Das Elektronenmikroskop – Aufbau, Arten und Funktion

Zum Mikroskopieren von Objekten gibt es unterschiedliche Typen von Mikroskopen.
Das Elektronenmikroskop ist dabei ein wichtiges Instrument der Cytologie, da es eine deutlich höhere Auflösung (bis zu 2 000-mal so hoch) erzielen kann als ein einfaches Lichtmikroskop. Es ermöglicht die Abbildung eines Objekts und seiner Oberfläche mithilfe von Elektronen. Einfach erklärt ist ein Elektronenmikroskop also ein spezielles Mikroskop, das Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler seit seiner Erfindung 1931 feinste Strukturen von Lebewesen erkennen lässt.
Für die Untersuchung einer Probe im Elektronenmikroskop muss diese jedoch vakuumstabil und sehr dünn sein – dies funktioniert nicht mit allen organischen Proben. Zur Probenpräparation gehört es außerdem, einige ansonsten für das Mikroskop unsichtbare biologische Proben metallisch einzufärben und ihnen das Wasser zu entziehen. Unter einem Elektronenmikroskop können daher keine lebendigen Proben untersucht werden.
Du siehst, die Arbeit mit der Elektronenmikroskopie im Vergleich zur Lichtmikroskopie birgt Vor- und Nachteile. Auf diesen Vergleich gehen wir später noch einmal genauer ein.

Um die Funktionsweise des Elektronenmikroskops besser zu verstehen, beginnen wir damit, es uns in seinen Einzelteilen genauer anzuschauen. Als Beispiel betrachten wir zunächst das Transmissionselektronenmikroskop (TEM) in seinem Aufbau, bevor wir später auf die anderen Arten von Elektronenmikroskopen eingehen. 

Von oben nach unten betrachtet ist der erste wichtige Bestandteil des Mikroskops die Elektronenquelle (Kathode). Negativ geladene Elektronen werden dort unter hoher Spannung freigesetzt und bewegen sich aufgrund ihrer Ladung zur Anode (Pluspol) hin. Durch die ringförmige Anode hindurch werden die Elektronen zur Kondensorspule geleitet. Diese lenkt den beschleunigten Elektronenstrahl ähnlich wie eine magnetische Linse gebündelt auf das Objekt, also das Präparat, das untersucht werden soll. Beim Passieren des Objekts verändert sich der Elektronenstrahl, die Elektronen streuen an den Atomen der Probe. Dabei ist diese Wechselwirkung je nach Ordnungszahl der Atome der Struktur schwächer oder stärker. Letztendlich lässt dieser veränderte Elektronenstrahl Rückschlüsse auf die Beschaffenheit der Probe zu. Die lokal unterschiedlichen Elektronendichten der Atome sind der Ausgangspunkt der Bildentstehung beim Elektronenmikroskop.

Die Objektspule unter dem Objektträger vergrößert als Elektronenlinse den Elektronenstrahl und produziert ein erstes Zwischenbild. Das Endbild, das schlussendlich zur Betrachtung dient, entsteht in der Projektionsspule und kann am besten auf einem Projektor oder Bildschirm angeschaut werden. Übrigens sind alle Bilder eines Elektronenmikroskops schwarz-weiß, im Gegensatz zu denen eines Lichtmikroskops. Innerhalb des Elektronenmikroskops herrscht ein Vakuum, sodass die Elektronen nicht durch Teilchen der Luft abgelenkt werden können. Außerdem kannst du von außen all diese Komponenten nicht sehen. Das Elektronenmikroskop ist verschlossen in einem metallischen Korpus, wobei es insgesamt viel größer ist als ein Lichtmikroskop und deshalb im Labor meistens einen festen Platz hat.

In der folgenden Abbildung siehst du ein Elektronenmikroskop (TEM) mit Beschriftung der wesentlichen Bestandteile:

Wie oben im Text bereits erwähnt gibt es neben dem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) noch andere Arten von Elektronenmikroskopen mit leicht unterschiedlichen Funktionsweisen.

Das Rasterelektronenmikroskop (REM) hat eine leicht veränderte Bauweise im Vergleich zum TEM. Hier passiert der beschleunigte, gebündelte Elektronenstrahl die Probe nicht, sondern trifft in einem Muster gerastert auf das Präparat. Das gestreute und reflektierte Signal kann daraufhin ausgewertet werden und lässt so auch Informationen über die Topologie der Probe zu, also die Oberflächenbeschaffenheit mit Erhebungen oder Vertiefungen.

Die Kryoelektronenmikroskopie ist eine spezialisierte Form der Transmissionselektronenmikroskopie. Biologische Proben werden hierbei unter kryogenen (extrem niedrigen) Temperaturen untersucht. Durch die niedrigen Temperaturen wird die Probe stabiler und es kann auf Fixierungs- und Kontrastmittel verzichtet werden, sodass die Probe näher an ihrem Originalzustand bleibt. Das Mikroskop hat im Aufbau als Besonderheit eine Kühlfalle und einen Tank mit flüssigem Stickstoff, sodass die Temperatur des Präparats während der Aufnahme möglichst stabil bleibt.