Rasterkraftmikroskop

Rasterkraftmikroskop, Gerät zum starken Vergrößern von Abbildern von Objekten.

Beim Rasterkraftmikroskop wird die Oberfläche eines Objekts mittels einer extrem dünnen Spitze abgetastet, ähnlich wie bei einem Tonabnehmer eines Schallplattenspielers. Die dünne Spitze kann beispielsweise aus Silicium bestehen, der Durchmesser beträgt nur einige tausendstel Millimeter. Die Spitze ist an einer sehr weichen Feder befestigt. Sie wird mittels eines Schrittmotors sehr langsam und vorsichtig der Oberfläche des abzubildenden Objekts genähert. Zwischen der Spitze und der Probe entwickeln sich molekulare und atomare Kräfte, beispielsweise elektrostatische Kräfte oder Van-der-Waals-Kräfte (siehe Zwischenmolekulare Kräfte). Diese Kräfte liegen in einem Bereich von 10^-7 bis 10^-11 Newton und führen zu einer kleinen Verbiegung der Feder, an der die Spitze befestigt ist. Diese Ablenkung, die einige tausendstel Millimeter betragen kann, wird über einen Laserstrahl auf eine Photodiode (siehe Halbleitertechnik) übertragen. Entsprechend einem Raster wird die Spitze nun zeilenweise mittels eines hochempfindlichen piezoelektrischen Scanners in x- und y-Richtung über dem Objekt bewegt. Über einen Rückkopplungsmechanismus wird die Kraft zwischen der Spitze und dem Objekt konstant gehalten. Die vertikale Verschiebung der Spitze gibt dann die Oberfläche des abzubildenden Objekts wieder. Das entstehende Bild wird über einen Computer auf einen Monitor ausgegeben.

Das Auflösungsvermögen des Rasterkraftmikroskops liegt im Bereich der seit Jahren etablierten Elektronenmikroskope, d. h. zwischen 10 und 100 millionstel Millimeter. Der große Vorteil des Rasterkraftmikroskops ist, dass die Proben nicht wie beim herkömmlichen Elektronenmikroskop in einem Vakuum untersucht werden müssen, in dem sich der Elektronenstrahl erst ausbreiten kann. Weiterhin müssen die Proben nicht fixiert, eingebettet bzw. getrocknet oder mit Schwermetallsalzen behandelt werden. Im Rasterkraftmikroskop lassen sich biologische Makromoleküle, Zellkompartimente und sogar ganze Zellen in physiologischen Pufferlösungen ohne vorausgegangene Präparation darstellen. Selbst dynamische Prozesse, wie Bildung und Zerfall von makromolekularen Komplexen, lassen sich durch wiederholtes Abtasten der Oberfläche darstellen.

Das Rasterkraftmikroskop wird in der medizinisch-biologischen Grundlagenforschung eingesetzt. Beispielsweise lässt sich mittels eines Rasterkraftmikroskops das komplexe Netzwerk aus fadenförmigen Zellskelettmolekülen untersuchen, welche eine Zellmembran unterlagern. Hierzu wird eine speziell auf einem Glasplättchen gezüchtete Zelle aufgebrochen. Anschließend werden Kern und Zellorgane entfernt, um das Zellskelett und die dem Zytoplasma zugewandte Seite der Zellmembran darzustellen.

Weiterhin wurden mittels der Rasterkraftmikroskopie so genannte GroEL-Moleküle untersucht. Diese Moleküle sind für die Faltung und Anordnung von Proteinen verantwortlich. Diese Moleküle wurden isoliert und auf so genannte Glimmerplättchen übertragen. Nun konnten die Substrukturen der GroEL-Moleküle dargestellt werden. Beispielsweise wurde durch das Rasterkraftmikroskop eine genaue Vermessung der Moleküle ermöglicht. Auch dynamische Strukturveränderungen nach Inkubation der GroEL-Moleküle mit anderen Proteinen (z. B. Enzymen) konnten dargestellt werden. Dies gab Aufschluss über die Interaktion von Molekülkomplexen in der Zelle.