Wissenschaft

Einführung in das Elektronenmikroskop

Der übliche Mikroskoptyp, den Sie in einem Klassenzimmer oder einem wissenschaftlichen Labor finden, ist ein optisches Mikroskop. Ein optisches Mikroskop verwendet Licht, um ein Bild auf das 2000-fache (normalerweise viel weniger) zu vergrößern, und hat eine Auflösung von etwa 200 Nanometern. Ein Elektronenmikroskop verwendet dagegen eher einen Elektronenstrahl als Licht, um das Bild zu erzeugen. Die Vergrößerung eines Elektronenmikroskops kann bis zu 10.000.000x bei einer Auflösung von 50 Pikometern (0,05 Nanometer) betragen.

 

Elektronenmikroskop-Vergrößerung

Firefly Productions / Getty Images

 

Die Vorteile der Verwendung eines Elektronenmikroskops gegenüber einem optischen Mikroskop sind eine viel höhere Vergrößerung und ein viel höheres Auflösungsvermögen. Zu den Nachteilen gehören die Kosten und die Größe der Ausrüstung, die Notwendigkeit einer speziellen Schulung zur Vorbereitung der Proben für die Mikroskopie und zur Verwendung des Mikroskops sowie die Notwendigkeit, die Proben im Vakuum zu betrachten (obwohl einige hydratisierte Proben verwendet werden können).

Der einfachste Weg zu verstehen, wie ein Elektronenmikroskop funktioniert, besteht darin, es mit einem gewöhnlichen Lichtmikroskop zu vergleichen. In einem optischen Mikroskop schauen Sie durch ein Okular und eine Linse, um ein vergrößertes Bild einer Probe zu sehen. Das optische Mikroskop besteht aus einer Probe, Linsen, einer Lichtquelle und einem Bild, das Sie sehen können.

In einem Elektronenmikroskop tritt ein Elektronenstrahl an die Stelle des Lichtstrahls. Die Probe muss speziell vorbereitet werden, damit die Elektronen mit ihr interagieren können. Die Luft in der Probenkammer wird abgepumpt, um ein Vakuum zu bilden, da Elektronen in einem Gas nicht weit wandern. Anstelle von Linsen fokussieren elektromagnetische Spulen den Elektronenstrahl. Die Elektromagnete biegen den Elektronenstrahl auf die gleiche Weise, wie Linsen Licht biegen. Das Bild wird von Elektronen erzeugt. daher wird es entweder durch Aufnehmen eines Fotos (elektronenmikroskopische Aufnahme) oder durch Betrachten der Probe durch einen Monitor betrachtet.

Es gibt drei Haupttypen der Elektronenmikroskopie, die sich je nach Bildbildung, Probenvorbereitung und Bildauflösung unterscheiden. Dies sind Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Rastertunnelmikroskopie (STM).

 

Transmissionselektronenmikroskop (TEM)

Westend61 / Getty Images

Die ersten erfundenen Elektronenmikroskope waren Transmissionselektronenmikroskope. In TEM wird ein Hochspannungselektronenstrahl teilweise durch eine sehr dünne Probe übertragen, um ein Bild auf einer Fotoplatte, einem Sensor oder einem Fluoreszenzschirm zu erzeugen. Das Bild, das erzeugt wird, ist zweidimensional und schwarzweiß, ähnlich wie eine Röntgenaufnahme. Der Vorteil der Technik besteht darin, dass sie eine sehr hohe Vergrößerung und Auflösung ermöglicht (etwa eine Größenordnung besser als SEM). Der Hauptnachteil ist, dass es am besten mit sehr dünnen Proben funktioniert.

 

Rasterelektronenmikroskop (REM)

avid_creative / Getty Images

 

Bei der Rasterelektronenmikroskopie wird der Elektronenstrahl in einem Rastermuster über die Oberfläche einer Probe gescannt. Das Bild wird von Sekundärelektronen erzeugt, die von der Oberfläche emittiert werden, wenn sie vom Elektronenstrahl angeregt werden. Der Detektor bildet die Elektronensignale ab und erzeugt ein Bild, das zusätzlich zur Oberflächenstruktur die Schärfentiefe zeigt. Während die Auflösung niedriger als die von TEM ist, bietet SEM zwei große Vorteile. Zunächst wird ein dreidimensionales Bild einer Probe erstellt. Zweitens kann es bei dickeren Proben verwendet werden, da nur die Oberfläche gescannt wird.

Sowohl in TEM als auch in SEM ist es wichtig zu erkennen, dass das Bild nicht unbedingt eine genaue Darstellung der Probe ist. Die Probe kann aufgrund ihrer Vorbereitung für das Mikroskop. durch Einwirkung von Vakuum oder durch Einwirkung von Elektronenstrahlen Veränderungen erfahren .

 

Rastertunnelmikroskop (STM)

Musée d’histoire des Sciences de Ville de Genève / Wikimedia Commons / CC BY 3.0

 

Ein Rastertunnelmikroskop (STM) bildet Oberflächen auf atomarer Ebene ab. Es ist die einzige Art der Elektronenmikroskopie, die einzelne Atome abbilden kann . Seine Auflösung beträgt ungefähr 0,1 Nanometer mit einer Tiefe von ungefähr 0,01 Nanometern. STM kann nicht nur im Vakuum verwendet werden, sondern auch in der Luft, im Wasser und in anderen Gasen und Flüssigkeiten. Es kann über einen weiten Temperaturbereich von nahezu Null bis über 1000 ° C eingesetzt werden.

STM basiert auf Quantentunneln. Eine elektrisch leitende Spitze wird in die Nähe der Oberfläche der Probe gebracht. Wenn eine Spannungsdifferenz angelegt wird, können Elektronen zwischen der Spitze und der Probe tunneln. Die Änderung des Stroms der Spitze wird gemessen, wenn sie über die Probe gescannt wird, um ein Bild zu erzeugen. Im Gegensatz zu anderen Arten der Elektronenmikroskopie ist das Instrument erschwinglich und einfach herzustellen. STM erfordert jedoch extrem saubere Proben und es kann schwierig sein, es zum Laufen zu bringen.

Die Entwicklung des Rastertunnelmikroskops brachte Gerd Binnig und Heinrich Rohrer 1986 den Nobelpreis für Physik ein.

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