Biologie > Cytologie > Zelle im LM

Das Elektronenmikroskop

Lichtmikroskop - Elektronenmikroskop - Bakterienzelle - Pflanzenzelle - Tierzelle - Vergleich

Physikalische Grundlagen

Ein Transmissions-Elektronenmikroskop; Bild aus der Wikipedia

Dieses Photo aus der Wikipedia (Autor: Stahlkocher) zeigt ein Transmissions-Elektronenmikroskop (TEM).
This file is licensed under the Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license.

Dieses kompliziert aussehende Gerät ist ein Elektronenmikroskop, wie man es seit 1931 kennt (siehe Wikipedia-Artikel Elektronenmikroskop, Abschnitt Geschichte)

Das Auflösungsvermögen eines Mikroskop hängt ab von der Wellenlänge der verwendeten Strahlung. Licht hat eine Wellenlänge zwischen 400 und 700 nm (1 Nanometer = 1/1.000 Mikrometer = 1/1.000.000 Millimeter). Es gibt eine physikalische Regel, nach der die Auflösung eines Mikroskops maximal der halben Wellenlänge der verwendeten Strahlung entspricht. Ein Lichtmikroskop kann also keine Strukturen sichtbar machen, die kleiner als 200 nm sind. Für die meisten Zellorganellen wie zum Beispiel Ribosomen oder den Golgi-Apparat reicht das Auflösungsvermögen des Lichtmikroskops nicht aus, denn diese Strukturen sind kleiner als 200 nm. Mitochondrien und Chloroplasten kann man zwar im LM erkennen, doch die interessanten Einzelheiten sind ebenfalls kleiner als 200 nm.

Ein Elektronenmikroskop verwendet statt des sichtbaren Lichts einen Elektronenstrahl. Aus der Physik weiß man, dass sich Elektronenstrahlen unter bestimmten Umständen wie Wellen verhalten. Umgekehrt verhält sich Licht bei manchen Experimenten wie ein Teilchenstrom. Die Wellenlänge dieses Elektronenstrahls ist nun viel viel kürzer als die Wellenlänge sichtbaren Lichts, so dass man im Elektronenmikroskop viel kleinere Strukturen auflösen kann. Das Auflösungsvermögen eines normalen Elektronenmikroskops beträgt heute ca. 0,1 nm, ist also rund 2.000 mal größer als das eines Lichtmikroskops.

Das Auflösungsvermögen eines guten Lichtmikroskops beträgt 200 nm, das Auflösungsvermögen eines normalen Elektronenmikroskops ist 2.000 mal größer, liegt also bei 0,1 nm.

Mit einem Elektronenmikroskop kann man also kleinste Strukturen der Zelle sichtbar machen, zum Beispiel den inneren Aufbau eines Mitochondriums, eines Chloroplasten oder eines Zellkerns.

Arbeitsweise eines Transmissions-Elektronenmikroskops

Bei einem Transmissions-Elektronenmikroskop fällt der Elektronenstrahl auf das zu durchleuchtende Objekt. Damit einige Elektronen durch das Objekt hindurch gelangen (Transmission), muss dieses Objekt extrem dünn sein. Zur Herstellung solcher Ultradünnschnitte gibt es spezielle Geräte, die in der Lage sind, eine Zelle in viele hauchdünne Scheiben zu schneiden (Ultramikrotome). Einige Elektronen werden von den dichteren Strukturen des Zellquerschnitts absorbiert, andere Elektronen treten durch den Querschnitt durch. Sie fallen dann auf einen Bildschirm, der mit einem besonderen Pigment beschichtet ist. Jedes Mal, wenn dort ein Elektron auftrifft, leuchtet diese Stelle des Bildschirms hell auf. Alte Röhrenfernseher aus den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts haben ähnlich funktioniert.

Allerdings ist mit dieser Technik noch kein Vergrößerungseffekt verbunden. Bei einem Lichtmikroskop fällt das Licht von unten auf das Objekt und durchstrahlt das Objekt. Ein Teil des Lichtes gelangt dann in das Objektiv des Mikroskops. Durch bestimte Linsen werden die Lichtstrahlen gebündelt; das Bild des Objektes wird so vergrößert. Das um den Faktor 10 bis 100 vergrößerte Bild gelangt dann in das Okular des Lichtmikroskop. Durch eine Reihe von Linsen werden die Lichtstrahlen noch einmal gebündelt, und das Bild wird um den Faktor 5 bis 15 noch einmal vergrößert.

Für Elektronenstrahlen gibt es auch Linsen. Allerdings bestehen diese nicht aus Glas wie beim Lichtmikroskop, sondern aus Magneten. Elektronen sind bekanntlich negativ geladen, durch einen Elektromagneten können die Elektronen angezogen oder abgestoßen werden. Durch geschickte Anordnung solcher Elektromagnet-Linsen können die Elektronenstrahlen ähnlich wie Lichtstrahlen gebündelt werden. Dies ist mit einem Vergrößerungseffekt verbunden.

Die Elektronenlinsen des Elektronenmikroskops bestehen wie bereits gesagt aus Elektromagneten. Die Stärke eines solchen Magneten kann von außen geregelt werden, indem man einfach mehr oder weniger Strom durch den Magneten fließen lässt. Daher benötigt ein Elektronenmikroskop auch keine verschiedenen Objektive oder Okulare wie ein Lichtmikroskop, sondern die Vergrößerung lässt sich stufenlos beliebig einstellen, bis das Maximum erreicht ist, das ja von der Wellenlänge des Elektronenstrahls abhängt.

Arten von Elektronenmikroskopen

Transmissions-Elektronenmikroskop (TEM)

Diese Art wurde bereits oben dargestellt. Dieser Elektronenmikroskop-Typ entspricht noch am ehesten dem Lichtmikroskop.

Auf der englischen Wikipedia-Seite "Transmission electron microscopy" werden spezielle Modifikationen des TEMs beschrieben. Für die Experten unter Ihnen ist das sicherlich interessant, für den normalen Unterricht gehen diese Ausführunge aber viel zu weit.

Raster-Elektronenmikroskop (REM)

Der Elektronenstrahl tritt nicht durch das dünne Objekt hindurch, sondern wird von dessen Oberfläche reflektiert. Daher kann man Oberflächenstrukturen auch dickerer Objekte sichtbar machen. Dünne Strukturen wie Tierzellen würden allerdings sämtliche Elektronen durchlassen, reflektiert würden nur sehr wenige Elektronen. Aus diesem Grund bedampft man das Objekt vorher mit gasförmig gemachtem Metall, also mit Metalldämpfen. Die Metallschicht ist sehr dünn, und alle Oberflächenstrukturen des Objektes bleiben weiterhin sichtbar. Der Vorteil ist jetzt aber, dass alle Elektronen reflektiert werden. Sie fallen dann ebenfalls wieder auf einen beschichteten Schirm, wo sie dann sichtbar werden.

Den Namen Raster-Elektronenmikroskop hat diese Art des Elektronenmikroskops daher, dass der Elektronenstrahl das bedampfte Objekt rasterförmig abtastet, also quasi Zeile für Zeile und Pixel für Pixel.

asdf

Unterschiedliche Pollen, mit ihren verschiedenen Oberflächen, aufgenommen mit dem Rasterelektronenmikroskop.

This work has been released into the public domain by its author, Dartmouth College Electron Microscope Facility.

Beide Arten der Elektronenmikroskopie haben allerdings einen gravierenden Nachteil, der besonders für die Biologie wichtig ist: Es können nur tote Objekte mikroskopiert werden.