Grundlagen der Licht- und Elektronenmikroskopie

Danksagung 11
Vorwort und Einführung 15
I Von der Strahlenoptik zum einfachen Mikroskop 19
1 Optische Grundlagen - Strahlenoptik 20
1.1 Was ist Licht? - Ein historischer Überblick 20
1.2 Lichtquellen: Selbst- und Nichtselbstleuchter 26
1.2.1 Wie entsteht Licht? 26
1.3 Begriffe der Strahlenoptik 27
1.3.1 Lichtstrahl und Strahlenbündel 27
1.3.2 Punktlichtquellen zur einfachen grafischen Darstellung von Strahlengängen 28
1.4 Axiome der Strahlenoptik 29
1.4.1 Erstes Axiom der Strahlenoptik 30
1.4.2 Zweites Axiom der Strahlenoptik 30
1.4.3 Drittes Axiom der Strahlenoptik 36
1.4.4 Viertes Axiom der Strahlenoptik 36
1.5 Brechung des Lichts beim Durchgang durch verschiedene optische Bauelemente 37
1.5.1 Planparallele Platte 37
1.5.2 Brechung an kugelförmigen Grenzflächen 38
1.5.3 Brechung an Linsen 40
1.6 Wie entstehen Bilder? 45
1.6.1 Abbildungen durch Linsen 45
1.6.2 Abbildungen durch Prismen 55
1.6.3 Abbildungen durch Spiegel 57
1.7 Zusammenfassung 58
2 Auge, Lupe und einfaches Mikroskop 59
2.1 Das Auge 59
2.1.1 Der Aufbau des menschlichen Auges 59
2.1.2 Netzhaut 60
2.1.3 Dioptrik des Auges 62
2.2 Optische Instrumente und Vergrößerung 72
2.2.1 Lupe 73
2.2.2 Vergrößerungsglas, Lupe und einfaches Mikroskop 75
2.3 Zusammenfassung 80
II Das zusammengesetzte Mikroskop 81
3 Allgemeines zum Mikroskop 82
3.1 Der Strahlengang eines Mikroskops 82
3.2 Die Vergrößerung durch das Mikroskop 85
3.3 Das zusammengesetzte und das einfache Mikroskop im Vergleich 89
3.4 Zusammenfassung 91
4 Der Aufbau eines Mikroskops 92
4.1 Allgemeiner Aufbau eines Mikroskops 92
4.2 Die mechanischen Bestandteile eines Mikroskops 92
4.2.1 Stative 92
4.2.2 Mikroskoptuben 96
4.2.3 Objekttische 100
4.3 Zusammenfassung 103
5 Mikroskopobjektive 104
5.1 Objektive mit endlicher und unendlicher Bildweite 104
5.1.1 Objektive mit endlicher Bildweite 104
5.1.2 Objektive mit unendlicher Bildweite 106
5.2 Vergrößerung und Abbildungsmaßstab 107
5.3 Die numerische Apertur 110
5.3.1 Bedeutung der numerischen Apertur 111
5.3.2 Numerische Apertur und Öffnungswinkel 112
5.3.3 Numerische Apertur und Immersion 113
5.4 Homogene Immersion 114
5.5 Immersionsmittel und -objektive 116
5.5.1 Immersionsmittel 116
5.5.2 Anwendung eines Immersionsobjektivs 118
5.6 Numerische Apertur und förderliche Vergrößerung 119
5.7 Abbildungsfehler und deren Korrektion 120
5.7.1 Abbildungsfehler 120
5.7.2 Monochromatische Aberrationen 120
5.7.3 Chromatische Aberration 124
5.8 Korrektionsklassen oder Objektivklassen 125
5.8.1 Der Achromat 125
5.8.2 Fluoritobjektive oder Semiapochromate 127
5.8.3 Der Apochromat 127
5.8.4 Planobjektiv 129
5.9 Spezialobjektive 130
5.9.1 Objektive mit Quarzglas 130
5.9.2 Phasenkontrastobjektive 131
5.9.3 Objektive für die Polarisationsmikroskopie 131
5.10 Deckglasdicke 131
5.11 Korrektionsring bei Objektiven 133
5.12 Federfassung zum Schutz der Frontlinse 133
5.13 Objektive mit Irisblende 134
5.14 Zusammenfassung 136
6 Mikroskopokulare 137
6.1 Allgemeines zum Okular 137
6.2 Okulartypen 141
6.3 Okularangaben und ihre Bedeutung 144
6.3.1 Vergrößerung 144
6.3.2 Sehfeldzahl 144
6.3.3 Großfeld- oder Weitwinkelokulare 147
6.3.4 Dioptrienausgleich 147
6.3.5 Brillenträgerokular 147
6.4 Okulare für Demonstrations-, Zähl- oder Messzwecke 148
6.5 Zusammenfassung 152
7 Die Beleuchtungseinrichtung eines Mikroskops 153
7.1 Die Beleuchtung 153
7.2 Lichtquellen und ihre optimale Einstellung 154
7.3 Der Kondensor 155
7.3.1 Allgemeiner Aufbau eines Kondensors 155
7.3.2 Funktion des Kondensors: Ausleuchtung des Präparats 155
7.3.3 Funktion des Kondensors: Beleuchtungsapertur 157
7.3.4 Einstellung der Kondensorblende 158
7.3.5 Bauformen von Kondensoren 161
7.4 Mikroskopbeleuchtungen 163
7.4.1 Die kritische Beleuchtung 163
7.4.2 Die Köhlersche Beleuchtung 164
7.5 Zusammenfassung 174
8 Einteilung der Mikroskope 175
8.1 Kursmikroskope 175
8.2 Routine- oder Labormikroskope 178
8.3 Forschungsmikroskope oder Universalmikroskope 178
8.4 Zusammenfassung 180
9 Stereomikroskope und Makroskope 181
9.1 Stereomikroskope 181
9.1.1 Greenough-Systeme oder Greenough-Mikroskope 183
9.1.2 Teleskop- oder Fernrohrsysteme 184
9.1.3 Beleuchtung 185
9.1.4 Anwendungsgebiete 185
9.2 Makroskope 186
9.3 Zusammenfassung 187
III Theorie der mikroskopischen Abbildung 189
10 Grundlagen der Wellenoptik 190
10.1 Der dunkle Raum: Warum die Wellenoptik zum Verständnis des Mikroskops so bedeutend ist 190
10.2 Optische Beugung und Interferenz 194
10.3 Schwingungen 198
10.4 Wellen 199
10.4.1 Mathematische Beschreibung von Wellen 201
10.4.2 Wasserwellen als Modell für Transversalwellen 203
10.4.3 Ausbreitung von Lichtwellen 204
10.5 Interferenz von Wellen 205
10.5.1 Wasserwellen 205
10.5.2 Lichtwellen 206
10.6 Modelle zur Lichtwellenausbreitung: Huygens-Fresnelsches Prinzip und Fresnelsche Beugung 209
10.7 Fresnelsche und Fraunhofersche Beugungen 218
10.8 Zusammenfassung 220
11 Beugung im Mikroskop 221
11.1 Beobachtung von Beugungsbildern 222
11.1.1 Die Beugung von Licht in der Fraunhofer-Versuchsanordnung 222
11.1.2 Die Beugung von Licht im Abbeschen Diffraktionsapparat 223
11.1.3 Möglichkeiten zur Beobachtung des primären Beugungsbildes im normalen, aufrechten Mikroskop 224
11.2 Einfachspalt, Doppelspalt und optische Gitter 225
11.2.1 Di Beugung von Licht am Einfachspalt 226
11.2.2 Beugung am Doppelspalt und am Strichgitter 230
11.2.3 Kreuzgitter 234
11.3 Mikroskopische Präparate als Beugungsgitter 236
11.4 Bedeutung der Lichtbeugung für die Bild-entstehung: Ausblenden der Nebenmaxima 237
11.5 Zusammenfassung 239
12 Die Theorie der Bildentstehung nach Abbe 240
12.1 Die Abbesche Theorie der mikroskopischen Abbildung 241
12.2 Auflösungsvermögen eines Mikroskops nach Abbe 244
12.3 Abbe-Formel für das Auflösungsvermögen eines Mikroskops 249
12.4 Auflösungsgrenze des Lichtmikroskops (Abbe-Limit) 252
12.5 Das Auflösungsvermögen eines Mikroskops nach von Helmholtz 254
12.6 Auflösungsvermögen und förderliche Vergrößerung 254
12.7 Theorie der mikroskopischen Abbildung nach Abbe und der dunkle Raum 258
12.8 Ausblick 258
12.9 Zusammenfassung 259
IV Elektronenmikroskopische Verfahren 261
13 Das Transmissionselektronen-mikroskop 262
13.1 Elektronen zur Abbildung von Strukturen prägen die Vorstellungswelt der Biologen 263
13.2 Die Geschichte der Elektronenmikroskopie beginnt mit dem Transmissionselektronen-mikroskop 266
13.3 Aufbau und Funktionsweise eines Transmissionselektronenmikroskops 274
13.4 Korrektoren zur Minimierung von Linsenfehlern im TEM 279
13.5 Bildentstehung im TEM 281
13.6 Möglichkeiten eines Energiefilters im TEM 284
13.7 Probenpräparation für TEM 289
13.7.1 Objektträger für Untersuchungen im TEM 291
13.7.2 Präparation von Einzelpartikeln für TEM 292
13.7.3 Gibt es eine ideale Fixierungsmethode? 293
13.7.4 Herstellung von Proben-Dünnschnitten 296
13.7.5 Kontrastierung der Proben 298
13.7.6 Probenpräparation für analytische EFTEM-Methoden 298
13.8 TEM-Anwendungen in den Lebenswissenschaften 298
13.8.1 Visualisierung von Ultrastrukturen und subzellulärer Lokalisation von Molekülen im TEM 298
13.8.2 Analyse von biologischen Proben durch Kryo-TEM 299
13.8.3 Einsatz des TEM in der Strukturbiologie 300
13.8.4 3D im TEM - TEM-Tomographie 301
13.9 Die Interpretation von TEM Aufnahmen 303
13.10 Limits und Trends in der Transmissionselektronenmikroskopie 304
13.11 Zusammenfassung 305
14 Das Rasterelektronenmikroskop 307
14.1 Rasterelektronenmikroskopie - Fortsetzungsreise ins Reich der kleinen Dinge 307
14.1.1 Allgemeines Funktionsprinzip des REM 308
14.1.2 Die Geschichte der Rasterelektronenmikroskopie 308
14.2 Aufbau eines Rasterelektronenmikroskops 313
14.2.1 Elektronenstrahlerzeugende Systeme und Elektronenemitter 313
14.2.2 Linsen 322
14.2.3 Rastereinheit 326
14.3 Bildentstehung im REM: Wechselwirkungen zwischen Elektronenstrahl und Probe und ihr Informationsgehalt 328
14.4 Detektion und Kontraste 337
14.4.1 Everhart-Thornley-Detektor (ETD) 338
14.4.2 Dedizierte Rückstreuelektronendetektoren 341
14.4.3 Spezielle Detektoren und Abbildungsverfahren 343
14.4.4 Die Bedeutung von Kontrast, Signal und Rauschen 348
14.5 Wie kommt man zu einem guten Bild? - Probenpräparation und Einstellungen am REM 350
14.6 Trends in der Rasterelektronenmikroskopie 354
14.7 Zusammenfassung 357
Literaturverzeichnis 359
Kapitel 1-12 359
Kapitel 13 365
Kapitel 14 368
Anhang 371
Symbole und Konstanten 371
Grundgrößen und abgeleitete Größen 372
Brechungsindizes wichtiger Immersionsmittel und Luft 372
Formeln 373
Konventionen 374
Quellennachweis 375
Tabellen 375
Abbildungen 375
Sachverzeichnis 381
Autorenverzeichnis 396