Lokalisierung von Nanopartikeln in Zellen mittels Rastertransmissionselektronenmikroskopie bei niedriger Elektronenenergie

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Grundlagen
2.1. Aufbau einer Zelle
2.2. Streuung von Elektronen an Materie
2.2.1. Elastische Streuung
2.2.2. Inelastische Streuung
2.2.3. Mehrfachstreuung
2.2.4. Streuwinkelverteilung
2.3. Quantenpunkte

3. Experimentelle Methoden
3.1. Elektronenmikroskopie
3.1.1. Funktionsweise eines Rasterelektronenmikroskops
3.1.2. Rastertransmissionselektronenmikroskopie bei niedrigen Elektronenen- ergien
3.1.3. Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDXS)
3.2. Konfokales 4 π -Fluoreszenzmikroskop
3.3. Präparation der Proben
3.3.1. Zellfixierung und Einbettung
3.3.2. Herstellen der Dünnschnitte

4. Experimentelle Ergebnisse
4.1. Nanopartikel in Zellen
4.2. Quantenpunkte auf Kohlenstoff
4.2.1. CdSe-ZnS-Quantenpunkte mit niedriger Quanteneffizienz
4.2.2. CdSe-ZnS-Quantenpunkte mit höherer Quanteneffizienz
4.2.3. CdSe-Quantenpunkte
4.2.4. EDX-Spektren
4.3. Nanopartikel auf Aclar-Folie
4.3.1. Quantenpunkte
4.3.2. Goldpartikel
4.4. Verkürzung der Einbettprozedur
4.5. Aclar-Folie
4.6. LR White

5. Diskussion
5.1. Verwendete Materialien
5.1.1. Quantenpunkte
5.1.2. Aclar-Folie
5.2. EDXS
5.3. Korrelative Mikroskopie von Zellen
5.3.1. Kupfernetzchen
5.3.2. Membranfärbung

6. Zusammenfassung

A. Chemische Fixierung und Einbettung der Zellen
A.1. Durchführung
A.2. Verwendete Chemikalien

B. Herstellen der Dünnschnitte

C. Abkürzungen

D. Formelzeichen

E. Naturkonstanten

Literaturverzeichnis

1. Einleitung

Nanopartikel, das sind Partikel mit einer Größe unter 100 nm, begegnen den meisten Menschen regelmäßig in ihrem Alltag - sei es in Form von Sonnencrèmes, die Titanoxid-Partikel enthalten und so das Sonnenlicht reflektieren, Wäsche, die durch nano-Silber antibakteriell wirkt oder Kaffeepulver, das durch die Zugabe von Siliziumdioxid-Partikeln besser rieselt. Mittlerweile enthalten mehrere hundert Produkte auf dem europäischen Markt Nanopartikel, von denen ein Großteil Kosmetikprodukte und Textilien sind[11], also gerade solche Produkte, die beson- ders eng mit dem Konsumenten in Berührung kommen. Es ist also davon auszugehen, dass Menschen die in derartigen Produkten enthaltenen Nanopartikel in ihren Körper aufnehmen.

Was dort aber mit diesen passiert, ist weitgehend ungeklärt. Fest steht lediglich, dass die Reaktionsfreudigkeit von sehr kleinen Partikeln gegenüber größeren deutlich erhöht ist, da das Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis größer ist[17]. Die Auswirkungen von Nanopartikeln auf den menschlichen Organismus und die Umwelt sollten also ausführlich untersucht werden.

Um die Effekte, die die Aufnahme von Nanopartikeln in einen Organismus verursacht, ver- stehen zu können, ist es allerdings notwendig, zunächst die Reaktion einzelner Zellen auf Nanopartikel-Exposition zu beobachten. So wurden verschiedene häufig verwendete Nanopar- tikel und ihr Einfluss auf Leberzellen von Ratten von Hussain et al. untersucht. Diese Autoren stellten fest, dass Silberpartikel schon in geringer Dosierung für die Tierzelle toxisch sind, während andere Partikel wie Aluminium oder Wolfram sich erst in höheren Konzentrationen schädlich auswirken[17].

Ein weiterer Schritt in Richtung des vollständigen Verständnisses des Aufnahmeprozesses und der Schädlichkeit von Nanopartikeln in Zellen ist die Abbildung und Lokalisierung der Partikel in der Zelle. Es wurde gezeigt, dass die Niederenergie-Rastertransmissionselektronenmikro- skopie sich hierfür besonders eignet[11]. Auch Bleimund hat im Rahmen seiner Diplomarbeit mit dieser Technik Nanopartikel in Zellen abgebildet. Hierbei hat er Dünnschnitte von Zellen, die auf einer Membran gewachsen waren und in dem Epoxidharz Epon eingebettet waren, untersucht. Er kam ebenso wie Hondow et al.[14] zu dem Schluss, dass diese Methode tatsächlich dazu geeignet ist, die Ultrastruktur der Zelle ebenso wie einzelne Nanopartikel aufzulösen[3].

In dieser Arbeit sollen unter Verwendung von Rastertransmissionselektronenmikroskopie bei niedrigen Beschleunigungsspannungen Nanopartikel in Zellen abgebildet werden. Im Gegen- satz zu den Arbeiten von Hondow et al.14 und Bleimund soll aber die Abbildung nicht nur rein elektronenmikroskopisch erfolgen, sondern es sollten darüber hinaus Versuche in Richtung korrelativer Licht- und Elektronenmikroskopie¹ durchgeführt werden. Auf diese Weise sollten die Vorteile von Elektronen- und Fluoreszenzmikroskopie vereint werden. Während man im Elektronenmikroskop nämlich nur statische Objekte, also insbesondere keine lebenden Zellen, abbilden kann, ist es mit dem Fluoreszenzmikroskop auch möglich, die Dynamik des Aufnah- meprozesses von Nanopartikeln abzubilden. Im Gegenzug ist im Elektronenmikroskop die gesamte Ultrastruktur der Zelle hochaufgelöst sichtbar. Mit dem Fluoreszenzmikroskop können hingegen nur mit Fluoreszenzfarbstoffen markierte Strukturen in der Zelle abgebildet werden.

Darüber hinaus ist die räumliche Auflösung des Lichtmikroskops wesentlich schlechter.

Die Zellpräparation und die lichtmikroskopische Abbildung von Nanopartikeln und Zellen wurden in der Arbeitsgruppe von Prof. Ulrich Nienhaus² durchgeführt (vgl. die Bachelor-Arbeit von Adams[1] ).

2. Grundlagen

2.1. Aufbau einer Zelle

Hier soll zunächst der Aufbau einer eukaryotischen Tierzelle beschrieben werden, der in Abbildung 2.1.1 schematisch dargestellt ist. Eine solche Zelle besteht aus mehreren Organellen, die spezifische Funktionen erfüllen.

Die Darstellung in diesem Abschnitt lehnt sich im Wesentlichen an die Ausführungen von Graw10 und Goodsell9 an. Eines dieser Organellen ist der Zellkern, der zugleich als Unterscheidungsmerkmal zwis- chen Eukaryoten (z. B. Pflanzen, Tiere) und Prokaryoten (z. B. Bakterien) dient. Während nämlich Euzyten¹ einen Zellkern besitzen, der durch eine Kernmembran² vom Zyto- plasma getrennt ist und den Großteil des Erbguts in Form von Chromosomen enthält, fehlt den Prozyten ein solcher. Durch Poren in der Kernmembran ist ein Stofftransport zwis- chen Kerninnerem und Zytoplasma möglich. Der Nukleolus, eine rundliche Struktur inner- halb des Zellkerns, enthält DNS³, in der die Baupläne der ribosomalen RNS⁴ gespeichert sind. Der Durchmesser des Zellkerns liegt bei Säugetieren um 6 μm. Um den Zellkern herum erstreckt sich das endoplasmatische Retikulum (ER), ein stark verzweigtes Kanalsystem, das von Membranen begrenzt wird und als schnelles Transportsystem dient. Während das raue ER mit Ribosomen besetzt ist, die für die Synthese von Proteinen zuständig sind, ist das glatte ER ribosomfrei und spielt eine wichtige Rolle bei der Synthese von Hormonen, Lipiden und Fettsäuren. Außerdem trägt das glatte ER zur Speicherung von Kohlenhydraten und Calcium sowie zur Beseitigung von Giften aus der Zelle bei.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1.1: Schematischer Aufbau einer tierischen Zelle (modifiziert von22 )

Die im rauen ER erzeugten Proteine werden im Golgi-Apparat, einem durch Membranen abgegrenzten Reaktionsraum, modifiziert und zu ihrem Bestimmungsort gebracht. Diese Abgrenzung vom Zytoplasma ist nötig, da bei der Modifikation der Proteine Stoffe freigesetzt werden, die die Zelle schädigen können. Weitere Organellen sind die Mitochondrien, die ebenfalls nur in Euzyten vorhanden und durch eine Doppelmembran vom Rest der Zelle abgetrennt sind. Auch sie enthalten Erbgut und können sich selbstständig vermehren. In den Mitochondrien erfolgt die Verbrennung von Nährstoffen, wodurch Energie frei wird, die in Form von ATP⁵ gespeichert wird.

Des Weiteren finden sich in einer tierischen Zelle Zentriolen, die bei der Mitose⁶ zur Ausbildung des Spindelapparats beitragen sowie Peroxisomen und Lysosomen, die mit Hilfe von Enzymen in die Zelle aufgenommene Fremd- und Giftstoffe abbauen. Außerdem enthält eine Zelle Vesikel⁷, die sehr unterschiedlichen Zwecken dienen können und ein Zytoskelett, das die gesamte Zelle durchzieht und so für Elastizität und mechanische Stabilität sorgt. Gegenüber der Umwelt wird das Zytoplasma von der Zellmembran abgegrenzt. Für die Versuche, die im Rahmen dieser Ar- beit durchgeführt wurden, sind Zellen der Linien HeLa und SW-13 zum Einsatz gekom- men. Bei beiden Typen handelt es sich um menschliche Krebszellen, die sich hervorra- gend kultivieren lassen und deswegen schon seit vielen Jahren eingesetzt werden. Exem- plarisch zu sehen ist eine lichtmikroskopis- che Aufnahme von HeLa-Zellen (Abbildung 2.1.2), die mit dem DNA-Farbstoff Hoechst 33258 versehen wurden. Dieser bewirkt die blaue Färbung von DNA und damit in erster Linie des Zellkerns.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1.2: HeLa-Zellen, mit DNA-Färber Hoechst

33258 versehen24

2.2. Streuung von Elektronen an Materie

Die theoretische Grundlage für die Abbildung mit Hilfe von Elektronen ist offenbar das Verhalten, das Elektronen bei der Wechselwirkung mit Materie zeigen. Solche Streuprozesse können durch die Angabe eines differentiellen Wirkungsquerschnitts beschrieben werden. Wie bei mechanischen Stößen kann auch die Streuung von Elektronen elastisch und inelastisch erfolgen.

2.2.1. Elastische Streuung

Wird ein Elektronenstrahl an einem Atom mit der Kernladung + Ze elastisch gestreut, so wird dieser durch die Coulombkraft um den Streuwinkel [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] abgelenkt. Das anfänglich parallele Strahlenbündel, das vor der Streuung eine Fläche d [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] passiert, erhält bei der Streuung einen Öffnungswinkel dΩ, wie in Abbildung 2.2.1 zu erkennen ist.

Das Verhältnis von passierter Fläche und Öffnungswinkel wird differentieller Wirkungsquerschnitt genannt. Er ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron in einen Winkel [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] gestreut wird. Ein erstes theoretisches Ergebnis für den Wert dieser Größe lieferte Rutherford19:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2.1: Ablenkung des Elektronenstrahls durch den Atomkern20

Hierbei ist m die Masse, Z die Kernladungszahl, [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] der Streuwinkel und v die Geschwindigkeit der Elektronen. Offensichtlich divergiert der Wert von[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten].Anschaulichliegtdasan der fehlenden Berücksichtigung der Abschirmwirkung der Hüllenelektronen des Atoms bei der klassischen Herleitung des Rutherford-Streuquerschnitts. Dieses Problem lässt sich allerdings durch eine quantenmechanische Betrachtung und Lösung der Schrödinger-Gleichung beheben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

- Plasmonenanregung: Leitungs- oder Valenzelektronen können zu longitudinalen Schwin- gungen angeregt werden.
- Anregung innerer Elektronen: Elektronen auf inneren Schalen (K, L, M) können aus ihrer Schale auf eine energetisch höher liegende Schale angeregt oder vollständig aus- geschlagen werden. Im Falle der Ionisation ist der Energieverlust [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] kin mit der Ionisationsenergie E I und der kinetischen Energie E kin des ausgeschlagenen Elektrons.
- Interbandübergänge: Elektronen auf äußeren Schalen können in energetisch höher liegende Zustände angeregt werden, sofern diese unbesetzt sind. Der Energieverlust liegt hier im Bereich von [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]

Da bei der inelastischen Streuung nicht nur die Energie, sondern auch der Impuls der Elektro- nen verändert wird, ist eine Ablenkung des Elektronenstrahls zu erwarten. Da der differentielle Wirkungsquerschnitt jedoch schnell mit dem Winkel abfällt, tritt die inelastische Streuung vorwiegend bei kleineren Winkeln auf als die elastische Streuung20.

Die exakte Berechnung des inelastischen differentiellen Wirkungsquerschnitts gestaltet sich schwieriger als im elastischen Fall. Aus diesem Grund führte H. Bethe2 eine Näherung ein, die die Energieabgabe der Elektronen während der inelastischen Streuung zu einem kon- tinuierlichen Energieverlust d E pro Massendickenelement d [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] (Dichte ϱ, zurückgelegtes Wegelement d s) vereinfacht. Für den mittleren Energieverlust pro Massendicke folgt dann

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

mit der Avogadro-Zahl N A, der Massenzahl A des Targetatoms und dem mittleren Ionisationspotential I, für das näherungsweise gilt20:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.2.3. Mehrfachstreuung

Da eine reale Probe, die mit dem STEM8 betrachtet wird, aus einigen hundert Atomlagen bestehen kann, ist es sehr wahrscheinlich, dass Elektronen, die die Probe passieren, nicht nur einmal, sondern mehrfach [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] oder vielfach ([Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] gestreut werden. Um dieses Verhalten zu beschreiben, wird häufig die mittlere freie Weglänge Λ angegeben. Sie spiegelt die Distanz wider, die die Elektronen im Mittel zwischen zwei Stößen zurücklegen und berechnet sich aus dem totalen Wirkungsquerschnitt [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] tot mittels

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

wobei [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] (in)el der (in)elastische Wirkungsquerschnitt ist.

2.2.4. Streuwinkelverteilung

Besitzt der einfallende Elektronenstrahl eine Intensität I 0 und wird unter dem Streuwinkel [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] von einem Detektor, der den Raumwinkel dΩ abdeckt, die Intensität I ([Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]) gemessen, so kann man die Winkelverteilung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.3. Quantenpunkte

angeben. Für ihre Berechnung muss man auf Näherungen zurückgreifen, da die exakte Beschreibung von Mehrfach- und Vielfachstreuung, sowie insbesondere der Elektronendiffu- sion, sehr schwierig oder gar unmöglich ist. Eine solche Näherung für die Berechnung der Streuwinkelverteilung bei Vielfachstreuung stammt von W. Bothe. Er ging davon aus, dass die Energie der Elektronen sich nur geringfügig ändert und beschränkte sich außerdem auf kleine Streuwinkel. Auf diese Weise lässt sich eine Streuwinkelverteilung herleiten, die einer zweidimensionalen Gaußverteilung entspricht19:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

abgeschätzt werden kann. x ist hierbei die Massendicke, die der Elektronenstrahl in der Materie mit Massenzahl A und Ordnungszahl Z durchläuft, in[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]wirddieElektronenenergie in eV eingesetzt.

Quantenpunkte sind nanoskalige Strukturen (meist aus Halbleitermaterial), bei denen die Bewegungsfreiheit der Elektronen in allen drei Dimensionen so eingeschränkt ist, dass ihre Zustandsdichte nur noch diskrete Werte annehmen kann. Da die Form und Größe der Quan- tenpunkte maßgeblich die möglichen Energiewerte beeinflussen, lassen sich insbesondere die optischen Eigenschaften, wie z. B. die Lage von Emissionslinien, an die Anforderungen des jew- eiligen Experiments individuell anpassen. Hierdurch eignen sich Quantenpunkte besonders für CLEM, da sie - im Gegensatz zu gebräuchlichen Nanopartikeln wie Gold oder Siliziumdioxid - sowohl im Emissionsmodus des Fluoreszenzmikroskops als auch mit STEM⁹ sichtbar sind. Die Sichtbarkeit in HAADF-STEM-Bildern¹⁰ beruht dabei auf der hohen mittleren Ordnungszahl der Quantenpunkte gegenüber dem umgebenden Material.

In dieser Arbeit wurden CdSe-ZnS-Quantenpunkte verwendet, die von der Arbeitsgruppe um Prof. Ulrich Nienhaus11 hergestellt wurden. Sie sind kugelrund und bestehen aus einem Kern aus CdSe mit einem Durchmesser von 4-6 nm, der von einer ZnS-Hülle mit einem Durchmesser von 2,4 nm umgeben ist. Das spektrale Emissionsmaximum der verwendeten Quantenpunkte liegt bei einer Wellenlänge von 585 nm.

3. Experimentelle Methoden

3.1. Elektronenmikroskopie

3.1.1. Funktionsweise eines Rasterelektronenmikroskops

Um die Auflösungsgrenze von konventionellen Lichtmikroskopen, die bekanntlich im Bere- ich von wenigen hundert Nanometern liegt, zu umgehen, werden schon seit Anfang des letzten Jahrhunderts Elektronenmikroskope benutzt, um kleine Objekte abzubilden. Da die de-Broglie-Wellenlänge von Elektronen mit hoher kinetischer Energie kleiner ist als typische Lichtwellenlängen, haben Elektronenmikroskope ein deutlich höheres Auflösungsvermögen als gewöhnliche Lichtmikroskope.

Im Gegensatz zum Transmissionselektronenmikroskop (TEM), bei dem die Probe flächig vom Elektronenstrahl beleuchtet wird, wird die Probe im Rasterelektronenmikroskop (SEM)1 mit einem fokussierten Elektronenstrahl Punkt für Punkt abgerastert (vgl. Abbildung 3.1.1). Dazu werden z. B. durch Feldemission freie Elektronen erzeugt und durch eine Hochspannung, die üblicherweise zwischen 5 und 30 kV liegt, beschleunigt. Durch elektromagnetische Linsen wird der Elektronenstrahl gebündelt und auf die Probe fokussiert. Ablenkspulen im Strahlengang übernehmen die Rasterung des Strahls über die Probenoberfläche. Die Primärelektronen2, die auf die Probe treffen, können auf unterschiedliche Weise mit dem Probenmaterial wechsel- wirken.

So können in der Probe Sekundärelektronen erzeugt werden, die von einem Everhart-Thornley- Detektor erfasst werden können. Ihre Energie liegt im Bereich von einigen Elektronenvolt3, weshalb die Sekundärelektronen nur aus der unmittelbaren Nähe der Probenoberfläche stam- men können. Ein auf diese Weise aufgenommenes Bild zeigt die Topografie des untersuchten Objekts.

Elektronen mit Energien über 50 eV werden Rückstreuelektronen genannt. Die Detektion kann mittels eines In-Lens-Detektors4 erfolgen. Die so erhaltenen Bilder zeigen einen hohen Ord- nungszahl- oder Materialkontrast. Da der Wirkungsquerschnitt für die Rückstreuung an Atomen mit steigender Ordnungszahl zunimmt, erscheinen folglich Bereiche auf der Probe mit hoher mittlerer Ordnungszahl heller als Bereiche mit geringerer mittlerer Ordnungszahl.

Das verwendete SEM verfügt außerdem über einen STEM-Detektor (siehe Abschnitt 3.1.2), der Elektronen nachweist, die die Probe passieren, sowie einen EDXS-Detektor5 (siehe Abschnitt 3.1.3), mit dessen Hilfe Röntgenspektren aufgenommen werden können. 3. Experimentelle Methoden

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.1.1: Schematischer Aufbau eines Rasterelektronenmikroskops25

3.1. Elektronenmikroskopie

Abbildung 3.1.2: links: Funktionsweise von STEM im SEM25 ; rechts: Schematische Einteilung des STEM-Detektors 25

3.1.2. Rastertransmissionselektronenmikroskopie bei niedrigen Elektronenenergien

Bei der Verwendung des SEM im Rastertransmissionsbetrieb erfolgt die Rasterung der Probe auf gleiche Weise (siehe Abbildung 3.1.2 links). Es werden lediglich nicht Rückstreu- oder Sekundärelektronen detektiert, sondern jene, die die Probe auf der Rückseite wieder ver- lassen. Aus diesem Grund können in diesem sogenannten STEM-Modus ausschließlich Ultra- dünnschnitte der Proben betrachtet werden, während im SEM-Betrieb die Oberflächen von massiven Proben abgebildet werden können. Hierdurch ergibt sich aber gleichzeitig der Vorteil, dass beim STEM die Auflösung lediglich durch die Größe der Elektronensonde bestimmt wird, da die Strahlaufweitung in der Probe abhängig von der Probendicke geringer ausfallen kann wobei sich der Exponent in der Theorie von Bothe zu γ = 2 ergibt. Experimentell wurden je nach verwendetem Material allerdings teils deutliche Abweichungen von γ = 2 gemessen6. An der Proportionalität erkennt man jedenfalls, dass die mittlere Ablenkung der Elektronen bei niedrigen Energien ansteigt, weshalb das HAADF-Signal zunimmt. Außerdem ist der Streuwinkel proportional zu einer positiven Potenz der Ordnungszahl, woher der bereits erwähnte Materialkontrast in HAADF-Aufnahmen stammt. Je höher also die Ordnungszahl des Probenmaterials, desto mehr Elektronen werden in große Winkel gestreut. Die HAADF-STEM- Intensität ist besonders groß, wenn viele Elektronen in den vom HAADF-Detektor abgedeckten Raumwinkelbereich gestreut werden.

3.1.3. Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDXS)

Bei der Kollision von Primärelektronen mit einem Atom kann es passieren, dass die Primärelek- tronen ihre Energie an Elektronen auf niedrigen Schalen (z. B. K,L,M) abgeben und diese ins Leitungsband anregen. Der freigewordene Platz in der niedrigen Schale wird sodann von einem Elektron aus einer höheren Schale - unter Emission eines Photons - besetzt. Solche Photonen können nur diskrete, für das jeweilige Atom charakteristische Frequenzen aufweisen, denn es ist mit der Energiedifferenz zwischen den zwei Schalen Δ E und der Photonfrequenz ν 10. Der Vorgang der Röntgenemission ist in Abbildung 3.1.3 schematisch dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Röntgenemission kann man sich zunutze machen, um die Zusammensetzung einer Probe zu untersuchen. Dazu wird im SEM ein Bereich ausgewählt, der analysiert wer- den soll, und mit Elektronen bestrahlt. Mit dem EDXS-Detektor im SEM (üblicherweise ein Halbleiterdetektor) werden die Energien der emittierten Röntgenquanten gemessen. Ein Computer trägt die Messwerte in ein Histogramm ein, wodurch ein Röntgenspek- trum der Probe entsteht. Die darin enthalte- nen Spitzen können dann zur Identifikation von chemischen Elementen, deren charakter- istische Energien bekannt sind, herangezogen werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.1.3: Schematische Darstellung der R ö ntgene- mission im Atom (modifiziert von26 )

Hierbei wurde der charakteristische Winkel ϑ 0 eingeführt, der sich aus der Abschirmlänge R des Kerns und der de-Broglie-Wellenlänge λ der Elektronen ergibt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Für große Streuwinkel ist auch die abgeschirmte Rutherford-Formel nicht mehr anwend- bar, da dann der Elektronenspin berücksichtigt werden muss20. Dies leistet der Mott- Streuquerschnitt, der sich aus der Lösung der Dirac-Gleichung ergibt. Die exakte Lösung lässt sich als unendliche Reihe von Legendre-Polynomen ausdrücken.

2.2.2. Inelastische Streuung

Durch verschiedene Wechselwirkungen der Elektronen mit den Targetatomen können Energiev- erluste Δ E bei der Streuung auftreten. Die Ursachen sind nach Reimer und Pfefferkorn20 im Wesentlichen

Die Elektronen, die den STEM-Detektor6 erreichen, werden beim Durchgang durch die Probe abgelenkt. Um diese Ablenkung zu klassifizieren, ist der Detektor in drei verschiedene Zonen

eingeteilt und liegt konzentrisch zur optischen Achse des Mikroskops. Die Einteilung lässt sich in Abbildung 3.1.2 rechts nachvollziehen. Während der Hellfeld-Detektor7 also die Elektronen detektiert, die kaum abgelenkt wurden, weist der Dunkelfeld-Detektor8 die Elektronen nach, die in einen mittleren Raumwinkel gestreut werden.

Besonders interessant ist aber das Signal des HAADF-Detektors9, der die stark gestreuten Elektronen detektiert. Für die Streuung in diesen Raumwinkelbereich hängt der Wirkungs- querschnitt nämlich stark von der Ordnungszahl des Probenmaterials ab, wodurch in HAADFBildern ein hoher Materialkontrast erzielt wird7. Für den mittleren quadratischen Streuwinkel [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]2 der Elektronen beim Durchgang durch einen Probendünnschnitt gilt nach Cosslett und Thomas6 der Zusammenhang

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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¹ von englisch „Scanning Electron Microscope”. Verwendet wurde für diese Arbeit das Modell Strata 400 von FEI.

² Das sind die Elektronen im Elektronenstrahl zwischen Kathode und Probe.

³ Die Obergrenze wird üblicherweise auf 50 eV festgelegt.

⁴ Dieser wird auch Through-the-Lens-Detektor (TLD) genannt.

⁵ von englisch „Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy” (energiedispersive Röntgenspektroskopie)

⁶ Bei der FEI Strata 400 handelt es sich um einen Halbleiterdetektor.

⁷ oft auch BF von englisch „Bright Field”

⁸ oft auch DF von englisch „Dark Field”

⁹ von englisch „High Angle Annular Dark Field” (Großwinkeldunkelfeld)

¹⁰ Da die diskreten Frequenzen im Bereich der Röntgenstrahlung liegen, spricht man auch von charakteristischen Röntgenquanten.