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Meilenstein Mikroskopie

Fundamentales Verständnis für tiefe Einblicke in den Mikrokosmos

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Das Zeitalter der Elektronik erfasst auch die Mikroskopie

Gleichzeitig arbeitete Zeiss in dieser Zeit der Elektronik sehr stringent an der Diversifizierung und Komplettierung seines Mikroskopie-Portfolios durch Nutzung anderer Formen der Strahlung für die Bild­erzeugung. Um im Bild der Zellbiologie zu bleiben – für den Blick in die Feinstruktur einer Zelle bedarf es, wie oben beschrieben, auch eines großen Auflösungsvermögens der Systeme. Die von Abbe postulierte Beziehung zwischen Auflösungsgrenze und Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes gilt für jede Form von Strahlung. Ergo kann die Grenze der Auflösung bei Verwendung von Elektronen sehr klein, das Auflösungsvermögen also sehr groß werden. Grob gesagt etwa 100 mal besser als im Lichtmikroskop. Eine Spanne, welche die Informationstiefe immens vergrößert.

In den 1940er Jahren begann Zeiss auf dem Gebiet der Elektronenmikroskopie eine Zusammenarbeit mit AEG. Eine wesentliche Herausforderung bestand darin, dass Fehler von Elektronenlinsen deutlich schwerer zu korrigieren sind als die von Glaslinsen. Bereits 1949 stellte das Unternehmen mit dem EM 8 das erste statisch korrigierte Transmissionselektronenmikroskop (TEM) vor und legte damit den Grundstein für die Elektronenmikroskopie bei Zeiss. Das Nachfolgermodell von 1956, das EM 9, war das weltweit erste elektromag­netische TEM mit automatischer Belichtungskontrolle. 1984 führte Zeiss mit der Vorstellung des EM 902 den Castaing-Henry-Filter für kommerzielle Elektronenmikroskope ein. Mit dieser Neuerung wurde es dem Benutzer nun möglich, hochauflösende Elementverteilungsbilder anzufertigen.

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1993 folgte die Markteinführung des Feldemissions-Rasterelektronenmikroskops DSM 982 Gemini mit kombinierter elektrostatisch-magnetischer Objektivlinse (Gemini-Technologie).

Mit dem Orion-Mikroskop brachte Zeiss 2007 schließlich ein System auf den Markt, welches die Proben mit Helium-Ionen anstelle von Elektronen abtastet und dadurch eine weitaus höhere Auflösung und höheren Kontrast lieferte. Das war der Markteinstieg in die Helium-Ionenmikroskopie. Das Crisp-System aus demselben Jahr besitzt als einziges TEM der Welt die Fähigkeit, auf atomarer Ebene abzubilden.

In der Gegenwart der Elektronenmikroskopie angekommen, arbeitet das neueste Rasterelektronenmikroskop Zeiss MultiSEM 505 (s. LP-Tipp-Kasten) als erstes REM der Welt mit 61 Strahlen parallel und erreicht so eine Aufnahmegeschwindigkeit von 1220 Megapixeln pro Sekunde bei einer Pixelgröße von 4 nm. Dies machen sich z.B. Hirnforscher bei der Abbildung neuronaler Netzwerke zunutze. Sie können damit sehr viel größere Proben als bisher untersuchen, die bislang jahrelange Aufnahmezeiten erfordert hätten.

Ergänzendes zum Thema
LP-Tipp  Vielstrahl-Elektronenmikroskopie

Die Zeiss MultiSEM-Technologie arbeitet mit einer großen Zahl von parallelen Elektronenstrahlen (Beleuchtungspfad) und Detektoren. Ein fein abgestimmter Detektionspfad erfasst große Mengen von Sekundär­elektronen (SE). Jeder Strahl führt eine synchronisierte Scanning-Routine an einer Probenposition aus, wodurch sich ein einzelnes Unterbild ergibt. Die Elektronenstrahlen sind in einem sechseckigen Muster angeordnet. Das vollständige Bild wird durch Verbindung aller Bildkacheln gebildet. Für die schnelle Datenaufzeichung wird eine parallele Computerkonfiguration verwendet, was die gesamte Imaging-Geschwindigkeit erhöht. Bildaufnahme und Workflow-Kontrolle sind vollständig getrennt.

Auch den Bereich der Röntgenmikroskopie kann Zeiss seit 2013 adressieren und bietet mit der Versa-Reihe moderne Systeme für die hochauflösende 3D-Röntgenmikroskopie im Sub-Mikrometerbereich.

Die Mikroskopie wird räumlich

Die Anforderungen großer, dicker Proben waren indes auch im Bereich der Lichtmikroskopie wichtiger Fokus für stringente Weiterentwicklungen. Solche Proben mussten bislang für die lichtmikroskopische Untersuchung in dünne Scheiben geschnitten werden. Doch beim Schneiden geht die Information über die räumliche Anordnung verloren.

1982 führte Zeiss das konfokale Laser-Scanning-Mikroskop (LSM) mit Objektabtastung durch einen oszillierenden Laserstrahl und elektronischer Bildverarbeitung ein und schuf damit einen bis heute aktuellen Gold-Standard im Markt. Die konfokale Lasertechnik erlaubt es, dass nur Licht aus einem kleinen Volumen um den Fokuspunkt zum Detektor gelangt, sodass optische Schnittbilder mit hohem Kontrast erzeugt werden können, die fast nur Licht aus einer schmalen Schicht um die jeweilige Fokusebene enthalten. So konnte man einerseits störende fluoreszente Unschärfen effektiv ausblenden, ohne auf dünne Schnitte zurückgreifen zu müssen, andererseits ließen sich so große, dicke Proben in viele optische Schnitte zerlegen. Man erhielt auf diese Weise komplexe 3D-Informationen und mithilfe entsprechender Software ließen sich nun räumliche Abbildungen der Präparate erstellen. Computer- und Lasertechnologie entwickelten sich rasant weiter. Heutige Systeme sind um zahlreiche Funktionalitäten, bis hin zum linearen Scannen von Proben oder Lasermanipulationen an Zellstrukturen, erweitert.

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