Auflösungsvermögen von Mikroskopen

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1 Auflösungsvermögen von Mikroskopen Menschliches Auge Lichtmikroskopie 0.2 µm Optisches Nahfeld Rasterelektronen mikroskopie Transmissions Elektronenmikroskopie Rastersonden mikroskopie 10 mm 1 mm 100 µm 10 µm 1µm 100 nm 10 nm 1 nm 0.1 nm Organismen Eukaryontische Zellen Bakterien Zellorganellen Viren Makromoleküle Organische Moleküle Atome 1

2 Rasterelektronenmikroskopie (REM) scanning electron microscopy (SEM) Vakuum Anode Magnetische Linsen Ablenkspulen (x, y) Objektiv* Kathode Wehnelt-Zylinder Kondensor* Bildschirm Probe Detektoren für: Sekundärelektronen (SE) Rückstreuelektronen (RE) Oberfläche mit Elektronenstrahl abrastern Ausbeute der Sekundärelektronen in Abhängigkeit zur Neigungsfläche der abgebildeten Probe 2

3 Rasterelektronenmikroskopie (REM) Relativ dicke Proben : Biologische Probe mit Metall bedampfen (haltbar und leitend machen) Plastische, dreidimensionale Darstellung von Oberflächen. Auflösung ca. 3 nm. Haar Fliegenauge 3

4 Rastersondenmikroskopien : Allgemein Bild nicht optisch oder elektronisch abgebildet - sondern Bild wird durch eine Sonde erzeugt Probenoberfläche wird mit der Sonde abgerastert Wechselwirkung zwischen Sonde und Probe wird detektiert und das Bild rekonstruiert. Wechselwirkung entspricht einer Kraft : elektrisch, mechanisch, magnetisch oder mit einer Lichtwelle Rastertunnelmikroskopie (RTM), scanning tunneling microscopy (STM) Rasterkraftmikroskopie (RKM), atomic force microscopy (AFM) Magnetkraftmikroskopie (MKM), magnetic force microscopy (MFM) Optische Rasterfeldmikroskopie, scannning near-field electron microscopy (SNOM) 4

5 Rastertunnel-Mikroskopie (RTM) scanning tunneling microscopy (STM) Abbildung der Oberfläche der Probe (nur für elektrisch leitende Oberflächen) Tunneleffekt Quantenmechanischer Effekt Elektronen haben Welleneigenschaften und können sich mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit durch eine Potentialbarriere durchtunneln. < 1 V Leitende Oberflächen : Abstand zwischen Probe und Sonde verringern (1 nm) - Tunnelstrom kann fließen abhängig vom Abstand Probe-Spitze 5

6 Entwicklung des Rastertunnelmikroskops Ende 1981 zu sehen. Damit gelang es erstmals Atome abzubilden. Gerd Binning und Heinrich Rohrer vom IBM-Forschungslabor in Rüschlikon wurden dafür 1986 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Gerd Binning Heinrich Rohrer Eisen auf Kupfer - Corral 6

7 Rastertunnel-Mikroskop 7

8 Rasterkraft-Mikroskopie (RKM) atomic force microscopy (AFM) Detektor Laser Hebelarm und atomare Spitze Probe auf Piezo-Steuerquarz (x, y, z) 8

9 AFM Cantilever Spitze Tip < 20 nm, Silizium Feder mit geringer Federkonstante : ~0.1N/m Signal ist die Auslenkung der Feder Probe muss nicht elektrisch leitend sein! 9

10 AFM : Methode 10

11 Der Laserstrahl wird auf die Rückseite des Cantilevers fokussiert und der reflektierte Strahl mit einem Photodetektor erfasst. Jeder Verbiegung des Cantilvevers wird am Bildschirm ein Helligkeitswert zugeordnet. Ein Höhenprofil - Topographiebild - wird erstellt. Gescannt wird mit konstanter Geschwindigkeit in der x,y Ebene. 11

12 AFM - Modus Kontaktmodus : Abrastern der Oberfläche Nicht-Kontaktmodus : Spitze im Abstand von 2-20 nm von der Probe Van der Waals Wechselwirkung Tapping Mode (MAC) Verformung der Probe durch permanente Krafteinwirkung möglich Oszillierendes Magnetfeld bewirkt Bewegung des magnetisierten Cantilever Oszillationsfrequenz : khz Durch van der Waals-Wechselwirkungskräfte mit der Probe kommt es zu einer Änderung der Oszillationsfrequenz und Amplitude. 12

13 AFM Oberflächen Graphit Mica Al-Silizium Mineral planare Oberflächen hydrophil neg. geladen in H 2 O Mica-Oberfläche 1µm 2. Rauhigkeit weniger 6Å 13

14 AFM Aufnahmen Proteinmoleküle auf Mica 14

15 AFM Bindung von Proteinen an Membranen Protein Lipid bilayer aminopropyltriethoxy silane Mica A B (± 0.2) nm (n = 18) 5 frequency nm nm height (nm) 8 nm height profile: 3.3 nm 15

16 AFM Aufnahmen 16

17 Moleküle bewegen - mit AFM Cantilever schreiben 17

18 Rastersondenmikroskope im Vergleich 18

19 Rastersondenmikroskope im Vergleich 19

20 Optische Nahfeldmikroskopie Scanning near field optical microscopy (SNOM) Glasfaser-Tip mit Aluminium beschichtet. Das bei geringem Abstand von der Probe ( nm) reflektierte oder transmittierte Licht wird durch konventionelle Fernfeldopik detektiert. 20

21 SNOM Anwendung : Untersuchung der Materialzusammensetzung für Halbleitertechnik Zelluntersuchungen in der Medizin 21