Automation of section acquisition for Array Tomography

Array Tomography hat großes Potential, um die dreidimensionale Struktur von Proben bis zu Nanometer Größenordnungen aufzulösen. Dabei wird eine Probe mechanisch geschnitten um so innen liegende Strukturen freizulegen. Die Schnitte schwimmen zunächst auf einer Wasseroberfläche und werden dann auf starren Substraten zur Bildaufnahme abgelegt. Die Flexibilität und Vielseitigkeit der zur Verfügung stehenden bildgebenden Verfahren ist einzigartig für Array Tomography. Zur Zeit wird eine intensive Nutzung jedoch durch den hohen Arbeitsaufwand und Anspruch an die Bedienung eingeschränkt. ... mehrExistierende maschinelle Systeme zur Schnittaufnahme schränken entweder die zur Verfügung stehenden Bildgebungsverfahren oder das Probenvolumen ein.

In dieser Dissertation wird ein maschinelles Verfahren zur Schnittaufnahme vorgestellt, welches die gleiche Flexibilität und Vielfältigkeit ermöglicht wie die konventionelle manuelle Schnittaufnahme. Fluidkanäle bilden ein mikrofluidisches System mit geringer Reynolds Nummer, in dem sich Schnitte und Substrat gemeinsam bewegen. Die Fluidkanäle formen sich auf der Substratoberfläche durch eine lokale Modifikation der Benetzbarkeit. Die Oberflächenfunktionalisierung wird durch Abscheiden einer hydrophoben Beschichtung und anschließender Plasmastrukturierung erreicht. Das neu entwickelte System umfasst eine maschinelle Probenausrichtung, Schnittaufnahme und Schnittüberwachung. Die Schnitte können auf den für Array Tomography üblichen Substraten abgelegt und somit mit einer Vielzahl von mikroskopischen Verfahren untersucht werden. Durch die maschinelle Schnittaufnahme können große Volumen effizient geschnitten werden, wodurch die Anwedung der Array Tomography in neuen Forschungsgebieten möglich wird. Die maschinelle Schnittaufnahme ist an zwei repräsentativen Proben mit jeweils 1000 Schnitten validiert.

Array Tomography has a great potential to enable the three dimensional structural reconstruction of samples across many length scales down to nanometer resolution. In Array Tomography a sample is mechanically sliced in ultra-thin sections to expose the inner structures. In the conventional process the sections are freely floating on a water surface and collected on solid substrates for imaging. The flexibility and versatility of imaging modalities in Array Tomography provide a key advantage in scientific research.

Currently the amount of work and skill level to acquire large numbers of sections from extensive volumes limit the application of conventional manual Array Tomography to further research fields. ... mehrMachine-based section acquisition systems are available or have been proposed but each system either restricts the possible imaging modalities or the sectionable volume.

This dissertation demonstrates a machine-based section acquisition system that offers the same versatility as the conventional Array Tomography workflow. Fluid channels are employed, that form in combination with the floating sections a microfluidic system with a low Reynolds number in which substrate and sections move in unison. The fluid channels are formed on the substrate surface by a site-selective modification of wettability. The surface functionalization is performed by chemical vapour deposition of a hydrophobic coating and plasma induced structuring.

The newly developed system includes a machine-based sample alignment, section collection and section monitoring. The system collects sections on common substrates that offer the same versatile imaging modalities as conventional Array Tomography. Sections of large sample volumes are acquired efficiently which opens new fields of research where Array Tomography can be applied. The machine-based acquisition is validated on two representative samples from which each more than 1000~sections were obtained.