르키네가 마이크로톰 발명에 기여했다는 주장도 있다.[5][6][7] 마이크로톰의 기원이 불확실한 이유는 초기 장치가 단순했고 개발 단계가 널리 문서화되지 않았기 때문이다. 1800년대 말, 마이크로톰을 이용한 얇은 표본 제작과 염색 기술 발전은 현미경 관찰을 크게 향상시켰다.[10][11]
오늘날 대부분의 마이크로톰은 교체 가능한 칼, 시료 홀더, 전진 메커니즘을 갖춘 칼 블록 설계이다. 시료 절단은 시료를 칼 위로 이동시켜 시작하며, 전진 메커니즘이 자동으로 앞으로 이동하여 선택한 두께에 대한 다음 절단을 수행한다. 절편 두께는 조정 메커니즘으로 정밀하게 제어할 수 있다.
2. 1. 초기 발전
광학 현미경이 개발되기 시작했을 때, 식물과 동물의 절편은 면도날을 사용하여 수동으로 제작되었다. 관찰 대상 표본의 구조를 관찰하기 위해서는 약 100um 크기로 깨끗하고 재현 가능한 절단면을 만드는 것이 중요하며, 이를 통해 빛을 투과시킬 수 있었다. 이를 통해 투과 모드에서 광학 현미경을 사용하여 표본을 관찰할 수 있었다.이러한 절편을 준비하기 위한 최초의 장치 중 하나는 1770년 조지 아담스 2세(1750–1795)가 발명했으며, 알렉산더 커밍스가 더 발전시켰다.[1] 이 장치는 수동으로 작동되었으며, 시료는 원통에 담겨 손잡이를 사용하여 시료의 상단에서 절편을 만들었다.[2][3]
1835년, 앤드루 프리처드는 테이블 기반 모델을 개발하여 장치를 테이블에 고정시켜 진동을 차단하고, 작업자와 칼을 분리할 수 있도록 했다.[4]
마이크로톰 발명에 대한 귀속은 때때로 해부학자 빌헬름 히스, 시니어(1865)에게 주어진다.[5][6] 빌헬름은 Beschreibung eines Mikrotoms|마이크로톰 설명de에서 다음과 같이 썼다.
> 이 장치를 통해 손으로는 도저히 만들 수 없는 절편을 얻을 수 있는 정밀한 작업을 할 수 있게 되었다. 즉, 연구 과정에서 깨지지 않은 물체의 절편을 얻을 수 있는 가능성을 열었다.
다른 자료에서는 체코 생리학자 얀 에반젤리스타 푸르키네에게 개발의 공을 돌리고 있다.[7] 여러 자료에서 푸르키네 모델을 실용적으로 사용된 최초의 모델로 묘사하고 있다.[8][9]
마이크로톰의 기원에 대한 불확실성은 최초의 마이크로톰이 단순히 절단 장치였고 초기 장치의 개발 단계가 널리 문서화되지 않았기 때문이다.
1800년대 말, 마이크로톰을 이용한 매우 얇고 일관된 두께의 표본 개발과 중요한 세포 성분 또는 분자의 선택적 염색은 현미경 세부 사항의 시각화를 가능하게 했다.[10][11]
2. 2. 19세기 이후의 발전
1770년 조지 아담스 2세가 절편을 준비하기 위한 최초의 장치 중 하나를 발명했고, 알렉산더 커밍스가 더 발전시켰다.[1] 이 장치는 수동으로 작동되었으며, 시료는 원통에 담겨 손잡이를 사용하여 시료 상단에서 절편을 만들었다.[2][3]1835년, 앤드루 프리처드는 테이블 기반 모델을 개발하여 장치를 테이블에 고정시켜 진동을 차단하고, 작업자와 칼을 분리할 수 있도록 했다.[4]
마이크로톰 발명에 대한 귀속은 때때로 해부학자 빌헬름 히스, 시니어 (1865)에게 주어진다.[5][6] 빌헬름은 Beschreibung eines Mikrotomsde(마이크로톰 설명)에서 다음과 같이 썼다.
다른 자료에서는 체코 생리학자 얀 에반젤리스타 푸르키네에게 개발의 공을 돌리고 있다.[7] 여러 자료에서 푸르키네 모델을 실용적으로 사용된 최초의 모델로 묘사하고 있다.[8][9]
마이크로톰의 기원에 대한 불확실성은 최초의 마이크로톰이 단순히 절단 장치였고 초기 장치의 개발 단계가 널리 문서화되지 않았기 때문이다.
1800년대 말, 마이크로톰을 이용한 매우 얇고 일관된 두께의 표본 개발과 중요한 세포 성분 또는 분자의 선택적 염색은 현미경 세부 사항의 시각화를 가능하게 했다.[10][11]
3. 종류
마이크로톰은 다양한 종류가 있으며, 각각의 특징에 따라 다른 용도로 사용된다.
- 회전식 마이크로톰: 가장 일반적인 형태로, 칼날은 고정되어 있고 샘플이 상하로 움직이며 절편을 만든다. 정밀한 절단이 가능하여 얇은 절편 제작에 유리하며, 주로 연구실에서 사용된다.
- 활주식 마이크로톰: 샘플이 고정되고 칼날이 앞뒤로 움직이는 방식이다. 넓은 면적의 절편 제작에 유리하며, 주로 병원 검사실에서 사용된다.
- 극저온 마이크로톰: 액체 질소를 사용하여 샘플을 냉각시켜 절단하는 방식이다. 냉동 절편 제작에 사용된다.
- 초미세 마이크로톰 (울트라 마이크로톰): 투과 전자 현미경(TEM) 관찰에 필요한 매우 얇은 절편(수십 나노미터)을 만드는 데 사용된다. 전자선을 투과시켜야 하는 TEM의 특성상 초극박 절편이 필요하며, 이를 위해 정밀한 제어가 가능한 울트라 마이크로톰이 사용된다. 주로 다이아몬드 칼을 사용하며, 매우 고가이다.
- 진동식 마이크로톰: 칼날이 진동하며 절단하는 방식으로, 연한 생물학적 시료에 적합하다.
- 톱 마이크로톰: 톱니 모양의 칼날을 사용하여 뼈나 치아와 같은 단단한 시료를 절단하는 데 사용된다.
- 레이저 마이크로톰: 레이저를 사용하여 비접촉식으로 절단하는 방식이다. 시료 준비 과정이 필요 없어 인공적인 변형을 최소화할 수 있다.
3. 1. 회전식 마이크로톰
회전식 마이크로톰은 일반적인 마이크로톰 디자인이다. 이 장치는 회전 운동의 일부로 실제 절단이 이루어지는 단계적 회전 동작으로 작동한다. 회전식 마이크로톰에서 칼은 일반적으로 수직 위치에 고정된다.[18]
왼쪽 그림은 절단 원리를 설명한다. 샘플 홀더의 움직임을 통해 샘플은 칼 위치 1에서 위치 2로 절단되며, 이 시점에서 신선한 절편이 칼에 남아 있다. 회전 운동의 최고점에서 샘플 홀더는 만들어질 절편과 동일한 두께만큼 전진하여 다음 절편을 만들 수 있다.
많은 마이크로톰의 플라이휠은 손으로 작동할 수 있다. 이것은 플라이휠의 비교적 큰 질량이 샘플 절단 중에 샘플이 멈추는 것을 방지하므로 깨끗한 절단을 할 수 있다는 장점이 있다. 최신 모델의 플라이휠은 마이크로톰 케이스 내부에 통합되는 경우가 많다. 회전식 마이크로톰의 일반적인 절단 두께는 1μm~60μm이다. 합성 수지에 매립된 샘플과 같은 단단한 재료의 경우, 이 마이크로톰 설계는 0.5μm까지의 두께로 우수한 "반박" 절편을 허용할 수 있다.
과거에는 숫돌로 갈아서 반복해서 사용하는 강철제 칼날이 주류였지만, 오늘날에는 연마 기술을 가진 기술자가 적어진 탓도 있어, 일회용 칼날이 주류가 되고 있다. 회전식과 활주식으로 크게 분류된다. 칼날이 고정되어 있고 핸들의 회전에 연동하여 시료가 연속적으로 반복해서 상하 방향으로 움직이는 것이 회전식, 시료가 고정되어 있고 칼날이 전후 방향으로 움직이는 것이 활주식이라고 불리며, 작은 면적의 연속 절편을 만들기에는 전자가, 넓은 면적의 절편을 만들기에는 후자가 사용된다. 박절 시의 구동 방식에는 수동식과 전동식이 있다. 병원의 검사실 등에서는 활주식이 주류이며, 회전식은 대학, 기업, 연구실 등에서 주로 사용된다.
3. 2. 활주식 마이크로톰
활주식 마이크로톰(Sledge microtome)은 시료가 고정된 홀더(셔틀)에 놓여 칼날 위를 앞뒤로 움직이는 장치이다. 현대식 활주식 마이크로톰은 셔틀이 선형 베어링 위에 놓여 있어, 여러 개의 조대 절편을 쉽게 절단할 수 있도록 설계되었다.[17] 시료와 마이크로톰 칼날 사이의 각도를 조절하여 절단 시 시료에 가해지는 압력을 줄일 수 있다.[17] 이러한 디자인의 마이크로톰은 생물학적 시료 준비를 위해 파라핀에 매립된 것과 같은 대형 시료를 자를 때 일반적으로 사용된다. 활주식 마이크로톰으로 얻을 수 있는 일반적인 절단 두께는 1μm~60μm이다.
활주식은 시료가 고정되어 있고 칼날이 전후 방향으로 움직이는 방식이며, 넓은 면적의 절편을 만들기에 적합하여 병원의 검사실 등에서 주로 사용된다.
3. 3. 극저온 마이크로톰 (Cryomicrotome)
냉동 시료 절단을 위해, 많은 회전식 미세 절단기는 이른바 극저온 미세 절단기 설비에서 액체 질소 챔버 내에서 절단하도록 개조될 수 있다. 온도를 낮추면 유리 전이와 같이 시료의 경도를 증가시킬 수 있으며, 이는 반(半)-박막 시료의 준비를 가능하게 한다.[17] 그러나 결과적인 시료 두께를 최적화하기 위해서는 시료 온도와 칼 온도를 조절해야 한다.
3. 4. 초미세 마이크로톰 (Ultramicrotome)
초미세 절단기는 초미세 절단술의 주요 도구이다. 회전식 미세 절단기와 동일한 방식으로 작동하지만, 기계적 구조에 대한 매우 엄격한 공차를 통해 극도로 얇은 절편을 준비할 수 있다. 신중한 기계적 구조로 인해 장착물의 선형 열팽창을 사용하여 두께를 매우 정밀하게 제어한다.[17]
이러한 극도로 얇은 절단은 투과 전자 현미경(TEM) 및 연속 블록 표면 주사 전자 현미경(SBFSEM)에 사용하기에 중요하며, 때로는 광학 현미경 검사에도 중요하다.[18] 이러한 절편의 일반적인 두께는 투과 전자 현미경 검사의 경우 40~100nm 사이이며, SBFSEM의 경우 30~50nm 사이인 경우가 많다. 최종 얇은 절편에 대한 영역을 선택하기 위한 특수 TEM 응용 분야 또는 광학 현미경 검사 조사 절편을 위해 최대 500nm 두께의 더 두꺼운 절편도 사용된다. 다이아몬드 칼(선호)과 유리 칼이 초미세 절단기와 함께 사용된다. 절편을 수집하기 위해 절단 시 액체 위에 뜨게 되며 TEM 시료 관찰에 적합한 그리드에 조심스럽게 올려진다. 절편의 두께는 극도로 얇은 시료 두께로 인해 보이는 반사광의 박막 간섭 색상으로 추정할 수 있다.[19]
투과 전자 현미경(TEM)에서의 관찰 시에는 전자선을 투과시키는 결상 원리로부터 초극박의 시료가 요구된다. 마이크로톰을 사용하면 마이크로미터 단위에서 수십 나노미터에 이르는 얇은 두께로 균질한 절단을 확실하게 수행할 수 있다. 특히, TEM 관찰용 극박 절편의 절단이 가능한 것을 울트라 마이크로톰이라고 부른다.
포매된 시료의 대략적인 성형에는 유리 칼이, 관찰용 시료를 자를 때에는 사파이어 칼이나 다이아몬드 칼이 사용된다. 유리 칼은 기성품도 판매되고 있지만, 사용 직전에 유리판을 쪼개서 만든 것이 절삭력이 좋다.
다이아몬드 칼은 칼날 길이에 따라 에서 정도로 판매된다. TEM 관찰용 절편은 두께가 20~50nm 정도이며, 미크로톰의 시료 이송에도 정밀도가 요구되기 때문에, 대부분 회전식이며 전동식이다. 시료 이송 자체의 기구로는 기계(톱니바퀴)식이나 열팽창식이 있다.
3. 5. 진동식 마이크로톰 (Vibrating Microtome)
진동식 마이크로톰은 진동하는 칼날을 사용하여 절단 작업을 수행하며, 이를 통해 정지된 칼날로 절단하는 것보다 적은 압력으로 절단할 수 있다. 진동식 마이크로톰은 일반적으로 다루기 어려운 생물학적 시료에 사용된다.[17] 절단 두께는 살아있는 조직의 경우 보통 30um~500um이며, 고정된 조직의 경우 10um~500um이다.[20]3. 6. 톱 마이크로톰 (Saw Microtome)
톱 마이크로톰은 치아나 뼈와 같은 단단한 재료에 특히 적합하다. 이 유형의 마이크로톰은 홈이 파인 회전 톱을 가지고 있으며, 이 톱이 시료를 얇게 자른다. 최소 절삭 두께는 약 30um이며, 비교적 큰 시료에 대해 제작될 수 있다.[17]3. 7. 레이저 마이크로톰 (Laser Microtome)
레이저 마이크로톰은 비접촉식 절단 장치이다.[21] 매몰, 냉동 또는 화학적 고정을 통한 표본의 사전 준비가 필요하지 않아 준비 방법으로 인한 인공물을 최소화한다. 또한 이 마이크로톰 설계는 뼈나 치아, 일부 세라믹과 같은 매우 단단한 재료에도 사용할 수 있다. 표본 재료의 특성에 따라 달성 가능한 두께는 10μm~100μm 사이이다.
이 장치는 적외선 레이저의 절단 작용을 사용하여 작동한다. 레이저가 근적외선으로 방사선을 방출하므로 이 파장 영역에서 레이저는 생물학적 재료와 상호 작용할 수 있다. 표본 내에서 프로브를 날카롭게 초점을 맞추면 TW/cm2까지 매우 높은 강도의 초점을 얻을 수 있다. 초점 영역에서 광학적 침투의 비선형 상호 작용을 통해 광파괴라고 하는 과정에서 재료 분리가 도입된다. 레이저 펄스 지속 시간을 펨토초 범위로 제한함으로써 대상 영역에서 소모되는 에너지를 정밀하게 제어하여 절단 상호 작용 구역을 마이크로미터 미만으로 제한한다. 이 구역 외부에서는 초단파 빔 적용 시간으로 인해 나머지 표본에 열 손상이 거의 또는 전혀 발생하지 않는다.
레이저 방사선은 빠른 스캔 거울 기반 광학 시스템으로 향하게 되는데, 이를 통해 빔 교차의 3차원 위치를 지정하는 동시에 원하는 관심 영역으로 빔을 통과시킬 수 있다. 높은 출력과 높은 래스터 속도의 조합을 통해 스캐너는 짧은 시간 안에 넓은 표본 영역을 절단할 수 있다. 레이저 마이크로톰에서는 조직, 세포 구조 및 기타 유형의 작은 특징의 내부 영역에 대한 레이저 미세 절단도 가능하다.
4. 작동 원리 및 응용
광학 현미경이 개발되면서, 식물과 동물의 절편은 면도날을 이용해 수동으로 만들어졌다. 관찰 대상 표본의 구조를 관찰하려면 약 100um 크기로 깨끗하고 재현 가능한 절단면을 만들어 빛을 투과시켜야 했다. 이를 통해 투과 모드에서 광학 현미경으로 표본을 관찰할 수 있었다.
이러한 절편을 준비하기 위한 최초의 장치 중 하나는 1770년 조지 아담스 2세(1750–1795)가 발명했으며, 알렉산더 커밍스가 더 발전시켰다.[1] 이 장치는 수동으로 작동되었으며, 시료는 원통에 담겨 손잡이를 사용하여 시료 상단에서 절편을 만들었다.[2][3]
1835년, 앤드루 프리처드는 테이블 기반 모델을 개발하여 장치를 테이블에 고정시켜 진동을 차단하고, 작업자와 칼을 분리했다.[4]
마이크로톰 발명은 때때로 해부학자 빌헬름 히스, 시니어 (1865)에게 귀속된다.[5][6] 빌헬름은 Beschreibung eines Mikrotomsde(마이크로톰 설명)에서 "이 장치를 통해 손으로는 도저히 만들 수 없는 절편을 얻을 수 있는 정밀한 작업을 할 수 있게 되었다. 즉, 연구 과정에서 깨지지 않은 물체의 절편을 얻을 수 있는 가능성을 열었다."라고 썼다.
다른 자료에서는 체코 생리학자 얀 에반젤리스타 푸르키네에게 개발의 공을 돌리고 있다.[7] 여러 자료에서 푸르키네 모델을 실용적으로 사용된 최초의 모델로 묘사하고 있다.[8][9] 마이크로톰의 기원에 대한 불확실성은 최초의 마이크로톰이 단순히 절단 장치였고 초기 장치의 개발 단계가 널리 문서화되지 않았기 때문이다.
1800년대 말, 마이크로톰을 이용한 매우 얇고 일관된 두께의 표본 개발과 중요한 세포 성분 또는 분자의 선택적 염색은 현미경 세부 사항의 시각화를 가능하게 했다.[10][11]
오늘날 대부분의 마이크로톰은 교체 가능한 칼, 시료 홀더 및 전진 메커니즘을 갖춘 칼 블록 설계이다. 대부분의 장치에서 시료 절단은 시료를 칼 위로 이동시켜 시작하며, 전진 메커니즘이 자동으로 앞으로 이동하여 선택한 두께에 대한 다음 절단을 수행할 수 있다. 절편 두께는 조정 메커니즘에 의해 제어되어 정밀한 제어가 가능하다.
4. 1. 작동 원리
기본적인 작동은 시료를 공급하고, 연동하여 칼날을 미끄러뜨려 잘라내는 방식으로 이루어진다. 공급 메커니즘, 정밀도, 칼날의 종류는 용도에 따라 다르다.[1]4. 2. 응용 분야
마이크로톰은 다양한 분야에서 활용되며, 주로 현미경 관찰을 위한 얇은 절편을 만드는 데 사용된다. 주요 응용 분야는 다음과 같다.- 전통적인 조직학 기술: 조직을 고정, 탈수, 투명화 과정을 거쳐 파라핀 왁스에 매립한 후, 마이크로톰을 사용하여 2~50μm 두께로 절단한다. 절단된 조직은 현미경 슬라이드에 부착하고 염색하여 광학 현미경으로 검사한다.
- 냉동 절편 절차: 수분이 많은 조직을 냉동하여 경화시킨 후, 냉동 마이크로톰이나 마이크로톰-극저온 보존 장치를 사용하여 냉동 상태에서 절단한다. 이 방법은 전통적인 조직학보다 훨씬 빠르며(5분 대 16시간), 빠른 진단이 필요한 의료 절차에 사용된다. 또한 면역조직화학에도 활용되는데, 냉동은 고정제 사용보다 조직 분해를 빠르게 중단시키고 화학적 조성을 보존하기 때문이다.
- 전자 현미경 기술: 에폭시 수지에 매립된 조직을 유리 또는 다이아몬드 칼을 사용하여 매우 얇은 절편(60~100nm)으로 절단한다. 절편은 중금속 염으로 염색하여 투과 전자 현미경(TEM)으로 검사한다. 이 기기는 종종 '초미세 마이크로톰'이라고 불린다. 초미세 마이크로톰은 TEM용 얇은 절편 제작 전 조사 절편(0.5~1μm)을 절단하는 데도 사용되며, 광학 현미경으로 관심 영역을 찾는 데 활용된다.
- 연속 블록 표면 주사 전자 현미경 (SBFSEM): 초미세 마이크로톰을 주사 전자 현미경(SEM) 챔버 내부에 장착하여 블록 표면 이미징 후 마이크로톰으로 제거하여 다음 표면을 드러내는 기술이다.
- 식물학적 마이크로톰 기술: 나무, 뼈, 가죽과 같은 단단한 재료는 썰매 마이크로톰을 사용하여 절단한다. 썰매 마이크로톰은 더 무거운 칼날을 가지며 일반 마이크로톰만큼 얇게 절단할 수는 없다.
- 분광법 (FTIR 또는 적외선 분광법) 기술: 적외선 빔이 샘플을 관통할 수 있도록 얇은 폴리머 절편(20~100μm)을 제작한다. FTIR 현미경을 사용하여 더 작은 영역에 대한 상세 분석도 가능하다.
- 레이저 마이크로톰: 펨토초 레이저를 사용하여 비접촉식으로 절단하며, 별도의 샘플 준비 기술이 필요 없다. 거의 모든 조직을 원 상태로 슬라이스할 수 있으며, 10~100μm 두께의 절편 제작이 가능하다.
- 정밀 절단 신장 절편: 신장 기능, 약물 대사, 질병 과정을 연구하기 위해 마이크로톰을 사용하여 얇은 신장 조직 절편을 준비한다. 연구자들은 이를 통해 약물 대사 및 유해 물질의 영향을 연구한다.[12][13][14][15][16]
- 생물학, 의학, 광물학: 현미경을 사용하여 조직을 관찰할 때, 프레파라트를 제작하여 수행한다. 마이크로톰을 사용하면 마이크로미터에서 수십 나노미터에 이르는 얇은 두께로 균질한 절단을 할 수 있다. 특히 TEM 관찰용 극박 절편을 자를 수 있는 것은 울트라 마이크로톰이라고 한다.
물을 많이 함유한 부드러운 시료나 부서지기 쉬운 샘플을 자를 때는 시료를 고정하고 파라핀(납)이나 합성 수지를 사용하여 굳히는 '포매' 처리를 한다.
5. 칼날
마이크로톰 칼날은 시료의 재료와 준비, 그리고 최종 시료 요구 사항(예: 절단 두께 및 품질)에 따라 선택된다. 과거에는 숫돌로 갈아 반복해서 사용하는 강철제 칼날이 주로 사용되었지만, 오늘날에는 연마 기술을 가진 기술자가 적어져 일회용 칼날이 주로 사용되고 있다.
포매된 시료의 대략적인 성형에는 유리 칼이, 관찰용 시료를 자를 때에는 사파이어 칼이나 다이아몬드 칼이 사용된다. 유리 칼은 기성품도 판매되지만, 사용 직전에 유리판을 쪼개서 만든 것이 절삭력이 좋다.
다이아몬드 칼은 칼날 길이에 따라 에서 정도로 판매된다.
5. 1. 디자인 및 절단 유형
일반적으로 칼은 평면 오목형, 쐐기형 또는 끌 모양 디자인의 칼날 단면으로 특징지어진다.
평면 오목형 마이크로톰 칼은 매우 날카롭지만 매우 섬세하므로 매우 부드러운 시료에만 사용된다.[18] 쐐기형 칼은 다소 안정적이며 에폭시 또는 극저온 시료 절단과 같이 적당히 단단한 재료에 사용된다. 둔한 모서리를 가진 끌 모양은 칼의 안정성을 높이는 반면, 절단을 위해서는 훨씬 더 많은 힘이 필요하다.
초미세 박절기의 경우 유리 칼과 다이아몬드 칼이 필요하므로 칼날의 절단 폭은 몇 밀리미터 정도이며, 따라서 일반적인 마이크로톰 칼보다 훨씬 작다. 유리 칼은 일반적으로 특수 "칼 제작기" 파단 장치를 사용하여 유리 막대를 파단하여 제조된다. 유리 칼은 최종 절단에 다이아몬드 칼을 사용할 수 있는 경우에도 초기 시료 준비에 사용할 수 있다. 유리 칼은 일반적으로 플라스틱 테이프로 만든 작은 홈이 있으며, 시료가 나중에 수집될 수 있도록 물을 채워 넣는다.[17] 다이아몬드 칼날은 이러한 기존 홈에 내장될 수 있으며, 동일한 수집 방법을 사용할 수 있다.
과거에는 숫돌로 갈아서 반복해서 사용하는 강철제 칼날이 주류였지만, 오늘날에는 연마 기술을 가진 기술자가 적어진 탓도 있어, 일회용 칼날이 주류가 되고 있다. 회전식과 활주식으로 크게 분류된다.
칼날이 고정되어 있고 핸들의 회전에 연동하여 시료가 연속적으로 반복해서 상하 방향으로 움직이는 것이 회전식, 시료가 고정되어 있고 칼날이 전후 방향으로 움직이는 것이 활주식이라고 불리며, 작은 면적의 연속 절편을 만들기에는 전자가, 넓은 면적의 절편을 만들기에는 후자가 사용된다. 박절 시의 구동 방식에는 수동식과 전동식이 있다. 병원의 검사실 등에서는 활주식이 주류이며, 회전식은 대학, 기업, 연구실 등에서 주로 사용된다.
학습용으로는 마이크로미터를 사용하고, 면도칼 등으로 절단을 하는 간편한 것도 있다. 포매된 시료의 대략적인 성형에는 유리 칼이, 관찰용 시료의 잘라내기에는 사파이어 칼이나 다이아몬드 칼이 사용된다. 유리 칼은 기성품도 판매되고 있지만, 사용 직전에 유리판을 쪼개서 만든 것이 절삭력이 좋다.
다이아몬드 칼은 칼날 길이에 따라 에서 정도로 판매된다. TEM 관찰용 절편은 두께가 20~50nm 정도이며, 마이크로톰의 시료 이송에도 정밀도가 요구되기 때문에, 대부분 회전식이며 전동식이다. 시료 이송 자체의 기구로는 기계(톱니바퀴)식이나 열팽창식이 있다.
5. 2. 절편 제작
일반적으로 마이크로톰 칼은 평면 오목형, 쐐기형, 끌 모양 디자인의 칼날 단면을 가진다.- 평면 오목형 마이크로톰 칼: 매우 날카롭지만 매우 섬세하므로 매우 부드러운 시료에만 사용된다.[18]
- 쐐기형 칼: 다소 안정적이며 에폭시 또는 극저온 시료 절단과 같이 적당히 단단한 재료에 사용된다.
- 끌 모양 칼: 둔한 모서리를 가지며 칼의 안정성을 높이는 반면, 절단을 위해서는 훨씬 더 많은 힘이 필요하다.
초미세 박절기의 경우 유리 칼과 다이아몬드 칼이 필요하며, 칼날의 절단 폭은 몇 밀리미터 정도로 일반적인 마이크로톰 칼보다 훨씬 작다. 유리 칼은 일반적으로 특수 "칼 제작기" 파단 장치를 사용하여 유리 막대를 파단하여 제조된다. 유리 칼은 최종 절단에 다이아몬드 칼을 사용하는 경우에도 초기 시료 준비에 사용할 수 있다. 유리 칼에는 보통 플라스틱 테이프로 만든 작은 홈이 있으며, 시료를 나중에 수집할 수 있도록 물을 채워 넣는다.[17] 다이아몬드 칼날은 이러한 기존 홈에 내장될 수 있으며, 동일한 수집 방법을 사용할 수 있다.
미세 절단기로 자르기 전에, 생물학적 재료는 일반적으로 포매(임베딩)라는 과정을 통해 더욱 단단한 고정액에 놓인다. 이는 파라핀(왁스) 또는 에폭시와 같이 샘플 주변에 액체 물질을 흘려 넣어 얻어지며, 이 물질은 몰드에 넣고 나중에 경화되어 쉽게 절단할 수 있는 "블록"을 생성한다.
경사는 샘플 수직선과 칼날 사이의 각도이다. 칼날이 직각(경사=90°)이면 압력 기반 모드를 사용하여 직접 절단이 이루어지므로 힘이 비례적으로 더 커진다. 그러나 칼을 기울이면 칼의 상대적 움직임이 샘플 움직임과 점점 더 평행해져 절단 작용이 가능해진다. 이러한 동작은 크거나 단단한 샘플에 매우 중요하다.
칼의 경사는 칼면과 샘플 사이의 각도이다. 최적의 결과를 얻으려면 이 각도를 적절하게 선택해야 한다. 최적의 각도는 칼의 기하학적 구조, 절단 속도 및 기타 여러 매개 변수에 따라 달라진다. 각도를 0°로 조정하면 칼 절단이 종종 불규칙해질 수 있으며, 이를 완화하기 위해 칼의 새로운 위치를 사용해야 한다. 각도가 너무 크면 샘플이 구겨지고 칼이 절단면에 주기적인 두께 변화를 유발할 수 있다. 각도를 너무 크게 증가시키면 칼날 자체가 손상될 수 있다.
물을 다량 함유한 부드러운 시료나 부서지기 쉬운 샘플을 잘라낼 경우, 미리 시료를 고정하고, 이어서 파라핀(납)이나 합성 수지를 사용하여 시료를 굳혀서 자르기 쉽게 한다. 이 처리를 '''포매'''라고 부른다.
과거에는 숫돌로 갈아서 반복해서 사용하는 강철제 칼날이 주류였지만, 오늘날에는 연마 기술을 가진 기술자가 적어진 탓도 있어, 일회용 칼날이 주류가 되고 있다. 회전식과 활주식으로 크게 분류된다.
- 회전식: 칼날이 고정되어 있고 핸들의 회전에 연동하여 시료가 연속적으로 반복해서 상하 방향으로 움직이는 방식. 작은 면적의 연속 절편을 만들기에 적합하다.
- 활주식: 시료가 고정되어 있고 칼날이 전후 방향으로 움직이는 방식. 넓은 면적의 절편을 만들기에 적합하다.
박절 시의 구동 방식에는 수동식과 전동식이 있다. 병원의 검사실 등에서는 활주식이 주류이며, 회전식은 대학, 기업, 연구실 등에서 주로 사용된다.
학습용으로는 마이크로미터를 사용하고, 면도칼 등으로 절단을 하는 간편한 것도 있다. 포매된 시료의 대략적인 성형에는 유리 칼이, 관찰용 시료의 잘라내기에는 사파이어 칼이나 다이아몬드 칼이 사용된다. 유리 칼은 기성품도 판매되고 있지만, 사용 직전에 유리판을 쪼개서 만든 것이 절삭력이 좋다.
다이아몬드 칼은 칼날 길이에 따라 수십만 엔에서 수백만 엔 정도로 판매된다. TEM 관찰용 절편은 두께가 20nm에서 50nm 정도이며, 마이크로톰의 시료 이송에도 정밀도가 요구되기 때문에, 대부분 회전식이며 전동식이다. 시료 이송 자체의 기구로는 기계(톱니바퀴)식이나 열팽창식이 있다.
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