Các loại máy cắt tiêu bản

Các loại máy cắt tiêu bản

Máy cắt tiêu bản (microtome) là thiết bị cơ học được sử dụng để cắt mẫu sinh học thành các phần rất mỏng cho vi xét nghiệm. Các mẫu sinh học có thể được xử lý theo nhiều cách khác nhau trước khi cắt. Nhưng thông thường, những mẫu này được nhúng vào trong khối sáp ong paraffin và sau đó được cắt thành các lát mỏng bằng máy microtome. Dạng cổ nhất của máy cắt tiêu bản cho phép cắt thủ công mẫu tươi hoặc mẫu đã được cố định sử dụng một dao cạo sắc bén. Các máy microtome hiện đại là thiết bị chính xác được thiết kế để cắt lát cho các xét nghiệm hiển vi chi tiết.

Cummings (1770) là một công ty sản xuất thiết bị. Khi đó họ đã thiết kế một thiết bị cắt thủ công tạo từ gỗ, nó được sử dụng chuyên trong lĩnh vực thực vật học để cắt mẫu cây. Chevalier (1839) lần đầu tiên giới thiệu thuật ngữ “Microtome” trong lĩnh vực khoa học. Rudolf thoma, một nhà nghiên cứu bệnh học ở Heidelberg cùng với Rudolf Jung, một kỹ sư cơ khí chính xác, thiết kế máy cắt tiêu bản “microtome” đầu tiên trong chuỗi sản phẩm được gọi là “thoma microtome” tạo sự khởi đầu cho một lĩnh vực mới trong mô học.

Các máy cắt tiêu bản hiện đại là các thiết bị chính xác được thiết kế để cắt các lát mỏng đồng đều với nhiều loại mẫu khác nhau cho xét nghiệm hiển vi chi tiết. Trong thực hành, các lát cắt thường khá mỏng và trong suốt có thể được tạo ra. Đối với kính hiển vi quang học, mà độ phóng đại có thể đạt tới 1800 lần, độ dày của một lát cắt nên nằm trong khoảng từ 1 và 10 µm. Đối với kính hiển vì điện từ, mà độ phóng đại khoảng 10,000,000 lần thì độ dày của một lát cắt nên luôn trong khoảng 10 nm (siêu mỏng).

Các bộ phận của máy cắt tiêu bản

Máy cắt tiêu bản bao gồm ba phần chính:

• Đế (thân máy cắt tiêu bản)
• Gá gắn dao và dao
• Giá giữ vật liệu hoặc mô

Với hầu hết máy cắt mẫu tiêu bản một lát cắt được tạo ra khi làm cho giá giữ mẫu tiến nhanh tới dao trong khi dao được giữ nguyên tại chỗ. Mặt phẳng cắt có thể theo phương nằm ngang hoặc theo phương thẳng đứng và kết hợp với cơ chế tiến lên, bởi vậy giá giữ vật liệu được di chuyển sau mỗi lần cắt. Khoảng cách di chuyển tiến lên của giá giữ mẫu được lựa chọn trước khi sử dụng. Khoảng di chuyển này có thể nằm giữa 0.5 µm và 50 µm với máy cắt tiêu bản lát mỏng và từ 60 nm tới 500 nm với máy cắt lát siêu mỏng.

Sự phân loại máy cắt tiêu bản

Có một số kiểu máy cắt khác nhau có sẵn trên thị trường, phụ thuộc và các đặc tính kỹ thuật của nhà sản xuất và dựa trên ứng dụng được yêu cầu đối với việc cắt mẫu. Nhưng trong tài liệu trước đây không trích dẫn bất cứ sự phân loại máy cắt tiêu bản nào, bởi vậy khiến khó để chọn một máy cắt mẫu tiêu bản thích hợp. Do đó trong bài này chúng tôi đề xuất một cách phân loại các máy cắt tiêu bản để giúp các bạn dễ dàng phân biệt và lựa chọn thiết bị tốt hơn.

Máy cắt tiêu bản có thể được phân loại như sau:

• Máy cắt tiêu bản thủ công
• Máy cắt tiêu bản bán tự động
• Máy cắt tiêu bản tự động

Máy cắt tiêu bản thủ công:

• Máy cắt tiêu bản đung đưa (Rocking microtome)
• Máy cắt tiêu bản quay (Rotary microtome)
• Máy cắt tiêu bản trượt (Sledge microtome)
• Máy cắt tiêu bản lạnh (freezing microtome)
• Máy cắt tiêu bản rung (vibrating microtome)
• Máy cắt tiêu bản siêu mỏng (Ultra microtome)
• Máy cắt tiêu bản siêu lạnh (Cryostat)
• Máy cắt tiêu bản lướt (Sliding microtome)
• Máy cắt tiêu bản lưỡi cưa (Saw microtome)
• Máy cắt tiêu bản tay (Hand microtome)

Máy cắt tiêu bản tự động:

• Máy cắt laser (laser microtome)
• Máy cắt tiêu bản điều khiển bằng máy tính (computer microtome)
• Máy cắt tiêu bản siêu mỏng điều khiển bằng máy tính

Máy cắt tiêu bản đung đưa (Rocking microtome)

Thiết bị này là một trong những thiết kế cũ nhất, tương đối rẻ, và được thiết kế chuyên cho cắt khối paraffin. Tên của máy cắt tiêu bản đung đưa xuất phát từ hoạt động lắc của đòn ngang và đơn giản để sử dụng. Máy cắt tiêu bản này bao gồm ba phần vận động, hoạt động của máy rất tin cậy và yêu cầu bảo trì tối thiểu. Mô di chuyển thông qua một vòng cung khi nó tiến tới con dao đang được giữ chặt nên tạo ra các lát được cắt ở mặt cong.

Tuy nhiên, nhược điểm nó có xu hướng dịch chuyển trong quá trình cắt bởi vì trọng lượng khung nhẹ và thật khó để thu các lát rất mỏng. Máy cắt đung đưa đã được thay thế hầu hết bởi máy cắt tiêu bản quay (rotary microtome) mặc dù nó xuất hiện lại trong máy cắt lạnh cầm tay (portable cryostat).

Máy cắt tiêu bản quay ( rotary microtome)

Máy cắt tiêu bản này có tên xuất phát từ hoạt động quay của bánh quay tay mà tạo ra chuyển động cắt. Máy loại này giúp tạo ra các lát mỏng và hơi dầy cho kính hiển vi quang học. Thiết bị này vận hành dựa trên hoạt động quay của một bánh quay tay, tạo sự di chuyển tiến lên của khối mẫu hướng về con dao được dữ nguyên tại chỗ. Khối mẫu di chuyển lên và xuống theo mặt phẳng thẳng đứng so với dao và bởi vậy cắt các lát cắt dẹt. Nó có ưu điểm là nặng hơn và bởi vậy ổn định hơn kiểu đung đưa, và lý tưởng cho cắt hàng loạt lát cắt liên tục. Các khối mẫu mô lớn hơn có thể được cắt trên mẫu này, và góc cắt của dao (nghiêng dao) có thể điều chỉnh. Do máy này nặng hơn nên khi thực hiện cắt mẫu ít bị dung, do đó kết quả ổn định hơn.

Có thể cài đặt độ dày của lát mẫu từ khoảng 0.5 µm tới 60 µm trên hầu hết các máy loại này. Các khối mô được nhúng trong sáp ong paraffin thường được cắt với độ dày trong khoảng 3-5 µm, trong khi các lát cắt nhựa có thể đạt được độ dày nằm giữa 0.5 – 1 µm.

Máy cắt tiêu bản trượt (Sledge microtome)

Máy cắt tiêu bản này đầu tiên được thiết kế cho tạo các lát cắt của khối mô rất lớn (ví dụ toàn bộ não). Máy cắt tiêu bản trượt đã trở thành một thiết bị được sử dụng thường quy phổ biến từ chiến tranh thế giới thứ 2. Giá giữ khối mẫu được gắn trên một xe trượt có thể trượt tới trượt lui ngược lại với con dao nằm ngang được cố định. Máy cắt tiêu bản trượt nặng và do đó rất ổn định, không bị rung. Dao cắt tiêu bản được sử dụng trong kiểu thiết bị này có hình nêm, dài (24 cm), do đó giảm độ rung và cũng ít cần mài hơn. Kẹp giữ dao có thể điều chỉnh và cho phép nghiêng và góc của dao với khối được điều chỉnh dễ dàng. Nhược điểm chính của loại máy này là chậm hơn so với máy cắt tiêu bản đung đưa và quay.

Máy cắt tiêu bản lướt (Sliding microtome)

Trong một máy cắt tiêu bản lướt, dao được di chuyển theo phương nằm ngang ngược lại với một khối mẫu được cố định. Hơn nữa khối mẫu sẽ tiến lên theo một mặt phẳng nghiêng. Máy cắt tiêu bản lướt cũng có thể được sử dụng cho các mảnh mẫu được nhúng trong sáp ong paraffin mặc dù nó được thiết kế cho cắt các mẫu nhúng trong celloidin.

Máy cắt mẫu tiêu bản đông (freezing microtome)

Mặc dù các máy cắt tiêu bản khác có thể được cải tiến cho cắt mẫu đông, kiểu máy cắt tiêu bản này đã chứng minh được hiệu quả, tạo kết quả tốt nhất và được sử dụng gần như phổ biến. Thiết bị này được kẹp với cạnh của một băng và được kết nối với một bình CO2 bằng phương pháp ống kim loại mềm dẻo chắc đặc biệt. Hoạt động cắt của máy cắt lạnh khác với những thứ được mô tả trước đây vì trong trường hợp này dao được di chuyển trong khi khối mô vẫn tĩnh. Khối mẫu chuyển động bởi ở cuối mỗi lần cắt theo mức độ đã được đặt từ trước (µm). Tuy nhiên, rất khó để thu được các lát cắt mỏng, chất lượng cao, ổn định với máy này.

Thiết bị này giúp mô được đông mà không cần CO2 rắn hoặc N2 lỏng. Phương pháp này đã có được sự phổ biến trước khi máy cắt tiêu bản lạnh Cryostat trở nên được sử dụng rộng rãi cho cắt mẫu lạnh. Trong thiết bị này, hai miếng kim loại không giống nhau được đặt dán vào nhau và khi một dòng điện trực tiếp qua chúng, nhiệt độ được tạo ra trên bề mặt một cái và mất đi ở cái khác. Hiện tượng này được gọi là Peltier effect”.

Máy cắt mẫu tiêu bản rung (vibrating microtome)

Ban đầu được thiết kế để thay thế máy tiêu bản tay (hand microtome), máy cắt tiêu bản rung được thai nghén như một máy cắt mà tạo ra các lát cắt chất lượng cao với mẫu tươi, không cố định từ nguồn động vật hoặc thực vật. Thiết bị này đã được thiết kế để cắt mô mà không cố định, không được xử lý hay đông lạnh, và có ứng dụng lớn nhất trong hóa mô enzyme và hóa mô siêu cấu trúc.

Tên của thiết bị có nguồn gốc do hoạt động rung tốc độ cao được tạo bởi một lưỡi dao cắt an toàn. Biên độ rung được điều chỉnh bởi thay đổi điện áp được sử dụng với dao. Để ngăn chặn rách, các vật liệu mềm được cắt khi đã được nhúng trong dung dịch, việc này cũng giúp tiêu tan nhiệt được tạo bởi sự rung của lưỡi dao trong quá trình cắt.

Máy cắt tiêu bản siêu mỏng (Ultra microtome)

Máy cắt mẫu tiêu bản siêu mỏng được sử dụng để chuẩn bị các lát siêu mỏng cho kính hiển vi quang học và điện tử. Các mẫu mô rất nhỏ hoặc các sản phẩm công nghiệp luôn được nhúng trong nhựa cứng trước khi cắt. Người ta báo cáo rằng các lát cắt có thể mỏng tới 10 nanometer. Hai dạng cơ chế tiến đã được phát triển trong kiểu máy cắt tiêu bản này.

Cơ chế nhiệt dựa vào nhiệt kích ứng sự mở rộng trong một mảnh kim loại chẽ đôi. Trong khi đó dạng cơ học từ một máy vi xử lý kết hợp với một kiểm soát chính xác vận hành cơ chế tiến. Lần cắt là chuyển động được điều hướng để cung cấp chuyển động trơn tru, theo quy luật cho các lát cắt với độ dày ổn định. Dao thường được tạo từ thủy tinh, kim cương, sapphire. Khối được đưa tới lưỡi dao việc này được kiểm soát dưới kính hiển vi và mỗi lát được cắt nổi trên bể nước sát ngay lưỡi dao.

Máy cắt tiêu bản lưỡi cưa (Saw microtome)

Máy cắt mẫu tiêu bản lưỡi cưa cắt các mẫu từ vật liệu rất cứng như xương không khử can xi, thủy tinh hoặc gốm. Mẫu, thường được đúc trong nhựa, được di chuyển thật chậm ngược lại với một lưỡi cưa phủ kim cương quay khoảng 600 vòng/phút. Có thể tạo ra các lát cắt 20 microns hoặc lớn hơn, tạo bởi lưỡi cưa trong một điều kiện hoàn hảo. Máy cắt tiêu bản lưỡi cưa không thể tạo các lát cắt siêu mỏng.

Máy cắt mẫu tiêu bản tay (hand microtome)

Máy cắt mẫu tiêu bản tay bị hạn chế với cắt mẫu thực vật có bản chất cứng và nó gặp khó khăn trong tạo các lát cắt từ mẫu mô động vật.

Máy cắt mẫu tiêu bản lạnh Cryostat

Việc sử dụng của các kỹ thuật nhuộm kháng thể huỳnh quang bởi Coons, Creech và Jones vào năm 1941 dẫn đến nhu cầu đối với các lát cắt mỏng (3-5 µm) với mẫu mô tươi đông lạnh mà không có ảnh hưởng bởi tinh thể đá. Để thỏa mãn tiêu chuẩn này mô phải được đông nhanh ở nhiệt độ cực thấp.

Linderstrom-Lang và Mogensen đã thiết kế máy Cryostat đầu tiên vào năm 1938. Coons và cộng sự đã thiết kế lại vào năm 1951.

Cryostat bao gồm một máy cắt tiêu bản của bất cứ kiểu nào nhưng ưu tiên chống gỉ, nhưng được gắn và vận hành trong một khoang đông sâu. Khoang này được làm vừa với hai cửa sổ thủy tinh, và một cửa thông qua đó vật liệu có thể đi ra và vào. Khoang này được trang bị với ánh sáng huỳnh quang và một quạt để đảm bảo sự lưu hành của không khí lạnh. Nhiệt độ có thể được kiểm soát từ -40^oC tới -10^oC. Bất cứ máy Cryostat nào cũng có thể được sử dụng như là sự thay thế máy cắt tiêu bản lạnh để cắt nhanh. Một số máy cắt tiêu bản đã được thiết kế cho mục đích này bởi sự kết hợp với bệ đông nhanh Freon bên trong. Bệ này giữ bốn giá mà sau khi mẫu mô được đông trên chúng sẽ được chuyển sang máy cắt. Bởi vì các lát cắt gắn chắc vào lam ấm, nhuộm và gắn có thể được thực hiện nhanh hơn. Máy cắt tiêu bản có thể được điều chỉnh để cắt từ 2-16 µm.

Máy cắt mẫu tiêu bản laser (laser microtome)

Máy cắt mẫu tiêu bản laser được sử dụng cho cắt không tiếp xúc chính xác và được thiết kế để cắt mẫu với độ chính xác cao. Nó được trang bị bới công nghệ laser 1 phần ngàn tỷ giây. Nó có thể cắt không tiếp xúc bên trong mẫu mô sinh học và nhiều vật liệu mà không gây hư hại. Phụ thuộc vào vật liệu được xử lý, độ dày miếng được cắt từ 5-100 µm là có thể.

Quy trình không tiếp xúc, độ chính xác dưới micrometer, cắt mẫu mô trong trạng thái tự nhiên, không gây hại do nhiệt độ, ít vật liệu và tốn ít thời gian trong chuẩn bị mô là các ưu điểm bổ sung của máy laser.

Máy cắt mẫu tiêu bản điều khiển bằng máy tính (computerized microtome)

Nó được trang bị với công tắc nhiệt nhanh, đông bán dẫn, đĩa đông. Máy cắt được điều khiển bằng máy tinh có thể thực hiện cắt lạnh nhanh hoặc cắt paraffin thường quy. Máy cắt này đạt được đến độ dày trong khoảng 1-25 micron với ít nhất lát điều chỉnh đều của 1 micron và tối đa là 32*32 mm. Nhiệt độ đông lạnh và đĩa đông nằm trong khoảng 0 -18^oC và -10^oC tới -40^oC.

Trên đây là bài viết tổng quan về các loại máy cắt mẫu tiêu bản hiển vi. Bài này chúng tôi tham khảo và lược dịch của tác giả F. Mohammed và cộng sự năm 2012. Rất hy vọng bài viết sẽ hữu ích cho quý độc giả. Ngoài ra chúng tôi cung cấp nhiều thiết bị phòng thí nghiệm khác nhau như: tủ ấm, tủ sấy, môi trường lọc tinh trùng, catheter IUI, tủ cấy timelapse… Chúng tôi rất mong nhận được sự ủng hộ của quí khách.