DAS MIKROSKOP - SEIT 400 JAHREN WERKZEUG DES LEBENSWISSENSCHAFTLERS
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Kapitel 1 |
Entwicklung |
Forscher |
Kapitel 4 |
MIKROSKOPIE, WAS IST DAS?
Zu Anfang
des zwanzigsten Jahrhunderts wurde, besonders durch August Köhler, die
Beleuchtung stanandardisiert. Dadurch wurde das Lichtmikroskop zum präziesen
Messinstrument sowohl für spektroskopische, als auchh für morphometrische
Analysen. Allerdings gab es eine erhebliche Einschränkung für seinen Einsatz :
seine Auflösungsfähigkeit ist durch die Wellenlänge des Lichtes begrenzt.
Elektronenstrahlen haben eine 100‘ 000 mal
kürzere Wellenlänge und lassen sich, wie
1927 von
Hans Busch bewiesen wurde, durch angelegte Spannungen bündeln, wie Licht durch
Glaslinsen.
Aufgrund der geringen Wellenlänge
postulierten Max Knoll und Ernst Ruska eine stark verbesserte
Auflösung gegenüber dem Lichtmikroskop und sie bauten ab
1931 an der Universität Berlin das erste
Transmissions-Elektronenmikroskop (TEM),
das 1939 unter der Bezeichnung „Übermikroskop“ von
Siemens produziert wurde.
Hierbei war das grösste Problem die Erzeugung eines für diese Technologie
notwendigen Hochvakuums. Da Elektronen nur eine kleine Durchdringkraft – auch im
hohen Vakuum - haben, war es notwendig,
die Präparation der Objekte auf eine maximale Dicke von 100 nm zu verbessern.
Die üblichen, für die Herstellung von lichtmikroskopischen Präparaten
verwendeten Mikrotome waren hierzu nicht geeignet – neue Ultramikrotome mussten
entwickelt werden.
Ernst Ruska erhielt 1986, also mehr als 50 Jahre nach seiner Erfindung, den Nobelpreis (zusammen mit Binnig und Rohrer für das Tunnelmikroskop).
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Massgeblich beteiligt an der Entwicklung des
Elektronenmikroskops war ausser den
unten abgebildeten Personen noch Ernst Brüche von der
AEG, Hans Busch u.a.
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Helmut Ruska veröffentlichte im Jahr 1941 zusammen mit
seinem Bruder, Ernst Ruska,
erste elektronenmikroskopische Aufnahmen von Viren, über deren Natur noch
Unkenntnis
herrschte. Leider wurden die Arbeiten
der Ruskas damals wegen der Isolation Deutschlands
im 2. Weltkrieg kaum bekannt.
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Konfokale Mikroskope
erzeugen im Scanverfahren dreidimensionale Aufnahmen und unterdrücken
Streulicht von Bereichen außerhalb der
Fokusebene.
sichtbar gemacht werden.
objektivs befinden.
Besonders die Abbildung fluoreszierender Objekte wird durch die konsequente
Unterdrückung der Streustrahlung von Objektanteilen ausserhalb der Fokusebene
optimiert.
Die bereits 1957 von Minsky beschriebene Technologie wurde erst durch leistungsfähige Computer möglich und gehört heute zu den Standardmethoden.
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Eine neue Dimension wurde
eröffnet, als im Jahr 1981 am IBM-Forschungslabor in Rüschlikon,
Heinrich Rohrer und Gerd Binnig das erste Tunnelmikroskop
entwickelten - die Nanowelt.
man die Oberfläche von Molekülen ab.
Im Ultrahochvakuum fliessen zwischen der Spitze und der Oberfläche im Abstand
von etwa 1 nm
Elektronen - der messbare Tunnelstrom.
Dieses geniale System,
das im Jahre 1986 mit dem Nobelpreis
gewürdigt wurde, eröffnete
einen wahren Boom an neuen Methoden, die sogenannte
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Raster-Tunnelmikroskopie
Eigentlich kann es den Tunnelstrom
gar nicht geben: in der klassischen Physik können Elektronen
den schmalsten Spalt nicht überwinden. Der Effekt lässt sich nur
quantenmechanisch erklären.
Je näher die Spitze der Oberfläche kommt, desto stärker fliesst der Tunnelstrom.
Veränderungen
um 1 Angström (0.1nm) verändern den Tunnelstrom um den Faktor 10.
Das Raster-Kraftmikroskop arbeitet
wie das Tunnelmikroskop mit einer atomaren Spitze kommt
aber ohne Vakuum aus, was es zu einem idealen universell einsetzbaren
Messinstrument für
trockene und feuchte Oberflächen macht.
Je nach Anordnung lassen sich unterschiedliche Kräfte, wie magnetische -,
elektrostatische-, Reibungs - oder Bindungskräfte messen. Mit der Spitze kann
die Oberfläche
auch verändert werden, können Atome verschoben werden. Gerade die
funktionalisierten
Spitzen machen heute in allen Medien Furore.
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Nahfeldmikroskopie empfunden.
Diese Methode durchbricht
die "Abbe-Barriere" ~ l/2 oder 200 nm für sichtbares Licht.
Eine Hochauflösung zwischen 30 und 100 nm, erreicht man, indem man
Lichtfragmente eines Lasers,
kleiner als die Wellenlänge durch eine Apertur schickt, die etwa 1 nm von der
Oberfläche entfernt
ist. Aber nicht nur die Auflösung feinster Details, sondern auch echte
Spektroskopie sind mit
der RASTER-NAHFELDMIKROSKOPIE möglich. So kann man Veränderungen an der lebenden
Zelle beobachten oder mit einem gezieltem Lichtblitz feinst Regionen verändern,
man ist z.B.
in der Lage feinste Verunreinigungen auf Mikrochips aufzuspüren und vieles mehr.
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Funktionalisierte Spitzen
Messung der Kraft der Bindung
von Antikörpern an ein Antigen. Kraft in Nanonewton.
Ebenso möglich ist die Messung von Entfaltungskräften einzelner Proteinstränge.
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ESEM-Aufnahme.
Environmental Scanning Electronmicroscope.
Mit diesem sogenannten “Umwelt Ektronenmikroskop”
können biologische Proben
ohne Vakuum, d.h. ohne Trocknung untersucht werden.
Die Nutzung des speziell für den ESEM-Betrieb entwickelten GSED-Detektors und
die Möglichkeit im Probenbereich unter einer Wasserdampf- bzw Gasatmosphäre
zu arbeiten, erlaubt eine Vielzahl von neuen Anwendungsbereichen der
Elektronenmikroskpie.
Das Vorhandensein eines Gases verhindert die Aufladungen durch den
Elektronenbeschuss.
Somit können selbst Isolatoren ohne vorherige Präparation in ihrem
ursprünglichen
Zustand untersucht werden. Durch die Verwendung von Wasserdampf können eine
Vielzahl
von biologischen und medizinischen Proben in ihrem natürlichen feuchten Zustand
im Elektronenmikroskop abgebildet werden.
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MIKROSKOPIE, QUO VADIS?
Jürgen Fritz vom MIT auf meine Anfrage:
Lieber Kurt,
n
(STM, AFM, SNOM)
mit denen man lokale Wechselwirkungen (Kraefte, Tunnelstroeme und optisches
Nahfeld) abbilden /
mappen und auch spektroskopisch untersuchen kann.
funktionalisierten Spitzen.
Damit lassen sich insbesondere Abstände in einzelnen Biomolekülen angstroem
genau
ausmessen (FRET).
kann und die dann aber je nach Grösse (im nm Bereich) in verschiedenen Bereichen
fluoreszieren
(auch quantum dots genannt), d.h. man hat bis zu 4, 5 ,... Farben bei einer
Anregungswellenlaenge zur Verfuegung ... genial.
untersuchen und
deren Verteilung in Abhaengigkeit von verschiedenen Stimuli, Inhibitors etc...
5)
Shattering the diffraction limit of light:
A revolution in fluorescence microscopy? von Shimon Weiss, PNAS 97 (2000) 8747.
Ein kurzer Kommentar. Ich glaube auch in der optischen Mikroskopie ist man noch
nicht am Ende der Aufloesung angelangt.