Rasterelektronenmikroskop – dem Kleinsten auf der Spur

Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts entdeckte der deutsche Physiker Hans Busch die optische Wirkung von Magnetfeldern. Damit legte er den Grundstein für die Erfindung des Elektroningenieurs Ernst Ruska und des Elektrotechnikers Max Knoll. Sie erfanden das erste Elektronenmikroskop. Dieses entwickelte schließlich der Forscher Manfred von Ardenne zum Rasterelektronenmikroskop weiter. Es erzeugt eine sehr viel stärkere Schärfentiefe als dies die üblichen Lichtmikroskope vermögen und gewährt so Einblick in den tieferen Aufbau von Materie, die wir ohne diese Erfindung nicht bekämen. Heute ist dieses Gerät nicht mehr aus der modernen Forschung wegzudenken und wir verdanken ihm Erkenntnisse über die kleinsten Strukturen, die uns umgeben.

Aufbau und Funktion eines Elektronenmikroskops

Der Elektronenmikroskop Aufbau lässt sich mit dem eines konventionellen Mikroskops vergleichen. Im Unterschied zu diesem ist hier jedoch im oberen Teil eine sogenannte „Elektronenkanone“ zu finden. Diese entlässt kleinste Teilchen, sogenannte Elektronen, die charakteristisch sind für die Elektronenmikroskop Funktion.

Arbeit mit RasterelektronenmikroskopTrotz der Bezeichnung, die das Bild eines größeren zylindrischen Körpers heraufbeschwört, handelt es sich bei dieser „Elektronenkanone“ einfach um einen Draht, der etwa aus Wolfram bestehen kann. Wolframdraht ist ein Metall mit besonders hohem Schmelzpunkt, das auch in herkömmlichen Glühlampen genutzt wird. Im Elektronenmikroskop fällt ihm die Aufgabe zu, in erhitztem Zustand Elektronen abzugeben, die im Folgenden von einem Elektromagneten gebündelt werden. Dieser ist als Ring ausgebildet, durch den die Elektronen wie durch einen Tunnel hindurch müssen. Dabei entsteht ein Elektronenstrahl. Dieser lässt sich nicht nur durch Wärme hervorbringen, sondern auch durch Erzeugung eines elektrischen Feldes. Dieses wirkt auf elektrische Ladungen, indem es das Zusammenspiel der kleinsten Teilchen, also zwischen Elektronen und Atomkern, beeinflusst. In diesem Fall spricht man von einer sogenannten Feldemission. Mit dieser Methode lässt sich die Geschwindigkeit, in der Elektronen von oben auf den unteren Objektträger treffen, präziser beeinflussen.

In der Folge entstehen noch höher aufgelöste Bilder.

Doch um diese zu erzeugen, muss der Elektronenstrahl erst einmal am unteren Ende des Rasterelektronenmikroskops auf einen Objektträger treffen. Hierauf ist eine Probe von maximal einem Kubikzentimeter aufgebracht. Die von oben kommenden Metallelektronen lösen nun Elektronen aus dieser Probe heraus. Die bei diesem Vorgang abgelösten Elektronen werden als Sekundärelektronen bezeichnet. Angeregt werden sie von den sogenannten Primärelektronen. Ein Detektor nimmt diese Sekundärelektronen auf. Auf einen Bildschirm kann er so einen einzelnen Punkt der Probe projizieren. Erst wenn sich dieser Elektronenstrahl auf eine spezielle Weise bewegt (wie der Lichtstrahl eines Scanners), lässt sich ein komplettes Bild der winzigkleinen Strukturen erzeugen. Wichtig ist dabei, dass keine anderen äußeren Einflüsse auf die Bewegung der Elektronen einwirken. Schon kleinste Störungen führen zu einem veränderten Verhalten der Atome und Moleküle. Das vakuumierte Umfeld ist daher bei der Elektronenrasterung von besonders großer Bedeutung.

Im Vorfeld

Bereits im Vorfeld lässt sich die Bildqualität durch die sorgfältige Präparierung der Probe beeinflussen. Pflanzliche Proben können in alkoholische Lösungen eingelegt werden, um ihnen Wasser zu entziehen. Andere Materialien werden mit einem Edelmetall beschichtet, das die Probe gegen äußere Einflüsse abschirmt. Für diese Bedampfung kommen Metalle wie Gold, Platin oder Chrom, aber auch Kohlenstoff in Betracht. Auch die Neigung des Objektträgers entscheidet darüber, wie kontrastiert sich die darzustellende Probe abbilden lässt.

Chancen dieser Mikroskopie

Ein Rasterelektronenmikroskop kann Strukturen und Funktionen im Kleinen so präzise darstellen, wie dies kein optisches Mikroskop vermag. Immer wieder tasten die von der oberen Kathode, wie die Elektronenquelle auch bezeichnet wird, kommenden kleinsten Teilchen das Präparat auf dem Objektträger ab. Zahlreiche Bilder entstehen dabei. Werden diese aneinandergereiht, entstehen Bewegungsabläufe. Seit kurzem erst lassen sich so selbst bewegte Bilder mit einem solchen Elektronenmikroskop darstellen. Dabei wird das Präparat aus unterschiedlichen Winkeln aufgenommen. Erreicht wird dies durch die flexible Beweglichkeit des Objektträgers, der dadurch den Blick aus mehr als nur der Oberansicht auf das Präparat eröffnet. Dies erhöht wiederum auch die Möglichkeit, Kontraste besser abzubilden. Ein bisschen kann man sich dies vorstellen wie das Aneinanderreihen von Zeichnungen in einem Trickfilm. Dabei dienen diese Filme nicht der reinen Unterhaltung. Sie ermöglichen zum Beispiel das Verhalten von Insekten zu beobachten und folglich mehr Verständnis für ihre Bewegungsabläufe und verschiedene Zusammenhänge im Tierreich zu entwickeln.

Fazit

Unser Verständnis für die Tierwelt, insbesondere für die haarfeinen Strukturen von Insekten, wächst durch solche zukunftsweisenden Erfindungen wie das Rasterelektronenmikroskop. Doch auch Pflanzen wie zum Beispiel den Heilkräutern lassen sich so einige ihrer Geheimnisse entlocken. Wer weiß, zu welchem Fortschritt dieses Verständnis noch beitragen mag?

 

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