Das Elektronenmikroskop

Physikalische Grundlagen

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

Das Auflösungsvermögen eines Mikroskops hängt von der Wellenlänge der verwendeten Strahlung ab. 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 etwa der halben Wellenlänge der verwendeten Strahlung entspricht. Ein Lichtmikroskop kann also keine Strukturen sichtbar machen, die kleiner als etwa 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 Lichtmikroskop 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. Die Wellenlänge dieses Elektronenstrahls ist viel, viel kürzer als die Wellenlänge sichtbaren Lichts, so dass man im Elektronenmikroskop deutlich kleinere Strukturen auflösen kann. Das Auflösungsvermögen eines normalen Elektronenmikroskops beträgt heute etwa 0,1 nm und ist damit rund 2.000-mal besser als das eines Lichtmikroskops.

Das Auflösungsvermögen eines guten Lichtmikroskops beträgt etwa 200 nm, das eines Elektronenmikroskops etwa 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, sogenannte Ultramikrotome.

Einige Elektronen werden von dichteren Strukturen des Zellquerschnitts absorbiert, andere treten hindurch. Sie fallen anschließend auf einen Bildschirm, der mit einem besonderen Pigment beschichtet ist. Jedes Mal, wenn dort ein Elektron auftrifft, leuchtet diese Stelle des Bildschirms auf. Alte Röhrenfernseher aus den 1980er Jahren haben nach einem ähnlichen Prinzip funktioniert.

Allerdings ist mit dieser Technik noch kein Vergrößerungseffekt verbunden. Beim Lichtmikroskop wird das Licht durch Linsen gebündelt, wodurch das Bild vergrößert wird. Zunächst erfolgt eine Vergrößerung im Objektiv (Faktor 10 bis 100), anschließend eine weitere im Okular (Faktor 5 bis 15).

Für Elektronenstrahlen gibt es ebenfalls "Linsen". Diese bestehen jedoch nicht aus Glas, sondern aus Elektromagneten. Da Elektronen negativ geladen sind, können sie durch Magnetfelder beeinflusst werden. Durch eine geeignete Anordnung solcher elektromagnetischen Linsen lassen sich die Elektronenstrahlen bündeln und damit ein vergrößertes Bild erzeugen.

Die Stärke dieser Magnetlinsen kann von außen über den elektrischen Strom reguliert werden. Daher benötigt ein Elektronenmikroskop keine verschiedenen Objektive oder Okulare wie ein Lichtmikroskop; die Vergrößerung lässt sich stufenlos einstellen, bis das physikalisch mögliche Maximum erreicht ist.

Arten von Elektronenmikroskopen

Transmissions-Elektronenmikroskop (TEM)

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

Auf der englischen Wikipedia-Seite Transmission electron microscopy werden zahlreiche spezielle Modifikationen beschrieben. Für den normalen Unterricht gehen diese jedoch deutlich zu weit.

Raster-Elektronenmikroskop (REM)

Beim Raster-Elektronenmikroskop tritt der Elektronenstrahl nicht durch das Objekt hindurch, sondern wird an dessen Oberfläche reflektiert. Dadurch können Oberflächenstrukturen auch dickerer Objekte sichtbar gemacht werden.

Dünne biologische Strukturen würden allerdings kaum Elektronen reflektieren. Deshalb wird das Objekt vorher mit einer sehr dünnen Metallschicht überzogen. Diese Schicht bildet die Oberflächenstruktur exakt ab und sorgt gleichzeitig dafür, dass Elektronen reflektiert werden. Die reflektierten Elektronen werden anschließend auf einem Bildschirm sichtbar gemacht.

Der Name "Raster-Elektronenmikroskop" ergibt sich daraus, dass der Elektronenstrahl das Objekt zeilenweise (rasterförmig) abtastet.

Unterschiedliche Pollen, aufgenommen mit dem Rasterelektronenmikroskop.
Public Domain, Dartmouth College Electron Microscope Facility

Beide Arten der Elektronenmikroskopie haben allerdings einen wichtigen Nachteil: Es können nur tote Objekte untersucht werden.