Cytologie

Elektronenmikroskop

Wie ist ein Elektronenmikroskop aufgebaut und wie funktioniert es überhaupt? Hier bekommst du die Antworten auf diese Fragen.

Um noch einfacher zu lernen, kannst du dir auch unser Video dazu ansehen. %Videoverweis

Inhaltsübersicht

Elektronenmikroskop einfach erklärt

Mit einem Elektronenmikroskop kannst du extrem kleine Dinge untersuchen. Zum Beispiel kannst du dir einen Chloroplasten sehr detailliert anschauen und sogar dessen Membraneinstülpungen erkennen. Das Elektronenmikroskop hat eine Vergrößerung von 1.000.000. Zum Vergleich dazu: Ein Lichtmikroskop vergrößert nur etwa 1.500- bis 2.000-fach. Eine 1-Cent-Münze würde mit dieser Vergrößerung etwa einen Durchmesser von 1,6 km haben.

Wie der Name schon sagt, werden bei dem Elektronenmikroskop Elektronen auf das Objekt geschossen. Diese werden entweder vom Objekt aufgenommen oder zurückgeworfen. Daraus erstellt das Mikroskop selbst ein Bild. Diese Art von Mikroskop wirst du im Unterricht wahrscheinlich nicht selbst nutzen. Sie sind nämlich teuer und dauern ziemlich lang. Stattdessen hast du dir bestimmt schon die damit erzeugten Bilder angesehen. Diese sind sehr detailliert und nur in schwarz-weiß.

Elektronenmikroskop Aufbau

Der Aufbau des Elektronenmikroskopes ist etwas kompliziert, aber hier erklären wir ihn dir ganz einfach.

%<img class="n3VNCb" src="https://userscontent2.emaze.com/images/88aca187-a512-401c-8881-f57a0d84c24f/6a93e2995db3a0c36dd01daa8c83dd6d.jpg" alt="Untitled by carowentzel3 on emaze" data-iml="13623" />Beschreibung: Aufbau des Elektronenmikroskopes. Alt-Text: Mikroskop, Transmissionselektronenmikroskop, Rasterelektronenmikrskop,  Spule 

Am oberen Ende des Elektronenmikroskops befindet sich die Elektronenquelle. Diese produziert Elektronen. Das sind negativ geladene Teilchen. Elektroden, die Elektronen abgeben können, werden als Kathode bezeichnet. Daher stellt die Elektronenquelle die Kathode dar.
Von dort wandern die Elektronen zur Anode. Sie ist der Pluspol und besitzt viele positiv geladenen Teilchen. Daher werden die negativ geladenen Elektronen angezogen, weil entgegengesetzte Ladungen sich wie Magneten gegenseitig annähern. 

Die Vergrößerung im Mikroskop wird durch die Spulen verursacht. Davon gibt es insgesamt drei Stück: die Kondensorspule, die Objektspule und die Projektionsspule. Eine Spule erzeugt ein Magnetfeld.

Wenn du wissen möchtest, wie das genau funktioniert, dann schau dir doch unser Video zur Spule und Induktion an.

Diese Spulen sind über das Elektronenmikroskop verteilt, befinden sich aber in einer Linie. Möglicherweise kennst du diese Spulen des Elektronenmikroskops aus dem Unterricht, aber unter dem Namen Linse. Diese heißen dann eben Kondesorlinse, Objektlinse und Projektionslinse. Genau genommen handelt es sich aber um keine echten Linsen aus Glas, sondern nur um Elektronenlinsen. Sie erzeugen ein magnetisches Feld , was du mit deinen Augen aber nicht sehen kannst. 

Das Objekt legst du zwischen die Kondensorspule und die Objektspule. Als Objekt verstehst du dabei den zu untersuchenden Gegenstand. Das sind in der Biologie meist Pflanzen- oder Tierzellen und deren Bestandteile bzw. Zellorganellen .

Von Außen siehst du die ganzen Teile des Mikroskopes jedoch nicht. Ein Elektronenmikroskop kannst du allerdings nicht wie ein Lichtmikroskop einfach in der Hand halten, da es viel größer und schwerer ist.

Elektronenmikroskop Funktion 

Die Kathode, also die Elektronenquelle, produziert Elektronen. Diese werden als Strahl in Richtung Anode ausgesandt. Gleichzeitig zieht die Anode die Elektronen an und beschleunigt sie dadurch. Diese werden durch die Kondensorspule weitergeleitet. Die Spule bündelt den Strahl. Das bedeutet, dass die Elektronen in eine Reihe zusammengedrängt werden.

%<img src="https://www.leifiphysik.de/sites/default/files/medien/magnetlinse_quantenobjekte_aus.gif" alt="" width="329" height="241" />Beschreibung: Bau einer Spule. Alt-Text: Elektronenmikroskop, Spule, Magnetfeld, Induktion

Nun gelangen die Elektronen auf das Objekt. Das kann zum Beispiel ein Stück der Wasserpest sein, was du auf einem Objekthalter platzierst. Treffen die Elektronen auf das Präparat, gelangen diese durch das Objekt und werden abgeleitet oder es werden neue Elektronen aus der Probe herausgeschlagen.

Hinter dem Objekt befindet sich eine weitere Spule, die Objektspule. Sie vergrößert den Strahl der freigesetzten Elektronen und es entsteht ein Zwischenbild. Dieses ist nun schon vergrößert. Durch die Projektionsspule vergrößert sich das Zwischenbild nochmals. Da die Elektronen mit bloßem Auge nicht erkennbar sind, werden diese extra von speziellen Einrichtungen im Elektronenmikroskop sichtbar gemacht.

Darstellung des Bildes

Auf einem Schirm am unteren Ende des Elektronenmikroskopes wird das Bild dargestellt. Diesen Schirm kannst du dir wie den Schirm in der Fernsehbildröhre vorstellen. Die darauf eintreffenden Elektronen werden gezählt. Viele Elektronen verursachen eine helle Stelle und wenige Elektronen eine dunklere Stelle. Die unterschiedlichen Elektronendichten erzeugen somit das Bild.

Unter Elektronendichte verstehst du ein Maß dafür, wie viele Elektronen auf einer Stelle eintreffen. Daher kann das Elektronenmikroskop auch nur schwarz-weiß-Bilder erzeugen. Die Elektronen stellen nämlich nur einen Kontrast dar, also viele oder wenige Teilchen auf einer Stelle. Daran lassen sich die Farben nicht erkennen.

Du kannst das Bild durch das Beobachtungsmikroskop anschauen. Du kennst aus dem Unterricht wahrscheinlich aber nur aufgenommene Bilder. Die meisten Elektronenmikroskope haben eine integrierte Kamera.

Die Bilder sind sehr detailliert. Wenn du damit eine Pflanzenzelle untersuchen würdest, könntest du zum Beispiel die Chloroplasten oder den Zellkern ganz genau und sehr scharf sehen. In der Vergrößerung und der Auflösung liegt auch der Unterschied zum klassischen Lichtmikroskop. Die Elektronen, die aus der Elektronenquelle geschleudert werden, besitzen eine kürzere Wellenlänge als das Licht beim Lichtmikroskop. Dadurch sind bei dem Elektronenmikroskop viel stärkere Vergrößerungen und größere Auflösungen möglich.

Vakuum

Innerhalb eines Elektronenmikroskopes wird ein Vakuum erzeugt. Das bedeutet, dass sich nur sehr wenige Teilchen innerhalb des Mikroskopes befinden. Es gibt für die Elektronen also kaum Hindernisse auf dem Weg zum Objekt und zum Schirm. Dadurch können sich die Elektronen ungehindert bewegen und werden nicht abgelenkt. Würde es kein Vakuum geben, würde also ein unscharfes Bild entstehen, da die Elektronen in verschiedene Richtungen abgelenkt werden. Wenn du zwei Bälle aufeinander werfen würdest, würden diese auch in verschiedene Richtungen gelenkt werden und nicht auf ihrer normalen Flugbahn bleiben.

Elektronenmikroskop Arten

Es gibt verschiedene Arten der Elektronenmikroskopie. Du kannst zwischen dem Rasterelektronenmikroskop (REM) und dem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) unterscheiden. Das REM kann nur eine geringere Vergrößerung hervorrufen als das TEM. Jedoch ist es dem REM möglich, die Bilder räumlich darzustellen.

Rasterelektronenmikroskop

Mit einem Rasterelektronenmikroskop kannst du sehr gut die realistischen Oberflächen eines Objektes untersuchen. Diese werden sogar räumlich dargestellt.
Für diese Art der Mikroskopie muss die Oberfläche des Präparates bearbeitet werden. Denn in einem REM können nur Oberflächen dargestellt werden, die eine elektrische Leitfähigkeit besitzen. Dafür wird diese mit einer dünnen Schicht aus einem Schwermetall wie Gold bedampft.

Treffen die Elektronen auf die Probe,  finden dort Wechselwirkungen statt. Dadurch werden manche Elektronen aus dem Objekt herausgeschlagen. Diese werden von Detektoren erfasst und dargestellt.

Der Elektronenstrahl ist extrem fein. Dadurch erreicht er nicht das ganze Präparat mit einem Mal. Stattdessen teilt man es in Raster ein, welche nacheinander angestrahlt werden. So entstehen viele kleine Bildchen, wie Puzzleteile, die schließlich von einem Computer zusammengesetzt werden. Nun kannst du das ganze Präparat als ein Bild sehen.

Hier siehst du zum Beispiel das Bild von Bakterien:
%<img src="https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/70/Providencia_alcalifaciens.jpg/300px-Providencia_alcalifaciens.jpg" srcset="//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/70/Providencia_alcalifaciens.jpg/450px-Providencia_alcalifaciens.jpg 1.5x, //upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/70/Providencia_alcalifaciens.jpg/600px-Providencia_alcalifaciens.jpg 2x" alt="REM-Aufnahme von Providencia alcalifaciens" width="300" height="202" data-file-width="700" data-file-height="472" />Beschreibung: Bakterien unter dem Rasterelektronenmikroskop. Alt-Text: Elektronenmikroskop, Vergrößerung, Mikroskopie, Mikroskop, Objekt

Transmissionselektronenmikroskop

Das Transmissionselektronenmikroskop wird auch als Durchstrahlungselektronenmikroskop bezeichnet. Der Name kommt von dem lateinischen Begriff ‚transmittere‘, das heißt übersetzt ‚durchschicken‘.

Damit kannst du allerdings nicht die räumliche Struktur des Objektes betrachten. Du siehst lediglich den Schnitt durch das Präparat, so wie mit dem Lichtmikroskop. Mit dem Transmissionselektronenmikroskop kannst du das Objekt stärker vergrößern als mit dem Rasterelektronenmikroskop.

Bei dieser mikroskopischen Technik wird das Präparat eingebettet und mit Schwermetallen behandelt. Dadurch kannst du die Strukturen besser erkennen. Würde man die Präparate nicht vorbehandeln, wäre der Kontrast extrem gering. Daher wäre das Bild sehr hell und die Strukturen könntest du kaum sehen. Außerdem muss das Präparat sehr dünn geschnitten sein. Es ist etwa 10–100 μm dick. Zum Vergleich: Ein Blatt Papier ist etwa 1000 mal dicker.

Die Elektronen durchstrahlen das Objekt, ähnlich wie das Licht bei dem Lichtmikroskop.

Hier siehst du Bakterien unter dem Transmissionselektronenmikroskop:
%<img class="n3VNCb" src="https://medienschafe.files.wordpress.com/2011/06/nov05.jpg" alt="EHEC | Das Treiben der Lämmer" data-iml="17823" />Beschreibung: Bakterien unter dem Transmissionselektronenmikroskop. Alt-Text: Elektronenmikroskop, Vergrößerung, Mikroskopie, Mikroskop, Objekt

Kyroelektronenmikroskop

Eine spezielle Art der Elektronenmikroskopie ist die Kyroelektronenmikroskopie. Dabei muss das Präparat im Gegensatz zu den anderen beiden Arten nicht speziell behandelt werden. Bei einer Behandlung kann es zu Strukturveränderungen kommen. Diese wird bei der Kyroelektronenmikroskopie ausgeschlossen. Stattdessen müssen aber Temperaturen von unter -150°C herrschen. Das Präparat wird so schnell abgekühlt, dass dessen Strukturen größtenteils unverändert bleiben.

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