Aufgaben 40 Das Elektronenmikroskop Viel mehr Details als jedes Lichtmikroskop zeigt das Elektronenmikroskop (EM), wo Elektronenstrahlen anstelle von Lichtstrahlen zum Einsatz kommen. Diese sind für unser Auge unsichtbar – man kann also nicht in ein Elektronenmikroskop „schauen“ wie in ein Lichtmikroskop. Die Elektronen werden stattdessen von einem Detektor registriert und am Computer zu einem Bild umgewandelt. Die Bilder sind dadurch immer schwarzweiß (kAbb. 44 c), natürlich können Details nachträglich eingefärbt werden (kAbb. 44d und e). Farbige EM-Bilder von Bakterien, Viren oder Zellorganellen sind daher immer Kunstprodukte. Elektronenmikroskope können viel feinere Details als Lichtmikroskope auflösen, daher müssen die Objekte viel sorgfältiger präpariert werden. Zudem muss das Objekt im Vakuum untersucht werden, da Luftmoleküle den Elektronenstrahl stören und die Beobachtung unmöglich machen. Es werden zwei Arten von EM unterschieden: Transmissions-Elektronenmikroskope (TEM) durchstrahlen Präparate und zeigen so das Innenleben von Zellen in hoher Auflösung (kAbb. 44 e). Sogar einzelne Proteinkomplexe kann man mit dem TEM sichtbar machen. Zellen und Gewebe müssen für dieses Verfahren extrem dünn geschnitten werden (ca. 50nm, so genannte Ultradünnschnitte). Beim Raster-Elektronenmikroskop (REM, engl. SEM für scanning electron microscope) werden Oberflächen von Objekten Punkt für Punkt abgetastet (der Elektronenstrahl „rastert“ die Oberfläche), wodurch plastisch wirkende Bilder mit feinen Details der Oberfläche entstehen. Die Präparate werden dazu mit Gold bedampft, welches ein ideales Material für die Abtastung durch den Elektronenstrahl darstellt (kAbb. 48). Elektronenmikroskope zeigen kleinste Details innerhalb von Zellen oder auf Oberflächen von Objekten Abb. 48: Raster-Elektronenmikroskop. Das Präparat (hier eine Zikade) wird für die Mikroskopie auf dem Probentisch platziert. Es wurde zuvor mit Gold bedampft. Funktionsprinzip von LM und EM im Vergleich Das Funktionsprinzip von LM und EM ist ähnlich: Bei beiden wird das Objekt bestrahlt und durchgelassene oder reflektierte Strahlen werden registriert. Warum erkennt man dann im EM viel mehr Einzelheiten? Das Auflösungsvermögen eines Mikroskops gibt an, wie nahe zwei Punkte sein dürfen, um noch getrennt wahrgenommen zu werden. Das hängt von mehreren Faktoren ab. Entscheidend ist die Wellenlänge der verwendeten Strahlung. Sichtbares Licht hat eine Wellenlänge von zirka 400 bis 800nm (Nanometer, Milliardstel Meter), die Auflösungsgrenze eines guten LM entspricht etwa der Hälfte der Wellenlänge, also bestenfalls 200nm. Lichtmikroskope erreichen dadurch ein Vergrößerungsvermögen von bis zur 2 000-fachen Vergrößerung. Elektronenstrahlen weisen eine viel geringere Wellenlänge auf, was allerdings von der verwendeten Spannung abhängt). Jedoch verschlechtern so genannte Aberrationen (physikalisch bedingte Störungen) der Bauteile die nutzbare Auflösung auf das Hundertfache der Wellenlänge. Bei einer Wellenlänge von 0,001 nm ergibt das immerhin noch eine Auflösungsgrenze von 0,1 nm – das ist fast eine atomare Auflösung! Elektronenmikroskope erreichen dadurch ein Vergrößerungsvermögen von bis zur 1 000 000-fachen Vergrößerung. Wozu werden überhaupt noch LM verwendet, wenn EM so fantastische Auflösungsvermögen aufweisen? Zum einen sind EM viel teurer. Dazu ist die Präparation von Objekten viel aufwändiger (Ultradünnschnitte für TEM, Bedampfen mit Gold für REM). Des Weiteren können keine lebendigen Präparate betrachtet werden, da die Objekte Vakuum ausgesetzt werden müssen. Hochauflösende EM-Bilder nützen nichts, wenn man einen größeren Überblick über die beobachteten Objekte haben möchte. Genau hier liegt eines der gegenwärtigen Probleme der Mikroskopie: Zwischen den Überblicksbildern von LM und den Detailbildern von EM fehlen mehrere Größenordnungen – auf einer Luftaufnahme des Donauinselfestes kann man ebenso wenig ein Gesicht erkennen, wie auf einem Porträtfoto das ganze Fest rundum. Um diese Auflösungslücke zu schließen, treibt die Wissenschaft die Entwicklung neuer Verfahren voran. LM und EM haben ein ähnliches Funktionsprinzip, beide Verfahren haben Vor- und Nachteile 1 W Führe Gründe an, warum Biologinnen und Biologen immer noch Lichtmikroskope verwenden, obwohl Elektronenmikroskope viel stärker vergrößern. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum d s Verlags öbv
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