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Biologie für MedizinerCytologische Technik
Dipl.-Phys. Sebastian Tacke
Institut für Medizinische Physik und Biophysik
Arbeitsgruppe Prof. Dr. Reichelt
Sommersemester 2010
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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
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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
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Allgemeine Grundlagen
Medizinische Physik
Medizinische Physik1
1[PRESSEMITTEILUNG 2010]
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Allgemeine Grundlagen
Medizinische Physik
Medizinische Physik
ArztMensch als
Informationsträger
Diagnostisches
Gerät
Untersuchung
Anamnese
Proben
Bedienung
Informationen für
Diagnose
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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.
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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
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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
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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-
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Elektronenmikroskopie - TEM und SEM
Das Transmissionselektronenmikroskop
UltramikrotomieAnforderung an die Probe
Vakuumtauglich.
Durchstrahlbar.
Probenpräparation
Objektaufbereitung.
Fixation der Struktur.
Entwässerung.
Einbettung.
Schneiden.
Kontrastieren.
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Elektronenmikroskopie - TEM und SEM
Das Transmissionselektronenmikroskop
Strahlengang TEM
Lichtmikroskop Elektronenmikroskop
Emissionsquelle
Kondensor
Objekt
Objektiv
Zwischenbildebene
Projektiv
Endbildebene
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Elektronenmikroskopie - TEM und SEM
Das Rasterelektronenmikroskop
Präparation SEMAnforderung an die Probe
Vakuumtauglich.
Leitend.
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Elektronenmikroskopie - TEM und SEM
Das Rasterelektronenmikroskop
Präparation SEMAnforderung an die Probe
Vakuumtauglich.
Leitend.
Probenpräparation
Objektaufbereitung.
Fixation der Struktur.
Entwässerung.
Beschichtung.
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Elektronenmikroskopie - TEM und SEM
Das Rasterelektronenmikroskop
Präparation SEM∼
e-
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Elektronenmikroskopie - TEM und SEM
Das Rasterelektronenmikroskop
Präparation SEM∼
e-
Ablauf
Das Inertgas wird durch Stöße ionisiert, es ensteht ein Plasma.
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Elektronenmikroskopie - TEM und SEM
Das Rasterelektronenmikroskop
Präparation SEM∼
e-
Ablauf
Beschleunigung der Ionen im elektrischen Feld.
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Elektronenmikroskopie - TEM und SEM
Das Rasterelektronenmikroskop
Präparation SEM∼
e-
Ablauf
Aufprall der Ionen auf abzuscheidendes Schichtmaterial
(Gold,Platin usw.).
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Elektronenmikroskopie - TEM und SEM
Das Rasterelektronenmikroskop
Präparation SEM∼
e-
Ablauf
Herausgeschlagene Targetatome fliegen vom Target zum
Substrat.
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Elektronenmikroskopie - TEM und SEM
Das Rasterelektronenmikroskop
Präparation SEM∼
e-
Ablauf
Targetatome setzen sich auf Substrat nieder.
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Elektronenmikroskopie - TEM und SEM
Das Rasterelektronenmikroskop
Präparation SEM∼
e-
Ablauf
Leitende Schicht von ungefähr 2 bis 20 nm.
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Elektronenmikroskopie - TEM und SEM
Das Rasterelektronenmikroskop
Strahlengang SEM
Elektronenquelle
Kondensor
Ablenkspule
Objektiv
Ablenkspulen
Detektor
Objekt
Lichtmikroskop Elektronenmikroskop
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Elektronenmikroskopie - TEM und SEM
Das Rasterelektronenmikroskop
Elektronenmikroskopische Aufnahmen
SEM TEM
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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
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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..
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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?!
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Rastersondenmikroskopie - AFM
Wechselwirkung zwischen Probe und Sonde
Intermolekulare KräfteDas Prinzip der Federwaage:
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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
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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.
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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
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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
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Rastersondenmikroskopie - AFM
Das Atomkraftmikroskop
AtomkraftmikroskopieDie Grundbausteine eines Rasterkraftmikroskops
Probe
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Rastersondenmikroskopie - AFM
Das Atomkraftmikroskop
AtomkraftmikroskopieDie Grundbausteine eines Rasterkraftmikroskops
Sonde: Beim AFM sind dies Cantilever.
Probe
Cantilever
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Rastersondenmikroskopie - AFM
Das Atomkraftmikroskop
AtomkraftmikroskopieDie Grundbausteine eines Rasterkraftmikroskops
Sonde: Beim AFM sind dies Cantilever.
Rastereinheit: Piezoröhrchen.
Probe
Cantilever
Piezoröhrchen
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Rastersondenmikroskopie - AFM
Das Atomkraftmikroskop
AtomkraftmikroskopieDie Grundbausteine eines Rasterkraftmikroskops
Sonde: Beim AFM sind dies Cantilever.
Rastereinheit: Piezoröhrchen.
Probe
Cantilever
Piezoröhrchen
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Rastersondenmikroskopie - AFM
Das Atomkraftmikroskop
AtomkraftmikroskopieDie Grundbausteine eines Rasterkraftmikroskops
Sonde: Beim AFM sind dies Cantilever.
Rastereinheit: Piezoröhrchen.
Detektor: STM.
Probe
Cantilever
STM - Cantilever
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Rastersondenmikroskopie - AFM
Das Atomkraftmikroskop
AtomkraftmikroskopieDie Grundbausteine eines Rasterkraftmikroskops
Sonde: Beim AFM sind dies Cantilever.
Rastereinheit: Piezoröhrchen.
Detektor: Interferometer.
Probe
Cantilever
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Rastersondenmikroskopie - AFM
Das Atomkraftmikroskop
AtomkraftmikroskopieDie Grundbausteine eines Rasterkraftmikroskops
Sonde: Beim AFM sind dies Cantilever.
Rastereinheit: Piezoröhrchen.
Detektor: Laser mit Photodiode.
Probe
Cantilever
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Rastersondenmikroskopie - AFM
Das Atomkraftmikroskop
Der CantileverTypische Daten
Spitzenradius: < 15 nm.
Spitzenhöhe: < 15 µm.
Masse:≈ µg.
Federkonstante: k ≈ 0,2 − 50 N
m.
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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
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Organisation
Heutiger Ablauf14:15 - 14:45 Einführungsveranstaltung.
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Organisation
Heutiger Ablauf14:15 - 14:45 Einführungsveranstaltung.
14:55 - 15:20 Ultramikrotomie (UM).
UM
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Organisation
Heutiger Ablauf14:15 - 14:45 Einführungsveranstaltung.
14:55 - 15:20 Ultramikrotomie (UM).
15:20 - 15:45 Transmissionselektronenmikroskopie (TEM).
UM
TEM
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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
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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
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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
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Organisation
Literatur
DFG, PRESSEMITTEILUNG (2010).
Drohender Nachwuchsmangel in der Klinischen Forschung.
www.dfg.de.