Virus-Porträt im Elektronenmikroskop - Hochvakuum ermöglicht den genauen Blick in die Nanowelt

Virus-Porträt im Elektronenmikroskop - Hochvakuum ermöglicht den genauen Blick in die Nanowelt

Das Elektronenmikroskop erlaubt der Wissenschaft, auch kleinste Strukturen in Augenschein zu nehmen. Es liefert zum Beispiel detaillierte Bilder von Viren und Kristallgittern. Im Inneren des Geräts herrscht immer Hochvakuum.
Electron-microscope-virus-2.jpg

Vorstoß in neue Mikrodimensionen

Die Wellenlänge des Lichts begrenzt die Möglichkeiten der optischen Vergrößerung. Wenn die Objekte kleiner sind als ein halber Mikrometer, können sie mit einem herkömmlichen Lichtmikroskop nicht mehr abgebildet werden. Mit diesem kann man zwar die meisten Bakterien noch gerade eben erkennen, doch die deutlich kleineren Viren zum Beispiel nicht mehr. Um diese sichtbar zu machen, werden andere physikalische Einheiten benötigt.

Ernst Ruska und Max Knoll setzten auf Elektronen. 1931 entwickelten sie an der Technischen Hochschule Berlin-Charlottenburg das erste Transmissionselektronenmikroskop (TEM). Damit gelang es ihnen, bis dahin unbekannte Mikrodimensionen für das menschliche Auge zu erschließen. Als Erste konnten sie die Kristallstruktur einer dünnen Metallfolie abbilden und betrachten.

Teilchen statt Licht

In der Lichtmikroskopie werden die Lichtwellen passiv aufgefangen und durch Linsen aufgefächert. Aus diesem optischen Effekt ergibt sich die Vergrößerung. Ganz anders funktioniert es beim TEM, das eine Elektronenquelle verwendet: Die Elektronen werden aktiv beschleunigt und als fokussierter Strahl auf das zu beobachtende Objekt gelenkt. Es kommt zu einer Interaktion der Teilchen mit dem beobachteten Objekt. Durch die Auswertung ihrer Bahnen nach dem Kontakt entstehen die Mikroskopbilder. Da die Wellenlänge der winzigen Teilchen im Bereich von wenigen Picometern liegt, kann die Elektronenmikroskopie Strukturen im Nanometer-Bereich differenziert darstellen.

Beim TEM werden die Strahlelektronen ausgewertet, die das Objekt durchdrungen haben. Das funktioniert jedoch nur bei sehr dünnen Schichten; die Proben müssen oft aufwendig vorbereitet werden. Das ist beim Rasterelektronenmikroskop (REM) überflüssig. Sein Elektronenstrahl kann auch dreidimensionale Objekte rasterförmig abtasten. Ein Teil der Strahlelektronen wird reflektiert, weitere Elektronen werden aus dem Objekt herausgelöst. Das Gerät „fängt" diese Teilchen auf und erstellt daraus das Bild. So entstehen zum Beispiel die Bilder von Kleinstlebewesen, die in der enormen Vergrößerung oft an Fantasy-Monster erinnern.

Die Bildgebung funktioniert beim TEM wie beim REM aber nur, wenn die Elektronen auf ihrer Bahn zum und vom Objekt nicht abgelenkt werden. Es dürfen also keine Luftmoleküle im Weg sein. Im Inneren der Elektronenmikroskope herrscht daher immer ein Hochvakuum, das von einer geeigneten Vakuumpumpe hergestellt wird. Hierfür bietet die Busch Gruppe verschiedene Lösungen.

Das erste Elektronenmikroskop erreichte im Jahr 1931 eine 400-fache Vergrößerung. Für diesen Durchbruch bekam sein Miterfinder Ernst Ruska 1986, also 55 Jahre später, den Nobelpreis für Physik. 1938 brachte er die Technologie bei Siemens zur Marktreife. Die Auflösung wurde im Zuge der Entwicklung immer besser. Heutige Geräte schaffen eine millionenfache Vergrößerung, die Auflösung erreicht beim Transmissionselektronenmikroskop 0,08 Nanometer. Damit lassen sich unter anderem molekulare Strukturen detailliert abbilden.

Mit Hilfe eines Elektronenmikroskops konnte erstmals das Innere der Zelle genau untersucht werden. In der Erforschung der Viren spielt das Gerät bis heute eine entscheidende Rolle. Mit ihm konnte ihr morphologischer Aufbau – die räumlichen Strukturen – entschlüsselt werden. Daraus lassen sich wichtige Erkenntnisse über Ansteckungsgefahr und Verbreitungsmechanismen ableiten. In der Medizin und der Biologie ist das Elektronenmikroskop nicht zuletzt aus diesem Grund ein unverzichtbares Werkzeug. Daneben ist die Materialforschung ein wichtiges Einsatzgebiet.


„World of Vacuum" auch als Newsletter!
Jetzt abonnieren und immer Neues und Spannendes aus der Welt des Vakuums erfahren.

ANMELDEN

* Ich möchte den vierteljährlich erscheinenden „World of Vacuum"-Newsletter von Busch per Email erhalten. Diese Einwilligung kann jederzeit am Ende des E-Mail-Newsletters widerrufen werden.