Diasammlung historische Ultramikrotome

Herausgegeben 1982 von der Deutschen Gesellschaft für Elektronenmikroskopie (DGE)

Aufnahmen von der Ausstellung historischer Geräte anlässlich des X. Internationalen Kongresses für Elektronenmikroskopie, 17.-24. August 1982 in Hamburg.
Für die Unterstützung bei der Gestaltung bedanken wir uns bei der Firma Carl Zeiss, Oberkochen

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Dia 11: Das erste kommerziell hergestellte Ultramikrotom Porter-Blum MT 1, 1953 (Sorvall Inc., Norwalk, Conn., USA)
Der Vorschub- und Bewegungsmechanismus dieses rein mechanisch arbeitenden Systems enthielt eine große Zahl von Präzisionsteilen. Mit diesem leicht zu bedienenden Ultramikrotom konnten gleichmäßige Serienschnitte von 25 nm Dicke hergestellt werden.
Das Präparat wurde am Vorderende eines Duraluminiumstabes montiert, dessen hinteres Ende ein Kardangelenk aufnahm. Das Kardan gestattete ein vertikales und horizontales Auslenken um die Achse. Eine präzise Schablonenführung leitete das Präparat beim Drehen des Handrades über das Messer hinunter und seitlich von diesem zurück in die Ausgangsstellung. Durch die seitliche Ablenkung bei der Rückführung ließ sich eine Beschädigung des Präparates vermeiden. Das in einer Gabel liegende Kardangelenk war drehbar um die Achse angeordnet. Eine Mikrometerschraube bewegte beim Schneiden automatisch den Gabelfortsatz. Der Stab schob sich gleichlaufend gegen das Messer vor.
Zum Schneiden wurden Glasmesser verwendet. Alle mechanischen Teile des Ultramikrotoms waren spannungsfrei aufgehängt.

Dia 12: Ultramikrotom nach F. J. Sjöstrand, 1953 (LKB, Stockholm)
Zum Unterschied vom Porter-Blum-Mikrotom wies das ebenfalls 1953 fertiggestellte Ultramikrotom von Sjöstrand keinen mechanischen Präzisionsvorschub auf.
Auf einem massiven Stativ war ein Lagergehäuse montiert, in dem ein Rotor höchster Präzision lief. An der hinteren Seite des Rotors waren zwei massive Stahlwellen starr montiert, deren Enden über eine Querleiste mit einer dritten Weile verbunden waren. Diese wurde durch eine exzentrisch am Rotor angebrachte Bohrung geführt und trug an ihrem frei herausstehenden vorderen Ende das Präparat. In der Nähe der Querleiste war sie von einer Heizwicklung niederer Leistung umgeben. Wurde der Wicklung Strom zugeführt, erwärmte sie langsam den Stab, der sich ausdehnte und das Präparat gegen das Messer vorschob.
Der Rotor wurde von einem Elektromotor einmal pro Sekunde gedreht, wobei das Präparat über das Messer hinunterglitt und danach seitlich an diesem vorbei in der Kreisbahn an die Ausgangsstelle zurückkehrte.
Ein Gehäuse hielt störende Luftströmungen von den rotierenden Stahlwellen ab. Die elektrischen Schaltelemente befanden sich an der Vorderseite des Gehäuses.
Als Messer wurden vornehmlich speziell nachgeschärfte Rasierklingen verwendet, die in einem allseitig justierbaren Halter eingespannt werden konnten.

Dia 13: Ultratome 1, 1960 LKB
Dieses weiterentwickelte Ultramikrotom war mit einem einfach ausgebildeten Präparatarm ausgestattet, der eine robuste Konstruktion und Unanfälligkeit gegen Beschädigungen ermöglichte.
Der Präparatarm bestand aus einem langen durchbohrten Stahlstab, der an einem Ende mittels zweier flacher Phosphorbronze-Blattfedern mit dem Fundamentblock in der Weise verbunden war, dass er sich frei in einer vertikalen Ebene bewegen konnte, nicht aber horizontal. Ein mit dem Arm verbundener Motor hob diesen bis an die Spitze des Hubs. Variable Schneidegeschwindigkeiten zwischen 1 bis 20 mm pro Sekunde ließen sich einstellen.
Ein am Messerhalter angebrachter Elektromagnet zog das Messer bei der Rückführung des Präparates zurück. Sobald diese erfolgt war, schaltete sich der Elektromagnet automatisch ab und Messerhalter mit Messer kehrten in ihre Ausgangsstellung zurück. Nach jedem Schneidevorgang dehnte sich der Präparatträger, bedingt durch präzise Kontrolle der Heizwicklung, zwischen 5 und 100 nm aus.
Zwei voneinander unabhängige mechanische Kontrollen bewirkten die Grob- und Feinbewegung des Messers. Für das Messer waren zahlreiche Einstellmöglichkeiten für Drehung, Kippung, Schiebung vorgesehen. Auch das Präparat war vielseitig justierbar. Das Präparat konnte automatisch bewegt werden, in Einzelhüben oder durch mechanische Fernsteuerung.
Eine Binokularlupe war schwenkbar um den Schneidepunkt angeordnet.

Dia 14: Reichert-Ultramikrotom Om U1, 1954 (nach H. Sitte, 1953)
Dieses Mikrotom arbeitete nach wesentlich anderen Prinzipien. Teure und empfindliche Präzisionsteile wurden bewusst durch einfachere Elemente ersetzt.
Auf einem Stativ wurde ein massiver Kupferblock vollkommen starr aufgelötet. Ebenso starr war in diesem Block waagerecht ein Messing-Rundstab eingelötet, der das Präparat an seinem vorderen Ende trug. Innerhalb der Belastungsgrenzen ließ sich das freie Stabende senkrecht zur Längsachse des Stabes kurzfristig in beliebige Richtungen elastisch ausbiegen. Um Vibrationen zu vermeiden, wurde der Stab durch einen Motor bewegt, der sich entfernt vom Gerät befand. Porters Präzisionskardangelenk wurde durch ein einfaches flexibles Element ersetzt. Zwischen Präparat und Stativ bestand nun eine durchgehende mechanische Verbindung.
Den thermischen Vorschub bewirkte eine 25 W Lampe, die einen kleinen Metallblock erwärmte, der das Präparat in regelmäßigen Beträgen von 0 bis 1000 nm bei jedem Hub ausdehnte, infolge der hohen Wärmekapazität blieb der erzielbare Vorschub innerhalb weiter Bereiche linear und weitgehend unabhängig von Temperaturschwankungen.
Der Messerhalter wies ähnliche Einstellmöglichkeiten wie andere Ultramikrotome auf und konnte genau wie der Präparathalter in verschiedenen Richtungen bewegt werden.

Dia 15: Philips-Ultramikrotom
Kommerzielle Produktion 1956-1960
Das Gerät unterschied sich von den klassischen Ultramikrotomen durch die Art der Präparatbewegung. Ein Nickelkern trug das Präparat. Durch Magnetostriktion des Nickelkernes wurde auf einfache Weise erreicht, dass dieses bei der Rückbewegung zurückgezogen und somit nicht beschädigt wurde. Haanstra hat als Erster dieses Prinzip beschrieben.
Der periodisch eingeschaltete Magnetisierstrom produzierte zur gleichen Zeit die zur thermischen Expansion erforderliche Wärme. Wurde der Strom abgeschaltet, fiel der zuvor nach oben geführte Präparathalter nach unten, und der Schnitt entstand.
Die Auf- und Abbewegung wird bewirkt durch Montieren des Präparatarmes an eine Feder, die mit dem Nickelarm verbunden war.
Das Ultramikrotom hatte keine Lagerung oder gefetteten Flächen.

Dia 16: Ultramikrotom nach B. von Borries (Entwicklungsstand Frühjahr 1954)
Das Ultramikrotom bestand aus einem massiven U- förmigen Gusskörper, an dessen Vorderfront die Führung für einen stabilen Messersupport angegossen war. Das Objekt war an einem Ende eines starren, thermisch expandierbaren Stabes angebracht, welcher am anderen Ende mit einem Federgelenk am Gehäuse befestigt war.
Die Objektträgerstange durchstieß eine exzentrische Bohrung in einem Lagerzapfen. In der Mitte der Lagerfläche griff eine Schnurrolle an.
Als Messer wurden polierte Rasierklingen und Glasschneiden verwendet, die in vier Freiheitsgraden justiert werden konnten.
Beim mechanischen Betrieb hatte der Benutzer die Möglichkeit, die Geschwindigkeit zwischen Messer und Objekt frei zu wählen.

Dia 17: Sartorius-Ultramikrotom nach B. von Borries, 1956
Im Zuge der Weiterentwicklung wurde das hintere Federgelenk der Objektträgerstange gegen ein kraftschlüssiges Kugelgelenk ausgewechselt. Der Leitbolzen wurde durchbohrt und ein Gleitlineal angeschraubt. Mit Hilfe eines Grobtriebs konnte das Objekt schnell an die Messerschneide herangeführt werden.
Der Objekthalterstab wurde von einem gabelartigen Hebelarm bewegt, der über zwei Seilzüge mit dem Trägerstab verbunden war (Motormikrotom). Die Bewegung des Objekts erfolgte über eine Kurvenscheibe, die so konstruiert war, dass das Objekt bei der Bewegung vor der Messerschneide zum Stillstand kam und beim Schneiden selbst nur eine Geschwindigkeit von 1 mm/sec. hatte. Diese Geschwindigkeit bewährte sich in der Praxis.

Dia 18: Trüb-Täuber-Ultramikrotom nach D. Danon und E. Kellenberger, 1954
Der Vorschub war wie beim Porter-Ultramikrotom mechanisch, jedoch erfolgte die rotierende Bewegung des Blocks in einer zum Messer senkrechten Ebene. Von dieser Ebene aus wurde die Hebeluntersetzung betätigt.
Der Vorschub bewirkte die Bewegung einer Mikrometerschraube, die eine geneigte Ebene vorschob, wobei die Neigung der Ebene regulierbar war. Der Vorschubhebel wurde in eine rotierende Bewegung um eine Achse versetzt, die auf dem Vorschubhebel gelagert war.
Dadurch wurde dieser Achse der eingestellte Vorschub mitgeteilt. Der Vorschub konnte in gleichbleibenden Stufen von 6-50 nm eingestellt werden und ließ sich während des Betriebs leicht auf ein Mehrfaches dieser Stufen verändern. Die Bewegung des Hebels wurde von dem gemeinsamen Handrad erzeugt, mit dem auch der Vorschub betätigt wurde.
Der Messerhalter war auf einem verstellbaren Schlitten befestigt.
Das Ultramikrotom war gegen mechanische und thermische Einflüsse unempfindlich.

Dia 19: Leitz-Ultramikrotom nach Fernández-Morán, 1953
Ein massiver Stahlrotor in einem U-Lager führte das Objekt spielfrei und unempfindlich gegen Vibrationen. Die hohe Stabilität erlaubte es, den Rotor mit Motorkraft anzutreiben. Der kurze, stabile Stahlstab für den Vorschub gestattete wärmeisoliertes Einspannen des Objektes. Die Schneide¬geschwindigkeit ließ sich kontinuierlich regeln.
Der Heizstab für die thermische Ausdehnung war diametral in den Stahlrotor eingesetzt. Das Objekt beschrieb durch Drehung des Rotors eine Kreisbahn. An diese Kreisbahn wurde das Messer mit Hilfe des Supports herangeführt. Während jeder Umdrehung wurde das Objekt durch den thermischen Vorschub um einen geringen Betrag über die Ausgangskreisbahn gehoben und somit ein Schnitt abgetrennt.
Neben den gebräuchlichen Glasmessern wurden Diamantmesser höchster Qualität benutzt. Fernández-Morán führte 1953 Diamantmesser als Schneiden für die Ultramikrotomie ein.

Dia 20: Ultramikrotom Mark 2, seit 1970 (KENT CAMBRIDGE MEDICAS - LKB)
Dieses Gerät ist der Nachfolger des von Huxley 1957 gebauten Mark 1.
Betrieb und Vorschub des Mark 1 waren rein mechanisch. Der Präparatarm war durch eine justierbare Drehaufhängung mit dem Antriebshebel verbunden und drehbar zum Mechanismus der Vorwärtsbewegung angeordnet.
Eine Mikrometerschraube bewegte automatisch das Präparat zwischen jedem Hub in Stufen von 0-150 nm. Durch Heben des Bedienungshebels wurde der Arm an den Scheitel des Hubs angehoben und fiel dann infolge der Schwerkraft herunter. Hinter der Messerschneide kontrollierte ein ölgefüllter Behälter, der den Schlag auffing, den Betrag des Falls. Der Trägerarm wurde während der Rückbewegung seitwärts verlagert.
Das Mark 2 arbeitete nach dem gleichen Prinzip, doch wurde ein Motor eingebaut. Dieser hob das Präparat nur an, wurde dann aber zur Vermeidung von Erschütterungen während des Rücklaufs abgeschaltet.
Es bestand auch die Möglichkeit, den ultrafeinen Vorschub auszukuppeln und durch Handbetrieb Schnitte zwischen 0,5 und 2 µm anzufertigen.
Verschiebe- und Bewegungsmechanismus waren während des Schneidens völlig vom Arbeitsarm entkoppelt, um Vibrationen zu vermeiden.