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Das Elektronenmikroskop

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Die Autor*innen
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Roland Hesse
Das Elektronenmikroskop
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Beschreibung Das Elektronenmikroskop

Inhalt

Elektronenmikroskop – Biologie

Habt ihr im Unterricht schon einmal ein Lichtmikroskop verwendet? Dieses ist wunderbar geeignet, um biologische Zellen zu betrachten. Es gibt jedoch auch andere Arten von Mikroskopen, die bei bestimmten Fragestellungen zum Einsatz kommen. Dazu gehört zum Beispiel das Elektronenmikroskop. Im Folgenden wollen wir uns damit beschäftigen, wie dieses funktioniert und wie es sich vom Lichtmikroskop unterscheidet.

Elektronenmikroskop – Aufbau und Funktion

Es gibt unterschiedliche Bauweisen des Elektronenmikroskops. Hier konzentrieren wir uns insbesondere auf das Transmissionselektronenmikroskop (Abk.: TEM).

Wie funktioniert ein Elektronenmikroskop?

Um die Funktionsweise des TEMs zu verstehen, schauen wir uns zunächst an, aus welchen Einzelteilen es besteht und wie es aufgebaut ist.

Elektronenmikroskop beschriftet

In der Elektronenquelle, die häufig eine Glühkathode beinhaltet, werden Elektronen (negativ geladen) durch Anlegen einer hohen Spannung freigesetzt und zur Anode (positiv geladen) hin beschleunigt. Diese ist ringförmig, sodass der beschleunigte Elektronenstrahl die Anode passieren kann.
Als Nächstes tritt der Elektronenstrahl durch eine Kondensorspule. Diese wirkt wie eine optische Linse auf einen Lichtstrahl und lenkt den Strahl auf das zu untersuchende Objekt, also die Probe. Wenn der Elektronenstrahl die Probe passiert, kommt es zu Wechselwirkungen mit dieser: Die Elektronen werden an den Atomen der Probe gestreut – dabei werden sie im Allgemeinen stärker gestreut, wenn es sich um Atome mit steigender Ordnungszahl handelt. Der Elektronenstrahl, der die Probe auf diese Weise passiert, gibt also Aufschluss über die Zusammensetzung der Probe.
Die Objektspule entspricht dem Objektiv in einem Lichtmikroskop: Sie sammelt den transmittierten Elektronenstrahl auf, sorgt für eine erste Vergrößerung und erzeugt ein Zwischenbild. Mithilfe der Projektionsspule wird ein reelles Bild, das sogenannte Endbild, auf einen Leuchtschirm oder auf einen Detektor projiziert.

Im Inneren des Elektronenmikroskops herrscht übrigens ein Vakuum, damit es nicht zu unerwünschten Stößen des Elektronenstrahls mit Teilchen der Luft kommt.

Eine weitere Bauform des Elektronenmikroskops ist das Rasterelektronenmikroskop (Abk.: REM). Hierbei transmittiert der Elektronenstrahl die Probe nicht, er wird vielmehr über die Probe geführt (gerastert). Das, zum Beispiel durch Streuung, zurückgeworfene Signal wird detektiert und ausgewertet. Durch dieses Verfahren erhält man nicht nur zweidimensionale Informationen über die Probe, sondern auch topologische – also eine Art Höhenprofil der Oberfläche.

Wann benutzt man ein Elektronenmikroskop?

Elektronenmikroskope stehen, insbesondere im Schul- oder Universitätsgebrauch, deutlich seltener zur Verfügung als Lichtmikroskope – sie sind komplexer und somit schwieriger zu bedienen und natürlich auch teurer in der Herstellung. Jedoch kann man mit ihnen eine viel höhere Auflösung erzielen: Während man mit einem Lichtmikroskop lediglich Dinge auseinanderhalten kann, deren Abstand nicht weniger als $\pu{0,5 \mu m}$ beträgt, sind sie in Elektronenmikroskopaufnahmen auch dann noch unterscheidbar, wenn sie wenige Nanometer ($\pu{nm}$) dicht beieinanderliegen. Die Auflösung ist also ungefähr um einen Faktor 1.000 besser. Mit einem Elektronenmikroskop kann außerdem eine deutlich stärkere Vergrößerung erzielt werden und somit eignet es sich insbesondere für sehr kleine Strukturen. Außerdem kann man, wie oben angedeutet, topologische Informationen über die Probe erhalten, was in einem Lichtmikroskop nicht ohne Weiteres möglich ist.
Die Elektronenmikroskopie hat jedoch entscheidende Nachteile. So muss die Probe bestimmte Voraussetzungen erfüllen: Sie muss sehr dünn und vakuumstabil sein, das heißt, sie darf im Vakuum der Mikroskopkammer nicht zerstört werden. So werden insbesondere metallische Proben im Elektronenmikroskop untersucht – bestimmte Materialien oder Bauteile. Auch biologische Proben können untersucht werden, dies bedarf jedoch einer langen Probenpräparation. Unter anderem müssen biologische Proben sichtbar für den Elektronenstrahl gemacht werden, also zum Beispiel mit einer Metallschicht eingefärbt werden.

Vergleich – Lichtmikroskop und Elektronenmikroskop

Abschließend findest du einen Vergleich von Lichtmikroskop und Elektronenmikroskop als Tabelle zusammengefasst:

Lichtmikroskop Elektronenmikroskop
Strahlung Licht Elektronen
Auflösung bis zu $\pu{0,5 \mu m}$ bis zu $\pu{1-2 nm}$
Proben meist biologisch meist metallisch
Probenpräparation meist einfach in der Regel aufwendig
topologische Informationen in der Regel nicht ja (im Rasterelektronenmikroskop)

Dieses Video

In diesem Video lernst du das Elektronenmikroskop kennen. Du weißt nun, wie es aufgebaut ist und wie es funktioniert. Außerdem erfährst du die Unterschiede zwischen Elektronenmikroskop und Lichtmikroskop. Auch zum Thema Elektronenmikroskop findest du ein Arbeitsblatt und interaktive Aufgaben. Du kannst dein neu gewonnenes Wissen also sogleich testen!

Transkript Das Elektronenmikroskop

Hallo! Schön, dass du wieder dabei bist. Wir vergleichen zunächst diese Bilder miteinander: Links sehen wir Bakterien im lichtmikroskopischen Bild und rechts im elektronenmikroskopischen Bild. „Ist ja klar“, würdet ihr sagen. „Darauf wären wir auch gekommen. Wozu denn das?“ Das nehme ich zur Kenntnis. Meine Ziele sind aber weitreichender. Ich will euch das Elektronenmikroskop in Bau und Funktion vorstellen und seine Besonderheiten gegenüber dem Lichtmikroskop erklären und würdigen. Doch warum sind die Bilder so verschieden? Als Erstes fallen uns die farblichen Unterschiede auf. Das LM-Bild, es ist damit das lichtmikroskopische Bild gemeint, ist farbig. Das EM-Bild, also das elektronenmikroskopische Bild, liefert nur Schwarz-Weiß-Abbildungen. Dafür ist aber ein Bakterium im Querschnitt viel mehr vergrößert zu sehen. Die Vergrößerungsleistung des Lichtmikroskops hängt von der Wellenlänge des für uns sichtbaren Lichtes ab. Sie begrenzt das Auflösungsvermögen, das heißt das Vermögen zwei Bildpunkte nebeneinander darzustellen. Gute Lichtmikroskope erreichen über tausendfache Vergrößerungen. Viel stärker vergrößern Elektronenmikroskope. Wie der Name es sagt, arbeiten sie mit Elektronenstrahlung anstatt Lichtstrahlung. Elektronenstrahlung hat tausendfach kleinere Wellenlängen als Licht. Das ist einer der Gründe, wieso heutzutage siebenhunderttausendfache Vergrößerungen und mehr möglich sind. Wir merken: Es gibt einen Zusammenhang. Je kleiner die Wellenlänge, desto stärker kann vergrößert werden. Ernst Ruska ist der Erfinder des Elektronenmikroskops. Er lebte von 1906 bis 1988. Unter anderem befasste er sich damit Elektronenstrahlen mittels elektromagnetischer Felder zu bündeln und zu nutzen. Im Ergebnis ging 1939 das erste Elektronenmikroskop in Serie. Das war ein gewaltiger Schritt in den Mikrokosmos eindringen zu können. Seine Leistungen wurden aber erst 1986 gewürdigt, als er den Nobelpreis für Physik erhielt. Wie funktioniert ein Elektronenmikroskop? Es hat die Form eines aufrecht stehenden, dicken Rohres. Oben wird ein Wolframdraht unter Hochspannung zur Abgabe von Elektronen angeregt. Er ist die Kathode. Die ringförmige Anode saugt die Elektronen an und beschleunigt sie derart, dass die Elektronen in der Röhre gerichtet weiter nach unten fliegen. Sie werden nicht abgebremst, weil im Elektronenmikroskop ein Vakuum erzeugt wird und im luftleeren Raum können sie nicht mit anderen Teilchen kollidieren. Nun durchwandern sie die erste elektromagnetische Spule, den magnetischen Kondensor oder die Kondensorspule, die die Strahlung bündelt. Die Elektronen fliegen gerichtet durch das extrem dünne Objekt, das je nach atomarer Dichte einen Teil der Elektronen streut, ablenkt oder sogar reflektiert. Nach dem magnetischen Objektiv entsteht ein Zwischenbild des Objektes. Die letzte elektromagnetische Spule, das magnetische Projektiv, vergrößert das Zwischenbild und lässt das Endbild entstehen. Es wird auf eine fotografische Platte oder einen Leuchtschirm geworfen und somit sichtbar. Da die Elektronen das Objekt durchwandern, nennt man ein solches Elektronenmikroskop, wie es jetzt modellhaft darstellte, auch Transmissionselektronenmikroskop, abgekürzt TEM. Das Rasterelektronenmikroskop, das REM, kann leicht vom TEM unterschieden werden, denn es fehlt das Projektiv, die Projektivspule. Das Objekt befindet sich auf dem Grund des Gerätes und es wird vom eng gebündelten Elektronenstrahl mit den Primärelektronen abgetastet. Natürlich muss das Objekt entsprechend präpariert sein, damit es diese Prozedur übersteht. Es ist mit einer dünnen Metallschicht versehen. Dazu wird das Objekt zum Beispiel mit Gold oder Platin bedampft. Reflektierte Elektronen und Sekundärelektronen, sie werden aus der Goldschicht herausgeschleudert, werden von einem Sammler, dem Detektor, aufgefangen und gemessen. Ein Rechner wandelt die Messergebnisse in Helligkeitsunterschiede um. So entstehen räumliche Bilder. Räumliche Bilder entstehen, weil ein Elektronenstrahl die Oberfläche des Objektes abtastet. Diese Bilder werden auf einem Monitor sichtbar gemacht. Die englische Kurzbezeichnung von REM ist SEM. Es verbergen sich dahinter die ersten Buchstaben von „Scanning Electron Microscope“. Hier sind räumliche Aufnahmen von einer Algenart und der Kopf einer Ameise zu sehen. Mit dem Computer können die Schwarz-Weiß-Aufnahmen weiterbearbeitet werden. Hier ist eine Colorierung eines TEM-Bildes vorgenommen worden. Abschließend möchte ich ein Elektronenmikroskop mit einem Lichtmikroskop vergleichen: Die verwendete Strahlung ist natürlich unterschiedlich. Einmal sind es Elektronen, dann ist es eine Lichtstrahlung, die verwendet wird. Das Elektronenmikroskop ist mit etwa einem Meter Höhe größer als ein Lichtmikroskop, das in etwa 0,3 Meter erreicht. Die Linsen sind elektromagnetische Spulen oder es wurden Glaslinsen eingebaut. Ein Elektronenmikroskop kann fast tausendfach stärker vergrößern als ein Lichtmikroskop. Einfache Labormikroskope schaffen tausendfache Vergrößerung. Das REM ist etwas kleiner als ein TEM. Es liefert uns durch das Abscannen der Objekte räumliche Bilder. Das Beobachten mehrerer Bildebenen erreicht man mit dem Feintrieb eines Lichtmikroskops. Man nennt das Fokussieren. Durch das Fokussieren kann man sich eine räumliche Vorstellung der biologischen Objekte verschaffen. Ein echtes räumliches Bild entsteht aber nicht. Damit habt ihr die wichtigsten Grundlagen der Elektronenmikroskopie kennengelernt. Das war's für heute. Ich sage tschüss, bis zum nächsten Mal!

3 Kommentare

3 Kommentare
  1. Hallo Tom, es heißt "braucht", und das letzte Wort ist ein Substantiv. Da du keine Frage stelltest, kann ich nur so weiterhelfen. LG

    Von Roland Hesse, vor fast 3 Jahren
  2. wofür brauch man den scheiß

    Von Tom L., vor fast 3 Jahren
  3. Sehr gutes Video. Besonders den Vergleich am Ende fand ich sehr hilfreich.

    Von Susannefridl, vor etwa 3 Jahren
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