Elektronenmikroskop

Im Jahr 1931 entwickelte Ernst Ruska das erste Elektronenmikroskop, wofür er im Jahr 1986 den Physik-Nobelpreis erhielt. Ein Elektronenmikroskop arbeitet mit Elektronenstrahlen statt Licht, wodurch eine deutlich größere Vergrößerung möglich ist. Dadurch können sehr detaillierte und vergrößerte Aufnahmen von Proben gemacht werden. Allerdings ist es sehr groß und schwer und damit nicht mit einem Lichtmikroskop zu vergleichen.

Elektronenmikroskop – Aufbau

Wenn du dir ein Elektronenmikroskop anschaust, bemerkst du schnell, dass es viel größer als ein Lichtmikroskop ist. Es setzt sich aus vielen verschiedenen Einzelteilen zusammen.

Abb. 1 - Aufbau eines Elektronenmikroskops

Die Elektronenkanone

Der wichtigste Bestandteil für die Elektronenmikroskopie sind die freien Elektronen. Sie befinden sich in der sogenannten Elektronenkanone, wo sie in einer Elektronenquelle (Kathode) gebildet werden. Von der Kathode aus werden die Elektronen in Richtung einer ringförmig um die Strahlenachse liegende Anode beschleunigt.

Das Linsensystem aus Elektronenlinsen

Die verschiedenen Linsen in einem Elektronenmikroskop beschreiben die Flugbahnen der Elektronen, in die sie abgelenkt werden können. Es handelt sich dabei aber nicht um die typischen Linsen aus Glas, die du vielleicht aus einer Brille kennst, sondern um Elektronenlinsen. In einem Elektronenmikroskop findest du hauptsächlich magnetische, aber auch elektrostatische Linsen in der Elektronenkanone.

Bei einem Elektronenmikroskop gibt es drei dieser Linsen, die in manchen Quellen auch als Spulen bezeichnet werden: die Kondensorlinse/Kondensorspule, die Objektlinse/Objektspule und die Projektionslinse/Projektionsspule. Außerdem verfügt das Elektronenmikroskop – wie ein Lichtmikroskop auch –über Blenden.

Das Vakuumsystem

Das Vakuum innerhalb eines Elektronenmikroskops sorgt dafür, dass sich die Elektronen unbehindert bewegen können. So wird ein Aufeinandertreffen von Elektronen und Gasmolekülen verhindert. Zudem kann die Kathode dadurch besser arbeiten.

Die Objekthalterung

Aus dem Biologieunterricht weißt du bestimmt, dass für ein Lichtmikroskop auch ein Präparat – also ein zu untersuchendes Objekt – notwendig ist. Meistens handelt es sich in der Biologie um Pflanzenzellen, Tierzellen und deren Zellorganellen oder Mikroorganismen.

Das Präparat legst du bei einem Elektronenmikroskop in die Objekthalterung zwischen die Kondensorspule und die Objektspule. Die Objekthalterung sorgt dafür, dass dein Präparat auf dem richtigen Punkt liegen bleibt. Sie bietet einen stabilen und ruhigen Untergrund, der je nach Art des Objekthalters noch verschiedene Einstellmöglichkeiten besitzt. So kannst du ihn zum Beispiel verschieben, drehen, kippen und vieles mehr.

Detektoren

Die Detektoren sorgen bei dem Elektronenmikroskop dafür, dass die Elektronen und die sekundären Signale registriert werden. Nur so ist die Zusammensetzung zu einem vollständigen Bild möglich.

Mikroskopsäule

Die Mikroskopsäule (engl. Column) bildet das Gehäuse um die elektronenoptischen Bauteile eines Elektronenmikroskops. Außerdem schützt er das im Inneren liegende Magnetfeld ab, um so die Einflüsse äußerer Magnetfelder auf die Messung zu verhindern. Zusätzlich dient es als Abdichtung für das innen liegende Vakuum.

Elektronenmikroskop – Funktionsweise

Nachdem du nun mit dem Aufbau eines Elektronenmikroskops vertraut bist, lernst du in den nachfolgenden Abschnitten seine Funktionsweise kennen.

Die Strahlungsart bei einem Elektronenmikroskop

Anders als bei einem Lichtmikroskop, erzeugt das Elektronenmikroskop die Vergrößerung eines Präparats nicht mittels Lichtstrahlen, sondern mithilfe von Elektronenstrahlen.

Mit einem Lichtmikroskop, wie du es kennst, kann man die Probe minimal auf 200 Nanometer (also ein Millionstel Millimeter) erkennbar machen. Das liegt an der Wellenlänge der Strahlen.

Die durch die Elektronenquelle geschleuderten Elektronen besitzen eine kürzere Wellenlänge als das Licht aus dem Lichtmikroskop. Dadurch ist eine viel größere Auflösung möglich. In Zahlen heißt das, dass du bei der Elektronenmikroskopie eine Probe bis zu 1.000.000-fach vergrößern kannst. Mit einem Lichtmikroskop hingegen kannst du nur ca. auf das 1.500 bis 2.000-fache vergrößern.

Von den Elektronen zum Bild

Wie bereits oben erwähnt, werden für ein Elektronenmikroskop zunächst Elektronen gebraucht. Sie werden durch die Kathode, also die Elektronenquelle, gebildet. Mithilfe der Kondensorspule werden die Elektronen dann in einem Strahl gebündelt, geordnet und weitergeleitet. Der entstandene Elektronenstrahl wird dann, aufgrund der Ladung, von der Anode angezogen und zu ihr gesendet.

Im nächsten Schritt trifft der Elektronenstrahl bereits auf die Probe. Das muss möglichst dünn geschnitten sein, sodass die Elektronen durch die Probe durchdringen können. So werden sie abgeleitet oder aus der Probe herausgeschlagen.

Direkt hinter dem Objektträger befindet sich die Objektspule. Sie hilft den Strahl zu vergrößern und lässt das erste vergrößerte Zwischenbild entstehen. Aufgrund der Projektionsspule im nächsten Schritt wird das Zwischenbild erneut vergrößert. Am Ende wird es auf dem Schirm am Ende des Elektronenmikroskops abgebildet.

Die Bildentstehung bei einem Elektronenmikroskop

Ähnlich wie bei einem Laptop oder einem Fernseher wird das Bild am Ende eines Elektronenmikroskops auf einem Schirm abgebildet. Dieses Bild entsteht aus der unterschiedlichen Häufung von Elektronen, was du auch als Elektronendichte bezeichnen kannst.

Bei einem Elektronenmikroskop, genauer gesagt der Erstellung von den Bildern spielen die vorhandenen Kontraste die größte Rolle, weshalb die Bilder nur schwarzweiß sind. Die Farbe oder auch das Einfärben hätten keine Relevanz für die Bildentstehung.

Die entstanden Bilder sind sehr detailliert und scharf. Wenn du dir etwa eine Probe einer Pflanze näher ansehen möchtest, könntest du sogar die kleinsten Bestandteile wie den Zellkern oder die Chloroplasten sehen. In der verfügbaren Vergrößerung liegt auch der größte Unterschied zu den Lichtmikroskopen, die du vielleicht kennst.

Elektronenmikroskop – Arten

Es gibt verschiedene Arten der Elektronenmikroskopie, je nachdem wie die einzelnen Bilder entstehen. Die wichtigsten sind das Rasterelektronenmikroskop (kurz: REM), das Transmissionsmikroskop (kurz: TEM) und das Kryoelektronenmikroskop.

Das Rasterelektronenmikroskop (REM)

Bei der Rasterelektronenmikroskopie entsteht das Bild nicht durch die Linse als Ganzes, sondern wird Stück für Stück zusammengesetzt. Damit kannst du sehr genaue und realistische Bilder der Oberflächenstrukturen eines Objekts untersuchen.

Um diese Bilder zu erhalten, muss die Oberfläche der Präparate behandelt werden. Denn um mit einem REM ein Bild zu erzeugen, muss die Oberfläche eine elektrische Leitfähigkeit besitzen.

Der Elektronenstrahl wird durch die elektromagnetische Linse verkleinert und als winziger Punkt auf die Probenoberfläche fokussiert. Der Elektronenstrahl ist also extrem fein und erfasst nicht das ganze Präparat auf einem Mal. Also wird die Probe in Raster eingeteilt, die nacheinander bestrahlt werden.

Wenn die Elektronen auf die präparierte Probe treffen, kommt es dort zu einer Wechselwirkung. Bei der Reaktion werden manche der Elektronen aus der Probe herausgeschlagen und so von den Detektoren erfasst und dargestellt.

Parallel wird ein Elektronenstrahl in der Bildröhre der Auswertungseinheit des REM bewegt. Jedes kleine sichtbare Bild, das auf der Bildröhre sichtbar ist, entspricht einem exakt definierten Punkt auf der Probenoberfläche und wird dann von einem Computer zusammengesetzt. Du kannst es dir wie bei einem Puzzle vorstellen – am Ende siehst du die komplette Probe als ein Bild.

Je mehr Elektronen auf der Probe freigesetzt werden, umso heller ist der Punkt auf der Bildröhre.

Transmissionselektronenmikroskop (kurz: TEM)

Das Transmissionselektronenmikroskop kann auch als Durchstrahlungselektronenmikroskop bezeichnet werden. Das Wort Transmission kommt von dem lateinischen Begriff "transmittere" und heißt übersetzt so viel wie "durchschicken".

Mit dem TEM kannst du zwar keine räumlichen Strukturen der Probe betrachten, dafür aber den Schnitt durch das Präparat. Es ähnelt dem Lichtmikroskop, nur dass du die Probe hier viel stärker vergrößern kannst.

Um die Bilder von den Proben erzeugen zu können, muss die Probe eingebettet und mit Schwermetallen behandelt werden. Sie ermöglichen es, die Strukturen besser zu erkennen. Wenn die Probe vorher nicht behandelt würde, wäre der Kontrast später zu gering. Außerdem muss das Präparat sehr dünn geschnitten werden, sodass es zwischen 10 und 100 μm dick ist. Nur so können die Elektronen durch die Probe durchstrahlen.

Kryoelektronenmikroskop

Eine weitere spezielle Form des Elektronenmikroskops ist das Kryoelektronenmikroskop. Anders als bei dem REM und dem TEM muss die Probe hier vorher nicht mit Schwermetallen behandelt werden. Dafür muss eine Temperatur von unter -150 Grad herrschen, damit die Probe so schnell wie möglich heruntergekühlt wird und seine Struktur behält.