Elektronenmikroskope: Anwendungen und fortschrittliche Bildgebung

Hintergrund und Anwendungen

Elektronenmikroskope nutzen hochenergetische Elektronenstrahlen, um elektronisch vergrößerte Bilder für extrem detaillierte Beobachtungen zu erzeugen. Sie verfügen über eine viel höhere Vergrößerungskraft als normale Lichtmikroskope und können Objekte bis zu zwei Millionen Mal vergrößern. Forscher weltweit setzen sie in zahlreichen Branchen ein; sie sind entscheidend für viele laufende wissenschaftliche Entwicklungen und Entdeckungen.

Biologische und anorganische Materialien

Elektronenmikroskope können sowohl biologische als auch anorganische Materialien vergrößern und werden häufig zur Untersuchung von Zellen, Mikroorganismen, Metallen, Kristallen und Biopsieproben eingesetzt. Die Proben müssen jedoch im Vakuum betrachtet werden und sind in der Regel ultradünn und mit Farbstoffen gefärbt, um eine bessere Sicht zu ermöglichen. Diese Art von Mikroskop kann eine Vielzahl von Informationen über ein Probenstück offenbaren, darunter Morphologie, kristallographische Informationen, Zusammensetzungsdaten und Topografie. Es ist möglich, die feinen Details einer Zelle zu untersuchen. Elektronenmikroskope sind wertvolle Werkzeuge in medizinischen und biologischen Bereichen sowie in der Materialforschung. Fast jedes wissenschaftliche Fachgebiet kann Elektronenmikroskope nutzen. Sie werden am häufigsten in Biologie, Medizin, Chemie und Forensik eingesetzt.

Transmissionselektronenmikroskop (TEM)

Das Transmissionselektronenmikroskop (TEM), die ursprüngliche Form des Elektronenmikroskops, verwendet einen hochspannenden Elektronenstrahl, um ein Bild eines Probenstücks zu erzeugen. Von einer Elektronenkanone ausgehende Elektronen werden beschleunigt, fokussiert und durch ein teilweise transparentes Probenstück geleitet. Der Strahl tritt dann aus dem Probenstück aus und überträgt Informationen an das Objektiv, wo die Vergrößerung erfolgt. Eine fotografische Aufzeichnung des Bildes kann ebenfalls erfolgen, indem Film direkt dem Strahl ausgesetzt wird. TEMs können Informationen über die Morphologie liefern, einschließlich Größe, Form und Anordnung von Partikeln. Sie können auch kristallographische Informationen übermitteln, wie die Anordnung von Atomen und deren Grad der Ordnung, sowie Zusammensetzungsinformationen, einschließlich der relativen Verhältnisse der Elemente und Verbindungen oder Defekte in Bereichen von wenigen Nanometern. Ein TEM kann helfen, Duktilität, Festigkeit, Reaktivität, Schmelzpunkt, Härte, Leitfähigkeit und elektrische Eigenschaften zu bestimmen.

Rasterelektronenmikroskop (SEM)

Im Gegensatz zum TEM, bei dem die Elektronen das gesamte Bild übertragen, erzeugt das Rasterelektronenmikroskop (SEM) ein Bild, indem es den Elektronenstrahl über einen rechteckigen Bereich über das Probenstück scannt. Als Raster-Scanning bekannt, verliert der Elektronenstrahl beim Scannen jedes Punktes auf dem Probenstück Energie. Diese verlorene Energie wandelt sich in Wärme, Licht und Sekundärelektronenausstoß um. Das Display ordnet diese unterschiedlichen Intensitäten einem Bild zu, das auf Oberflächenprozessen statt auf Transmission beruht. Während ein SEM ein Bild mit etwas geringerer Auflösung erzeugt, kann er Proben viel größerer Exemplare verarbeiten, bis zu mehreren Zentimetern Größe, und großartige Darstellungen von 3D-Formen erzeugen. Wie das TEM kann ein SEM Informationen über Morphologie, Zusammensetzung und kristallographische Informationen übermitteln. Sie sind jedoch darauf beschränkt, die Zusammensetzung in Bereichen von einem Mikrometer und den Grad der Ordnung auf Einkristallpartikeln von mehr als 20 Mikrometern zu untersuchen. Darüber hinaus kann ein SEM auch Informationen über Topografie oder Oberflächenmerkmale und -textur bis auf wenige Nanometer liefern.