Massenmessung mittels Elektronenstreuung: Nanoanalytik mit der hochauflösenden Scanningelektronenmikroskopie im Transmissionsmode
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In den letzten Jahren hat sich die Rasterelektronenmikroskopie im Transmissionsmodus auch im niederenergetischen Bereich (≤30 keV) zu einem wichtigen Werkzeug bei der Abbildung leichter Elemente entwickelt, da die Dunkelfeldsignale auch ohne Kontrastierung der Proben mit Schwermetallen ein ausreichend gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis liefern. Im vorgestellten Projekt ist es gelungen ein hochauflösendes Rasterelektronenmikroskop durch geeignete Programme und instrumentelle Arbeiten so zu erweitern, dass quantitative Messungen, wie Massenmessungen an Nanopartikeln unterschiedlichster Natur, durchgeführt werden können. Zur quantitativen Messung und zur Verminderung der Strahlenschäden wurde das Rasterelektronenmikroskop mit einem Dunkelfeld-Ringdetektor ausgerüstet, der die Detektion einzelner Elektronen ermöglicht. Durch den Einsatz geringer Strahlendosen kann somit eine Artefaktbildung durch Elektronenbeschuss vermieden bzw. vermindert werden. Dünne Filme, Makromoleküle, makromolekulare Filamente und Komplexe, sowie eine Vielzahl von Nanopartikeln sind mögliche Anwendungsbereiche quantitativer Studien. Die Proben werden entweder direkt in das Mikroskop eingeschleust, oder falls eine vorherige Gefriertrocknung erforderlich ist, über ein neu entwickeltes Kryo-Hochvakuum-Transfersystem in das Mikroskop eingebracht. Das Kryo-Hochvakuum-Transfersystem gewährleistet dabei eine definierte Umgebung (frei wählbare Temperatur und konstanter Druck) und verhindert eine Kontamination der Probe. Zur Auswertung der erfassten Daten wurde ein interaktives und automatisiertes Analyseprogramm entwickelt. Dieses erlaubt die direkte Messung der Gesamtmasse kugelförmiger Strukturen (Masse-pro-Partikel), die Masse-pro-Länge filamentartiger Strukturen, die Masse-pro-Fläche flächenartiger Objekte, ihre lokale projizierte Massendichte und projizierte Schichtdicke. Der Messbereich der Massendicke ist im Wesentlichen abhängig von der Art des Rasterelektronenmikroskops und der Detektorgeometrie. Das hier verwendete System deckt in der derzeitigen Anordnung einen Messbereich ab, der in etwa dem 7-fachen der mittleren freien Weglänge der Elektronen entspricht. Am Tabakmosaikvirus (TMV), welcher im Allgemeinen als Massenstandard dient und Proben mit definierter Schichtdicke, wie Polysterol und Epoxid Harz, wurde die Leistungsfähigkeit des Systems getestet. Derzeit laufende Projekte beschäftigen sich unter anderem mit der Massenmessung von Polyethylene Kapseln, DNA-Protein-Komplexen und sekretorischen Vesikeln von neuroendokrinen Zellen. In Zukunft sollte der Temperaturbereich bei der Abbildung und Analyse auf wenigstens -160°C erweitert werden um den möglichen Massenverust weiter zu reduzieren. Die Detektorgeometrie sollte so geändert werden, dass man die Detektionswinkel an das zu untersuchende Probenmaterial und die Probendicke anpassen kann. Zahlreiche Anwendungen sind sowohl in „Life-Science“, wie molekulare Massenmessung, als auch in der Materialforschung, wo die lokale Massendicke nützliche Informationen bei der Produktion von Nanomaterialien gibt, denkbar.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- MASDET – A fast and user-friendly multiplatform software for mass determination by dark-field electron microscopy. Journal of Structural Biology 165 (2009) 78-87
Krzyzanek, V., Müller, S.A., Engel, A., Reichelt, R.
- Low-energy electron scattering in carbon-based materials analyzed by scanning transmission electron microscopy and its application to sample thickness determination. Journal of Microscopy 243 (2011) 31-39
Pfaff M., Müller E., Klein M.F.G., Colsmann A., Lemmer U., Krzyzanek V., Reichelt R., Gerthsen D.
- Polyelectrolyte multilayer capsules: Nanostructure and visualisation of nanopores in the wall. Soft Matter 7 (2011) 7034-7041
Krzyzanek V., Sporenberg N., Keller U., Guddorf J., Reichelt R., Schönhoff M.
- The Chlorosome of Chlorobaculum tepidum: size, mass and protein composition revealed by electron microscopy, dynamic light scattering and mass spectrometry-driven proteomics. PROTEOMICS 11 (2011) 2867-2880
Kouyianou K., De Bock P.-J., Müller S.A., Nikolaki A., Rizos A., Krzyzanek V., Aktoudianaki A., Vandekerckhove J., Engel A., Gevaert K., Tsiotis G.
