Moderne Methoden der Zellbiologie

II: Darstellung kleiner Strukturen    (INHALT)

Prinzip der Rastertunnelmikroskopie

Die Rastersondemikroskopie erlaubt die Darstellung von Oberflächen in einem weiten Größenbereich: von der Abbildung einzelner Atome und Moleküle bis hin zur Darstellung von mikrometer-großen Objekten. Ein besondere Vorteil der Rastersondenmikroskopie für biologische Anwendungen ist die Möglichkeit, Objekte in Flüssigkeiten zu untersuchen, zB Zelloberflächen in physiologischen Medien.   Zur Abbildung der Oberfläche wird eine äußerst spitz zulaufende Nadel (rechts) aus elektrisch leitendem Material, zB Titan, Wolfram, Platin oder Gold, über die Probe geführt. Um ein Bild zu bekommen, wird die Nadel Zeile für Zeile über das gesamte Objekt bewegt (rastern oder scannen).   Die Spitze der Nadel ist so fein, daß jedem Atom der Probe nur wenige Atome der Nadelspitze gegenüberstehen. Wenn zwischen Nadel und Objekt eine Spannung angelegt wird (unten links: V), dann fließt bei Annäherung von Nadelspitze und Objektoberfläche auf weniger als 1 nm ein Strom, der Tunnelstrom (IT). Der Tunnelstrom ist das Meßsignal des Rastertunnelmikroskops und wird zur Bilderzeugung verwendet. Wichtig ist, daß der Tunnelstrom mit zunehmender Entfernung von Spitze und Objekt exponentiell abnimmt. Die Amplitude des Tunnelstrom ist damit ein Maß für die Größe des Spaltes zwischen Spitze und Oberfläche. Wenn die Nadel das Objekt abrastert, kann aus der Messung des Tunnelstroms an jedem Meßpunkt die Topographie der Oberfläche rekonstruiert werden.

Es gibt im Prinzip zwei Methoden, die Objektoberfläche abzutasten. Die einfachere ist oben links dargestellt: Wenn die Nadel immer in der gleichen Distanz zum Objekt gehalten wird, dann ändert sich die Amplitude des Tunnelstroms entsprechend der Oberflächenbeschaffenheit der Probe. Aus der Oberfläche hervorstehende Strukturen verkleinern den Spalt zwischen Objekt und Nadel und lassen den Tunnelstrom ansteigen. Tiefer liegende Strukturen vergrößern die Spaltweite und reduzieren den Tunnelstrom. Das Ergebnis ist eine eine Registrierung des Tunnelstrom als Funktion des Ortes (links unten). Diese Meßmethode erlaubt ein sehr schnelles Abrastern des Objektes, sie kann allerdings nur bei sehr flachen Oberflächen angewendet werden.   Bei Objekten mit sehr unebenen Oberflächen wird ein anderes Verfahren verwendet (oben rechts): die Spaltbreite zwischen Objekt und Nadelspitze wird dabei überall konstant gehalten. Dazu wird an jeder Stelle der Tunnelstrom gemessen und an eine Steuereinheit geleitet, die die Nadel in Z-Richtung bewegen kann. Diese Steuereinheit verschiebt die Spitze solange, bis der Tunnelstrom einen vorgegebenen, für alle Oberflächenpunkte gleichen, Wert hat. Gleicher Tunnelstrom bedeutet aber gleiche Spaltbreite an allen Oberflächenpunkten; die Nadel folgt also der Oberflächenstruktur, und man erhält eine Registrierung der Z-Position als Funktion des Ortes (rechts unten).   Nach: DiNardo, N. J. (1994)