Mikroskop

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Einleitung

Mikroskop, Gerät in unterschiedlichen Formen, zur Erzeugung vergrößerter Abbilder von sehr kleinen Gegenständen oder sehr kleinen Einzelheiten.

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Lichtmikroskop

Mit Hilfe des Lichtmikroskops werden Gegenstände mit sichtbarem Licht vergrößert. Die einfachste Form des Lichtmikroskops (siehe Optik) ist die bikonvexe Linse (Optik) mit kurzer Brennweite. Eine solche Linse kann einen Gegenstand bis zu 15fach vergrößern. Meist werden aber zusammengesetzte Mikroskope mit mehreren Linsen verwendet. Dadurch kann eine stärkere Vergrößerung erreicht werden als mit einer einzelnen Linse. Einige Lichtmikroskope können auf das 2 000fache und höher vergrößern. Mit Hilfe modernster Fokussierungsmethoden lässt sich diese Auflösung (bei so genannten Fluoreszenzmikroskopen) um mehr als 30 Prozent steigern.

Im Wesentlichen besteht ein zusammengesetztes Mikroskop aus zwei Linsensystemen, dem Objektiv und dem Okular. Beide sind an den gegenüberliegenden Enden eines geschlossenen Rohres (Tubus) angebracht. Die Linse des Objektivs besteht aus verschiedenen Linsenelementen. Sie erzeugen ein vergrößertes, reelles Abbild des zu untersuchenden Gegenstandes. Die Linsen eines Mikroskops sind so angeordnet, dass dieses vom Objektiv erzeugte reelle Bild im Brennpunkt des Okulars liegt. Der Betrachter sieht durch das Okular ein vergrößertes virtuelles Abbild des reellen Bildes. Die Gesamtvergrößerungsleistung eines Mikroskops wird durch die Brennweiten der beiden Linsensysteme bestimmt.

Neben dem Linsensystem gehören ein stabiles Stativ mit einem ebenen Objekttisch, auf dem das zu untersuchende Material festgehalten wird, sowie eine Einrichtung zur Scharfstellung des Bildes zu einem Lichtmikroskop. Proben, die mit dem Mikroskop untersucht werden, sind überwiegend lichtdurchlässig. Die Probe wird meist auf ein dünnes rechteckiges Glasplättchen (Objektträger) aufgebracht. Im Objekttisch befindet sich eine kleine Öffnung, durch die das Licht hindurchfällt. Unter dem Tisch ist entweder ein Spiegel angebracht, der Tageslicht auf bzw. durch die Probe reflektiert, oder eine gesonderte elektrische Lichtquelle, die die Probe beleuchtet.

Bei der Mikrophotographie, d. h. beim Photographieren durch das Mikroskop, wird eine Kamera direkt über dem Okular angebracht. Normalerweise hat diese Kamera keine Linse. Die Mikrophotographie darf nicht mit der Miniaturisierung von Bildern verwechselt werden. Letztere dient dazu, Bilder oder Dokumente zu verkleinern, damit sie platzsparend gelagert werden können.

In der Forschung verwendete Mikroskope sind meist mit zusätzlichen Einrichtungen ausgerüstet. Da das Abbild einer Probe sehr stark vergrößert ist und man es umgekehrt sieht, ist es äußerst schwierig, mit der Probe direkt umzugehen. Deshalb ist der Objekttisch eines in der Forschung eingesetzten Hochleistungsmikroskops durch Feinstellschrauben (Mikrometerschrauben) verstellbar. Bei einigen Mikroskopen kann der Objekttisch auch gedreht werden. Außerdem sind alle in der Forschung eingesetzten Mikroskope mit drei oder mehr Okularen auf einem drehbaren Kopf (Objektivrevolver) ausgerüstet. Dadurch kann bei Bedarf die Vergrößerungsleistung des Mikroskops verändert werden.

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Lichtmikroskope für Spezialanwendungen

Eine Reihe von Mikroskopen wurde für Spezialanwendungen entwickelt. Eines davon ist das Stereomikroskop, das eigentlich aus zwei schwächeren Mikroskopen besteht, die über der Probe zusammengeführt werden. Mit diesem Gerät erhält man ein nicht seitenverkehrtes, dreidimensionales Bild.

Beim Ultraviolettmikroskop wird statt des sichtbaren Lichtes ultraviolettes Licht verwendet. Damit erreicht man entweder eine bessere Auflösung aufgrund der kürzeren Wellenlänge oder die Hervorhebung bestimmter Einzelheiten durch selektive Absorbtion bei unterschiedlichen Wellenlängen des ultravioletten Spektrums. Weil kürzere ultraviolette Strahlen Glas nicht durchdringen, besteht das optische System dieser Geräte im Normalfall aus Quarz, Fluorit oder mit Aluminium bedampften Spiegeln. Ultraviolettes Licht ist für das menschliche Auge nicht sichtbar. Deshalb wird das Bild durch Fluoreszenzwirkungen (siehe Lumineszenz), Photographie oder elektronische Abtastung sichtbar gemacht. Das Ultraviolettmikroskop wird in der medizinischen Forschung eingesetzt.

In der Gesteinskunde werden Polarisationsmikroskope eingesetzt, um die mineralischen Bestandteile von Eruptivgestein und Metamorphit zu bestimmen. Außerdem ermittelt man damit den quantitativen Gehalt der Mineralien in diesen Gesteinen. Dieser Mikroskoptyp enthält ein Nicol’sches Prisma oder eine andere Einrichtung zur Polarisierung des Lichtes (siehe Optik: Polarisation des Lichtes). Ein weiteres Nicol’sches Prisma oder anderer Analysator bestimmt die Polarisierung des Lichtes, nachdem es die Probe durchdrungen hat. Mit Hilfe eines drehbaren Tisches kann man bei der entsprechenden Einstellung die von der Probe verursachte Änderung der Polarisierung erkennen.

Beim Dunkelfeldmikroskop erfolgt die Beleuchtung der Probe in Form eines hohlen, sehr intensiven Lichtkegels. Das Sichtfeld des Objektivs liegt im dunklen Teil des Kegels und nimmt deshalb nur das von der Probe gestreute Licht auf. Daher erscheinen die leeren Teile der Probe als dunkler Hintergrund. Die zu untersuchenden Objekte leuchten dagegen hell. Diese Form der Beleuchtung eignet sich für durchsichtiges, ungefärbtes biologisches Material und für kleinste Objekte, die man bei normaler Beleuchtung unter dem Mikroskop nicht erkennen kann.

Beim Phasenkontrastmikroskop wird die Probe wie beim Dunkelfeldmikroskop mit einem hohlen Lichtkegel beleuchtet. Allerdings ist hier der Lichtkegel enger und reicht in das Sichtfeld des Okulars hinein. Im Objektiv befindet sich ein ringförmiges Plättchen (Phasenring), das einmal die Lichtintensität verringert und zum anderen eine Phasenverschiebung um ein Viertel der Wellenlänge verursacht. Durch diese Form der Beleuchtung werden kleinste Änderungen der Brechungszahl bei durchsichtigen Proben sichtbar. Phasenkontrastmikroskope eignen sich besonders gut zur Untersuchung von lebendem Gewebe und werden daher häufig in der Medizin und Biologie eingesetzt.

Mit Hilfe des Nahfeldmikroskops kann man sogar Einzelheiten erkennen, die etwas kleiner sind als die Wellenlänge des Lichtes. Ein Lichtstrahl wird durch ein sehr kleines Loch geleitet. Der Strahl wird dabei in einem Abstand, der der Hälfte des Lochdurchmessers entspricht, über die Probe geführt, bis man ein vollständiges Bild erhält.

Mit Hilfe der so genannten Nahfeld-Raman-Mikroskopie lassen sich sogar Auflösungen von 20 Nanometern erreichen. Im Mittelpunkt steht dabei ein extrem spitz zulaufender Golddraht. An dessen Ende wird mit Hilfe eines Laserstrahls ein elektrisches Feld erzeugt. Beim Führen der Spitze über die Oberfläche des Beobachtungsobjektes kommt es bei genügend nahem Abstand zu einem Streueffekt, der auch als Ramanstreuung bezeichnet wird. Das so entstandene Streu- oder Ramanlicht enthält ausreichend Informationen, um daraus ein detailliertes Abbild der Probe zu erzeugen.

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Elektronenmikroskop

Die Vergrößerungsleistung eines Lichtmikroskops ist durch die Wellenlänge des Lichtes begrenzt. Bei einem Elektronenmikroskop werden Elektronen zur „Beleuchtung” des Gegenstandes eingesetzt. Bildlich gesprochen haben Elektronen wesentlich kleinere Wellenlängen als Licht. Deshalb können sie auch wesentlich kleinere Strukturen auflösen. Die kleinste Wellenlänge des sichtbaren Lichtes beträgt etwa 380 Nanometer (ein Nanometer entspricht einem milliardstel Meter). Die Wellenlänge der Elektronen, die man z. B. in der Elektronenmikroskopie verwendet, liegt meist bei fünf Nanometer.

Bestimmte Bauteile findet man in allen Elektronenmikroskopen. Sie haben einen Elektronenstrahler zur Erzeugung der Elektronen. Weil die in Lichtmikroskopen verwendeten herkömmlichen Linsen mit Elektronenstrahlen nicht funktionieren, lenken und fokussieren magnetische „Linsen” den Elektronenstrahl. Einen wichtigen Bestandteil des Elektronenmikroskops bildet das Vakuumsystem. Elektronen werden leicht von den Molekülen der Luft gestreut. Deshalb muss im Inneren eines Elektronenmikroskops ein Hochvakuum herrschen. Schließlich benötigt ein Elektronenmikroskop auch eine Vorrichtung zur Fixierung und Darstellung der mit den Elektronen erzeugten Bilder.

Man unterscheidet zwei Grundtypen von Elektronenmikroskopen: das Durchstrahlungselektronenmikroskop (Transmissionselektronenmikroskop, TEM) und das Rasterelektronenmikroskop (REM). Beim Durchstrahlungselektronenmikroskop wird ein Elektronenstrahl auf das zu vergrößernde Objekt gerichtet. Einige der Elektronen werden von der Probe absorbiert oder gestreut, andere durchdringen die Probe und erzeugen hinter ihr ein vergrößertes Abbild. Die Probe muss dabei äußerst dünn geschnitten sein. Normalerweise ist eine solche Probe nur einige Mikrometer (tausendstel Millimeter) dick. Zur Aufzeichnung des vergrößerten Abbilds wird hinter der Probe eine photographische Platte oder ein Leuchtschirm angebracht. Mit einem Durchstrahlungselektronenmikroskop kann man Gegenstände bis zum Einmillionenfachen vergrößern.

Ein Rasterelektronenmikroskop erzeugt ein vergrößertes Abbild der Oberfläche eines Gegenstandes. Bei diesem Verfahren muss die Probe nicht dünn geschnitten sein, sie braucht nur wenig oder gar keine Aufbereitung. Anders als ein Durchstrahlungselektronenmikroskop, das einen verhältnismäßig großen Teil der Probe auf einmal erfasst, tastet ein Rasterelektronenmikroskop die Oberfläche der Probe schrittweise ab. Ein stark gebündelter Elektronenstrahl bewegt sich ähnlich dem Elektronenstrahl, der beim Fernsehen das Bild auf den Schirm „schreibt”, über die gesamte Probe. Die Elektronen des gebündelten Strahles können direkt von der Oberfläche der Probe gestreut werden oder die Emission (Abstrahlung) von Sekundärelektronen aus der Probenoberfläche bewirken. Diese gestreuten oder Sekundärelektronen werden in einem Kollektor gesammelt und von einem neben der Probe eingebauten elektronischen Zähler erfasst. Jeder abgetastete Punkt der Probe entspricht einem Pixel auf einem Fernsehbildschirm. Je mehr Elektronen der Zähler feststellt, desto heller wird das Pixel am Bildschirm. Während sich der Elektronenstrahl über die Probe bewegt, entsteht auf dem Bildschirm ein vollständiges Abbild der Probe. Rasterelektronenmikroskope erreichen eine 100 000fache und höhere Vergrößerung. Sie sind im Gegensatz zu Durchstrahlungselektronenmikroskopen und starken Lichtmikroskopen besonders dazu geeignet, die Oberfläche eines Gegenstandes realistisch und dreidimensional abzubilden.

Es wurden noch verschiedene andere Elektronenmikroskope entwickelt. Das Raster-Transmissions-Elektronenmikroskop verbindet Durchstrahlungs- und Rasterelektronenmikroskop. Mit diesem Mikroskoptyp hat man sogar einzelne Atome bzw. Atomgruppen abbilden können. Ein Elektronenstrahl-Mikroanalysator ist ein Elektronenmikroskop, das mit einem Gerät für die Röntgenspektralanalyse ausgerüstet ist und die hochenergetischen Röntgenstrahlen untersuchen kann, die eine Probe aussendet, wenn sie mit Elektronen bestrahlt wird. Moleküle oder Atome lassen sich anhand der von ihnen ausgesandten Röntgenstrahlen identifizieren. Daher liefert ein Elektronenstrahl-Mikroanalysator nicht nur wie herkömmliche Elektronenmikroskope ein vergrößertes Abbild der Probe, sondern auch Informationen über ihre chemische Zusammensetzung.

Eine Variante des Rasterelektronenmikroskops ist das Rasterpositronenmikroskop, das nicht mit Elektronen, sondern mit Positronen arbeitet. Dieses Instrument wurde von Physikern der Universität der Bundeswehr in München entwickelt und zeichnet sich durch sein sehr gutes Auflösungsvermögen aus. Das Rasterpositronenmikroskop kommt beispielsweise zum Auffinden von Defektstellen auf Halbleiteroberflächen zum Einsatz.