Noch näher - Blicke ins Kleinste
Legt man eine Probe, zum Beispiel eine Zelle, unter ein Mikroskop so kann man schon viele Strukturen entdecken, aber es gibt eine scheinbar unüberwindliche Grenze der Auflösung, die Wellenlänge des verwendeten Lichts.
Am einfachsten kann man sich das so vorstellen, dass Strukturen, die kleiner sind, wie zum Beispiel die eines einzelnen DNS-Strangs, nicht aufgelöst werden können, weil die Wellenlänge des Lichts zu groß ist. Die Lichtwelle geht dann einfach über diese Strukturen hinweg, ohne von ihnen gebrochen zu werden und damit ein Bild zurückwerfen zu können.
Am einfachsten wäre es dann sicher, Licht mit einer kleineren Wellenlänge zu nehmen, aber warum überhaupt Photonen benutzen.
In der Quantenmechanik ist jedes Teilchen auch gleichzeitig Welle und diese Wellenlänge ist von der Energie des Teilchens abhängig. Louis de Broglie zufolge muss jedem Teilchen mit einer Ruhemasse deshalb auch eine Wellenlänge zugeordnet werden können (die Photonen des Lichts haben keine Ruhemasse, aber sie ruhen ja auch nie und bewegen sich immer mit Lichtgeschwindigkeit).
Wenn sich also ein Teilchen in Bewegung befindet, dann hat es auch einen Impuls (Masse x Geschwindigkeit). Teilt man das Planck'sche Wirkungsquantum h durch diesen Impuls, erhält man für jedes Teilchen eine Wellenlänge. Auch ein Ziegelstein hat somit eine, wenn auch sehr kleine Wellenlänge. Aber wenn man einen Ziegelstein auf eine Zelle wirft, bleibt von ihr nicht viel übrig, deshalb verwendet man ganz gerne Elektronen. Diese lassen sich gut mit einer hohen Spannung beschleunigen und haben dann eine sehr kleine de Broglie-Wellenlänge, die man nutzen kann, um extrem kleine Strukturen aufzulösen. Das nutzt man in der Elektronenmikroskopie.
Moderne Elektronenmikroskope (genauer Transmissionselektronenmikroskope TEM) können Auflösungen von bis zu 0,2 nm erreichen, bei biologischen Präparaten sind noch bis zu 2 nm möglich. Die Auflösung ist von der Ablenkung der Elektronen an der Probe abhängig und ab Zellstrukturen findet leider nur eine geringe Ablenkung statt, da die Atome zu leicht sind. Durch die Präparation der Proben mit Schwermetallen kann man den Kontrast steigern, aber damit verfälscht man natürlich das biologische System.
Eine andere Variante des Elektronenmikroskops ist das Rasterelektronenmikroskop (REM); hier wird eine Oberfläche zeilenweise abgetastet, die Auflösung ist nicht so gut wie beim TEM, aber dafür erzielt man eine bessere Tiefenschärfe. Allerdings funktioniert das nur mit metallisch (oft mit Gold) beschichteten Oberflächen. Lebende Strukturen sind so nicht zu untersuchen.
Es wäre also doch ganz nützlich, wenn man sichtbares Licht für die Untersuchung verwenden könnte, so dass man die Probe nicht mit Schwermetallen oder einem Goldfilm verfälschen muss. Wäre die Auflösung der optischen Mikroskopie nicht durch die Wellenlänge des verwendeten Lichts beschränkt, wäre es so viel einfacher.
Wie so oft, entspricht klassische Betrachtung der Eigenschaften des Lichts nur einem Teil der Wahrheit, denn natürlich treffen die einzelnen Photonen trotzdem auf das DNS-Molekül und werden daran gestreut. Sie interferieren aber gleich wieder miteinander, das heißt, sie überlagern sich und löschen eventuell vorhandene Informationen wieder aus.
Es können mit gewöhnlichen optischen Mikroskopen deshalb keine Details aufgelöst werden, die kleiner sind als die halbe Wellenlänge des verwendeten Lichts.
Im Jahr 1928 schlug der Physiker Synge in einem Brief an Albert Einstein vor, diese Vernichtung der Information zu umgehen, indem man Lichtquelle und Detektor näher an das zu untersuchende Objekt heranbringt. Dabei müsste die Lichtquelle selbst aber einen kleineren Durchmesser haben, als die Wellenlänge, deshalb war es damals noch nicht möglich, so einen Apparat zu bauen. In seiner Arbeit zeigt Synge, dass es theoretisch möglich sein sollte, Strukturen von wenigen Nanometern Größe abzubilden. Mehr als genug, für die oben genannte DNS.
Eine Möglichkeit dies technisch umzusetzen, ist die Verwendung einer mit Metall beschichteten Glasfaser, die an ihrer Spitze auf den gewünschten Durchmesser gezogen wurde (dazu muss man die Glasfaser lediglich erhitzen und auseinanderziehen, mit etwas Glück und Geschick entstehen dann extrem feine Spitzen). In der klassischen Betrachtung des Lichts dürfte es gar nicht durch diese dünne Spitze hindurchgehen. In der Quantenmechanik aber kümmert sich ein kleiner Teil des Lichts nicht um diese Beschränkung, geht durch die winzige Optik und trifft auf das zu untersuchende Objekt.
Diese feine Spitze wird nun über die Probe geführt, dabei verwendet man eine sehr empfindliche Piezo-Rastereinheit (Piezo bedeutet, dass sich das Material, oft ein Kristall, beim Anlegen einer Spannung verformt). Bringt man die Spitze dicht über die Probe in Schwingung parallel zur Oberfläche, kann man sich einen besonderen Effekt zu Nutze machen, um sie nur wenige Nanometer über der Probe zu positionieren.
Bisher ist noch nicht ganz verstanden, wie die Scherkraft-Abstandsregelung funktioniert, aber die Schwingungen werden gedämpft, je näher die Spitze der Probe kommt, so dass man die Höhe über der Probe über diese Dämpfung extrem genau bestimmen kann. Auf diese Weise fährt die Spitze also zeilenweise über die Probe und das reflektierte Licht kann aufgefangen und ausgewertet werden.
Der große Vorteil der Nahfeldmikroskopie besteht darin, dass man vor allem in Biologie und Medizin kleinste Strukturen auflösen kann, ohne die Probe besonders vorbereiten zu müssen und sie damit zu verfälschen.
Noch näher geht es mit optischen Methoden wirklich nicht, wenn man noch dichter ran möchte, dann muss man sich schon von einem Atom zum anderen vorantasten, ohne Licht.
Das Rastertunnelmikroskop (STM - Scanning Tunnel Microscope) kann dies leisten. 1981 wurde es von Gerd Binnig und Heinrich Rohrer entwickelt, die dafür 1986 den Nobelpreis erhielten.
Mit dem Rastertunnelmikroskop war es nun möglich, leitende Materialien zu untersuchen, dazu legt man zwischen Probe und Sondenspitze eine Spannung an. Eigentlich sollte zwischen Probe und Spitze - diese ist ebenso fein, wie die bei der Nahfeldmikroskopie, aber ganz aus Metall - kein Strom fließen. Wie so oft kommt uns die Quantenmechanik zu Hilfe und einige Elektronen kümmern sich nicht um den Spalt und tunneln sozusagen von der Probe zur Sonde. Tatsächlich bilden die Elektronen nämlich eine Wolke um das Atom oder Molekül und man kann nur Wahrscheinlichkeiten angeben, mit denen es sich an einem bestimmten Ort befindet, einige wenige Elektronen werden sich dann wahrscheinlich auch in der Nähe der Nadelspitze aufhalten und den Tunnelstrom verursachen.
Hält man entweder diesen Strom konstant, indem man die Höhe der Spitze anpasst, oder misst seine Änderung, während man in gleicher Höhe über die Probe fährt, kann man die Probe mit atomarer Auflösung abtasten.
Um nichtleitende Objekte zu untersuchen, konnte man schon wenige Jahre später das Rasterkraftmikroskop (AFM - Atomic Force Microscope) benutzen. Mit der dünnen Spitze fährt man über die Probe und misst anziehende (wenn sich die Spitze knapp über der Oberfläche befindet) oder abstoßende (wenn sie die Oberfläche berührt) Kräfte zwischen Sonde und Probe, die über eine Feder übertragen werden.
Kommentare, Fragen und Anmerkungen (Forum)
