Elektronenmikroskop
Entwicklung des Elektronenmikroskops
Ein Linsenschleifer entwickelte zu Beginn des 17. Jahrhunderts in England das erste Mikroskop, ein Kupferrohr mit je einer Linse (Lupe) an jedem Ende. Damit war eine stärkere Vergrößerung der Bilder der Objekte möglich; die Bilder blieben aber unscharf, was vor allem an dem Glas lag, das für die Linsen verwendet wurde. Dieses Glas war noch ungleichmäßig. Dieser Urtyp eines Mikroskops wurde ständig verbessert u.a. auch das Okular durch GALILEI (1564-1642). Mit einem solchen verbesserten Gerät gelang ROBERT HOOKE (1635-1703) im Jahr 1665 die Entdeckung der Zelle.
Weitere Verbesserungen im 18. und 19. Jahrhundert – vor allem der Gläser und der Beleuchtung – führten schließlich zum heute bekannten Lichtmikroskop. Sein Prinzip besteht darin, dass von einem dünnen, durchleuchteten Objekt mithilfe des Objektivs, das wie eine Sammellinse wirkt, ein vergrößertes Bild erzeugt wird. Dieses betrachtet man dann mit dem Okular (praktisch einer Lupe). Mit einem Lichtmikroskop lassen sich aber maximal Punkte mit einem Abstand von 0,001 mm unterscheiden (das 100-Fache dessen, was das menschliche Auge vermag). Deshalb sind mit einer 2000-fachen Vergrößerung des Objektbilds die Möglichkeiten des Lichtmikroskops erschöpft.
Daher wurde über andere Möglichkeiten nachgedacht. Das Ergebnis war das Elektronenmikroskop. Der französische Physiker LOUIS DE BROGLIE (1892-1987) suchte nach Wegen, das Licht zu ersetzen. 1924 erkannte er, dass sich bewegende Elektronen kürzere Wellenlängen haben als Lichtstrahlen, sich bündeln lassen und genutzt werden können, um äußerst dünne Präparate zu durchleuchten. Das Elektronenmikroskop war „geboren“. Es wurde erst im Jahre 1931 von dem Deutschen ERNST RUSKA gebaut. Damit konnte eine Vergrößerung des Objektbilds bis 2 000 000-fach erreicht werden. Auf diese Art und Weise war es z. B. möglich, den Aufbau von feinsten Strukturen der Lebewesen und Viren erstmals zu erkennen.
Das bekannteste Elektronenmikroskop ist das Durchstrahlungsmikroskop. Bei diesem Typ durchstrahlen sehr schnelle Elektronen ein im Vakuum befindliches Objekt und werden durch elektrische oder magnetische Felder abgelenkt. Das passiert auch beim Lichtstrahl durch Linsen (Mikroskop). Der Gesamtaufbau eines Elektronenmikroskops ähnelt dem Aufbau eines Lichtmikroskops. Am oberen Ende der Säule eines Elektronenmikroskops wird die Strahlspannung, sie liegt zwischen 40 000 und 100 000 V und kann bei einigen Geräten wahlweise auf verschiedene Werte eingestellt werden, durch ein abgeschirmtes Kabel berührungssicher in den Kathodenteil eingeführt. In dem Kathodenteil entsteht aus einer Glühkathode der nahezu parallele Strahl schneller Elektronen. Dieser ist zur Objektdurchstrahlung erforderlich. Unter dem Kathodenteil liegt der Kondensor (1 oder 2 magnetische Linsen). Er ermöglicht nicht nur große Objektflächen, sondern auch Objektbereiche bis zu wenigen mm Durchmesser zu bestrahlen. Da die Bewegung der Elektronen nur im Vakuum störungsfrei erfolgen kann, muss das Objekt, das man im Elektronenmikroskop betrachten will, durch eine „Objektschleuse“ in das Vakuum der Säule „eingeschleust“ werden. Die Objektdicke darf daher in üblichen Durchstrahlungsmikroskopen nur etwa 50 bis 100 nm (= 0,05 bis 0,1 mm) betragen.
Die Auflösungsgrenze der heutigen Hochleistungs-Elektronenmikroskope liegt bei 0,2-0,3 nm (1 nm = 1 Millionstel mm). Die Vergrößerung im Elektronenmikroskop wird im Allgemeinen nur so hoch gewählt, dass die aufgelösten Einzelheiten auch auf dem im Elektronenmikroskop enthaltenen Fotomaterial getrennt wiedergegeben werden können. Da die Auflösung von Feinkorn-Material etwa 50 mm beträgt, ergibt sich für die Hochleistungs-Elektronenmikroskope eine 250 000-fache förderliche Vergrößerung. Um die aufgelösten Einzelheiten jedoch dem menschlichen Auge sichtbar zu machen, ist noch eine optische Nachvergrößerung erforderlich.
Es gibt verschiedene Typen von Elektronenmikroskopen. Das bekannteste ist das Durchstrahlungsmikroskop. Beim Rasterelektronenmikroskop tastet ein sehr feiner Elektronenstrahl (Elektronensonde) das Objekt ab. Das Gerät ist mit einer Fernsehröhre gekoppelt, auf deren Schirm ein sehr plastisches Bild wiedergegeben wird. Die Tiefenschärfe ist etwa 300-mal größer als beim normalen Elektronenmikroskop.
Heute benutzt man Höchstspannungs-Elektronenmikroskope, die im Allgemeinen mit Spannungen bis zu 1 000 kV arbeiten. Mit diesen Geräten gelingt es, ein erhöhtes Durchdringungsvermögen zu erzeugen. Sie führten in der Metallurgie, auf dem Gebiet der Hochpolymere und in der Biologie zu beachtlichen Erfolgen.
Beim Rasterelektronenmikroskop, seit 1965 gibt es diesen Typ des Elektronenmikroskops, tastet ein sehr feiner Elektronenstrahl (Elektronensonde) die Objektfläche von Gegenständen ab. Auf diese Weise können ganze, nicht durchstrahlbare Präparate angeguckt werden. Das Gerät ist mit einer Fernsehröhre gekoppelt, auf deren Schirm sehr plastische Bilder wiedergegeben werden. 1 mm in der Bildschirmdarstellung entspricht in Wirklichkeit 1 Millionstel mm. Das entsprechende Objekt wird mit einem sehr eng gebündelten Primär-Elektronenstrahl abgetastet. Das getroffene Präparat beantwortet diesen Beschuss an jedem getroffenen Punkt mit entsprechenden Sekundär-Elektronen. Die Anzahl dieser gesendeten Sekundär-Elektronen ist abhängig von der bestrahlten Struktur. Mithilfe eines Detektors werden die Sekundär-Elektronenströme in entsprechende Helligkeitswerte umgewandelt. Ein Rasterbild entsteht. Die Tiefenschärfe ist etwa 300-mal größer als beim normalen Elektronenmikroskop. Die Strukturen sind daher vom Betrachter dreidimensional zu erkennen.
Schließlich wurde 1982 von GERD BINNING (* 1947) das Rastertunnelmikroskop erfunden, mit dem eine 100 000 000-fache Vergrößerung des Objektbilds möglich ist, sodass sogar Atome (z. B. das Wasserstoffatom mit einer Größe von 0,1 nm) sichtbar gemacht werden konnten. Für die Metallurgie, auf dem Gebiet der Hochpolymere und in der Biologie führte das zu beachtlichen Erfolgen. Bei dieser Form der Rastersondenmikroskopie tastet eine feine Sondenspitze das Oberflächenprofil eines Präparats ab. Ein Computer zeichnet diese Bewegungen Punkt für Punkt in Rastern auf und es kommt ein dreidimensionales Bild der Oberflächenstruktur des Versuchsobjekts zustande.
Da unser Auge die Elektronenstrahlen nicht wahrnehmen kann, werden sie auf einen Leuchtschirm oder eine fotografische Platte gelenkt. Die Elektronen, die durch das Objekt dringen, lassen den Bildschirm an den entsprechenden Stellen aufleuchten, die dunklen Stellen dagegen entsprechen den Teilen des Objekts, die kaum Elektronen durchlassen. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Transmissions-Elektronenmikroskopie, TEM.
Elektronenmikroskope können daher immer nur Schwarz-Weiß-Bilder liefern.
Alle wunderschön eingefärbten rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen von Pollen, Insekten etc. sind nachträglich bearbeitet und durch entsprechende Grafik- oder Bildbearbeitungsprogramme eingefärbt worden.
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Stand: 2010
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