Elektronenmikroskop
Medizinische Expertise: Dr. med. NonnenmacherQualitätssicherung: Dipl.-Biol. Elke Löbel, Dr. rer nat. Frank Meyer
Letzte Aktualisierung am: 10. März 2024Dieser Artikel wurde unter Maßgabe medizinischer Fachliteratur und wissenschaftlicher Quellen geprüft.
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Das Elektronenmikroskop stellt eine bedeutende Variante des klassischen Mikroskops dar. Mithilfe von Elektronen kann es die Oberfläche oder das Innere eines Objekts abbilden.
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Was ist ein Elektronenmikroskop?
In früheren Zeiten trug das Elektronenmikroskop auch die Bezeichnung Übermikroskop. Es dient als wissenschaftliches Instrument, durch das Objekte durch die Anwendung von elektronischen Strahlen bildlich vergrößert werden können, was gründlichere Untersuchungen ermöglicht.
Mit einem Elektronenmikroskop lassen sich wesentlich höhere Auflösungen erreichen als mit einem Lichtmikroskop. Lichtmikroskope können im günstigsten Fall eine zweitausendfache Vergrößerung erzielen. Ist der Abstand zwischen zwei Punkten geringer als die halbe Licht-Wellenlänge, ist das menschliche Auge jedoch nicht mehr imstande, sie getrennt zu erkennen.
Ein Elektronenmikroskop erreicht dagegen eine Vergrößerung von 1:1.000.000. Dies lässt sich darauf zurückführen, dass die Wellen des Elektronenmikroskops erheblich kürzer ausfallen als die Wellen des Lichtes. Zur Ausschaltung von störenden Luftmolekülen bündelt sich im Vakuum der Elektronenstrahl durch massive elektrische Felder auf das Objekt.
Das erste Elektronenmikroskop entstand im Jahr 1931 durch die deutschen Elektrotechniker Ernst Ruska (1906-1988) und Max Knoll (1897-1969). Dabei dienten jedoch zunächst keine elektronentransparenten Objekte als Abbildungen, sondern kleine Gitter aus Metall. Ernst Ruska konstruierte 1938 auch das erste Elektronenmikroskop, das für kommerzielle Zwecke genutzt wurde. 1986 erhielt Ruska für sein Übermikroskop den Nobelpreis für Physik.
Im Laufe der Jahre wurde die Elektronenmikroskopie kontinuierlich neuen Konstruktionen und technischen Verbesserungen unterzogen, sodass das Elektronenmikroskop in der Gegenwart aus der Wissenschaft nicht mehr wegzudenken ist.
Formen, Arten & Typen
In der Regel können die ermittelten Daten auf einem angeschlossenen Bildschirm dargestellt werden. Auf diese Weise ist der Anwender in der Lage, den Aufbau des Bildes in Echtzeit mitzuverfolgen. Bei der Abtastung mit den elektronischen Strahlen beschränkt sich das Elektronenmikroskop auf die Oberfläche des Objekts. Zur Visualisierung leitet das Instrument die Abbildungen über einen Fluoreszenzschirm. Nach dem Fotografieren lassen sich die Bilder auf bis zu 1:200.000 vergrößern.
Beim Gebrauch eines Transmissions-Elektronenmikroskops, das von Ernst Ruska stammt, wird das zu untersuchende Objekt, das über eine entsprechende Dünne verfügen muss, von den Elektronen durchstrahlt. Die passende Dicke des Objekts schwankt zwischen einigen Nanometern und mehreren Mikrometern, was von der Ordnungszahl der Atome des Objektmaterials, der gewünschten Auflösung sowie der Höhe der Beschleunigungsspannung abhängt. Je niedriger die Beschleunigungsspannung und je höher die Ordnungszahl sind, umso dünner muss das Objekt ausfallen. Das Bild des Transmissions-Elektronenmikroskops entsteht durch die absorbierten Elektronen.
Weitere Unterarten des Elektronenmikroskops sind das Kyroelektronenmikroskop (KEM), das zur Untersuchung von komplexen Proteinstrukturen dient, sowie das Hochvoltelektronenmikroskop, das über eine sehr hohe Beschleunigungsspanne verfügt. Es dient zum Darstellen von umfangreichen Objekten.
Aufbau & Funktionsweise
Der Aufbau eines Elektronenmikroskops scheint in seinem Inneren nur wenig mit einem Lichtmikroskop gemeinsam zu haben. Dennoch gibt es Parallelen. So befindet sich auf der Oberseite die Elektronenkanone. Im simpelsten Fall kann es sich dabei um einen Wolframdraht handeln. Dieser wird erhitzt und emittiert Elektronen. Der Elektronenstrahl wird durch Elektromagnete, die eine ringförmige Form aufweisen, gebündelt. Die Elektromagnete ähneln den Linsen im Lichtmikroskop.
Der feine Elektronenstrahl ist nun in der Lage, eigenständig Elektronen aus der Probe zu schlagen. Die Elektronen werden dann von einem Detektor erneut aufgefangen, woraus sich ein Bild erzeugen lässt. Bewegt sich der Elektronenstrahl nicht, kann lediglich ein Punkt abgebildet werden. Erfolgt jedoch die Abtastung einer Fläche, kommt es zu einer Änderung. Dabei wird der Elektronenstrahl von Elektromagneten abgelenkt und zeilenweise über das zu untersuchende Objekt geführt. Dieses Abscannen ermöglicht ein vergrößertes und hochaufgelöstes Bild des Objekts.
Möchte der Untersuchende noch näher an das Objekt herangehen, braucht er nur die Fläche zu verkleinern, von der der Elektronenstrahl abgetastet wird. Umso kleiner die Abtastfläche ausfällt, desto größer wird das Objekt dargestellt.
Das erste Elektronenmikroskop, das konstruiert wurde, vergrößerte die untersuchten Objekte 400 Mal. In der heutigen Zeit können die Instrumente ein Objekt sogar 500.000-fach vergrößern.
Medizinischer & gesundheitlicher Nutzen
Besonders wichtig für die Medizin war die Tatsache, dass sich mit einem Elektronenmikroskop nun auch Viren untersuchen ließen. So sind Viren um ein Vielfaches kleiner als Bakterien, sodass sie sich von einem Lichtmikroskop nicht detailliert abbilden lassen.
Auch das Innere einer Zelle kann mit den Lichtmikroskopen nicht genau ergründet werden. Mit dem Elektronenmikroskop änderte sich dies jedoch. In der heutigen Zeit lassen sich gefährliche Erkrankungen wie AIDS (HIV) oder Tollwut mit elektronischen Mikroskopen deutlich besser erforschen.
Allerdings weist das Elektronenmikroskop auch einige Nachteile auf. Zum Beispiel können die untersuchten Objekte durch den Elektronenstrahl in Mitleidenschaft gezogen werden, weil es zu einer Erwärmung kommt oder die rasanten Elektronen mit kompletten Atomen zusammenstoßen. Darüber hinaus sind die Anschaffungs- und Unterhaltskosten eines Elektronenmikroskops sehr hoch. Aus diesem Grund werden die Instrumente vorwiegend von Forschungsinstituten oder privaten Dienstleistern genutzt.