Lexikon: Elektronenmikroskop

 

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Image:Elektronenmikroskop.jpg|thumb|Transmissionselektronenmikroskop (TEM) Ein Elektronenmikroskop ist ein , das das Innere oder die Oberfläche einer Probe mit abbilden kann.

Da schnelle Elektronen eine sehr viel kleinere Wellenlänge als sichtbares Licht haben (→Welle-Teilchen-Dualismus) und die Auflösung eines Mikroskops durch die Wellenlänge begrenzt ist, kann mit einem Elektronenmikroskop eine deutlich höhere Auflösung (derzeit etwa 0,1 Nanometer|nm) erreicht werden als mit einem Lichtmikroskop (etwa 200 nm).

Technik

Die Hauptbestandteile eines Elektronenmikroskops sind:

  • Die Elektronenkanone, die die freien Elektronen in einer (als Elektronenquelle dient ein Wolframdraht) erzeugt und in Richtung einer ringförmig um die Strahlachse liegenden beschleunigt. Zwischen Anode und Kathode liegt eine Hochspannung, die je nach Mikroskop von wenigen kV bis zu 3 MV variiert.
  • Elektronenlinsen, die die Flugbahnen der Elektronen ablenken können. Meistens werden magnetische Linsen verwendet, in der Elektronenkanone zum Teil auch elektrostatische. Elektronenlinsen haben die gleiche Funktion wie Glaslinsen im Lichtmikroskop. Während die Brennweite der Glaslinsen fest liegt, ist sie bei Elekronenlinsen regelbar. Deshalb enthält ein Elektronenmikroskop im Gegensatz zu einem Lichtmikroskop keine austauschbaren oder verschiebbaren Linsen(systeme) wie etwa das Objektiv (Optik)|Objektiv beziehungsweise das Okular eines Lichtmikroskops.
  • Das system, das dafür sorgt, dass die Elektronenquelle arbeiten kann und die Elektronen auf ihrem Weg nicht durch Kollision mit Luftmolekülen behindert werden.
  • Die Probenhalterung, die eine stabile Lage der Probe garantieren muss. Daneben sind oft Manipulationsmöglichkeiten erwünscht, von denen je nach Art des Probenhalters unterschiedliche Kombinationen realisiert werden: Verschiebung, Drehung, Verkippung, Heizung, Kühlung, Dehnung etc.
  • Detektoren, die die Elektronen selbst oder sekundäre Signale registrieren.

Betriebsarten

TEM-Strahlengang2.png|thumb|260px|[[Strahlengang im TEM mit kristalliner Probe, vereinfacht dargestellt]]

Die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM, steht auch für Transmissionselektronenmikroskop) ist eine Betriebsart, die eine direkte Abbildung der Probe ermöglicht. Die Elektronen durchstrahlen das Probenmaterial, das zu diesem Zweck entsprechend dünn sein muss. Je nach Ordnungszahl der Atome, aus denen die Probe besteht, der Höhe der Beschleunigungsspannung und der gewünschten Auflösung kann die sinnvolle Probendicke von wenigen Nanometern bis zu einigen Mikrometern reichen. Je höher die und je niedriger die Beschleunigungsspannung sind, desto dünner muss die Probe sein.

Durch eine Änderung des Projektiv-Linsensystems kann anstatt des Zwischenbildes auch die Fokusebene der Objektiv-Linse vergrößert abgebildet werden. Man erhält so ein Elektronen-Beugungsmuster|Elektronenbeugungsbild mit dessen Hilfe sich die der Probe bestimmen läßt.

Bei der Energy_Filtered_Transmission_Electron_Microscopy|Energie gefilterten Transmissionselektronenmikroskopie (EFTEM) wird die durch den Probendurchgang geänderte Bewegungsenergie der Elektronen ausgenützt, um chemische Aussagen über die Probe, etwa die Verteilung der Chemisches_Element|Elemente, treffen zu können.

Bei der Rasterelektronenmikroskopie (REM, steht auch für Rasterelektronenmikroskop, oder engl. SEM, w:Scanning electron microscope|Scanning electron microscopy/microscope) wird der Elektronenstrahl vom Kondensor-System auf die Probe zu einem möglichst kleinen Fleck fokussiert und zeilenweise über den zu untersuchenden Probenbereich geführt.

Werden nun die durchgelassenen Elektronen detektiert und anhand des Detektionszeitpunktes einem Punkt auf der Probenoberfläche zugeordnet und wird so ein gerastertes Bild des Objekts erzeugt, so bezeichnet man dieses Verfahren als Raster-Transmissionselektronenmikroskop|Raster-Transmissionselektronenmikroskopie (STEM, von Scanning Transmission Electron Microscopy).

Wtc01-20.sem.im2.b.png|thumb|260px|REM-Aufnahme einer Probe des WTC-Staubes mit Gips/Anhydrit-Kristallen

Bei der Sekundärelektronenmikroskop|Sekundärelektronenmikroskopie (SEM) wird wie bei der STEM der Elektronenstrahl vom Kondensor-System auf die Probe zu einem möglichst kleinen Fleck fokussiert und zeilenweise über den zu untersuchenden Probenbereich geführt. Nun werden aber nicht die primären Elektronen, mit denen das Objekt bestrahlt wird, sondern die durch die Bestrahlung in der Probe erzeugten Sekundärelektronen, die die Probe auf der selben Seite verlassen, von der der primäre Elektronenstrahl eingetreten ist, detektiert. Ebenfalls wie bei der STEM wird anhand des Detektionszeitpunktes das Signal einem Punkt auf der Probenoberfläche zugeordnet und somit ein gerastertes Bild der Probe erzeugt. Da bei der Sekundärelektronenmikroskopie im Gegensatz zur Transmissionselektronenmikroskopie das Probenmaterial nicht durchstrahlt wird, kann bei dieser Methode mit wesentlich kleineren Beschleunigungsspannungen gearbeitet werden.

Die Doppelbedeutung der Abkürzungen REM und SEM ist unglücklich. Sie bezeichnen einerseits die "Rasterelektronenmikroskopie" beziehungsweise englisch "Scanning Electron Microscopy", unabhängig davon, ob die zur Bestrahlung verwendeten Primärelektronen (bei der STEM) oder die in der Probe erzeugten Sekundärelektronen zur Bilderzeugung verwendet werden. Andererseits werden sie aber auch zur Bezeichnung der Sekundärelektronenmikroskopie (bei der immer gerastert wird) verwendet. Auch die Bezeichnungen "Rasterelektronenmikroskopie" und "Scanning Electron Microscopy" sind Homonyme und bezeichnen sowohl die STEM wie auch die Sekundärelektronenmikroskopie.

Probenaufbereitung

Biologische Proben, die im TEM betrachtet werden sollen, müssen eine Reihe von Vorbereitungen durchlaufen. Dabei hängt es von der wissenschaftlichen Fragestellung ab, welche Methode verwendet wird.

  • Fixierung - um die Probe realistischer darstellen zu können. Verwendet werden Glutaraldehyde zur Härtung und Osmiumsäure, um e schwarz zu färben.
  • Cryo-Fixierung - die Probe wird in flüssigem Ethan schockgefroren. Dabei kristallisiert das Wasser nicht, sondern bildet vitrifiziertes (glasartiges) Eis. Bei dieser Methode wird die biologische Probe mit der geringsten Artefaktbildung fixiert. Allerdings ist der Kontrast sehr gering.
  • Dehydrierung - Wasser wird entfernt und durch oder Aceton ersetzt.
  • Einbettung - um Gewebe sektionieren zu können.
  • Sektionierung - Aufteilen der Probe in dünne Scheiben. Diese können auf einem Ultra-Mikrotom mit einer Diamantklinge geschnitten werden.
  • Färbung (Negative Stain) - Schwere Atome wie - oder -Atome streuen Elektronen stärker als leichte Atome und erhöhen so den Kontrast.

Plasmid_em.jpg|thumb|350px|DNA-Plasmide in verschieden Konformationen im TEM Bild nach BAC-Spreitung (Uran-Färbung) 60.000x/80kV

Zur Untersuchung von Metallen im TEM werden aus dem Probenmaterial zunächst Scheibchen geschnitten und auf etwa 0,1 mm Dicke geschliffen. In den meisten Fällen kann das Metall dann durch elektrolytisches Polieren so weit gedünnt werden, dass sich ein kleines Loch in der Mitte des Scheibchens bildet. Am Rand dieses Loches ist das Metall sehr dünn und mit Elektronen durchstrahlbar.

Metalle, bei denen elektrolytisches Polieren keine zufriedenstellenden Resultate liefert, sowie nicht- oder schlecht leitende Materialien wie Silizium oder Mineralien können durch Ionendünnung (auch Ionenstrahlätzen, engl. ion milling) transparent für Elektronen gemacht werden. Da die Abtragsrate dieses Verfahrens im Bereich von einigen μm/h liegt, werden die Proben zunächst mechanisch abgedünnt. Gebräuchlich sind hier sogenannte Dimpler, mit denen in die Mitte des Probenscheibchens eine Mulde geschliffen wird, sowie die sogenannte "Dreibeinmethode" (engl. Tripod Method), bei der das Probenmaterial manuell zu einem Keil geschliffen wird.

Nichtleitende Proben müssen besonders im Rasterelektronenmikroskop (REM) zur Verhinderung einer elektrostatischen Aufladung mit einer elektrisch leitenden Schicht überzogen werden.

Nachteile

Da die Proben im Vakuum betrachtet werden müssen, kann kein lebendes Material untersucht werden. Die aufwändige Vorbereitung der Proben kann zu Artefakten führen - Strukturen, die nur durch die Vorbereitung entstanden sind, und nichts mit dem eigentlichen Objekt zu tun haben, was die Auswertung der Bilder erschwert. Darüber hinaus können im TEM die Materialeigenschaften durch die Nähe der Oberflächen von denen kompakter Proben abweichen. Ein weiteres Problem ist die Schädigung der Proben durch den Elektronenstrahl, beispielsweise durch Erwärmung oder Wegstoßen ganzer Atome nach Kollision mit den schnellen Elektronen. Inzwischen ist die Technik soweit gereift, dass es möglich ist, auch feuchte Proben bzw. unbesputtertes Material im REM zu betrachten (sogenannte Environmental Scanning Electron Microscopes, ESEM). Bei genauer Kenntnis des Bedienung der technischen Parameter im REM läßt es sich auch weitgehend zerstörungsfrei arbeiten. Elektronenmikroskope, insbesondere TEMs, sind außerdem sehr teuer in Anschaffung und Unterhalt .

Geschichte

Die erste auf magnetischen Kräften beruhende Linse wurde 1926 von Hans Bush entwickelt. Als erstes Elektronenmikroskop wurde 1931 ein TEM von Ernst Ruska und Max Knoll gebaut, wenngleich zunächst keine elektronentransparenten Proben, sondern testweise kleine Metallgitter abgebildet wurden. Für diese Arbeit erhielt Ruska 1986 den Physik-. Er entwickelte auch bei Siemens 1938 das erste kommerzielle Elektronenmikroskop.

Die Kontrastierung biologischer Proben mit Osmiumsäure schlug Ladislaus Marton 1934 vor. Das erste STEM wurde 1937 von Manfred von Ardenne gebaut.

Während in den frühen Jahren die Aufklärung der im Lichtmikroskop unsichtbaren Krankheitserreger (Virus|Viren) eine bedeutende Triebfeder für die Entwicklung des Elektronenmikroskops war, erweiterte sich das Interesse später besonders auf die Materialwissenschaft, nachdem Robert D. Heidenreich 1949 die Präparation dünner durchstrahlbarer Metallfolien gelang.

In den 1960er Jahren entwickelte man TEMs mit immer höherer Beschleunigungsspannung (bis zu 3 MV, um 1965 in Toulouse, 1970 in Ōsaka), vor allem um dickere Proben durchstrahlen zu können. In diesem Jahrzehnt wurde auch erstmals atomare Auflösung erreicht.

Seit Ende der 1980er Jahre wurden REMs entwickelt, die mit relativ hohen Gas-Drücken (einige Dutzend mbar) in Probennähe arbeiten können. Dadurch ist es möglich, auch feuchte biologische Proben zu untersuchen. Erwähnenswert ist weiterhin der zunehmende Einsatz von Computern seit den 1990er Jahren. So lassen sich beispielsweise komplizierte Linsensysteme automatisch durch Analyse der Aufnahmen einer CCD-Kamera justieren, was den Bediener des Mikroskops deutlich entlastet.

Kategorie:Elektronik Kategorie:Optik

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