Elektronenmikroskop

Mit einem Elektronenmikroskop können gar Viren erblickt werden pixabay/skeeze

Elektronenmikroskope sind spezielle Mikroskope mit denen eine größere Auflösung erreicht werden kann. Die eingesetzten Wellenlängen beim Elektronenmikroskop sind wesentlich kürzer, als bei normalem Licht.

Damit können auch kleine Strukturen in der Medizin sichtbar gemacht werden, wie Bakterien, Proteinstrukturen oder Viren. Mit dem Elektronenmikroskop können Aufnahmen vom Objektinneren oder von der Objektoberfläche gemacht werden.

Doch wofür werden diese Mikroskope eigentlich eingesetzt? Wann wurden sie entwickelt und wie ist der heutige Stand der Dinge? Welche Modelle, Typen und Arten gibt es? Was ist der Unterschied zum Lichtmikroskop? Nachfolgend erfahren Sie alle interessanten Fakten zu diesem Mikroskop.

Was ist ein Elektronenmikroskop?

Früher wurde das Elektronenmikroskop auch als Übermikroskop bezeichnet. Es kommen elektronische Strahlen zum Einsatz, mit deren Hilfe die Oberfläche oder das Innere eines Objekts abgebildet werden kann. Da die elektronischen Strahlen eine sehr viel kürzere Wellenlänge besitzen, als gewöhnliches Licht, besitzen Elektronenmikroskope auch eine größere Auflösung, als herkömmliche Mikroskope.

Ein Lichtmikroskop besitzt eine maximale Auflösung von 200nm. Bei einem Elektronenmikroskop sind Auflösungen bis zu 0,1nm möglich. So können auch sehr kleine Strukturen im menschlichen Körper abgebildet werden, die für das menschliche Auge nicht sichtbar sind.

Insgesamt gibt es nicht nur ein Elektronenmikroskop, sondern verschiedene Varianten, die auf unterschiedliche Weise ihr Bild erzeugen. So eignen sich manche Elektronenmikroskope besser für die Wissenschaft, während andere Elektronenmikroskope perfekt für biologische Untersuchungen im Labor geeignet sind.

Da die Auflösung der Elektronenmikroskope so hoch ist, kann es auch leicht zu Artefakten auf den Messbildern kommen. Deshalb ist eine aufwändige Probenpräparation wichtig. Der benötigte Elektronenstrahl für die Untersuchung führt bei den meisten Elektronenmikroskopen zur Zerstörung der Probe. Eine Ausnahme bildet hierbei das Environmental Scanning Electron Microscope (ESEM). Oft tritt eine Erwärmung der Probe bei der Messung auf. Elektronenmikroskope kommen nur in großen Laboren zum Einsatz, da Elektronenmikroskope teuer sind und die laufenden Unterhaltskosten ebenfalls hoch sind.

Entwicklung dieses Mikroskops

Das Elektronenmikroskop wurde erst im 20. Jahrhundert entwickelt. 1931 wurde das erste funktionsfähige Elektronenmikroskop von Max Knoll und Ernst Ruska fertig gestellt. Dafür gab es sogar später noch für Ruska den Nobelpreis.

1938 wurde bei Siemens das erste Elektronenmikroskop entwickelt, welches auch kommerziell genutzt wurde. Zu Beginn der Entwicklung des Elektronenmikroskops stand die Sichtbarmachung von Viren oder anderen Krankheitserregern im Mittelpunkt. Damit Elektronenmikroskopen Materialeigenschaften ebenfalls untersucht werden können, wurde dieser Bereich für die Forschung ebenfalls immer interessanter.

Über die Jahre hinweg waren viele weitere Personen an der Entwicklung von Elektronenmikroskopen beteiligt, wie Reinhold Rüdenberg, Wiktor Werzner und Albert Crewe. Deutlich einfacher machten Computer die Bedienung von Elektronenmikroskopen. Zusätzlich konnte mit Computern ab den 90er Jahren bewusst Aberrationen vermieden werden, die an der Linse auftreten können. So konnte die Bildqualität noch einmal entscheidend verbessert werden.

Formen, Arten & Typen

Es gibt verschiedene Arten von Elektronenmikroskopen. Sie können nach unterschiedlichen Gesichtspunkten unterteilt werden. Die einzelnen Modelle können nach der Bilderzeugungsart oder der geometrischen Anordnung im Elektronenmikroskop unterschieden werden.

Bilderzeugungsarten

Je nach Einsatzbereich kommen andere Modelle in Frage
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Es gibt zwei verschiedene Bilderzeugungsarten:

• Ruhebildmikroskope
• Rasterelektronenmikroskop

Bei den Ruhebildmikroskopen kommt ein breiter Elektronenstrahl zum Einsatz, welcher feststehend ist. Durch einen Teil der Elektronen wird dann ein Bild erzeugt. Treffen die Elektronen auf das Objekt, erfolgt eine unelastische Streuung. Dadurch nimmt ihre Energie ab. Bei Lichtstrahlen hingegen erfolgt eine elastische Streuung. Durch die abgeschwächten Elektronen kann es zu Aberrationen kommen.

Es können also unerwünschte Bildfragmente auftreten. Um ein hinreichend gutes Bild zu erhalten, muss daher die Energieverteilung der Elektronen möglichst klein sein. Dafür werden nur sehr dünne Objekte zur Untersuchung verwendet und zusätzliche Elektronenenergiefilter verbessern das Ergebnis noch.

Als zweite Art der Elektronenmikroskope gibt es das Rasterelektronenmikroskop. Das Rasterelektronenmikroskop wird auch mit REM abgekürzt. Der Elektronenstrahl entsteht durch das Zusammenspiel von verschiedenen Linsenpaare. Es werden dafür elektrostatische und elektromagnetische Linsen verwendet. Um ein Bild aufzunehmen, wird der Elektronenstrahl langsam über das zu untersuchende Objekt geführt. Dieser Vorgang wird auch als „Rastern“ bezeichnet.

Geometrische Anordnung

Anhand der vorhandenen geometrischen Anordnung im Elektronenmikroskop können die einzelnen Modelle ebenfalls voneinander unterschieden werden:

• Transmission zur Bilderzeugung
• andere Signale zur Bilderzeugung

Generell wird zwischen einer Bilderzeugung durch Transmission und durch andere Signale unterschieden. Das Grundprinzip bei der Transmission ist, dass die Strahlelektronen erst untersucht werden, wenn sie das zu untersuchende Objekt durchquert haben. Vor der Untersuchung tritt also eine Transmission der schnellen Strahlelektronen auf. Bei den Transmissionselektronenmikroskopen kommt die Ruhebildmethode zum Einsatz. Wird die Rastermethode eingesetzt, spricht man von einem Raster-Transmissionselektronenmikroskop.

Damit diese Art von Messung möglich ist, ist es wichtig, dass das zu untersuchende Objekt nur sehr dünn ist. Es muss eine „Elektronentransparenz vorliegen“. Davon spricht man, wenn das Objekt einen Durchmesser zwischen 10 und 100 Nanometer besitzt.

Dabei gilt, je kleiner der Durchmesser, desto exakter und schärfer die Aufnahmen. Generell gilt, dass bei dieser Art von Messung nur Elektronen erfasst werden können, die einen kleinen Streuwinkel besitzen. Je größer der Durchmesser, desto größer kann der Streuwinkel werden. Deshalb wird die Bildqualität auch zunehmend schlechter und bei Objekten mit einem Durchmesser von größer als 100 Nanometern ist diese Art der Bilderzeugung nicht mehr anwendbar.

Alle anderen Arten Varianten“ werden unter „andere Signale zur Bilderzeugung“ zusammengefasst. Ein Beispiel dafür ist die Signalerzeugung durch Rückstreuung. Sind kompakte Festkörperoberflächen vorhanden, an denen eine elastische Reflektion der Elektronen möglich ist, kommt diese Art der Bilderzeugung zum Einsatz.

Bei Festkörperoberflächen wird dafür ein Ruhebildelektronenmikroskop verwendet. Für alle anderen kompakten Objektive, an denen keine elastische Reflektion entsteht, erzeugen Sekundärelektronen die wichtigen Signale zur Bilderzeugung. Damit kommen Rasterelektronenmikroskope zum Einsatz.

Insgesamt werden am häufigsten Rasterelektronenmikroskope mit Rückstreuung und Transmissionselektronenmikroskope mit einer Transmissionsmessung verwendet.

Aufbau, Funktion & Wirkung

Der Aufbau eines Elektronenmikroskops unterscheidet sich sehr stark vom Aufbau eines gewöhnlichen Mikroskops. Wichtige Elemente eines Elektronenmikroskops sind:

• Objekthalterung
• Vakuumsystem
• Elektronenkanone
• Mikroskophalterung
• Elektronenlinsen
• Detektor

Die Elektronenkanone fungiert als Elektronenquelle. In ihr werden die benötigen Elektronen für das Messbild erzeugt. In der Elektronenkanone befindet sich ein elektrischer Leiter, welcher die Aufgabe einer Kathode hat. Um die Austrittsarbeit zu verringern, ist die Kathode erwärmt. Dadurch können die Elektronen aus der Kathode heraus emittieren und landen im Vakuum.

An der gegenüberliegenden Anode ist eine positive Spannung angelegt. Dadurch werden die Elektronen im Vakuum in die Richtung der Anode beschleunigt. Durch ein vorhandenes Loch können die Elektronen als Elektronenstrahl die Elektronenkanone verlassen.

Vergleicht man die Potentiale der Kathode und der Anode, so stellt man fest, dass die Kathode eine negative Ladung von bis zu drei Megavolt besitzt und die Anode in etwa das Erdpotential besitzt. Je größer die Spannungsdifferenz zwischen der Kathode und der Anode, desto schneller werden die Elektronen beschleunigt und desto höher ist dadurch ihre Energie.

Es ist wichtig, dass der Elektronenstrahl durch ein Vakuumsystem geleitet wird. Dadurch wird verhindert, dass Kollisionen zwischen Gasmolekülen und Elektronen stattfinden. Das Vakuumsystem garantiert also, dass die Elektronenkanone optimal Elektronen erzeugt.

Elektrostatische Linsen

Die Linse entscheidet über die Richtung der Elektronenstrahlen

Die Elektronenlinsen können bestimmen, in welche Richtung der Elektronenstrahl gelenkt wird. Außerhalb der Elektronenkanone kommen meist magnetische Linsen zum Einsatz, während in der Elektronenkanone elektrostatische Linsen verwendet werden.

Die elektrostatischen Linsen in der Elektronenkanone sind dafür verantwortlich, den Elektronenstrahl zu bündeln und zu fokussieren. Die magnetischen Linsen bestimmen die Richtung des Elektronenstrahls und können diesen auch ablenken. Deshalb ist das Elektronenmikroskop nicht auf wechselbare Glaslinsen angewiesen, wie das beim Lichtmikroskop der Fall ist. Wie beim Lichtmikroskop auch, verfügt das Elektronenmikroskop ebenfalls über zusätzliche Blenden.

Objekthalterung

Damit die Probe optimal mit dem Elektronenmikroskop untersucht werden kann, ist eine Objekthalterung sehr wichtig. Sie fixiert die zu untersuchende Probe und verhindert ein Verrutschen der Probe während der Messung. In manchen Fällen muss die Probe in einem bestimmten Winkel gehalten werden, um sinnvolle Messungen durchführen zu können.

Deshalb lässt sich die Objekthalterung meist individuell einstellen und dadurch auch die Probe kippen, nach links oder rechts drehen oder komplett verschieben. Manchmal kann es sogar von Vorteil sein, wenn sich die Probe auf der Objekthalterung dehnen, erwärmen oder kühlen lässt.

Detektor & Säule

Nachdem der Elektronenstrahl auf die Probe trifft, wird ein Detektor benötigt, um die Messergebnisse auswerten zu können. Erst im Detektor wird das Bild der Messung erzeugt. Je nach Einstellung am Gerät selbst wird das Bild hoch oder niedrig aufgelöst. Denn die vorhandenen Elektromagnete lenken den Elektronenstrahl ab und bestimmen so die Größe des zu untersuchenden Gebiets. Je kleiner das Gebiet ist, desto hochaufgelöster wird das erzeugte Bild im Detektor.

Schließlich gehört zum Aufbau eines Elektronenmikroskops noch die Mikroskopsäule. Diese ist praktisch der äußere Rahmen des Elektronenmikroskops und sorgt dafür, dass äußere Magnetfelder die Messungen nicht stören oder verfälschen. Gleichzeitig kann nur durch eine intakte Mirkoskopsäule ein vollständiges Vakuum im Inneren des Elektronenmikroskops erzeugt werden.

Medizinischer Nutzen

Medizinischer & gesundheitlicher Nutzen eines Elektronenmikroskopts

Das Einsatzgebiet des Elektronenmikroskops ist sehr vielfältig. In der Wissenschaft ist es ein wichtiges Gerät, um die Oberfläche von Materialien genauer untersuchen zu können. So bekommt man zum Beispiel Informationen über die Anordnung von Atomen und die Struktur von unterschiedlichen Schichten der Materialien.

In der Medizin ist das Elektronenmikroskop ein wichtiges Gerät, um besonders kleine Strukturen und Teile des menschlichen Körpers sowie sehr kleine Organismen untersuchen zu können.

Mit dem Mikroskop können z. B. Viren untersucht werden

Dazu gehören:

• Viren
• Zellen
• Krankheitserreger von zum Beispiel Tollwut oder aids

Diese kleinen Strukturen und Organismen lassen sich mit normalen Lichtmikroskopen nicht mehr untersuchen. Durch das Elektronenmikroskop lassen sich die genauen Zellstrukturen erkennen und untersuchen. So bekommt man wichtige Erkenntnisse über den Aufbau des menschlichen Körpers, was bei der Entwicklung von Medikamenten oder bei der Bekämpfung von Krankheiten sehr wichtig sein kann.

Viren und andere Krankheitserreger sind besonders klein. Aber um Krankheiten, wie Tollwut oder Aids bekämpfen, Impfstoffe zu entwickeln oder sogar besiegen zu können, müssen die Krankheitserreger zuerst sehr genau untersucht und ihre Eigenschaften ermittelt werden. Diese Untersuchungen sind mit dem Elektronenmikroskop sehr genau möglich.

Präparation der Probe

Die Präparation der Proben für eine Untersuchung mit einem Elektronenmikroskop ist sehr aufwändig. Beim Transmissionselektronenmikroskop können verschiedene Präparationsarten vorgenommen werden:

• Fixierung oder Cryo-Fixierung
• Dehydratisierung
• Einbettung
• Sektionierung
• Immunmarkierung oder Negativkontrastrierung
• High-Pressure Freezing (HPF)

Welche Art der Präparation gewählt wird, hängt von der Art der Probe ab. Die Fixierung kommt vor allem bei Proteinen zum Einsatz, die realistische rund kontrastreicher dargestellt werden sollen. Erreicht wird dies mit der Zugabe von Glutaraldehyd.

Bei der Cryo-Fixierung werden nur bestimmte Teile der Probe fixiert, der Kontrast ist aber geringer. Erreicht wird dies mit flüssigem Ethan bei -135 Grad Celsius.

Die Dehydratisierung wird angewendet, um überschüssiges Wasser zu entfernen. Zur Probe wir dann zum Beispiel Ethan dazugegeben. Muss Gewebe sektioniert werden, wird eine sog. Einbettung angewandt, bei der Acrylharze angewandt werden.

Bei der Sektionierung wird die Probe in sehr, sehr dünne Scheiben geteilt. Erreicht wird dies mit einer Glas- oder Diamantklinge. Diese ermöglichen sehr präzise Schnitte. Werden bestimmte Antikörper in der Probe markiert, nennt man dies Immunmarkierung. Die Immunmarkierung wird zum Beispiel mit Goldpartikeln durchgeführt. Bei der Negativkontrastrierung wird genutzt, dass bei schwereren Atomen die Elektronen stärker gestreut werden. Damit werden die aufgenommenen Bilder kontrastreicher. Beispiele für schwere Atome sind Uran- oder Blei– Atome.

Schließlich gibt es noch das High-Pressure Freezing, oder auch kurz HPF. Die Schockgefrierung erfolgt bei sehr hohem Druck. Die Oberflächenstruktur des Objekts bleibt dabei fast vollständig erhalten.

Fragen & Antworten

Untersuchung am Mensch?

Sind direkte Untersuchungen am Menschen möglich?

Damit Proben mit einem Elektronenmikroskop untersucht werden können, müssen die Proben auf eine spezielle Art und Weise präpariert werden. Gleichzeitig werden die Proben auch bei der Untersuchung oft durch den Elektronenstrahl zerstört oder geschädigt. Deshalb sind Untersuchungen mit dem Elektronenmikroskop direkt am Menschen nicht möglich.

Lichtmikroskop

Was ist der Unterschied zwischen einem Elektronenmikroskop und einem Lichtmikroskop?

Mit einem Elektronenmikroskop sind stärkere Vergrößerungen möglich. So können Lichtmikroskope lediglich Auflösungen von bis zu 200 Nanometer darstellen, während mit dem Elektronenmikroskop auch Vergrößerungen von bis zu 0,1 Nanometer abgebildet werden können.

Einsatzbereiche

Wo werden Elektronenmikroskope eingesetzt?

Elektronenmikroskope sind in ihrer Anschaffung sehr teuer. Deshalb kommen sie meist in Forschungsinstituten zum Einsatz oder bei Firmen, die sich auf diese Art der Untersuchung spezialisiert haben.

Unser Fazit

Mit dem Elektronenmikroskop lassen sich sehr kleine Strukturen und Krankheitserreger untersuchen. Damit lassen sich erstens wichtige Erkenntnisse, zum Beispiel über den Aufbau von menschlichen Zellen gewinnen. Zweitens lassen sich sehr kleine Krankheitserreger untersuchen, was mit einem normalen Lichtmikroskop nicht möglich wäre. Damit können bessere Impfstoffe und Medikamente gegen Krankheiten entwickelt werden.