玻璃制刀机介绍——用于电子显微镜和光学显微镜

Pandithage, Ruwin

September 13, 2013

玻璃制刀机介绍——用于电子显微镜和光学显微镜

理想切片离不开优质玻璃刀

超薄切片机需要使用玻璃刀，为电镜和光镜提供超薄样本切片。
对于树脂切片和冷冻切片（Tokuyasu样本）的玻璃刀，其刀锋必须非常锋利、坚固、稳定。采用断裂法制备优质玻璃刀时，玻璃条的质量非常重要。玻璃条由精选玻璃生产而成，厚度和质量均经过精确把控。只有采用高质量标准来严格把控公差，才能从一块玻璃中制出两把优质玻璃刀。

平衡断裂概念

在科学级质量的玻璃条中制造受控的笔直断裂，要求制刀机在划痕的两侧施加相同的重量和压力。此外，从底部接触玻璃的支撑元件必须尽可能减小表面接触，以免在断裂之前对玻璃施加非受控的压力。
采用平衡断裂法（图2）制刀时，一根玻璃条会从中间划痕处断裂成相等的两半。划痕两侧的玻璃重量相等，断裂是平衡的，新产生的断裂面是平整的。不断将新产生的玻璃条断成相等的两半，可以得到一定数量的方形玻璃板。
所有方形玻璃板都拥有平直的侧边以及精准的直角，而连续断裂法得到的方形玻璃板的表面常常会弯曲变形。

划痕和断裂原理

制作高质量玻璃刀通常需要制作出一批相等的方形玻璃板，在玻璃上精确地划出划痕，精确地施加压力，使其断裂。
通常情况下，当断裂发生在靠近拐角的地方（长划痕）时，刀锋更加平直，对面刀肩更窄。过去建议使用短划痕制作冷冻超薄切片，因为这样一来自由断裂的时间较长，可以制得最锋利、最长的可用刀锋[1, 2]。
每个划痕已经预设好，划痕距离方块两个角的距离相等。断裂发生时，玻璃下方垫着两枚不锈钢半球，上方则由两枚断裂销固定。这种断裂可以让划痕向其两侧尽可能地延伸，直至自由断裂发生。自由断裂的方向由断裂两侧玻璃的重量以及两侧施加的力决定。
自由断裂向方形玻璃板的边缘弯曲，最终制得一把刀，且刀锋对面出现平边（刀肩）（图3a）。若划痕沿着方块的中心延伸，则产生的刀肩会非常窄，此时刀的角度更加接近45°（图3b）。
这是冷冻超薄切片的优选设置。进行树脂切片时，则可以将刀肩设置得稍微大一些（~0.5 mm），产生更大的刀角度，这样能更加稳定。

玻璃刀真实刀角度

在方形玻璃板上划出划痕时，所有划痕距离方形玻璃板直角还有一定距离。对划痕两侧施加压力，断裂开始，首先可以看到划痕开始变深。断裂沿着划痕向方形玻璃板两角延伸。划痕到达两个角后，自由断裂开始。断裂沿着划痕延伸，到达两角时向方形玻璃板的一边偏离弯曲。因此，玻璃刀的真实刀角会略大于划痕角度。
玻璃刀的真实角度会随着划痕偏离对角线角度的增大而增大。这种情况下，刀肩就会变宽。
例如，用方形玻璃板制作玻璃刀时，若刀肩较小（<0.5 mm），则真实刀角度会接近45°。刀肩增大（>0.5 mm）后，会进一步放大真实刀角度，甚至可能使其大于55°（图4）。

可用刀锋长度

在暗场照明下用体式镜来检查玻璃刀刀锋（或用超薄切片机并使用背光灯照明），可以看出刀锋的中间部分最适合用来做超薄切片。刀锋右侧有可见的毛刺（锯齿状），会使刀的质量下降。受应力线影响，刀锋左侧也不适合做切片（图5）。
从应力线离开刀锋到刀锋出现毛刺（锯齿状），这一段刀锋可用做超薄切片。

注意

使用8 mm玻璃条比使用6.4 mm玻璃条多30%可用刀锋长度！
方形玻璃板断裂成玻璃刀时，施加的力越小，应力线就会越快离开刀锋，锯齿状毛刺也更少。这样一来，可用刀锋长度就会更长

检查刀锋

制得一对玻璃刀后，可以在超薄切片机上检查刀锋质量。
使用背光灯照明，将间隙角设置为最大值，可以看见一道非常细的白线（图6）。这条线可用于判断刀锋的质量，白线必须平直、无尘、无油渍、无指纹、无玻璃毛刺。
另外，也可以使用顶灯照明观察玻璃刀的刀锋质量（图7）。
图8所示玻璃刀质量不合格，不能使用。抓取玻璃刀时，指纹留在了刀锋上。
图9（顶部）展示了一对玻璃刀，它们在断裂后并排放置。图中（图9底部）还展示了两把玻璃刀的刀肩细节。在断裂过程中，右侧刀锋与左侧刀肩对应，左侧刀锋与右侧刀肩对应。