1.1.2 - Einführung in die Mikroskopie, Mikroskopische Übungen

Das menschliche Auge reicht in der Regel nicht aus, um die Strukturen innerhalb von Zellen erkennen zu können.
Mikroskope erlauben uns, die verborgene Welt kleiner Objekte zu sehen. Diese sind wegen einer fundamentalen optischen Grenze für unser Auge unsichtbar: dem Auflösungsvermögen.
Das Auflösungsvermögen misst die minimale Trennung zweier Objekte, die man gerade noch getrennt erkennen kann.

2 Objekte aufgelöst

2 Objekte nicht aufgelöst

Die selben 2 Objekte aufgelöst

Nachfolgend ist das Auflösungsvermögen verschiedener optischer Instrumente aufgeführt :

Optisches Instrument

Auflösungsvermögen (AV)

(AV in Angström)

menschliches Auge

0.2 Millimeter (mm)

2,000,000 A

Lichtmikroskop

0.25 Mikrometer (µm)

2500 A

Raster-Elektronen-Mikroskop (REM)

5-10 Nanometer (nm)

50-100 A

Transmissions-Elektronen-Mikroskop (TEM)

0.5 Nanometer (nm)

5 A

1 A (0,1 nm) ist der Durchmesser eines kleinen Atoms, das bedeutet, dass man mit einem TEM Moleküle erkennen kann.

Auflösungsvermögen ist nicht alles; jedes Mikroskop hat Vor- und Nachteile. Nun sollen die wichtigsten Mikroskope kurz vorgestellt werden

 

a) Lichtmikroskop

Lichtmikroskope haben ein AV von ca. 250 nm, (ca. 0,5 x der durchschnittlichen Wellenlänge des sichtbaren Lichts) d.h. im Bereich der größten Viren und der kleinsten Zellen. Sie erweitern das Auflösungsvermögen um ca. 1000-fach.
Lichtmikroskope kommen in verschiedenen Ausführungen vor:

Hellfeld, Dunkelfeld, Phasen-Kontrast, Fluoreszenz.

Die Abbildung links zeigt menschliches Blut in einem angefärbten Präparat im Hellfeld-Lichtmikroskop

Die Gesamtvergrößerung eines Mikroskops errechnet sich aus der Vergrößerung des Objektivs mal der Vergrößerung des Okulars. So erhält man bei einem 10-fach vergrößernden Okular und einem 45-fach vergrößernden Objektiv eine Gesamtvergrößerung von 450fach.

Regeln für das Mikroskopieren mit dem Lichtmikroskop

Mikroskope sind empfindliche Geräte und müssen immer vorsichtigt behandelt werden!

1. Zunächst wird mit dem schwächsten (kleinsten) Objektiv mit Hilfe der Lampe die Beleuchtung gleichmäßig eingestellt. Schatten sollten im Okularbild nicht zu sehen sein.

Man beginnt immer mit dem kleinsten Objektiv!!!

2. Nun legt man das Präparat auf den Objekttisch und stellt mit Hilfe des Grobtriebs das Bild scharf ein. Mit dem Feintrieb kann bei Bedarf nachjustiert werden.

Aufbau eines Lichtmikroskops

3. Je nach gewünschter Vergrößerung wird das nächst größere Objektiv eingedreht. Dabei sollte man kontrollieren, daß das Objektiv nicht das Präparat berührt, um dies nicht zu zerstören.

4. Nach Beendigung des Mikroskopierens entfernt man das Präparat und dreht wieder das kleinste Objektiv ein.

Mikroskopische Technik

1. Man bringt das zu untersuchende Objekt auf den Objektträger auf und gibt in der Mitte einen Tropfen Wasser darauf.

2. Nun nimmt man vorsichtig ein Deckgläschen zwischen Daumen und Zeigefinger und legt es mit einer Kante an den Rand des Wassertropfens. Anschließend läßt man es fallen.

Luftblasen sollten nicht unter dem Deckgläschen zu sehen sein sein. Überschüssiges Wasser wird mit Fließpapier oder einem Papiertaschentuch entfernt.

b) Das Elektronenmikroskop

Das Elektronenmikroskop (ELMI) besitzt ein 100 bis 1000 mal größeres Auflösungsvermögen als ein Lichtmikroskop. Dies liegt an der Verwendung von Elektronenstrahlen anstelle von Lichtstrahlen. Vergrößerungen bis zu 1 000 000 sind möglich. Um einen Elektronenstrahl zu erzeugen, sind sehr hohe Spannungen von 100000 V und ein Vakuum notwendig. Auch werden die Elektronen von den leichten Atomen wie C, H, O und N in den Zellpräparaten nicht so leicht abgelenkt, sodaß zur Ablenkungs- und Kontrastverbesserung die Objekte mit Schwermetallen bedampft werden.

Daraus ergibt sich der Nachteil, dass lebende Objekte nicht betrachtet werden können. Außerdem müssen die Proben extrem dünn sein.

Oben ist ein REM (Rasterelektronenmikroskop englisch SEM) zu sehen und unten die Aufnahme eines damit gemachten Wanzenkopfes.

Die häufigsten ELMIs (Elektronenmikrokope) sind TEMs(Transmissionselektronenmikroskop) bei denen der e-- Strahl durch eine extrem dünne Scheibe des Objekts geht. Vorteil sind hohe Auflösung und die Tasache in das Innere von Objekten zu sehen, z. B. in Zellen. Ohne ELMI wüssten wir heute nichts über die Feinstruktur der Zellen.

Das ELMI (TEM) wurde 1934 von dem Deutschen Ruska entwickelt, der bemerkenswerterweise erst 1986 den Nobelpreis dafür erhielt.

Gleichzeitig bekamen die beiden deutschen Forscher Rohrer und Binning für die Erfindung des Rastertunnelmikroskops (RTM , englisch STM) ebenfalls den Nobelpreis, das noch höhere Auflösungen erzielt. (1/25 eines Atoms)

Mit dem Lichtmikroskop lassen sich in einer Zelle nur die ganz großen Strukturen erkennen wie Zellkern, Chloroplasten, Vakuole oder Mitochondrien

Fadenförmige Chloroplasten in der
Fadenalge Spirogyra

 

Rechts: Zellkern (Nukleus) und Pyrenoid bei Chlamydomonas

Nachfolgend sehen Sie eine besonders detailreiche Aufnahme der Grünalge Euglena:

Betrachtet man alle Zellen, die bisher abgebildet waren, so erkennt man immer eine Hülle um die Zelle, die innen verschiedene Strukturen enthält.
Die Hülle heißt Zellmembran und der komplette Inhalt Protoplasma. Bei Pflanzen- und Bakterienzellen liegt außen auf der Zellmembran noch eine Zellwand auf. Die verschiedenen Strukturen, wie in der Zeichnung der Euglena aufgeführt, nennt man Zellorganellen. Sie schwimmen in einer Flüssigkeit namens Cytoplasma.
Die Feinstruktur der Zellorganellen und der anderen Zellstrukturen ließ sich erst mit dem ELMI aufklären.

Weiterführende Quellen:

Mikroskopie:http://www.pharm.arizona.edu/centers/tox_center/swehsc/exp_path/m-i_onw3.html

Mikroskop: http://www.klinik.uni-frankfurt.de/Museum/obj_2a.htm

Allgemeines zum ELMI: http://www.unl.edu/CMRAcfem/em.htm

Nobelpreisträger Ruska: http://nobelprizes.com/nobel/physics/1986a.html ,

Nobelpreisträger Rohrer und Binning: http://nobelprizes.com/nobel/physics/1986b.html

Phytoplanktongallerie: http://www2.fimr.fi/project/algaline/gallery/gallery.htm