Biologie für Mediziner

Transkript

1 Biologie für Mediziner Cytologische Technik Dipl.-Phys. Sebastian Tacke Institut für Medizinische Physik und Biophysik Arbeitsgruppe Prof. Dr. Reichelt Sommersemester 2010

2 Inhaltsangabe 1 Allgemeine Grundlagen Medizinische Physik Elektronenmikroskopie in der Medizin Mikroskopieverfahren und ihr Auflösungsvermögen 2 Elektronenmikroskopie- TEM und SEM Wechselwirkung zwischen Probe und Elektronen Das Transmissionselektronenmikroskop Das Rasterelektronenmikroskop 3 Rastersondenmikroskopie- AFM Wechselwirkung zwischen Probe und Sonde Das Atomkraftmikroskop 4 Organisation

3 Allgemeine Grundlagen Inhaltsangabe 1 Allgemeine Grundlagen Medizinische Physik Elektronenmikroskopie in der Medizin Mikroskopieverfahren und ihr Auflösungsvermögen 2 Elektronenmikroskopie- TEM und SEM Wechselwirkung zwischen Probe und Elektronen Das Transmissionselektronenmikroskop Das Rasterelektronenmikroskop 3 Rastersondenmikroskopie- AFM Wechselwirkung zwischen Probe und Sonde Das Atomkraftmikroskop 4 Organisation

4 Allgemeine Grundlagen Medizinische Physik Medizinische Physik 1 1 [PRESSEMITTEILUNG2010]

5 Allgemeine Grundlagen Medizinische Physik Medizinische Physik Anamnese Untersuchung Mensch als Informationsträger Arzt Bedienung Proben Diagnostisches Gerät Informationen für Diagnose

6 Allgemeine Grundlagen Elektronenmikroskopie in der Medizin Elektronenmikroskopie in der Medizin Grading in der Tumordiagnostik Entscheidungshilfe für Prognose und Therapie. Bsp.: Mesotheliom Erregernachweis in der Virusdiagnostik Bei neuartigen Viren, wo Primer bzw. Antikörper für andere Nachweismethoden fehlen. Bsp.: Coronaviren bei SARS. Änderungen in der Morphologie bei Erkrankungen Bsp.: Glomerulonephritis, Myopathien. Lokaler Elementnachweis bei Erkrankungen Bsp.: Fe-Nachweis bei Hämochromatose.

7 Allgemeine Grundlagen Mikroskopieverfahren und ihr Auflösungsvermögen Mikroskopieverfahren und ihr Auflösungsvermögen fach fach 1-fach 0,2nm 0,2µm 0,2mm Vergrößerung Auflösungsgrenze Lichtmikroskopie Lupe Menschliches Auge Mikroskopische Methoden Biologische Strukturen Rasterelektronenmikroskopie Transmissionselektronenmikroskopie Rastersondenmikroskopie Röntgenspektroskopie,-beugung m Atome Proteine Bakterien Organismen Aminosäuren Viren Zellorganellen Eukaryotische Zellen Laterale Dimension

8 Elektronenmikroskopie- TEM und SEM Inhaltsangabe 1 Allgemeine Grundlagen Medizinische Physik Elektronenmikroskopie in der Medizin Mikroskopieverfahren und ihr Auflösungsvermögen 2 Elektronenmikroskopie- TEM und SEM Wechselwirkung zwischen Probe und Elektronen Das Transmissionselektronenmikroskop Das Rasterelektronenmikroskop 3 Rastersondenmikroskopie- AFM Wechselwirkung zwischen Probe und Sonde Das Atomkraftmikroskop 4 Organisation

9 Elektronenmikroskopie- TEM und SEM Wechselwirkung zwischen Probe und Elektronen Wechselwirkung der Primärelektronen mit der Probe Primärelektronen Gamma-Quanten γ e - e - Rückgestreute Elektronen AUGER-Elektronen e - e - Sekundär Elektronen Probe Gestreute Elektronen e - e - Transmittierte Elektronen

10 Elektronenmikroskopie- TEM und SEM Das Transmissionselektronenmikroskop Ultramikrotomie Anforderung an die Probe Vakuumtauglich. Durchstrahlbar. Probenpräparation Objektaufbereitung. Fixation der Struktur. Entwässerung. Einbettung. Schneiden. Kontrastieren.

11 Elektronenmikroskopie- TEM und SEM Das Transmissionselektronenmikroskop Strahlengang TEM Lichtmikroskop Elektronenmikroskop Emissionsquelle Kondensor Objekt Objektiv Zwischenbildebene Projektiv Endbildebene

12 Elektronenmikroskopie- TEM und SEM Das Rasterelektronenmikroskop Präparation SEM Anforderung an die Probe Vakuumtauglich. Leitend.

13 Elektronenmikroskopie- TEM und SEM Das Rasterelektronenmikroskop Präparation SEM Anforderung an die Probe Vakuumtauglich. Leitend. Probenpräparation Objektaufbereitung. Fixation der Struktur. Entwässerung. Beschichtung.

14 Elektronenmikroskopie- TEM und SEM Das Rasterelektronenmikroskop Präparation SEM e -

15 Elektronenmikroskopie- TEM und SEM Das Rasterelektronenmikroskop Präparation SEM e - Ablauf Das Inertgas wird durch Stöße ionisiert, es ensteht ein Plasma.

16 Elektronenmikroskopie- TEM und SEM Das Rasterelektronenmikroskop Präparation SEM e - Ablauf Beschleunigung der Ionen im elektrischen Feld.

17 Elektronenmikroskopie- TEM und SEM Das Rasterelektronenmikroskop Präparation SEM e - Ablauf Aufprall der Ionen auf abzuscheidendes Schichtmaterial (Gold,Platin usw.).

18 Elektronenmikroskopie- TEM und SEM Das Rasterelektronenmikroskop Präparation SEM e - Ablauf Herausgeschlagene Targetatome fliegen vom Target zum Substrat.

19 Elektronenmikroskopie- TEM und SEM Das Rasterelektronenmikroskop Präparation SEM e - Ablauf Targetatome setzen sich auf Substrat nieder.

20 Elektronenmikroskopie- TEM und SEM Das Rasterelektronenmikroskop Präparation SEM e - Ablauf LeitendeSchichtvonungefähr2bis20nm.

21 Elektronenmikroskopie- TEM und SEM Das Rasterelektronenmikroskop Strahlengang SEM Lichtmikroskop Elektronenmikroskop Elektronenquelle Kondensor Ablenkspule Objektiv Ablenkspulen Detektor Objekt

22 Elektronenmikroskopie- TEM und SEM Das Rasterelektronenmikroskop Elektronenmikroskopische Aufnahmen SEM TEM

23 Rastersondenmikroskopie- AFM Inhaltsangabe 1 Allgemeine Grundlagen Medizinische Physik Elektronenmikroskopie in der Medizin Mikroskopieverfahren und ihr Auflösungsvermögen 2 Elektronenmikroskopie- TEM und SEM Wechselwirkung zwischen Probe und Elektronen Das Transmissionselektronenmikroskop Das Rasterelektronenmikroskop 3 Rastersondenmikroskopie- AFM Wechselwirkung zwischen Probe und Sonde Das Atomkraftmikroskop 4 Organisation

24 Rastersondenmikroskopie- AFM Wechselwirkung zwischen Probe und Sonde Intermolekulare Kräfte Alle interatomaren Kräfte sind elektromagnetischen Ursprungs. Verschiedene klassische Kräfte: COULOMB-Kraft, Polarisationskräfte, Wasserstoffbrückenbindungen, Hydrophobisch/ Hydrophilische Wechselwirkungen, entropisch bedingte Kräfte, Quantenmechnische Restwechselwirkungen usw..

25 Rastersondenmikroskopie- AFM Wechselwirkung zwischen Probe und Sonde Intermolekulare Kräfte Beispiele für intermolekulare Kräfte und deren charakteristische Länge: Polymerentfaltung: 1 pn. Supramolekulare Neuanordnung: 10 pn. Wasserstoffbrücken Aufbruch: 100 pn. Proteinentfaltung: 100 pn. Molekulare Deformation: 0,1 1 nn. Aufbruch kovalent gebundener Atome: 1 nn. Wie kann man diese Kräfte messen?!

26 Rastersondenmikroskopie- AFM Wechselwirkung zwischen Probe und Sonde Intermolekulare Kräfte Das Prinzip der Federwaage:

27 Rastersondenmikroskopie- AFM Wechselwirkung zwischen Probe und Sonde Intermolekulare Kräfte Das Prinzip der Federwaage: Greift eine Kraft F ges ( r) = F ges ( z)aufeinefederwaage,so wird diese um den Betrag z ausgelenkt. F ges

28 Rastersondenmikroskopie- AFM Wechselwirkung zwischen Probe und Sonde Intermolekulare Kräfte Das Prinzip der Federwaage: Greift eine Kraft F ges ( r) = F ges ( z)aufeinefederwaage,so wird diese um den Betrag z ausgelenkt. Die Auslenkung z ist proportional zur angreifenden Kraft (HOOKESCHESGesetz): F(z) = k z.

29 Rastersondenmikroskopie- AFM Wechselwirkung zwischen Probe und Sonde Intermolekulare Kräfte Das Prinzip der Federwaage: Greift eine Kraft F ges ( r) = F ges ( z)aufeinefederwaage,so wird diese um den Betrag z ausgelenkt. Die Auslenkung z ist proportional zur angreifenden Kraft (HOOKESCHESGesetz): F(z) = k z. z

30 Rastersondenmikroskopie- AFM Wechselwirkung zwischen Probe und Sonde Intermolekulare Kräfte Das Prinzip der Federwaage: Greift eine Kraft F ges ( r) = F ges ( z)aufeinefederwaage,so wird diese um den Betrag z ausgelenkt. Die Auslenkung z ist proportional zur angreifenden Kraft (HOOKESCHESGesetz): F(z) = k z. Federkonstante: k = 0,2 N m. Kraft: F ges (z) = 1 nn. Auslenkung: z = 5 nm z

31 Rastersondenmikroskopie- AFM Das Atomkraftmikroskop Atomkraftmikroskopie Die Grundbausteine eines Rasterkraftmikroskops Probe

32 Rastersondenmikroskopie- AFM Das Atomkraftmikroskop Atomkraftmikroskopie Die Grundbausteine eines Rasterkraftmikroskops Sonde: Beim AFM sind dies Cantilever. Cantilever Probe

33 Rastersondenmikroskopie- AFM Das Atomkraftmikroskop Atomkraftmikroskopie Die Grundbausteine eines Rasterkraftmikroskops Sonde: Beim AFM sind dies Cantilever. Rastereinheit: Piezoröhrchen. Cantilever Probe Piezoröhrchen

34 Rastersondenmikroskopie- AFM Das Atomkraftmikroskop Atomkraftmikroskopie Die Grundbausteine eines Rasterkraftmikroskops Sonde: Beim AFM sind dies Cantilever. Rastereinheit: Piezoröhrchen. Piezoröhrchen Cantilever Probe

35 Rastersondenmikroskopie- AFM Das Atomkraftmikroskop Atomkraftmikroskopie Die Grundbausteine eines Rasterkraftmikroskops Sonde: Beim AFM sind dies Cantilever. Rastereinheit: Piezoröhrchen. Detektor: STM. STM- Cantilever Cantilever Probe

36 Rastersondenmikroskopie- AFM Das Atomkraftmikroskop Atomkraftmikroskopie Die Grundbausteine eines Rasterkraftmikroskops Sonde: Beim AFM sind dies Cantilever. Rastereinheit: Piezoröhrchen. Detektor: Interferometer. Cantilever Probe

37 Rastersondenmikroskopie- AFM Das Atomkraftmikroskop Atomkraftmikroskopie Die Grundbausteine eines Rasterkraftmikroskops Sonde: Beim AFM sind dies Cantilever. Rastereinheit: Piezoröhrchen. Detektor: Laser mit Photodiode. Cantilever Probe

38 Rastersondenmikroskopie- AFM Das Atomkraftmikroskop Der Cantilever Typische Daten Spitzenradius: < 15 nm. Spitzenhöhe: < 15 µm. Masse: µg. Federkonstante: k 0,2 50 N m.

39 Organisation Inhaltsangabe 1 Allgemeine Grundlagen Medizinische Physik Elektronenmikroskopie in der Medizin Mikroskopieverfahren und ihr Auflösungsvermögen 2 Elektronenmikroskopie- TEM und SEM Wechselwirkung zwischen Probe und Elektronen Das Transmissionselektronenmikroskop Das Rasterelektronenmikroskop 3 Rastersondenmikroskopie- AFM Wechselwirkung zwischen Probe und Sonde Das Atomkraftmikroskop 4 Organisation

40 Organisation Heutiger Ablauf 14:15-14:45 Einführungsveranstaltung.

41 Organisation Heutiger Ablauf 14:15-14:45 Einführungsveranstaltung. 14:55-15:20 Ultramikrotomie(UM). UM

42 Organisation Heutiger Ablauf 14:15-14:45 Einführungsveranstaltung. 14:55-15:20 Ultramikrotomie(UM). 15:20-15:45 Transmissionselektronenmikroskopie(TEM). UM TEM

43 Organisation Heutiger Ablauf 14:15-14:45 Einführungsveranstaltung. 14:55-15:20 Ultramikrotomie(UM). 15:20-15:45 Transmissionselektronenmikroskopie(TEM). 15:45-16:10 Rasterlektronenmikroskopie(SEM). UM TEM SEM

44 Organisation Heutiger Ablauf 14:15-14:45 Einführungsveranstaltung. 14:55-15:20 Ultramikrotomie(UM). 15:20-15:45 Transmissionselektronenmikroskopie(TEM). 15:45-16:10 Rasterlektronenmikroskopie(SEM). 16:10-16:35 Energiedispersive Röntgenspektroskopie(EDX). UM TEM EDX SEM

45 Organisation Heutiger Ablauf 14:15-14:45 Einführungsveranstaltung. 14:55-15:20 Ultramikrotomie(UM). 15:20-15:45 Transmissionselektronenmikroskopie(TEM). 15:45-16:10 Rasterlektronenmikroskopie(SEM). 16:10-16:35 Energiedispersive Röntgenspektroskopie(EDX). 16:35-17:00 Atomkraftmikroskopie(AFM). UM AFM TEM EDX SEM

46 Organisation Literatur DFG, PRESSEMITTEILUNG(2010). Drohender Nachwuchsmangel in der Klinischen Forschung.