Biologie für Mediziner -...

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


Medizinische Physik









Medizinische Physik

Medizinische Physik1

1[PRESSEMITTEILUNG 2010]


Medizinische Physik

Medizinische Physik

ArztMensch als

Informationsträger

Diagnostisches

Gerät

Untersuchung

Anamnese

Proben

Bedienung

Informationen für

Diagnose



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.


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


Medizinische Physik










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-



UltramikrotomieAnforderung an die Probe

Vakuumtauglich.

Durchstrahlbar.

Probenpräparation

Objektaufbereitung.

Fixation der Struktur.

Entwässerung.

Einbettung.

Schneiden.

Kontrastieren.



Strahlengang TEM

Lichtmikroskop Elektronenmikroskop

Emissionsquelle

Kondensor

Objekt

Objektiv

Zwischenbildebene

Projektiv

Endbildebene


Das Rasterelektronenmikroskop

Präparation SEMAnforderung an die Probe

Vakuumtauglich.

Leitend.



Präparation SEMAnforderung an die Probe

Vakuumtauglich.

Leitend.

Probenpräparation

Objektaufbereitung.

Fixation der Struktur.

Entwässerung.

Beschichtung.



Präparation SEM∼

e-



Präparation SEM∼

e-

Ablauf

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



Präparation SEM∼

e-

Ablauf

Beschleunigung der Ionen im elektrischen Feld.



Präparation SEM∼

e-

Ablauf

Aufprall der Ionen auf abzuscheidendes Schichtmaterial

(Gold,Platin usw.).



Präparation SEM∼

e-

Ablauf

Herausgeschlagene Targetatome fliegen vom Target zum

Substrat.



Präparation SEM∼

e-

Ablauf

Targetatome setzen sich auf Substrat nieder.



Präparation SEM∼

e-

Ablauf

Leitende Schicht von ungefähr 2 bis 20 nm.



Strahlengang SEM

Elektronenquelle

Kondensor

Ablenkspule

Objektiv

Ablenkspulen

Detektor

Objekt

Lichtmikroskop Elektronenmikroskop



Elektronenmikroskopische Aufnahmen

SEM TEM

Rastersondenmikroskopie - AFM

Inhaltsangabe


Medizinische Physik










Intermolekulare KräfteAlle interatomaren Kräfte sind elektromagnetischen Ursprungs.

Verschiedene „klassische“ Kräfte: COULOMB-Kraft,

Polarisationskräfte, Wasserstoffbrückenbindungen,

Hydrophobisch/ Hydrophilische Wechselwirkungen, entropisch

bedingte Kräfte, Quantenmechnische Restwechselwirkungen

usw..



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?!



Intermolekulare KräfteDas Prinzip der Federwaage:




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

wird diese um den Betrag ∆z ausgelenkt.

Fges






Die Auslenkung ∆z ist proportional zur angreifenden Kraft

(HOOKESCHES Gesetz): F (z) = k · ∆z.








∆z








∆z

Federkonstante:

k = 0,2 N

m.

Kraft: Fges(z) = 1 nN.

Auslenkung:

∆z = 5 nm


Das Atomkraftmikroskop

AtomkraftmikroskopieDie Grundbausteine eines Rasterkraftmikroskops

Probe




Sonde: Beim AFM sind dies Cantilever.

Probe

Cantilever





Rastereinheit: Piezoröhrchen.

Probe

Cantilever

Piezoröhrchen






Detektor: STM.

Probe

Cantilever

STM - Cantilever






Detektor: Interferometer.

Probe

Cantilever






Detektor: Laser mit Photodiode.

Probe

Cantilever



Der CantileverTypische Daten

Spitzenradius: < 15 nm.

Spitzenhöhe: < 15 µm.

Masse:≈ µg.

Federkonstante: k ≈ 0,2 − 50 N

m.

Organisation

Inhaltsangabe


Medizinische Physik








Organisation

Heutiger Ablauf14:15 - 14:45 Einführungsveranstaltung.

Organisation


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

UM

Organisation



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

UM

TEM

Organisation




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

UM

TEM

SEM

Organisation





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

UM

TEM

SEMEDX

Organisation





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.

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