Biologie für MedizinerCytologische Technik

Dipl.-Phys. Sebastian Tacke

Institut für Medizinische Physik und Biophysik

Arbeitsgruppe Prof. Dr. Reichelt

Sommersemester 2010

Inhaltsangabe

1 Allgemeine Grundlagen

Medizinische Physik

Elektronenmikroskopie in der Medizin

Mikroskopieverfahren und ihr Auflösungsvermögen2 Elektronenmikroskopie - TEM und SEM

Wechselwirkung zwischen Probe und Elektronen

Das Transmissionselektronenmikroskop

Das Rasterelektronenmikroskop3 Rastersondenmikroskopie - AFM

Wechselwirkung zwischen Probe und Sonde

Das Atomkraftmikroskop4 Organisation

Allgemeine Grundlagen

Inhaltsangabe

1 Allgemeine Grundlagen

Medizinische Physik

Elektronenmikroskopie in der Medizin

Mikroskopieverfahren und ihr Auflösungsvermögen2 Elektronenmikroskopie - TEM und SEM

Wechselwirkung zwischen Probe und Elektronen

Das Transmissionselektronenmikroskop

Das Rasterelektronenmikroskop3 Rastersondenmikroskopie - AFM

Wechselwirkung zwischen Probe und Sonde

Das Atomkraftmikroskop4 Organisation

Allgemeine Grundlagen

Medizinische Physik

Medizinische Physik1

1[PRESSEMITTEILUNG 2010]

Allgemeine Grundlagen

Medizinische Physik

Medizinische Physik

ArztMensch als

Informationsträger

Diagnostisches

Gerät

Untersuchung

Anamnese

Proben

Bedienung

Informationen für

Diagnose

Allgemeine Grundlagen

Elektronenmikroskopie in der Medizin

Elektronenmikroskopie in der Medizin„Grading“ in der Tumordiagnostik

Entscheidungshilfe für Prognose und Therapie. Bsp.:

Mesotheliom

Erregernachweis in der Virusdiagnostik

Bei neuartigen Viren, wo Primer bzw. Antikörper für andere

Nachweismethoden fehlen. Bsp.: Coronaviren bei SARS.

Änderungen in der Morphologie bei Erkrankungen

Bsp.: Glomerulonephritis, Myopathien.

Lokaler Elementnachweis bei Erkrankungen

Bsp.: Fe-Nachweis bei Hämochromatose.

Allgemeine Grundlagen

Mikroskopieverfahren und ihr Auflösungsvermögen

Mikroskopieverfahren und ihr Auflösungsvermögen

Zellorganellen Eukaryotische Zellen

Aminosäuren VirenAtome Proteine Bakterien Organismen

10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2m

Röntgenspektroskopie, -beugung

Rastersondenmikroskopie

Transmissionselektronenmikroskopie

Rasterelektronenmikroskopie

Lichtmikroskopie

Lupe Menschliches Auge

0,2 nm 0,2 µm 0,2 mm

1.000.000 -fach 1.000 -fach 1 -fach

Mikroskopische

Methoden

Auflösungsgrenze

Vergrößerung

Biologische

Strukturen

Laterale

Dimension

Elektronenmikroskopie - TEM und SEM

Inhaltsangabe

1 Allgemeine Grundlagen

Medizinische Physik

Elektronenmikroskopie in der Medizin

Mikroskopieverfahren und ihr Auflösungsvermögen2 Elektronenmikroskopie - TEM und SEM

Wechselwirkung zwischen Probe und Elektronen

Das Transmissionselektronenmikroskop

Das Rasterelektronenmikroskop3 Rastersondenmikroskopie - AFM

Wechselwirkung zwischen Probe und Sonde

Das Atomkraftmikroskop4 Organisation

Elektronenmikroskopie - TEM und SEM

Wechselwirkung zwischen Probe und Elektronen

Wechselwirkung der Primärelektronen mit der Probe

Primärelektronen

Gamma-Quanten

AUGER-Elektronen

Gestreute Elektronen

Rückgestreute

Elektronen

Sekundär Elektronen

Transmittierte

Elektronen

Probe

e-

e-

e-

γ

e-

e-

e-

Elektronenmikroskopie - TEM und SEM

Das Transmissionselektronenmikroskop

UltramikrotomieAnforderung an die Probe

Vakuumtauglich.

Durchstrahlbar.

Probenpräparation

Objektaufbereitung.

Fixation der Struktur.

Entwässerung.

Einbettung.

Schneiden.

Kontrastieren.

Elektronenmikroskopie - TEM und SEM

Das Transmissionselektronenmikroskop

Strahlengang TEM

Lichtmikroskop Elektronenmikroskop

Emissionsquelle

Kondensor

Objekt

Objektiv

Zwischenbildebene

Projektiv

Endbildebene

Elektronenmikroskopie - TEM und SEM

Das Rasterelektronenmikroskop

Präparation SEMAnforderung an die Probe

Vakuumtauglich.

Leitend.

Elektronenmikroskopie - TEM und SEM

Das Rasterelektronenmikroskop

Präparation SEMAnforderung an die Probe

Vakuumtauglich.

Leitend.

Probenpräparation

Objektaufbereitung.

Fixation der Struktur.

Entwässerung.

Beschichtung.

Elektronenmikroskopie - TEM und SEM

Das Rasterelektronenmikroskop

Präparation SEM∼

e-

Elektronenmikroskopie - TEM und SEM

Das Rasterelektronenmikroskop

Präparation SEM∼

e-

Ablauf

Das Inertgas wird durch Stöße ionisiert, es ensteht ein Plasma.

Elektronenmikroskopie - TEM und SEM

Das Rasterelektronenmikroskop

Präparation SEM∼

e-

Ablauf

Beschleunigung der Ionen im elektrischen Feld.

Elektronenmikroskopie - TEM und SEM

Das Rasterelektronenmikroskop

Präparation SEM∼

e-

Ablauf

Aufprall der Ionen auf abzuscheidendes Schichtmaterial

(Gold,Platin usw.).

Elektronenmikroskopie - TEM und SEM

Das Rasterelektronenmikroskop

Präparation SEM∼

e-

Ablauf

Herausgeschlagene Targetatome fliegen vom Target zum

Substrat.

Elektronenmikroskopie - TEM und SEM

Das Rasterelektronenmikroskop

Präparation SEM∼

e-

Ablauf

Targetatome setzen sich auf Substrat nieder.

Elektronenmikroskopie - TEM und SEM

Das Rasterelektronenmikroskop

Präparation SEM∼

e-

Ablauf

Leitende Schicht von ungefähr 2 bis 20 nm.

Elektronenmikroskopie - TEM und SEM

Das Rasterelektronenmikroskop

Strahlengang SEM

Elektronenquelle

Kondensor

Ablenkspule

Objektiv

Ablenkspulen

Detektor

Objekt

Lichtmikroskop Elektronenmikroskop

Elektronenmikroskopie - TEM und SEM

Das Rasterelektronenmikroskop

Elektronenmikroskopische Aufnahmen

SEM TEM

Rastersondenmikroskopie - AFM

Inhaltsangabe

1 Allgemeine Grundlagen

Medizinische Physik

Elektronenmikroskopie in der Medizin

Mikroskopieverfahren und ihr Auflösungsvermögen2 Elektronenmikroskopie - TEM und SEM

Wechselwirkung zwischen Probe und Elektronen

Das Transmissionselektronenmikroskop

Das Rasterelektronenmikroskop3 Rastersondenmikroskopie - AFM

Wechselwirkung zwischen Probe und Sonde

Das Atomkraftmikroskop4 Organisation

Rastersondenmikroskopie - AFM

Wechselwirkung zwischen Probe und Sonde

Intermolekulare KräfteAlle interatomaren Kräfte sind elektromagnetischen Ursprungs.

Verschiedene „klassische“ Kräfte: COULOMB-Kraft,

Polarisationskräfte, Wasserstoffbrückenbindungen,

Hydrophobisch/ Hydrophilische Wechselwirkungen, entropisch

bedingte Kräfte, Quantenmechnische Restwechselwirkungen

usw..

Rastersondenmikroskopie - AFM

Wechselwirkung zwischen Probe und Sonde

Intermolekulare KräfteBeispiele für intermolekulare Kräfte und derencharakteristische Länge:

Polymerentfaltung:≈ 1 pN.

Supramolekulare Neuanordnung:≈ 10 pN.

Wasserstoffbrücken Aufbruch:≈ 100 pN.

Proteinentfaltung:≈ 100 pN.

Molekulare Deformation:≈ 0,1 − 1 nN.

Aufbruch kovalent gebundener Atome:≈ 1 nN.

Wie kann man diese Kräfte messen?!

Rastersondenmikroskopie - AFM

Wechselwirkung zwischen Probe und Sonde

Intermolekulare KräfteDas Prinzip der Federwaage:

Rastersondenmikroskopie - AFM

Wechselwirkung zwischen Probe und Sonde

Intermolekulare KräfteDas Prinzip der Federwaage:

Greift eine Kraft ~Fges(~r) = Fges(~z) auf eine Federwaage, so

wird diese um den Betrag ∆z ausgelenkt.

Fges

Rastersondenmikroskopie - AFM

Wechselwirkung zwischen Probe und Sonde

Intermolekulare KräfteDas Prinzip der Federwaage:

Greift eine Kraft ~Fges(~r) = Fges(~z) auf eine Federwaage, so

wird diese um den Betrag ∆z ausgelenkt.

Die Auslenkung ∆z ist proportional zur angreifenden Kraft

(HOOKESCHES Gesetz): F (z) = k · ∆z.

Rastersondenmikroskopie - AFM

Wechselwirkung zwischen Probe und Sonde

Intermolekulare KräfteDas Prinzip der Federwaage:

Greift eine Kraft ~Fges(~r) = Fges(~z) auf eine Federwaage, so

wird diese um den Betrag ∆z ausgelenkt.

Die Auslenkung ∆z ist proportional zur angreifenden Kraft

(HOOKESCHES Gesetz): F (z) = k · ∆z.

∆z

Rastersondenmikroskopie - AFM

Wechselwirkung zwischen Probe und Sonde

Intermolekulare KräfteDas Prinzip der Federwaage:

Greift eine Kraft ~Fges(~r) = Fges(~z) auf eine Federwaage, so

wird diese um den Betrag ∆z ausgelenkt.

Die Auslenkung ∆z ist proportional zur angreifenden Kraft

(HOOKESCHES Gesetz): F (z) = k · ∆z.

∆z

Federkonstante:

k = 0,2 N

m.

Kraft: Fges(z) = 1 nN.

Auslenkung:

∆z = 5 nm

Rastersondenmikroskopie - AFM

Das Atomkraftmikroskop

AtomkraftmikroskopieDie Grundbausteine eines Rasterkraftmikroskops

Probe

Rastersondenmikroskopie - AFM

Das Atomkraftmikroskop

AtomkraftmikroskopieDie Grundbausteine eines Rasterkraftmikroskops

Sonde: Beim AFM sind dies Cantilever.

Probe

Cantilever

Rastersondenmikroskopie - AFM

Das Atomkraftmikroskop

AtomkraftmikroskopieDie Grundbausteine eines Rasterkraftmikroskops

Sonde: Beim AFM sind dies Cantilever.

Rastereinheit: Piezoröhrchen.

Probe

Cantilever

Piezoröhrchen

Rastersondenmikroskopie - AFM

Das Atomkraftmikroskop

AtomkraftmikroskopieDie Grundbausteine eines Rasterkraftmikroskops

Sonde: Beim AFM sind dies Cantilever.

Rastereinheit: Piezoröhrchen.

Probe

Cantilever

Piezoröhrchen

Rastersondenmikroskopie - AFM

Das Atomkraftmikroskop

AtomkraftmikroskopieDie Grundbausteine eines Rasterkraftmikroskops

Sonde: Beim AFM sind dies Cantilever.

Rastereinheit: Piezoröhrchen.

Detektor: STM.

Probe

Cantilever

STM - Cantilever

Rastersondenmikroskopie - AFM

Das Atomkraftmikroskop

AtomkraftmikroskopieDie Grundbausteine eines Rasterkraftmikroskops

Sonde: Beim AFM sind dies Cantilever.

Rastereinheit: Piezoröhrchen.

Detektor: Interferometer.

Probe

Cantilever

Rastersondenmikroskopie - AFM

Das Atomkraftmikroskop

AtomkraftmikroskopieDie Grundbausteine eines Rasterkraftmikroskops

Sonde: Beim AFM sind dies Cantilever.

Rastereinheit: Piezoröhrchen.

Detektor: Laser mit Photodiode.

Probe

Cantilever

Rastersondenmikroskopie - AFM

Das Atomkraftmikroskop

Der CantileverTypische Daten

Spitzenradius: < 15 nm.

Spitzenhöhe: < 15 µm.

Masse:≈ µg.

Federkonstante: k ≈ 0,2 − 50 N

m.

Organisation

Inhaltsangabe

1 Allgemeine Grundlagen

Medizinische Physik

Elektronenmikroskopie in der Medizin

Mikroskopieverfahren und ihr Auflösungsvermögen2 Elektronenmikroskopie - TEM und SEM

Wechselwirkung zwischen Probe und Elektronen

Das Transmissionselektronenmikroskop

Das Rasterelektronenmikroskop3 Rastersondenmikroskopie - AFM

Wechselwirkung zwischen Probe und Sonde

Das Atomkraftmikroskop4 Organisation

Organisation

Heutiger Ablauf14:15 - 14:45 Einführungsveranstaltung.

Organisation

Heutiger Ablauf14:15 - 14:45 Einführungsveranstaltung.

14:55 - 15:20 Ultramikrotomie (UM).

UM

Organisation

Heutiger Ablauf14:15 - 14:45 Einführungsveranstaltung.

14:55 - 15:20 Ultramikrotomie (UM).

15:20 - 15:45 Transmissionselektronenmikroskopie (TEM).

UM

TEM

Organisation

Heutiger Ablauf14:15 - 14:45 Einführungsveranstaltung.

14:55 - 15:20 Ultramikrotomie (UM).

15:20 - 15:45 Transmissionselektronenmikroskopie (TEM).

15:45 - 16:10 Rasterlektronenmikroskopie (SEM).

UM

TEM

SEM

Organisation

Heutiger Ablauf14:15 - 14:45 Einführungsveranstaltung.

14:55 - 15:20 Ultramikrotomie (UM).

15:20 - 15:45 Transmissionselektronenmikroskopie (TEM).

15:45 - 16:10 Rasterlektronenmikroskopie (SEM).

16:10 - 16:35 Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX).

UM

TEM

SEMEDX

Organisation

Heutiger Ablauf14:15 - 14:45 Einführungsveranstaltung.

14:55 - 15:20 Ultramikrotomie (UM).

15:20 - 15:45 Transmissionselektronenmikroskopie (TEM).

15:45 - 16:10 Rasterlektronenmikroskopie (SEM).

16:10 - 16:35 Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX).

16:35 - 17:00 Atomkraftmikroskopie (AFM).

UM

TEM

SEMEDX

AFM

Organisation

Literatur

DFG, PRESSEMITTEILUNG (2010).

Drohender Nachwuchsmangel in der Klinischen Forschung.

www.dfg.de.