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Elektronmikroskop

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Ein Elektronmikroskop ist ein Typ des Mikroskops, das einen Balken von Elektronen verwendet, um das Muster zu illuminieren und ein vergrößertes Image zu erzeugen. Elektronmikroskope (EM) haben eine größere sich auflösende Macht als ein Licht-angetriebenes optisches Mikroskop, weil Elektronen Wellenlängen ungefähr 100,000mal kürzer haben als sichtbares Licht (Fotonen), und besser erreichen können als 50 Premierminister-Entschlossenheit und Vergrößerung bis zu ungefähr 10,000,000x, wohingegen gewöhnlich, non-confocal leichte Mikroskope durch die Beugung auf ungefähr 200 nm Entschlossenheit und nützliche Vergrößerung unten 2000x beschränkt werden.

Das Elektronmikroskop verwendet elektrostatische und elektromagnetische "Linsen", um den Elektronbalken zu kontrollieren und ihn einzustellen, um ein Image zu bilden. Diese Linsen sind dem analog, aber von den Glaslinsen eines optischen Mikroskops verschieden, die ein vergrößertes Image durch die Fokussierung des Lichtes auf oder durch das Muster bilden.

Elektronmikroskope werden verwendet, um eine breite Reihe von biologischen und anorganischen Mustern einschließlich Kleinstlebewesen, Zellen, großer Moleküle, Biopsie-Proben, Metalle und Kristalle zu beobachten. Industriell wird das Elektronmikroskop häufig für die Qualitätskontrolle und Misserfolg-Analyse verwendet.

Geschichte

Das Elektronmikroskop wurde erfunden und vom ungarischen Physiker Leó Szilárd patentiert, der abgelehnt hat, es zu bauen. Statt dessen haben deutscher Physiker Ernst Ruska und Elektroingenieur Max Knoll das Prototyp-Elektronmikroskop 1931, fähig zu vierhundert Macht-Vergrößerung gebaut; der Apparat war eine praktische Anwendung der Grundsätze der Elektronmikroskopie. Zwei Jahre später, 1933, hat Ruska ein Elektronmikroskop gebaut, das die Entschlossenheit überschritten hat, die mit einem optischen (Linse) Mikroskop erreichbar ist. Außerdem hat Reinhold Rudenberg, der wissenschaftliche Direktor von Siemens-Schuckertwerke, das Patent für das Elektronmikroskop im Mai 1931 erhalten. Familienkrankheit hat den Elektroingenieur dazu gezwungen, ein elektrostatisches Mikroskop auszudenken, weil er sichtbar das Kinderlähmungsvirus hat machen wollen.

1932 hat Ernst Lubcke von Siemens & Halske gebaut und hat Images von einem Prototyp-Elektronmikroskop erhalten, in den Patent-Anwendungen von Rudenberg beschriebene Konzepte anwendend. Fünf Jahre später (1937) hat das Unternehmen die Arbeit von Ernst Ruska und Bodo von Borries finanziert, und hat Helmut Ruska (der Bruder von Ernst) angestellt, um Anwendungen für das Mikroskop besonders mit biologischen Mustern zu entwickeln. Auch 1937 hat Manfred von Ardenne für das scannende Elektronmikroskop den Weg gebahnt. Das erste praktische Elektronmikroskop wurde 1938, an der Universität Torontos, von Eli Franklin Burton und Studenten Cecil Hall, James Hillier und Albert Prebus gebaut; und Siemens hat das erste kommerzielle Übertragungselektronmikroskop (TEM) 1939 erzeugt. Obwohl zeitgenössische Elektronmikroskope zu zwei Millionen Macht-Vergrößerung als wissenschaftliche Instrumente fähig sind, bleiben sie basiert auf den Prototyp von Ruska.

Typen

Übertragungselektronmikroskop (TEM)

Die ursprüngliche Form des Elektronmikroskops, das Übertragungselektronmikroskop (TEM) verwendet einen Hochspannungselektronbalken, um ein Image zu schaffen. Die Elektronen werden durch eine Elektronpistole ausgestrahlt, die allgemein mit einer Wolfram-Glühfaden-Kathode als die Elektronquelle ausgerüstet ist. Der Elektronbalken wird durch eine Anode normalerweise an +100 keV (40 bis 400 keV) in Bezug auf die Kathode beschleunigt, die durch elektrostatische und elektromagnetische Linsen eingestellt ist, und hat durch das Muster übersandt, das teilweise zu Elektronen durchsichtig ist und im Teil sie aus dem Balken streut. Wenn es aus dem Muster erscheint, trägt der Elektronbalken Information über die Struktur des Musters, das durch das objektive Linse-System des Mikroskops vergrößert wird. Die Raumschwankung in dieser Information (das "Image") kann durch die Projektierung des vergrößerten Elektronimages auf einen Leuchtstoffbetrachtungsschirm angesehen werden, der mit einem Phosphor oder scintillator Material wie Zinksulfid angestrichen ist. Wechselweise kann das Image durch das Herausstellen eines fotografischen Films oder Tellers direkt zum Elektronbalken fotografisch registriert werden, oder ein hochauflösender Phosphor kann mittels einer Linse optisches System oder eine Faser Sehleichter Führer zum Sensor eines CCD (ladungsgekoppelter Halbleiterbaustein) Kamera verbunden werden. Das durch den CCD entdeckte Image kann an einem Monitor oder Computer gezeigt werden.

Die Entschlossenheit des TEM wird in erster Linie durch die kugelförmige Abweichung beschränkt, aber eine neue Generation der Abweichung correctors ist im Stande gewesen, kugelförmige Abweichung teilweise zu überwinden, um Entschlossenheit zu vergrößern. Die Hardware-Korrektur der kugelförmigen Abweichung für die hochauflösende Übertragungselektronmikroskopie (HRTEM) hat die Produktion von Images mit der Entschlossenheit unter 0.5 Angström (50 picometres) und Vergrößerung über 50 Millionen Malen erlaubt. Die Fähigkeit, die Positionen von Atomen innerhalb von Materialien zu bestimmen, hat den HRTEM ein wichtiges Werkzeug für die Nanotechnologie-Forschung und Entwicklung gemacht.

Eine wichtige Weise der TEM Anwendung ist Elektronbeugung. Die Vorteile der Elektronbeugung über die Röntgenstrahl-Kristallographie bestehen darin, dass das Muster kein Monokristall oder sogar ein polykristallenes Puder, und auch zu sein braucht, dass sich der Fourier verwandelt, kommt die Rekonstruktion der vergrößerten Struktur des Gegenstands physisch vor und vermeidet so das Bedürfnis danach, das Phase-Problem zu beheben, das durch den Röntgenstrahl crystallographers nach dem Erreichen ihrer Röntgenstrahl-Beugungsmuster eines Monokristalls oder polykristallenen Puders gesehen ist. Der Hauptnachteil des Übertragungselektronmikroskops ist das Bedürfnis nach äußerst dünnen Abteilungen der Muster, normalerweise ungefähr 100 Nanometer. Biologische Muster verlangen normalerweise, um chemisch befestigt, dehydriert und in einem Polymer-Harz eingebettet zu werden, um sie genug zu stabilisieren, um ultradünnen sectioning zu erlauben. Abteilungen von biologischen Mustern, organischen Polymern und ähnlichen Materialien können spezielle `Färbung' mit schweren Atom-Etiketten verlangen, um die erforderliche Bildunähnlichkeit zu erreichen.

Abtastung des Elektronmikroskops

Verschieden vom TEM, wohin Elektronen des Hochspannungsbalkens das Image des Musters tragen, trägt der Elektronbalken der Abtastung des Elektronmikroskops (SEM) wirklich niemals ein ganzes Image des Musters. Der SEM erzeugt Images durch die Untersuchung des Musters mit einem eingestellten Elektronbalken, der über ein rechteckiges Gebiet des Musters (Rasterabtastung) gescannt wird. Wenn der Elektronbalken mit dem Muster aufeinander wirkt, verliert er Energie durch eine Vielfalt von Mechanismen. Die verlorene Energie wird in alternative Formen wie Hitze, Emission der niedrigen Energie sekundäre Elektronen und energiereiche backscattered Elektronen, Lichtemission (cathodoluminescence) oder Röntgenstrahl-Emission umgewandelt, die Signale geben, die Auskunft über die Eigenschaften der Muster-Oberfläche, wie seine Topografie und Zusammensetzung tragen. Das durch einen SEM gezeigte Image stellt die unterschiedliche Intensität von einigen dieser Signale ins Image in einer Position entsprechend der Position des Balkens auf dem Muster kartografisch dar, als das Signal erzeugt wurde. Im SEM Image einer am Recht gezeigten Ameise wurde das Image von Signalen gebaut, die durch einen sekundären Elektronentdecker, die normale oder herkömmliche Bildaufbereitungsweise im grössten Teil von SEMs erzeugt sind.

Allgemein ist die Bildentschlossenheit eines SEM über eine Größenordnung, die schwächer ist als dieser eines TEM. Jedoch, weil sich das SEM Image auf Oberflächenprozesse aber nicht Übertragung verlässt, ist es im Stande, Hauptteil-Proben darzustellen, bis zu viele Zentimeter in der Größe und (abhängig von Instrument-Design und Einstellungen) haben eine große Tiefe des Feldes, und können so Images erzeugen, die gute Darstellungen der dreidimensionalen Gestalt der Probe sind. Ein anderer Vorteil von SEM ist seine Vielfalt genannt scannendes Umweltelektronmikroskop (ESEM) kann Images der genügend Qualität und Entschlossenheit mit den Proben erzeugen, die im niedrigen Vakuum oder Benzin nass oder enthalten sind. Das erleichtert außerordentlich darstellende biologische Proben, die im Hochvakuum von herkömmlichen Elektronmikroskopen nicht stabil sind.

Nachdenken-Elektronmikroskop

Im Nachdenken-Elektronmikroskop (REM) als im TEM ist ein Elektronbalken Ereignis auf einer Oberfläche, aber anstatt die Übertragung (TEM) oder sekundären Elektronen (SEM) zu verwenden, wird der widerspiegelte Balken elastisch gestreuter Elektronen entdeckt. Diese Technik wird normalerweise mit dem Nachdenken hohen Energieelektronbeugung (RHEED) und Nachdenken energiereichen Verlust-Spektroskopie (RHELS) verbunden. Eine andere Schwankung ist Drehungspolarisierte Elektronmikroskopie der niedrigen Energie (SPLEEM), die verwendet wird, um auf die Mikrostruktur von magnetischen Gebieten zu schauen.

Die Abtastung des Übertragungselektronmikroskops

Die STAMM-Raster eine eingestellte Ereignis-Untersuchung über ein Muster, das (als mit dem TEM) dünn gemacht worden ist, um Entdeckung von durch das Muster gestreuten Elektronen zu erleichtern. Die hohe Entschlossenheit des TEM ist so im STAMM möglich. Die sich konzentrierende Handlung (und Abweichungen) kommt vor, bevor die Elektronen das Muster im STAMM, aber später im TEM schlagen. Der STAMM-Gebrauch des SEM ähnlichen Balkens rastering vereinfacht Ringdunkel-Feldbildaufbereitung und andere analytische Techniken, sondern auch bedeutet, dass Bilddaten in der Reihe aber nicht auf die parallele Mode erworben werden. Häufig kann TEM mit der Abtastungsauswahl ausgestattet werden, und dann kann es sowohl als TEM als auch als STAMM fungieren.

Elektronmikroskop der niedrigen Stromspannung

Das Elektronmikroskop der niedrigen Stromspannung (LVEM) ist eine Kombination von SEM, TEM und STAMM in einem Instrument, das an der relativ niedrigen Elektronbeschleunigungsstromspannung von 5 kV funktioniert. Niedrige Stromspannung reduziert den Muster-Schaden durch die Ereignis-Elektron- und Zunahme-Bildunähnlichkeit, die für biologische Muster besonders wichtig ist. Diese Zunahme nimmt im Gegensatz bedeutsam ab, oder beseitigt sogar das Bedürfnis Flecken zu verursachen. Proben von Sectioned müssen allgemein dünner sein, als sie für herkömmlichen TEM (20-65 nm) sein würden. Entschlossenheiten von einigen nm sind in TEM, SEM und STAMM-Weisen möglich.

Beispielvorbereitung

Unter einem Elektronmikroskop anzusehende Materialien können verlangen, dass Verarbeitung eine passende Probe erzeugt. Die erforderliche Technik ändert sich abhängig vom Muster und der erforderlichen Analyse:

Chemisches Fixieren - für biologische Muster hat zum Ziel, die bewegliche makromolekulare Struktur des Musters durch chemischen crosslinking von Proteinen mit Aldehyden wie formaldehyde und glutaraldehyde und lipids mit dem Osmium tetroxide zu stabilisieren.
Negativer Fleck - Suspendierungen, die nanoparticles enthalten, oder feines biologisches Material (wie Viren und Bakterien) werden mit einer verdünnten Lösung einer elektronundurchsichtigen Lösung wie Ammonium molybdate, uranyl Azetat (oder formate), oder phosphotungstic Säure kurz gemischt. Diese Mischung wird auf einen angemessen gekleideten EM Bratrost angewandt, hat befleckt, hat dann erlaubt zu trocknen. Die Betrachtung dieser Vorbereitung im TEM sollte ohne Verzögerung für beste Ergebnisse ausgeführt werden. Die Methode ist in der Mikrobiologie für die schnelle, aber grobe morphologische Identifizierung wichtig, aber kann auch als die Basis für die hohe Rekonstruktion des Beschlusses 3D mit der EM Tomographie-Methodik verwendet werden, wenn Kohlenstoff-Filme für die Unterstützung verwendet werden.
Cryofixation - das Einfrieren eines Musters so schnell, zum flüssigen Stickstoff oder den sogar flüssigen Helium-Temperaturen, dass das Wasser gläsernes (nichtkristallenes) Eis bildet. Das bewahrt das Muster in einem Schnellschuss seines Lösungsstaates. Ein komplettes Feld hat gerufen Cryo-Elektronmikroskopie hat sich von dieser Technik verzweigt. Mit der Entwicklung der Cryo-Elektronmikroskopie von Glasabteilungen (CEMOVIS) ist es jetzt möglich, Proben von eigentlich jedem biologischen Muster in der Nähe von seinem heimischen Staat zu beobachten.
Wasserentzug - Stopp-Trockner oder Ersatz von Wasser mit organischen Lösungsmitteln wie Vinylalkohol oder Azeton, das vom kritischen Punkt-Trockner oder der Infiltration mit dem Einbetten von Harzen gefolgt ist.
Das Einbetten, die biologischen Muster - nach Wasserentzug, wird das Gewebe für die Beobachtung im Übertragungselektronmikroskop so eingebettet es kann bereit zur Betrachtung sein sectioned. Um das zu tun, wird das Gewebe durch ein 'Übergang-Lösungsmittel' wie Oxyd von Propylene (epoxypropane) passiert und dann mit einem Epoxydharz-Harz wie Araldite, Epon oder Durcupan eindringen lassen; Gewebe können auch direkt in wassermischbarem Acrylharz eingebettet werden. Nachdem das Harz polymerised gewesen ist, ist (hart geworden) die Probe ist dünner sectioned (ultradünne Abteilungen) und befleckt - es ist dann zur Betrachtung bereit.
Das Einbetten, die Materialien - nach dem Einbetten in Harz, ist das Muster gewöhnlich Boden und poliert zu einem spiegelähnlichen Schluss mit ultrafeinen Poliermitteln. Der glänzend werdende Prozess muss sorgfältig durchgeführt werden, um Kratzer und andere glänzend werdende Kunsterzeugnisse zu minimieren, die Bildqualität reduzieren.
Sectioning - erzeugt dünne Scheiben des Musters, das zu Elektronen halbdurchsichtig ist. Diese können auf einem ultramicrotome mit einem Diamantmesser geschnitten werden, um ultradünne Scheiben ungefähr 60-90 nm dick zu erzeugen. Einwegglasmesser werden auch verwendet, weil sie im Laboratorium gemacht werden können und viel preiswerter sind.
Färbung - verwendet schwere Metalle wie Leitung, Uran oder Wolfram zu Streuungsbildaufbereitungselektronen, und geben Sie so Unähnlichkeit zwischen verschiedenen Strukturen, da viele (besonders biologische) Materialien fast zu Elektronen (schwache Phase-Gegenstände) "durchsichtig" sind. In der Biologie können Muster "en Block" vor dem Einbetten und auch später danach sectioning befleckt sein. Normalerweise dünne Abteilungen sind seit mehreren Minuten mit einer wässrigen oder alkoholischen Lösung von uranyl von wässrigem Leitungszitrat gefolgtem Azetat befleckt.
Stopp-Bruch oder Stopp - ätzen - eine Vorbereitungsmethode, die besonders nützlich ist, um lipid Membranen und ihre eingetragenen Proteine im "Gesicht auf der" Ansicht zu untersuchen. Frische Gewebe- oder Zellsuspendierung wird schnell (cryofixation) eingefroren, dann durch das einfache Brechen oder durch das Verwenden eines Mikrowälzers, während aufrechterhalten, bei der flüssigen Stickstoff-Temperatur zerbrochen. Die Kälte zerbrochene Oberfläche (manchmal "geätzt" durch die Erhöhung der Temperatur zu ungefähr 100 °C seit mehreren Minuten, um ein Eis erhaben zu lassen), ist dann shadowed mit verdampftem Platin oder Gold in einem durchschnittlichen Winkel von 45 ° in einem Hochvakuum-Evaporator. Ein zweiter Mantel von Kohlenstoff, hat verdampft die Senkrechte zum durchschnittlichen Oberflächenflugzeug wird häufig durchgeführt, um Stabilität des Replik-Überzugs zu verbessern. Das Muster wird in die Raumtemperatur und den Druck zurückgegeben, dann wird die äußerst zerbrechliche "pre-shadowed" Metallreplik der Bruch-Oberfläche vom zu Grunde liegenden biologischen Material durch das sorgfältige chemische Verzehren mit Säuren, hypochlorite Lösung oder SDS Reinigungsmittel veröffentlicht. Die noch Schwimmreplik wird frei von restlichen Chemikalien gründlich gewaschen, die sorgfältig auf dem feinen Bratrost aufgefischt sind, ausgetrocknet dann angesehen im TEM.
Das Ion-Balken-Mahlen - thins Proben, bis sie zu Elektronen durchsichtig sind, indem sie Ionen (normalerweise Argon) an der Oberfläche von einem Winkel anzünden und Material von der Oberfläche stottern. Eine Unterklasse davon ist das eingestellte Ion-Balken-Mahlen, wo Gallium-Ionen verwendet werden, um eine durchsichtige Elektronmembran in einem spezifischen Gebiet der Probe zum Beispiel durch ein Gerät innerhalb eines Mikroprozessors zu erzeugen. Das Ion-Balken-Mahlen kann auch für den Querschnitt verwendet werden, der vor der SEM Analyse von Materialien glänzend wird, die schwierig sind, das verwendende mechanische Polieren vorzubereiten.
Leitender Überzug - ein ultradünner Überzug, elektrisch Material, abgelegt entweder durch die Hochvakuum-Eindampfung oder durch das niedrige Vakuum zu führen, stottert Überzug der Probe. Das wird getan, um die Anhäufung von statischen elektrischen Feldern am Muster wegen des während der Bildaufbereitung erforderlichen Elektronausstrahlens zu verhindern. Die Überzug-Materialien schließen Gold, Gold/Palladium, Platin, Wolfram, Grafit usw. ein.

Nachteile

Geschildert: Die Ersten echten Grad-Filterhaare mit einem V Muster der zweiten echten Grad-Haare, die zum Inneren des Zufuhrkorbs hinweisen. Der purpurrote Ball ist 1 µm im Durchmesser.]]

Elektronmikroskope sind teuer, um zu bauen und aufrechtzuerhalten, aber das Kapital und die Betriebskosten von confocal leichten Mikroskop-Systemen überlappen jetzt mit denjenigen von grundlegenden Elektronmikroskopen. Mikroskope, die entworfen sind, um hohe Entschlossenheiten zu erreichen, müssen in stabilen Gebäuden (manchmal Untergrundbahn) mit speziellen Dienstleistungen wie magnetische Feldannullieren-Systeme aufgenommen werden.

Die Proben müssen größtenteils im Vakuum angesehen werden, weil die Moleküle, die Luft zusammensetzen, die Elektronen streuen würden. Eine Ausnahme ist das scannende Umweltelektronmikroskop, das wasserhaltigen Proben erlaubt, in einem Unterdruck-(bis zu) und/oder nasser Umgebung angesehen zu werden.

Die Abtastung von Elektronmikroskopen, die in der herkömmlichen Hochvakuum-Weise gewöhnlich Image leitende Muster funktionieren; deshalb verlangen nichtleitende Materialien leitenden Überzug (Legierung des Goldes/Palladiums, Kohlenstoff, Osmium, usw.) die Weise der Niedrigen Stromspannung von modernen Mikroskopen macht mögliche Beobachtung von nichtleitenden Mustern ohne Überzug. Nichtleitende Materialien können auch durch einen variablen Druck (oder Umwelt-) Abtastung des Elektronmikroskops dargestellt werden.

Kleine, stabile Muster wie Kohlenstoff nanotubes, Kieselalge frustules und kleine Mineralkristalle (Asbest-Fasern, zum Beispiel) verlangen keine spezielle Behandlung, bevor sie im Elektronmikroskop untersucht werden. Proben von wasserhaltigen Materialien, einschließlich fast aller biologischen Muster müssen auf verschiedene Weisen bereit sein, sie zu stabilisieren, ihre Dicke (ultradünner sectioning) zu reduzieren und ihr Elektron optisch Kontrast-(Färbung) zu vergrößern. Diese Prozesse können auf Kunsterzeugnisse hinauslaufen, aber diese können gewöhnlich durch das Vergleichen der erhaltenen Ergebnisse durch das Verwenden radikal verschiedener Muster-Vorbereitungsmethoden identifiziert werden. Ihm wird allgemein von Wissenschaftlern geglaubt, die im Feld arbeiten, dass weil Ergebnisse von verschiedenen Vorbereitungstechniken verglichen worden sind, und dass es keinen Grund gibt, dass sie alle ähnliche Kunsterzeugnisse erzeugen sollten, ist es angemessen zu glauben, dass Elektronmikroskopie-Eigenschaften denjenigen von lebenden Zellen entsprechen. Seit den 1980er Jahren, der Analyse von cryofixed, sind verglaste Muster auch zunehmend verwendet von Wissenschaftlern geworden, weiter die Gültigkeit dieser Technik bestätigend.