Auflösungsvermögen
  Lichtmikroskopie
  Elektronenmikroskopie
  Rasterelektronenmikroskopie (REM)
  Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)
  Mittelspannungselektronenmikroskopie (IHVEM)
  Höchstspannungselektronenmikroskopie (HVEM)
  Links zu ausgewählten Webseiten über Mikroskopie

Auflösungsvermögen
Mikroskope ermöglichen uns, die verborgene Welt kleiner Objekte zu sehen. Diese bleiben unserem bloßen Auge wegen einer grundlegenden optischen Grenze, der Auflösungsgrenze oder dem Auflösungsvermögen, verborgen. Das Auflösungsvermögen bezeichnet den minimalen Abstand zwischen zwei Objekten, damit wir sie als getrennt und nicht als ein Objekt wahrnehmen können.

2 aufgelöste Objekte	2 nicht aufgelöste Objekte	dieselben 2 Objekte mit einem besseren optischen Instrument aufgelöst

Dies sind die Grenzen des Auflösungsvermögens verschiedener optischer Instrumente:

optisches Instrument	Auflösungsvermögen	Auflösungsvermögen in Ångström
menschliches Auge	0,2 Millimeter (mm)	2 000 000 Å
Lichtmikroskop	0,25 Mikrometer (µm)	2500 Å
Rasterelektronenmikroskop (REM)	5-10 Nanometer (nm)	50-100 Å
Transmissionselektronenmikroskop (TEM)	0,5 Nanometer (nm)	5 Å

Die letzte Spalte ermöglicht durch Verwendung der gleichen Einheit einen hilfreichen Vergleich der verschiedenen Mikroskoptypen. Erinnern Sie sich, dass 1 Ångström der Durchmesser eines kleinen Atoms ist; somit kann ein TEM potentiell Objekte auflösen, die nur fünfmal größr sind als einzelne Atome! Ein REM hat ein ungefähr zehnmal geringeres Auflösungsvermögen; ein Lichtmikroskop ein ungefähr 1000 mal geringeres und das menschliche Auge ein eine Million Mal geringeres. Das sind hilfreiche grobe Schätzungen der relativen Stärke der einzelnen Mikroskoptypen. Aber das Auflösungsvermögen ist nicht alles. Wie wir noch sehen werden, hat jeder Mikroskoptyp seine Vorteile und Nachteile.

Lichtmikroskopie
Lichtmikroskope haben ein Auflösungsvermögen von ungefähr 0,25 µm, das entspricht etwa der Größe der größten Viren und der kleinsten Zellen. Sie erweitern das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges um den Faktor 1000. Lichtmikroskope gibt es in zahlreichen Formen. Einige bekannte sind:

(© LOMO Microscopes)

Die meisten Schüler- und Studentenmikroskope sind einfache Hellfeldmikroskope; die mit ihnen betrachteten Objekte müssen entweder einen natürlichen Kontrast aufweisen oder angefärbt werden, damit sie genügend Kontrast bekommen. Einige Farbstoffe, die sogenannten Vitalfarbstoffe, kann man auch bei lebendem Gewebe verwenden; bei den meisten muss das Objekt jedoch getrocknet und fixiert sein.

Ein großer Vorteil von Lichtmikroskopen sind ihre geringen Kosten und die relativ einfache Handhabung; ein weiterer, dass man mit einigen dieser Mikroskope lebendes Gewebe anschauen kann, insbesondere mit der Phasenoptik. Für viele Anwendungen ist die Lichtmikroskopie die bevorzugte Methode, etwa zum Testen von Gewebe auf Anzeichen für Krebs oder andere pathologische Befunde.

Das folgende mikroskopische Bild zeigt menschliche Blutzellen in einem angefärbten Präparat in einem Hellfeldmikroskop.

Lichtmikroskopisches Bild von menschlichem Blut
(© L.H. Hoffman and V.P. Winfrey, Vanderbilt Medical School)

Elektronenmikroskopie
Bei Elektronenmikroskopen wird das Objekt nicht durch Licht, sondern durch einen Elektronenstrahl beleuchtet. Damit sind Vergrößerungen bis zum Millionenfachen möglich. Um einen Elektronenstrahl zu erzeugen, braucht man eine sehr hohe Spannung, im typischen Fall 100 000 Volt. Da Elektronenstrahlen nur in einem Vakuum funktionieren, muss vor der Untersuchung eines Präparats die Luft entfernt werden. Elektronen werden von den leichten Atomen normalen Zellmaterials - C, H, O und N - nicht gut gestreut. Um die Streuung der Elektronen zu verbessern und den Kontrast zu erhöhen, verwendet man daher Schwermetalle als Überzug über exponierte Oberflächen oder zur Anfärbung der Gewebe.

Der bedeutendste Vorteil aller Elektronenmikroskope ist ihr erweitertes Auflösungsvermögen und die außerordentliche Schärfe der Bilder.

Nachteile sind: die Kosten und die Komplexität der Geräte; die Notwendigkeit, Vibrationen zu vermeiden (Vibrationen eines vorbeifahrenden Lkws sind beispielsweise leicht erkennbar, wenn man ein Objekt bei einer Vergrößerung von einer Million anschaut und das Mikroskop nicht gut gedämpft ist); dass man damit keine lebenden Gewebe betrachten kann; dass äußerst dünne Präparate erforderlich sind; und dass man Schwermetalle braucht, um einen guten Kontrast zu erzielen, wodurch das Präparat unter Umständen verändert oder beschädigt wird.

Die beiden wichtigsten Formen von Elektronenmikroskopen, das Rasterelektronenmikroskop (REM, auch als Scanning-Elektronenmikroskop oder SEM bezeichnet) und das Transmissionselektronenmikroskop (TEM) sind sehr unterschiedlich. Mit dem einen betrachtet man Oberflächen oder das "Äußere" von Objekten, das andere ermöglicht einen Blick ins "Innere". Beide zusammen bringen die außergewöhnliche Welt sehr kleiner Objekte ans Licht.

Rasterelektronenmikroskopie (REM;SEM)

(© California State University, Hayward)

Rasterelektronenmikroskope tasten die Oberfläche eines Objekts mit einem Elektronenstrahl (Primärelektronen) ab. Aus jedem auf diese Weise angestrahlten Bereich werden sogenannte Sekundärelektronen herausgeschossen. Diese werden von einem Detektor aufgefangen, der sie in Lichtsignale umwandelt und über einen Verstärker (Photomultiplier) zu einer Kathodenstrahlröhre (ähnlich einer Fernsehbildröhre) leitet. Das resultierende Bild kann dann betrachtet und fotographiert werden.

Ein einzigartiges Merkmal des Rasterelektronenmikroskops ist seine große Schärfentiefe; sowohl Objekte im Vordergrund als auch solche im Hintergrund erscheinen gleich scharf und deutlich. Im Gegensatz dazu weisen Lichtmikroskope eine sehr geringe Schärfentiefe auf; wenn man lichtstärkere Linsen verwendet, ist stets nur ein Teil des Bildes scharf.

Ein weiterer Vorteil des Rasterelektronenmikroskops ist, dass man damit sehr große Präparate anschauen kann. So kann man beispielsweise ganze Insekten oder kleine Blüten auf einmal betrachten.

REM-Bild des Kopfes einer Langwanze (Lygaeidae)

Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) Transmissionselektronenmikroskope (der verbreiteste Elektronenmikroskoptyp) schicken einen Elektronenstrahl durch ein Präparat hindurch. Dazu müssen die Präparate aber äußerst klein und dünn sein. Die meisten Präparate werden auf kleine runde Probenträger mit einem sehr feinen Kupfernetz aufgebracht; anschließend wird der Probenträger mit einer dünnen Kunststoffschicht überzogen und das Präparat entweder direkt aufgenommen (wie bei einem Virenpräparat) oder als Ultradünnschnitt eines Gewebes präpariert, der fixiert, gefärbt, entwässert, in Kunstharz eingebettet und zu einem harten Kunststoffblock polymerisiert wird.

Mittelspannungselektronenmikroskopie (oder IHVEM von Intermediate High-Voltage Electron Microscopy)
Normale Elektronenmikroskope verwenden zur Erzeugung des Elektronenstrahls eine Spannung von bis zu 100 000 Volt. Da dieser Strahl beim Durchdringen der Präparate Elektronen verliert, müssen die Objekte sehr dünn sein, im Normalfall unter 0,25 µm.

(© Mark Ellisman)

Das Mittelspannungselektronenmikroskop verwendet viermal so starke Strahlen – 400 000 Volt! Ein solcher Strahl kann biologische Strukturen besser durchdringen und mehr Details zeigen. Die entstehenden mikroskopischen Bilder kann man digitalisieren und zur Rekonstruktion dreidimensionaler Bilder von Zellen verwenden, wie in dem untenstehenden Bild einer Nervenzelle (Neuron) gezeigt. Beachten Sie, dass; die für Neuronen typischen langen, dünnen Fortsätze (Dendriten und Axone) bei diesem Bild größtenteils entfernt wurden; nur der Zellkörper ist abgebildet. Klicken Sie das Neuron an, um ein größeres und detaillierteres Bild zu sehen.

Eine menschliche Nervenzelle (Neuron)

(© Mark Ellisman)

Um das Bild des Neurons zu erhalten, wurde von Nervengewebe eine Reihe jeweils 0,25 µm dicker Schnitte angefertigt. Mit dem Mittelspannungselektronenmikroskop wurde ein elektronenmikroskopisches Bild jedes Schnittes erzeugt; anschließend wurden die Merkmale dieser Bilder umrissen und in einen Computer eingegeben. Der Computer erzeugte dann ein dreidimensionales Bild, indem er die Schnitte übereinanderstapelte und eine Oberfläche um sie herum konstruierte.

Höchstspannungselektronenmikroskopie (HVEM von High-Voltage Electron Microscopy)
Höchstspannungselektronenmikroskope verwenden Spannungen von einer Million Volt (1000 Kilovolt, zehnmal so viel wie ein normales TEM). Die chromatische Aberration und die Durchleuchtung sind besser als bei einem konventionellen 100 -kV-TEM; damit können auch dickere Objekte untersucht und somit dreidimensionale Strukturen besser aufgelöst und interpretiert werden.

(Mit freundlicher Genehmigung von Integrated Microscope Resources)

Das folgende HVEM-Bild zeigt einen Fibroblasten aus der menschlichen Haut. Man kann den dreidimensionalen Aufbau vieler Zellstrukturen und Organellen erkennen.

(Mit freundlicher Genehmigung Integrated Microscope Resources)

Links zu ausgewählten Internetseiten über Mikroskopie
Cells Alive!
Eine umfangreiche Sammlung lichtmikroskopischer Bilder, die eine Vielzahl von Zellen in Zeitrafferaufnahmen zeigen. Enthält auch viele Videoclips und animierte GIFs.

CSHU Electron Microscope Laboratory
Eine interessante Auswahl gefärbter REM-Bilder, darunter Makrophagen, Tetrahymena und Spaltöffnungen.

Dennis Kunkel's Microscopy
Forschung und Photographie durch ein Mikroskop. Umfangreiche Sammlung von lichtmikroskopischen und elektronenmikroskopischen Bildern zahlreicher biologischer Objekte. Sehr empfehlenswert!

EM Gallery
Eine hübsche Auswahl von REM- und TEM-Bildern von der California State University, Fullerton.

Microscopes and Microscopy Page
Dies ist eine Hauptader für Informationen aus dem Internet über Mikroskopie. Anhand der 176 Webseiten umfassenden Liste "Microscopy Sources on the Web" können Sie Quellen mikroskopischer Bilder sowie zahlreiche Informationen, auch über Forscher und Forschungsseinrichtungen, finden.

Microscopy UK: Homepage der Amateurmikroskopie im Internet.
Eine vergnügliche Seite von Amateurforschern, die an Mikroskopie und der Erforschung der mikroskopischen Welt interessiert sind. Um Bilder der Fractal Image Gallery herunterladen zu können, müssen Sie zunächst die kostenlose Fractal Imager Software von Iterated Systems herunterladen.

The Nanoworld Image Gallery
Das Center for Microscopy and Microanalysis an der University of Queensland, Australien, unterhält eine Bibliothek von Webbildern mit zahlreichen elektronenmikroskopischen Bildern (TEM und REM) biologischer und anderer Objekte. Des weiteren: Ein Rätselbild und das "erste virtuelle Elektronenmikroskop-Projekt" – eine umfangreiche Sammlung von REM-Bildern der Queensland-Fruchtfliege.