Was ist ein Transmissionselektronenmikroskop?
Ein Transmissionselektronenmikroskop ist ein Messgerät, mit dem die innere Struktur einer Probe beobachtet werden kann.
Es ist eine Art Elektronenmikroskop, das das Innere einer ultradünnen Probe beobachtet, indem es diese mit Elektronenstrahlen bestrahlt und die durchgelassenen und gestreuten Elektronen, die die Probe durchdringen, erfasst. Es wird in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt, z. B. in der Werkstofftechnik und der Biochemie, da es die innere Struktur einer Probe mit einer hohen Vergrößerung beobachten kann, die mit einem Lichtmikroskop nicht möglich ist.
Anwendungen von Transmissionselektronenmikroskopen
Transmissionselektronenmikroskope werden verwendet, um die innere Struktur einer Probe bei Vergrößerungen von mehreren hundert bis zu mehreren Millionen Mal zu beobachten.
Damit können ganze Zellen auf der Ebene von einigen zehn Mikrometern sowie atomare Anordnungsstrukturen auf der Ebene von einigen Å (1 Å (Angström) = 10-10 m) beobachtet werden. Es kann für die Strukturanalyse verschiedener Materialien wie Halbleiter und Keramik sowie für die Beobachtung verschiedener Objekte wie Zellen, Bakterien und anderer biologischer Proben verwendet werden. Es können verschiedene Informationen gewonnen werden wie z. B. die Beobachtung von Elektronenbeugungsmustern durch die Einstellung des Linsensystems und die Elementar- und Zustandsanalyse durch die zusätzliche Anbringung eines Spektrometers. Im Gegensatz zur Transmissionselektronenmikroskopie (STEM) kann sie Bilddaten auf einmal erfassen und wird daher manchmal zur Beobachtung von Strukturveränderungen im Laufe der Zeit eingesetzt.
Funktionsweise der Transmissionselektronenmikroskope
Die Funktionsweise der Transmissionselektronenmikroskope besteht darin, dass beschleunigte Elektronen auf eine Probe eingestrahlt werden und die durch die Probe durchgelassenen Elektronen nachgewiesen werden, um den inneren Zustand zu beobachten. Obwohl der Aufbau dem eines Lichtmikroskops ähnelt, wird als Lichtquelle kein sichtbares Licht, sondern ein Elektronenstrahl verwendet, so dass die Dicke der Probe so weit reduziert werden muss, dass die Elektronen eindringen können (weniger als 100 nm). Der Unterschied in der Dichte der durch die Probe durchgelassenen Elektronen erscheint als Kontrast.
Je kürzer die Wellenlänge der die Probe durchstrahlenden Elektronen ist (je höher die Energie), desto höher ist die Auflösung: Wenn die Elektronen mit einer Beschleunigungsspannung von 300 kV beschleunigt werden, beträgt die Wellenlänge 0,00197 nm, was viel kürzer ist als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts, das in der optischen Mikroskopie verwendet wird (ca. 380 nm bis 780 nm), was eine Beobachtung mit hoher Auflösung (~0,1 nm) ermöglicht.
Je höher die Beschleunigungsspannung ist, desto kürzer ist die Wellenlänge und desto höher ist die Auflösung, aber dies erhöht die Beschädigung der Probe und muss entsprechend angepasst werden. Die Obergrenze der Auflösung liegt aufgrund von Faktoren wie Abbildungsfehlern im optischen System bei etwa 50 pm.
Weitere Informationen zu Transmissionselektronenmikroskopen
1. Vorbereitung von Proben für Transmissionselektronenmikroskope
Einige Proben erfordern eine geeignete Probenvorbereitung:
Dicke Proben
Proben für die allgemeine Transmissionselektronenmikroskopie müssen auf eine Dicke von etwa 100 nm ausgedünnt werden.
1. Dispersionsverfahren
Die Probe wird in einem Lösungsmittel dispergiert und die Dispersion wird zur Beobachtung auf das Substrat getropft.
2. Mikrotom-Methode
Bei dieser Methode wird die Probe mit einem Diamantmesser auf eine Dicke von etwa 100 nm ausgedünnt. Weiche Proben, wie z. B. Polymere, werden mit flüssigem Stickstoff gekühlt und dann geschnitten.
3. Ar-Fräsmethode
Die Probe wird mechanisch bis zu einer Dicke von einigen zehn Mikrometern ausgedünnt und dann mit Ar+-Ionen bestrahlt, die die Bindungen in der Probe aufbrechen und sie gleichzeitig dünner machen.
4. FIB-Verfahren
Der Zielbereich wird mit der FIB-Methode gedünnt, während er z. B. mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) beobachtet wird. Mit einem Ultrahochspannungs-Elektronenmikroskop (HVEM) mit einer Beschleunigungsspannung von 1000 kV oder mehr können Proben mit einer Dicke von etwa 5 µm betrachtet werden. Da die Geräte jedoch sehr groß sind und die Struktur komplex ist, sind sie hauptsächlich in Forschungseinrichtungen wie Universitäten zu finden.
Keine schweren Elemente enthaltenen Proben
Polymere und biologische Proben bestehen hauptsächlich aus leichten Elementen wie C, H, N und O, die für Elektronen sehr durchlässig sind und unter Umständen keinen ausreichenden Kontrast für die Strukturerkennung bieten. Eine selektive Elektronenfärbung mit einem Färbemittel mit hohem Elektronenstreuvermögen (z. B. OsO4 oder RuO4) in dem Bereich, in dem die Struktur beobachtet werden soll, kann ein Bild mit ausreichendem Kontrast liefern. Die Elektronenfärbung kann die Struktur der Probe verändern, und um diesen Effekt zu vermeiden, ist die Verwendung des Phasenkontrasts in der Transmissionselektronenmikroskopie oder der Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) wirksam.
Unter Hochvakuumbedingungen verdampfende oder sublimierende Proben
Das Verdampfen oder Sublimieren unter Hochvakuumbedingungen verändert nicht nur die Struktur und Form der Probe, sondern kann auch zu Geräteausfällen führen. Um dies zu verhindern, sollte die Transmissionselektronenmikroskope (ETEM) oder die Kryoelektronenmikroskope (Kryo-EM) unter kontrollierten Umweltbedingungen eingesetzt werden.
2. Die wichtigsten Analysatoren an Transmissionselektronenmikroskopen
Da bei der Bestrahlung einer Probe mit beschleunigten Elektronenstrahlen neben den Elektronen noch eine Vielzahl anderer Signale erzeugt werden, können Transmissionselektronenmikroskope mit verschiedenen Arten von Analysegeräten ausgestattet werden.
Elektronenbeugung
Ein Beugungsbild der Probe wird durch den Nachweis der Interferenz von elastisch gestreuten Elektronenstrahlen gewonnen. Die Analyse des Beugungsbildes gibt Aufschluss über kristallografische Informationen wie die Kristallstruktur und -orientierung.
Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie (EELS)
Inelastisch gestreute Elektronenstrahlen sind die Elektronenstrahlen, die von einer Probe emittiert werden, nachdem der einfallende Elektronenstrahl Elektronen in der Probe angeregt hat. Durch Messung der Energieverluste des Elektronenstrahls im Vergleich zur Zeit vor dem Einfall des Strahls lassen sich Informationen über die Zusammensetzung und den Bindungszustand der Probe ermitteln.
Elektronen-Tomographie
Durch Anwendung der Prinzipien der Computertomographie (CT) auf die durchgelassenen Elektronen ist es möglich, ein dreidimensionales stereoskopisches Bild der Probe zu erzeugen, indem Querschnittsbilder der Probe übereinander gelegt werden.
Diese können durch verschiedene andere Analysefunktionen ergänzt werden. Im Vergleich zu Messungen mit einem unabhängigen Messgerät können detailliertere Messungen durchgeführt werden, da die Messposition während der Betrachtung des Transmissionselektronenmikroskopfotos gewählt werden kann.