Innovative Elektronenmikroskopie

Eine nanometergenaue Materialcharakterisierung ist unabdingbar für die Weiterentwicklung der modernen Nanotechnologie und der Biologie. Der Programmbereich Innovative Elektronenmikroskopie (IEM) betreibt interdisziplinäre Forschung an der Schnittstelle der Physik der Elektronenmikroskopie (EM), Biophysik, Materialwissenschaft, Zellbiologie und Bildverarbeitung. Wir entwickeln modernste Techniken im Bereich In-situ-Transmissions-EM (TEM) und Raster-TEM (STEM) für die Forschung an funktionellen Materialien und biologischen Systemen unter realen Bedingungen. Wir untersuchen auch neue Wege für die dreidimensionale (3D) Datenaufnahme mittels intelligenter STEM- und Rekonstruktionsverfahren. Wir verfügen über langjährige Erfahrung mit Bildverarbeitung und automatischer Partikeldetektion sowie mit der Entwicklung von Protokollen für spezifische Proteinmarkierung mit Nanopartikeln. Dem Programmbereich stehen ein hochmodernes TEM/STEM (JEOL ARM200) zur Verfügung. Vielfältige Forschungskooperationen existieren mit Universitäten und Industrie. Studenten und Anwender werden in unserem Programmbereich von hochqualifizierten Mitarbeitern in die Arbeit an modernen Elektronenmikroskopen eingewiesen.

Ihre Ansprechpersonen

de_Jonge
Leiter Innovative Elektronenmikroskopie
Abteilung: Innovative Elektronenmikroskopie
Telefon: +49 (0)681-9300-313
Sekretärin
Abteilung: Geschäftsführung
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HONORARPROFESSUR

    Aberrationskorrigiertes STEM
    Abb. 1 JEOL ARM200F am INM
    Abb. 1 JEOL ARM200F am INM

    Seit 2012 ergänzt ein hochmodernes aberrationskorrigiertes STEM/TEM vom Typ ARM200 (JEOL) mit kombiniertem Energiefilter und einem Energieverlustanalysator (Gatan) die Ausstattung des INM. Dieses Mikroskop besitzt eine neu entwickelte kalte Feldemissionsquelle (Cold field emission source – CFEG) mit geringer Energieverteilung. Das Mikroskop, das mit einer Stromstärke von 200 pA und einer Energieverteilung von 0,3 eV einen Elektronenstrahl auf 0,08 nm fokussieren kann, wird am INM und auch an der Universität des Saarlandes in verschiedene Forschungsbereichen eingesetzt.

    Untersuchung biologischer Systeme und funktioneller Materialien unter realen Bedingungen

    Wir haben kürzlich eine neuartige Methode zur Darstellung vollständiger eukaryotischer Zellen in Flüssigkeit entwickelt, bei der sogenannte Flüssigprobenkammern im STEM („liquid STEM“) zum Einsatz kommen. Eukaryotische Zellen in Flüssigkeit werden in eine Probenkammer eingebracht, die bis zu 10 µm dick ist und sich zwischen zwei ultradünnen elektronentransparenten Fenstern befindet. Diese Probenkammer wird dann in das Vakuumrohr des Elektronenmikroskops eingebracht und die Probe wird mittels STEM abgebildet. Aufgrund des ordnungszahlabhängigen Z-Kontrasts des STEM können Nanopartikel höherer Ordnungszahl, wie z. B. Gold, im von einer Flüssigkeit mit niedrigem Z-Wert, z. B. Wasser, ausgehenden Hintergrundsignal entdeckt werden. Speziell an Nanopartikeln anhaftende Proteine können dann genutzt werden, die Proteinverteilung in der Zelle in Flüssigkeit zu untersuchen – ähnlich wie mit Fluoreszenzmarkierungen versehene Proteine dazu verwendet werden können, die Proteinverteilung mittels Fluoreszenzmikroskopie zu bestimmen – allerdings mit einer weit besseren räumlichen Auflösung.

    Abb. 2 Schema eines Liquid STEM Prinzips
    Abb. 2 Schema eines Liquid STEM Prinzips

    Unser nächstes Ziel wird es sein, biologische Prozesse zu untersuchen, indem wir „liquid STEM“ mit hochauflösender Fluoreszenzmikroskopie kombinieren. Mit dieser neuartigen Mikroskopiermethode können möglicherweise neue Phänomene entdeckt werden, die mit den aktuellen Methoden nicht sichtbar gemacht werden. Mit dem mikrofluidischen System, das für das „liquid STEM“ entwickelt wurde, sollen auch Nanomaterialien in Flüssigkeit untersucht werden. Welche Auflösung erreicht wird, hängt zum einen davon ab, wie stark sich die Ordnungszahlen der zu untersuchenden Materialien von der Ordnungszahl der Flüssigkeit unterscheiden, und zum anderen von der Weglänge des Elektronenstrahls durch die Flüssigkeit. Bei der Darstellung von Gold-Nanopartikeln auf einer Wasserschicht von 3 µm kann im Normalfall eine Auflösung von 1 nm erzielt werden. Der mikrofluidische Kanal erlaubt eine schnelle Injektion der Flüssigkeit. Besonders wichtig ist die nanoskalige Darstellung von Material in Flüssigkeit für die Materialwissenschaft im Bereich Energiespeicherung. Selbstverständlich müssen die Experimente sorgfältig geplant und hinsichtlich Brownscher Bewegung, elektrischer Aufladung und Strahlungsschäden ausgewertet werden. Literatur zu Abb 2: PNAS 106 (2009) 2159-2164  doi:10.1073/pnas.0809567106

    Abb. 3
    Abb. 3

    Liquid STEM Abbildung vom Rand einer COS7 Zelle mit “epidermal growth factor”. Rezeptor konjugiert mit Gold Nanopartikel.

    Literatur zu Abb. 3: PNAS 106 (2009) 2159-2164  doi:10.1073/pnas.0809567106

    Abb. 4
    Abb. 4

    Hefe Zellen abgebildet mit Liquid STEM (grau) korreliert mit Fluoreszenz Mikroskopie (rot).

    Literatur zu Abb. 4: Biophys. J. 100 (2011) 2522-2529 doi: 10.1016/j.bpj.2011.03.045

    Abb. 5
    Abb. 5

    Gold Nanopartikel (~1,4 nm Diameter) auf einer 3,3 µm dicken Wasserschicht abgebildet mit Liquid STEM.

    Literatur zu Abb. 5: Ultramicroscopy 110 82010) 1114-1119 doi: 10.1016/j.ultramic.2010.04.001

    3D-STEM

    Wir entwickeln eine neuartige Methode zum Erhalt von 3D-Daten mittels aberrationskorrigiertem STEM. Die bisher übliche Methode, 3D-Datensätze im nanoskaligen Bereich zu generieren, ist das Kippen der Proben im TEM (Tomografie). Eine 3D-Volumendarstellung wird dabei mittels Bildern aus verschiedenen Projektionen erstellt, die durch mechanisches Kippen des Probentisches entstehen. Ein neuer Ansatz ergibt sich durch die Verwendung des aberrationskorrigierten STEM, das hochauflösende 3D-Bilder ganz ohne Tomografie erzeugt. Ähnlich wie beim konfokalen Lichtmikroskop wird die Probe Schicht für Schicht gescannt, indem der Fokus der Objektivlinse verändert wird, wodurch eine Serie von Bildern mit schrittweise variiertem Fokus aufgezeichnet wird. Aufgrund der stark reduzierten Tiefenschärfe im aberrationskorrigierten STEM ermöglicht diese Technik eine hohe axiale (vertikale) Auflösung.

    3D-STEM wird sowohl in der Materialwissenschaft als auch in der Biologie verstärkt Verwendung finden. Die Zielsetzung in der Biologie besteht darin, 3D-Daten ganzer Zellen zu erhalten. Dabei kann das STEM Nanopartikel, die z. B. als spezielle Proteinmarker verwendet werden, kontrastreich darstellen. In der Materialwissenschaft beispielsweise erwartet man Vorteile im Bereich der 3D-Abbildung von Nanopartikeln in der Polymermatrix. 3D-STEM kann mit EELS und Z-Kontrast kombiniert werden, um so die dreidimensionale atomare Zusammensetzung von Materialien zu charakterisieren. 3D-STEM ist eine Weitfeldmikroskopietechnik, bei der jede Scheibe eines 3D-Datensatzes sowohl die in-focus- als auch die ex-focus-Informationen enthält. Derzeit werden Entfaltungsprozeduren entwickelt, mit deren Hilfe 3D-Modelle mittels Berechnung der Punktspreizfunktion (PSF) rekonstruiert werden.

    Darüber hinaus arbeiten wir auch mit der konventionellen STEM-Tomografie.

    Abbildung in atomarer Auflösung und Elementaranalyse in der Materialwissenschaft

    Neue Projekte werden entwickelt in den Bereichen funktionelle Nanomaterialien, Materialien für den Energiesektor, z. B. Solarzellen oder Festkörperlichtquellen (Solid State Lighting – SSL), und katalytische Materialien. Die Eigenschaften funktioneller Materialien sind eng verbunden mit ihrer atomaren Struktur, insbesondere mit der Verschiebung von Atomen innerhalb der Festkörperstruktur sowie an den Schnittstellen. Mittels Elektronenspektroskopie (EELS – Electron Energy-Loss Spectroscopy) und Z-Kontrast ermöglicht das aberrationskorrigierte STEM Elementaranalyse in atomarer Auflösung, so dass Dislokationen von Einzelatomen innerhalb des Atomgitters untersucht werden können.