Cryo-Electron Microscopy Prøvepræparation ved hjælp af en målrettet Ion Beam

Summary

Cryo Electron Microscopes, either Scanning (SEM) or Transmission (TEM), are widely used for characterization of biological samples or other materials with a high water content¹. A SEM/Focused Ion Beam (FIB) is used to identify features of interest in samples and extract a thin, electron-transparent lamella for transfer to a cryo-TEM.

Abstract

Her præsenterer vi en protokol, der bruges til at forberede cryo-TEM prøver af Aspergillus niger sporer, men som let kan tilpasses til ethvert antal af mikroorganismer eller løsninger. Vi gør brug af en specialbygget cryo-transfer station og en modificeret cryo-SEM forberedelse kammeret ^2. Sporerne er taget fra en kultur, springet-frosset i flydende nitrogen sjap og observeret i cryo-SEM til at vælge et område af interesse. En tynd lamel derefter ekstraheret ved hjælp af FIB, fastgjort til en TEM gitter og efterfølgende tyndet til elektron gennemsigtighed. Gitteret overføres til en cryo-TEM holder og ind i en TEM til undersøgelser høj opløsning. Takket være indførelsen af ​​en afkølet nanomanipulator spids og en cryo-transfer station, denne protokol er en enkel tilpasning til kryogen temperatur rutinemæssigt anvendte forberedelsen af ​​TEM prøver FIB. Som sådan har fordelene ved at kræve en lille mængde af ændringer af eksisterende instrumenter, opsætninger og procedurer; det jegs let at gennemføre; Det har en bred vifte af applikationer, i princippet de samme som for cryo-TEM prøveforberedelse. En begrænsning er, at det kræver dygtige håndtering af prøver på kritiske skridt til at undgå eller minimere forureninger.

Introduction

I denne protokol en cryo-FIB/SEM bruges til at producere TEM prøver fra en bestemt region af prøven, der tidligere er identificeret med høj præcision ved SEM-analyse. Elektronmikroskopi (scanning eller transmission) analyse af biologiske prøver, er en rutinemæssig teknik, der anvendes til forskning og diagnostik. SEM er temmelig hurtig og nem at anvende og fortolke, men fås kun oplysninger fra prøven overflade og med en opløsning på 1,5 nm. TEM har en højere opløsning, men er vanskeligere at gennemføre, er billedet analysen er mindre ligetil, og at der opnås hovedparten information, prøverne skal fortyndes til elektron gennemsigtighed (mindre end omkring 500 nm tyk). Et yderligere problem er, at vakuum krav i disse instrumenter sjældent tolereres af prøverne vandholdige. I de fleste tilfælde biologiske prøver skal enten kemisk fast (erstatte vand med for eksempel polymerer) eller tørret. I begge tilfælde, væsentlige ændringer imorfologi og struktur af prøven forventes at forekomme. Cryo TEM udarbejdelse af hydreret prøver inducerer minimale kemiske ændringer og det producerer prøver så tæt som muligt på deres oprindelige tilstand, især hvis forglasse is opnås ^1-6.

Den FIB er almindeligt anvendt til at forberede TEM prøver for sine talrige fordele ^7. For at nævne et par stykker: brugen af ​​højenergi-ioner på næsten normal forekomst minimerer effekten af ​​materiale-relaterede differential fræsning satser; ekstraheret fra bulkprøven regionen kan vælges med en sub-micron præcision; en meget lille mængde materiale udvundet. Nogle seneste tekniske udvikling har gjort det muligt at bruge FIB også for TEM prøveforberedelse ved kryogene temperaturer ^2,8-10. Der er flere fordele frem for den traditionelle fremstillingsmetode af cryo-microtomy ^11,12 bruges primært til blød stof prøver, såsom mangel på mekanisk deformation af skiveskåret lamel,fravær af kniv mærker og muligheden for at fremstille sammensatte prøver med hårde / bløde grænseflader eller komponenter.

Protocol

BEMÆRK: alle parametre i denne protokol gælder for de instrumenter og modeller, der er angivet her. Nogle af disse parametre (markeret med * i teksten), kan variere, hvis en anden producent eller model anvendes. 1.. Opstart af FIB / SEM Monter specialbyggede kold nanomanipulator (NM) tip uden at knytte Cu fletninger til anticontaminator (AC). I stedet skal du sørge for fletninger er forbundet til resten af ​​NM over isoleringen punkt at forhindre opladning op under slibning trin (1.2). Luk SEM kammer, pumpe til højt vakuum og billede NM spids. Hvis spidsen er stump, bøjet eller er forurenet med tidligere brug, skærpe den ved hjælp af ionstrålen: vælg polygonale fræse mønstre langs siderne af spidsen, så efter fræsning, vil spidsen taper ned til 1 m eller mindre. Når siderne af spidsen er blevet fræset bort, manuelt at dreje 90 ° hele NM stangfra lande uden for SEM-kammeret. Juster polygonale fræse mønstre til at tilpasse sig det roterede spids og gentag fræsning fra en anden vinkel. Når spidsen er blevet skærpet til at være mindre end 1 um, trække NM og indfør nålen i Gas Injection System (GIS); flytte nålen til at være på omkring 1 mm over arbejdsdækket afstand (i stedet for de sædvanlige 175 um). Hvis du bruger en Pt forløber, ændre dens driftstemperatur til 24-26 ° C (i stedet for de sædvanlige 40 ° C). Der er behov for disse trin for cryo-deposition 13 Pt. Åbn SEM kammer og forberede FIB / SEM for cryo-mode ved at montere cryo prøve scenen og AC. Skift NM til den indsatte position og forbinde sine Cu fletninger til AC. Sørg for ikke at komme til at røre NM spids. Systemet afkøles med NM indsat for at sørge for, at tabet af fleksibilitet Kobber flettet ved kryogene temperaturer ikke vil hæmme NM flytteling. Udrense rør til afkøling med tør nitrogengas i et par minutter. Pump kryo tilberedningskammeret og den vigtigste prøvekammeret for højvakuum. Læg flydende kvælstof til Dewars at afkøle begge kamre. Vent indtil den ønskede temperatur er nået. 2.. Sample Indefrysning Monter to TEM gitre til FIB prøver på SEM transfer indehaveren. Sikre dem ved at stramme de tilsvarende skruer med en skruetrækker. Monter en prøve stub passende for prøven og tilføje en del af prøven. Afhængigt af typen af ​​prøve, kan prøven fastgøres med kryogen lim eller med en klemme. Anvende beløb så små som muligt for at sikre en optimal frysning. Monter SEM transfer holderen på vakuum transfer enhed (VTD). Tilføj flydende nitrogen i ælte station og pumpe ned for at opnå nitrogen sjap. Åbn slushing station og dyk-fryse SEM transfer indehaveren. Pump ned igen til kogning er afsluttet og sjap opnås igen. Det skal bemærkes, at en ethan eller propan sjap eller højt tryk frysning er bedre egnede teknikker til at opnå forglasningen af ​​prøven. Træk SEM transfer holderen ind i vakuum kammer VTD og forsegle den. Udluft skvulper station og kryo forberedelse kammer luftsluse. Match VTD tætning med luftslusen af ​​kryo forberedelse kammer og pumpe. Når en god vakuum er nået, engagere luftslusen pin til at åbne segl VTD og den ydre luftsluse; Indsæt SEM transfer indehaveren. Der er markeringer på glidekontakterne i forberedelsen kamre med angivelse af placering prøven til sputtering og frakturering. Hvis det er nødvendigt, kan prøven: afrevet med den kolde kniv; sublimeret ved at sætte en højere temperatur (normalt -1006, C); belagt med Au / Pd eller Pt ved hjælp af den kolde sputterer (300 V, 10 mA, 60 sek til en 2-3 nm Au / Pd cap) *. Sublimation bør ikke anvendes til forglasset prøver for at undgå deres omkrystallisation. Brug den kolde kniv til at åbne den beskyttende låg af TEM gitter slots. Bring kolde fase i prøven kammer til den modtagende højde (16 mm *). Sluk for HT på FIB / SEM og åbne den inderste luftsluse. Brug VTD at overføre SEM holderen i prøvekammeret. Dæmpning af belysningen i rummet kan hjælpe med dette trin. Når SEM indehaveren er i den kolde fase, frigøre VTD ved at skubbe og dreje. Træk VTD stangen hele vejen ind i VTD vakuumkammer og lukke den indre luftsluse den ydre luftsluse og VTD tætning. Den ydre luftsluse kan nu udluftes for at fjerne VTD tætning. Det sidste trin er ikke påkrævet, men det anbefales som VTD stang kan nemt forrykke sig ved et uheld, som kan forårsage skadetil VTD eller luftslusen. 3.. Ionfræsning Tænd den høje spænding på begge kolonner og angive de relevante billeddiagnostiske parametre (accelererende spænding: 10 kV for elektronstrålen, 30 kV for ionstrålen, spot størrelse 3, arbejde distance: 5 mm, ionstrålestrøm: 10-100 pa for billedbehandling, 1-3 nA for fræsning) *. Brug elektronstråle til at finde en funktion af interesse og til at erhverve billeder for at dokumentere status prøven før udvinding af lamellen. Når et område af interesse (ROI) for udvinding er identificeret, markere det ved ion stråle mønster, medmindre topografi selve prøven giver mulighed for en nem identifikation af ROI, selv efter Pt deposition. For øget præcision, bruge den metode, der er beskrevet af Pettersson et al. 14. Markeringerne skal være dyb, bred og langt nok til at være stadig synlige efter at være blevet omfattet af cryo-Pt deposition (som er ikke-selective og vil omfatte flere mm 2 af prøven overflade). Varm precursorgas til 24-26 ° C, og indsætte GIS nål til en højde på omkring 1 mm over prøvens overflade (se også trin 1.3). Mens billeddannelse med elektronstråle åbne gashanen i et par sekunder. Satsen for cryo-Pt deposition er 100-500 nm / sekund eller mere, afhængig af afstanden af ​​GIS nål, prøve ruhed og brugerens system. Det er tilrådeligt at køre et par test depositioner at bestemme de optimale parametre. Den rå cryo-Pt deposition er meget ujævn og inhomogen. Cure depositum over ROI ved hjælp af en 1.000 pA ion stråle ved lav forstørrelse (for eksempel 2.000 X). I modsætning til den kryo deposition denne hærdning er site selektiv og bør udføres kun på ROI. Formålet med denne første cryo-deponering er at beskytte overfladen af prøven fra ionstråle skade og reducere curtaining under ion udtynding 13. Vip prøven til52 °, således at overfladen er vinkelret på ionstråle. Mill væk to rækkehuse skyttegrave på begge sider af ROI. Typiske dimensioner for de render 20-30 um i den retning (X) parallel med lameller, der skal ekstraheres, 10-15 um i lodret retning (Y) og en variabel skrånende dybde (Z), med det dybeste punkt tæt på ROI. Hældningen skal være 45-55 °. I nogle instrumenter kan rækkehuse skyttegrave kun fræses med det dybeste punkt på toppen. I sådanne tilfælde mølle en under ROI, så rotere billedet 180 ° og mølle den anden på den anden side. Dybden af ​​formaling kan vælges, hvis sputter rate af materialet er kendt. For de fleste frosne hydrerede prøve, kan sputter rate af is der anvendes 7. Vip prøven tilbage til 0 ° og bruge ionstrålen at skære væk siderne og undersiden af ​​lamel, og sørg for skæremærker gå gennem hele lamel (De bør skrive fræsning mærker på rækkehuse skråninger mølleed i det foregående trin). Efterlad kun to små broer, der forbinder lamellen til resten af ​​prøven. Sæt GIS nål (kan let flytte prøven). Manøvre NM indtil spidsen er i fysisk kontakt med lamel, helst på siden. Sørg for, at NM er ikke obstruerer ionstrålen visning af to små forbinder broer. Åbn GIS ventil i et par sekunder og overvåge cryo aflejring ved kontinuerlig billeddannelse med elektronstråle. Når en yderligere 1-2 um lag af Pt har været cryo-deponeret, lukke ventilen. Cure Pt (se trin 2.6) kun i få um omkring det punkt, hvor NM er i kontakt med lamellerne. Brug en høj ionstrålestrøm at skære lamellen gratis. De to forbindelsesbroer skal fræses væk, såvel som ethvert overskud af Pt, der kan have dannet nye kontaktpunkter mellem lamellen og resten af ​​prøven. Må ikke trække GIS nål endnu. </li> Manøvrere forsigtigt NM at udtrække lamel fra skyttegravene og flytte det mindst 500 um over prøvens overflade. Først efter dette trin, trække GIS nål. Sænk prøve scenen et par mm og flytte det, indtil en af ​​TEM net er i betragtning. Flyt vedhæftede område på gitteret ind i arbejdsposition og indsætte GIS nål. Manøvrere forsigtigt NM at bringe vedlagte lamel i fysisk kontakt med den vedhæftede område på TEM-gitter. Der bør ikke være tryk eller spændinger mellem lamellerne, TEM gitter og NM. Åbn gashanen i et par sekunder, og cryo-deposit en ekstra 1-2 um lag af Pt. Cure Pt (se trin 2.6) kun i de få mM omkring kontaktpunkt mellem lamellerne og TEM nettet. Brug en høj ionstrålestrøm at skære lamellen fri af NM. Dette kan opnås ved formaling væk enten NM spids eller den side af prøven. I than første tilfælde vil spidsen skal slibes igen før næste brug, som beskrevet i trin 1.2. EKSTRA: på dette tidspunkt er det muligt at bruge VTD at tage SEM transfer holderen og gemme det O / N i en Dewar fyldt med flydende nitrogen. Denne overførsel og O / N opbevaring kan forårsage isdannelse på overfladen af ​​lamel hvis iskrystaller allerede er til stede og / eller hvis den flydende nitrogen udsættes for fugtig luft; men en sådan forurening vil blive fjernet af det næste trin i en relativt kort tid. Som de foregående trin kan have taget flere timer at gennemføre, kan det være hensigtsmæssigt at gøre det, da det efter følgende trin sådan opbevaring O / N anbefales ikke, da der ikke ville være nogen måde at fjerne forureningen isen undtagen ved sublimering (som kan ikke udføres, hvis forglasning af prøven skal opretholdes). Vip prøven til 52 ° og bruge ionstrålen at tynde det til elektron gennemsigtighed 7. Det anbefales at starte med højere, Roughendes strålestrømme at fjerne bulk og fortsæt til fine polering overfladen med lavere stråle strømme, til sidst også at reducere den accelererende spænding. Den endelige tykkelse af lameller skal være 100-200 nm eller mindre for ultrastruktur analyse i et 100-200 kV TEM eller op til 500 nm for tomografi i en 300 kV TEM, afhængigt af prøvens sammensætning. Under udtynding, kan de interne spændinger af prøven forårsage lamel til at krølle eller bøje. I sådanne tilfælde bør region tyndet begrænses. Dette skete for eksempel i figurerne 11 og 12. 4.. Cryo Overførsel til TEM Skyl cryo-transfer station med tør nitrogengas i et par minutter. Læg flydende nitrogen til Dewar af TEM AC og kryo-transfer station. Indsæt cryo-transfer TEM holderen i den relevante holder af cryo-transfer station og fylde sin Dewar så godt. Vent hver component har nået den ønskede temperatur (ca. 15 min.) Hvis det er muligt, bør styringen af ​​cryo-transfer TEM indehaveren af ​​forbindes for at overvåge temperaturen under overførslen. Det er vigtigt at indse, at spidsen af ​​TEM-holderen (hvor temperatursensoren er placeret) vil være i kontakt med cryo-overførselsstation og vil derfor afkøle meget hurtigere end resten af ​​TEM-holderen. Det anbefales derfor, at den nødvendige tid til det hele cryo-transfer TEM indehaveren til at køle ned måles på forhånd, og at systemet får lov til at thermalize mindst at mængden af ​​tid. Fyld en kryogen kop med flydende nitrogen og nedsænkes i den: TEM prøve fastspændingsværktøjet en skruetrækker og pincetter med henblik på at køle deres tip til den ønskede temperatur. Alt værktøj skal være ordentligt isoleret på den anden ende, så for ikke at forårsage kolde forbrændinger på operatørens hånd. Match VTD til den ydre luftsluse. Bring kolde hjorte til højde overførsel (16 mm *). Sluk for høj spænding. Åbn VTD segl, den ydre luftsluse og den indre luftsluse. Brug VTD stangen for at låse ind i SEM transfer holderen ved at skubbe og dreje med uret. Træk SEM transfer holderen ind i kryo forberedelse kammer. Brug kold kniv til at lukke de beskyttende låg af TEM net. Dette er nødvendigt for at reducere eventuel forurening is under overførslen. Brug VTD stangen til at flytte prøven i vakuum kammer VTD. Luk luftsluser og segl. Udluft ydre luftsluse og tag VTD. Match VTD til SEM-porten på cryo-transfer station. Mens skylning med tør nitrogen, skal du bruge pin på stationen for at åbne segl VTD og skub SEM transfer holderen ind i Dewar af cryo-transfer station. Tilføj nok flydende nitrogen, således at niveauet i cryo-transfer station er høj nokbare at oversvømme prøven. Brug tidligere afkølede skruetrækker til at åbne en af ​​lågene og løsne den tilsvarende skrue, der holder TEM gitter på plads. Brug de tidligere afkølede pincet til at plukke TEM nettet og læg det i TEM holderen. Brug den afkølede hexring at fastgøre TEM gitter på TEM holderen. Luk lukker af cryo-transfer TEM indehaveren. Skridt Prøven overførsel er afgørende og måske blive hæmmet af kvælstof gas reducere synligheden af ​​de små TEM prøve. Afbryd cryo-transfer station fra pumpesystemet og transportere det i nærheden af ​​TEM sammen med varmelegeme controller cryo-transfer TEM indehaveren. Start turbomolekylarpumpe af TEM at pumpe opbakning linje til TEM luftslusen. Indstil TEM prøve scenen til en vippe * på -70 °. Sæt den korteste pumpetid til luftslusen (30-60 sek), med kun én cyklus af skylning med tør nitrogengas. </li> Sørg for, at den beskyttende lukker om cryo-transfer TEM holderen er lukket. Fjern TEM indehaveren fra den cryo-transfer station og indsætte det i vippet goniometer (flydende kvælstof vil smitte ud af TEM holder Dewar). Den pumpecyklus starter. Når cyklussen er afsluttet, indstilles goniometer at vippe tilbage til 0 °, og på samme tid holde TEM holderen, så at den ikke roterer med goniometer. Sæt det helt i TEM. Under dette trin bør cryo-overførsel TEM indehaveren være forbundet til sin varmelegeme controller til at overvåge temperaturen. Proceduren for at indsætte prøve holderen ind i TEM kan variere mellem forskellige systemer. Det anbefales derfor at kontakte TEM producenten for at opnå den korrekte procedure. Fyld cryo-transfer TEM holder Dewar. Vent til vakuum i TEM at nå et acceptabelt niveau.

Representative Results

In this work we made use of: a dual beam FIB/SEM equipped with a nanomanipulator and a cryo-preparation chamber; a TEM with a cryo-transfer holder; a prototype cryo-transfer station. The anticontaminator (AC) blades of the cryo-preparation chamber and the tip of the nanomanipulator (NM) were modified by Gatan. With respect to a standard cryo-preparation chamber, the AC blades are larger to provide a greater heat sink for the NM tip. Moreover, the AC is fitted with clamps for connecting the Cu braids for heat exchange with the NM tip. The pneumatics of the FIB/SEM were modified to allow the NM to be and remain inserted even when the sample chamber was vented. It should be noted that the parameters used in this work are best suited for the equipment listed above; those parameters may needed to be adjusted when working with other types of equipment. To work with this protocol, the normal precautions for handling cryogenics, liquid nitrogen and vacuum systems should be followed. The method has been tested on different types of samples with good results, ranging from solutions or polymer matrices containing nanoparticles, to single-celled organism to nematodes. Examples of the various steps of the procedure are illustrated in Figures 1-12 on A. niger spores stained with osmium tetroxide and potassium permanganate. The spores are first imaged by SEM (Figure 1) to identify the site for extraction. In this case, a cross section of any spore was sufficient, but it is possible to position the ROI for extraction with sub-micrometer precision to, for example, slice a specific cell at a specific distance from the cell membrane. Once the feature of interest has been identified, the first step of the cryo-Pt deposition is implemented (Figure 2), to protect the sample from beam damage from the ion milling. The sample is tilted to 52° to proceed with the first steps of the milling (Figure 3): the sputtering of two trenches on both sides of the lamella. The sample is then tilted back and further milled to leave only two small bridges connecting it to the bulk (Figure 4). The cooled nanomanipulator is brought into contact with the lamella (Figure 5) and another cryo-deposition of Pt solders them together (Figure 6). The small connecting bridges are then milled away and the NM moves the lamella near the attachment area of the TEM grid (Figure 7), where it is soldered with a final cryo-deposition of Pt (Figure 8). The NM is then separated from the lamella (Figure 9), which is thinned down to electron transparency with the ion beam (Figure 10 and 11). The lamella is finally transferred to the TEM (Figure 12) where high resolution imaging, spectroscopy, tomography and other techniques can be employed. Figure 1. Cryo-SEM image of spores of A. niger, before Pt deposition. Figure 2. The same area in Figure 1 after Pt deposition but before curing. Figure 3. Cryo-SEM image of the same area in Figure 2, tilted 52º, after Pt deposition and curing, with trench milling underway (see step 3.7). Figure 4. The lamella, ready for lift-out. Figure 5. The cold nanomanipulator tip makes contact with the lamella. Figure 6. A second Pt cryo-deposition is used to solder together the nanomanipulator and the lamella. Figure 7. The cold nanomanipulator is used to transfer the lamella to the attachment area of the TEM grid. Figure 8. Cryo-deposition is used once more to attach the lamella to the TEM grid. Figure 9. The lamella is cut free of the nanomanipulator and it is now ready for either storage or thinning to electron transparency. Figure 10. An intermediate step of the thinning, with a few spores visible in cross section. Figure 11. Cryo-SEM image of the sample after final thinning; most of the other spores had to be milled away because the lamella had started to curl. Figure 12. A composite cryo-TEM picture of the lamella. Part of the Al stub has been included in the lamella (black arrow).

Discussion

This protocol is a rather straightforward adaptation to cryogenic temperatures of the standard FIB/TEM sample preparation used in material sciences at RT. The method produces TEM samples free of mechanical deformation and knife marks (the major drawback of microtomy), although curtaining may occur if the sample surface is inhomogeneous. This can be reduced by cryo-deposition of a capping layer (in this work Pt was used), cured until it is smooth and featureless¹³. Samples with components of very different hardness can be prepared as well without the risk that they would break under stress during preparation. Internal stresses may still cause the thin lamella to bend or curl, in which case the size of the section has to be reduced. A drawback compared to other method is the possibility to alter the biological structure due to exposure to the ion beam and possible implantation of the ions in the sample. These drawbacks also occur at RT for sample preparation in materials science¹⁵. They can be reduced by completing the thinning with a final polishing step at the lowest accelerating voltage for the ions (500-1,000 V). This very gentle polishing step will remove the damaged layer from the lamella.

Due to the nature of the cryo-deposition (steps 3.5, 3.10 and 3.13), large parts of the sample will be covered, thereby obstructing the view of the original surface. This may make it difficult to keep track of the ROI, unless multiple markings are used as suggested in step 3.3.

During steps 4.5 and 4.7 the thin lamella risks coming in contact with air. This has to be avoided as it would cause the moisture in the air to form ice crystals on the surface of the sample, possibly to the point of obscuring important features. Those steps should be performed as quickly as possible, but at the same time a mishandling during the transfer is likely to result in the loss of the sample itself. It is recommended that the user practices those steps by using empty TEM grids before an attempt on a real sample is made.

In material science, the FIB instrument has become the chief method of TEM sample preparation within a decade of its commercialization. Since it can be used on virtually any specimen, it removes the need to tailor the preparation technique to the type of sample. We strongly believe the same could happen at cryogenic temperatures, thanks to the procedure detailed here. Its application to larger samples is still subject to the ability to cryo-preserve them in a vitrified state, but techniques such as plunge-freezing or high-pressure freezing^3,5 can prove to be the optimal solutions to this problem.

Materials

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