Elektronenmikroskope - Prinzip und Geschichte

Gliederung

• Inhaltsverzeichnis
• Das Prinzip
• Die Geschichte
• Die Grundtypen
• Die Weiterentwicklungen
• Der Strahlengang
• Die Präparate
• Die Leistungen
• Literaturhinweise
• Exkurs

Das Prinzip und der Aufbau von Elektronenmikroskopen
Das Funktionsprinzip von Elektronenmikroskopen besteht in erster Linie darin, dass Elektronen eine wesentlich kleinere Wellenlänge haben als das Licht. Das Licht hat eine Wellenlänge von 380 Nanometer ( nm ) im geringsten Fall ( 1000 nm = 1 µm [mikro] und 1000 µm = 1mm) und im Gegensatz dazu haben die beim Elektronenmikroskopen verwendeten Elektronen meistens eine Wellenlänge von ca. 5 nm. (siehe auch Exkurs 01 in der Anlage) Als nächstes nutzt man die Gegebenheit, dass Elektronen Bestandteile jedes Atoms sind. Sobald man z.B. einen Draht bis zur Rotglut erhitzt, bilden sich rund herum Elektronenwolken, welche sich aber nicht sehr weit bewegen, da sie andauernd mit Luftmolekülen zusammenstoßen und dadurch abgelenkt werden. Da sich die Elektronen in einem Vakuum sehr weit und auch sehr schnell bewegen und man durch Anlegen einer elektrischen Hochspannung einen richtigen Elektronenstrahl bekommt, verwendet man bei Elektronenmikroskopen eine luftleer gepumpte Säule. Nur das Objekt kommt durch eine Luftschleuse in das Innere des Mikroskops. Da sich Elektronen nicht wie Lichtstrahlen durch Glaslinsen streuen oder bündeln lassen, verwendet man bei Elektronenmikroskopen magnetische Linsen. Durch die leichte Veränderung der Feldstärke von magnetischen Linsen ist es bei Elektronenmikroskopen also möglich die Vergrößerung bequem zu regulieren: ein Durchstrahlungselektronenmikroskop hat zum Teil eine Vergrößerung bis zu dem Einmillionfachen. Ein Rasterelektronenmikroskop hat dagegen eine Vergrößerung vom 100000fachen und auch darüber hinaus. Weil man Elektronen allerdings nicht sehen kann, braucht man noch eine Art Mattscheibe (wie beim TV) bzw. einen Bildschirm, auf dem der Elektronenstrahl das Abbild ‚schreiben‘ kann. Dieses Bild kann man danach auch mit einer Spezialkamera fotografieren.

Die Geschichte des Elektronenmikroskop

Vom Lichtmikroskop zum Tunnelrasterelektronenmikroskop

• 1632 – 1723 Antoine van Leeuwenhoek
  Entdeckte mit Hilfe selbst konstruierter, einfacher Mikroskope Bakterien, rote Blutkörperchen u. a. , ohne deren Bedeutung zu erkennen. 
• 1635 – 1703 Robert Hooke
  Konstruierte erste Mikroskope, erreichte bis zu 100fache Vergrößerungen, entdeckte die kleinen luftgefüllten Kammern in Kork und nannte sie „Zellen“
• 1816 – 1888 Carl Zeiß
• 1840 – 1905 Ernst Abbe
• 1851 – 1935 Otto Schott
  Ernst Abbe war Physikprofessor, Otto Schott Chemiker, die drei Männer gründeten zusammen Zeiss- Werke Jena, wo optische Gläser und Geräte hergestellt wurden. Erst als feinmechanische Werkstatt, dann trug Abbe mit seinen Konstruktionsdaten für Mikroskopoptik und Schott mit Spezialgläsern zur Produktion bei.
• 1843 – 1910 Robert Koch
  Koch ist der Begründer der modernen Bakteriologie, entwickelte dafür wichtige Untersuchungsmethoden, entdeckte u.a. Milzbrandbazillus, Tuberkulosebazillus und den Erreger der Cholera, entwickelte Impfstoffe
• 1897 – 1969 Max Knoll
• 1906 – 1988 Ernst Ruska
• 1907 Manfred von Ardenne
  Knoll und Ruska bauten zusammen das erste Elektronenmikroskop (mit magnetischen Linsen). Während Ruska bei der Elektronenmikroskopie blieb und dafür 1986 den Nobelpreis erhielt, baute Knoll das Rasterelektronenmikroskop, das Ardenne perfektionierte.
• 1933 Heinrich Rohrer
• 1947 Gerd Binnig
  Binnig und Rohrer entwickelten zusammen das Tunnelrasterelektronenmikroskop, bei der nur die Oberfläche eines Objektes dreidimensional vergrößert werden kann. Sie erhielten 1986 zusammen mit Ruska für ihre Forschung einen Nobelpreis in Physik.

Die Grundtypen
Bei Elektronenmikroskopen unterscheidet man im Wesentlichen zwei Grundtypen:

1. das Durchstrahlungs- oder Transmissionselektronsmikroskop (TEM) und
2. das Rasterelektronenmikroskop (REM).

Dazu kommen noch einige Weiterentwicklungen, die z.B. beide Typen vereinen. Diese beiden Typen unterscheiden sich selbst in ihrem Nutzen und ihrer Vorgehensweise:
So wird im Gegensatz zur ständigen Durchleuchtung beim TEM das Objekt beim REM immer wieder zeilenweise an der Oberfläche ‚abgesucht‘ um so deren Vergrößerung zu erhalten. Man benötigt für die verschiedenen Elektronenmikroskope ebenfalls verschieden präparierte Proben:
So braucht man für das TEM eine Probe von nur wenigen Mikrometern Dicke damit sie durchleuchtet werden kann. Im Gegensatz dazu benötigt man beim REM keine sehr dünne und aufwendig präparierte Probe, sondern man benötigt eine Probe, deren Oberfläche elektrisch leitend ist oder mit einer feinen Goldschicht gemacht wurde. Die Elektronen, die dann von der Schicht reflektiert werden, werden von einem Detektor gezählt und als Pixel auf einem Bildschirm dargestellt. Hierbei gilt dann je mehr der Detektor zählt, desto heller wird der Pixel. Also kann man Rasterelektronenmikroskope gut zur detaillierten, dreidimensionalen und realistischen Abbildung gebrauchen. Im Allgemeinen sind Elektronenmikroskope heute nicht mehr viel größer als ein Schreibtisch.

Die Weiterentwicklungen
Es gibt im Moment noch zwei Weiterentwicklungen der Grundtypen auf dem Markt, mit denen man nicht nur Gegenstände sondern jetzt auch einzelne Atome und Moleküle sichtbar machen kann:

1. Die erste ist der Elektronenstrahl- Mikroanalysator, der in Verbindung mit einem Röntgenspektralanalysegerät Atome anhand ihrer spezifischen Röntgenstrahlen sogar in ihrer chemischen Zusammensetzung erkennen kann.
2. Die zweite ist das Raster- Transmissions- Elektronenmikroskop, dass die Probe auch zeilenweise untersucht, sie aber auch mit einer Nadel nach Elektronenwolken abtastet.

Diese Weiterentwicklungen finden sehr häufig bei Untersuchungen im atomaren Bereich Verwendung.

Die Präparation
Es gibt bei Proben für Elektronenmikroskopen bestimmte Verfahrensweisen, die man beim Präparieren einhalten muß:
Lebende Proben müssen zuerst so sorgfältig fixiert werden, dass sie ihre Zellstrukturen noch vollständig erhalten. Danach gibt man z.B. Kaliumpermanganat ( zur Fixierung von Zellmembranen) oder Glutaraldehyd dazu. Als nächstes muß man Proben für die Untersuchung mit einem Elektronenmikroskop total mit z.B. wasserfreiem Aceton entwässern, da schon kleinste Wassermengen im Vakuum verdampfen und dadurch den Elektronenstrahl ablenken. Danach gibt man eine Art von Kunstharz dazu (z.B. Methacryl) um das Präparat so zu konservieren. Nun muß man aus dem gesamten Präparat noch hauchdünne Schnitte herstellen, damit z.B. beim REM die Durchleuchtung funktionieren kann. Als nächstes muß man die Präparate noch kontrastieren, damit man die entscheidenden Dinge bei den Präparaten von der restlichen elektronendurchlässigen Umgebung unterscheiden kann. Hierbei gibt es 2 verschiedene Möglichkeiten die Oberfläche elektrisch leitend zu machen:
Die erste Möglichkeit ist die, die Präparate durch eine Schwermetallsalzlösung (z.B. Phosphorwolframsäure) vom elektronenundurchlässigen Hintergrund abzuheben (Negativkontrastierung)
Die zweite Möglichkeit besteht darin das Präparat mit einer feinen Metallschicht schräg von der Seite zu bedampfen um so Metallablagerungen zu erhalten, deren Schatten elektronendurchlässig sind und somit auf einem elektronenmikroskopischen Bild hell erscheinen. Als letztes braucht man nur noch die fertigen Schnitte auf ein Kupferdrahtnetz aufbringen und schon ist das Präparat fertig. Dies ist das gängige Präparationsverfahren für Proben, die elektronenmikroskopisch untersucht werden sollen.

Die Leistungen von Elektronenmikroskopen
Ein Elektronenmikroskop hat im Gegensatz zum „herkömmlichen“ Lichtmikroskop eine wesentlich höhere Auflösung, da durch die kleinere Wellenlänge des Elektrons eine höhere Vergrößerung erzielt werden kann. Diese höhere Auflösung macht es den Biologen, Medizinern und vor allem auch den Virologen möglich bestimmte Krankheitserreger zu identifizieren. Dies betrifft vor allem die Viren, da Viren ca. 1000mal kleiner sind als Bakterien, die unter dem Lichtmikroskop gut zu erkennen sind. Durch die Elektronenmikroskope ist es erst möglich geworden die Auslöser für Masern, Mumps, Windpocken und vor allem aber für das gefährliche Immunschwäche AIDS oder die Cholera zu finden. Durch die Identifizierung der Erreger wird erst die Möglichkeit eröffnet, die verschiedenen Erreger zu bekämpfen und so ein Gegenmittel zu finden, denn es gilt eigentlich immer noch, dass man das, was man nicht sieht, auch nicht bekämpfen kann. Das Elektronenmikroskop half allerdings auch beachtlich herauszufinden, wie die kleinsten Bausteine des Lebens, die Zellen, funktionieren und somit tragen Elektronenmikroskope zum Verständnis des Lebens bei.

Literaturhinweise

1. Microsoft Encarta Enzyklopädie 2000
2. www.young.de (Geschichte)
3. Was ist Was : Mikroskope
4. Materialien für den Sekundarbereich II, Biologie „Cytologie“
   Verlag Schroedel

Exkurs 01
Elektronen und alles was dazu gehört

Ein Elektron ist eines der drei Bestandteile von Atomen: Sie bilden die negative Ladung, welche die positive Ladung des Kerns ausgleichen. Der Atomkern ist positiv, da er nur aus Protonen (positiv) und Neutronen (neutral) zusammengesetzt ist. Die Elektronen haben dabei im Atom keine feste Position, sondern rasen auf bestimmten Schalen um den Kern herum. Da die Wege, die von den Elektronen zurückgelegt werden, durch z.B. einzelne Fotografien festgehalten werden, zusammen wie eine Art Wolke aussehen würden, nennt man dieses Gebilde Elektronenwolken.

Elektronen haben auch eine viel kleinere Wellenlänge als das Licht, was bedeutet das sie auch eine viel kleinere Frequenz haben. Dies ergibt sich daraus, da sich die Frequenz proportional zur der Wellenlänge verhält:
300 000
Wellenlänge in m = Frequenz

Die einzigen Vorteile, die die größeren Wellenlängen des Lichtes mit sich bringen, sind die, dass sie nicht so leicht von Wasser oder sogar von der Luft abgelenkt werden. Sie erzielen ebenso eine bessere Dämpfung, die bei Elektronenmikroskopen allerdings nicht interessant sind. Dies bringt aber alles auch Nachteile mit sich: Dadurch, dass Elektronen so sehr leicht von der Luft abgelenkt werden, erfordert die Untersuchung mit Elektronen ein Vakuum, dass bei Elektronenmikroskopen im Aufbau gegeben ist. Die leichte Ablenkbarkeit von Elektronen durch Metalle macht sich die Elektronenmikroskopie allerdings auch zu Nutze, da die abgelenkten Elektronen bei REMs die Helligkeit der auf dem Bildschirm ausgegebenen Pixel bestimmt.

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