Eine Reise in den Nanokosmos

Anwendungen für die Elektronenmikroskopie decken ein breites Spektrum von der Halbleiterinspektion über die Materialforschung bis zur molekularbiologischen Forschung ab. Sowohl im konventionellen TEM als auch im neueren, im Jahr 2017 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichneten Cryo-TEM, müssen die Proben hochpräzise in einer xyz-Koordinate nanopositioniert und dann um eine Achse gekippt werden, um eine bestimmte Anzahl von Transmissionsbildern für die Bildrekonstruktion zu erzeugen. Insbesondere im Cryo-TEM, das sehr dünne, schockgefrorene Probenscheibchen mit einer typischen Dicke von nur 50 Nanometer verwendet, ist der Kontrast gering. Daher werden in der Regel Tausende von Bildern aus ebenso viel Neigungswinkeln für die Rekonstruktion benötigt.

Beim Scannen von Proben im TEM und im SEM (Rasterelektronenmikroskopie) ist jedoch nicht nur eine genaue Anfangspositionierung, sondern auch ein sehr genaues Verfahren der Probe im Nanometer- und Subnanometerbereich ein Hauptaspekt des Verfahrens.

Entsprechend benötigen alle elektronenmikroskopischen Verfahren Präzisionsantriebe für mehrere Freiheitsgrade, typischerweise drei oder auch sechs, einschließlich xyz, Rotationen und Neigungsbewegungen, abhängig von der spezifischen Hardware-Konfiguration.

Um höchste Dynamik, kleinste Außenabmessungen des Mikroskops und höchsten Komfort für den Benutzer zu erreichen, müssen diese Antriebe vorzugsweise in der Vakuumkammer mit Druckanforderungen platziert werden, die typischerweise zwischen 10^-4 mbar und 10^-6 mbar liegen. Weitere Anforderungen an die Antriebe sind die Verwendung nichtmagnetischer Materialien und für Cryo-TEM zusätzlich die Arbeitstemperatur von flüssigem Ethan (-160° C) oder sogar flüssigem Stickstoff (-196° C).

Der Kampf gegen COVID-19 ist ein aktuelles Anwendungsbeispiel für Cryo-TEM. Diese Technologie spielt eine entscheidende Rolle bei der Identifizierung der Oberflächenstruktur des SARS-CoV-2-Virus. Die Kenntnis über die äußere Gestalt liefert wertvolle Hinweise auf Mechanismen und Möglichkeiten zur Bekämpfung. So zeichnet sich beispielsweise das kugelförmige Corona-Virus, durch eine Art Widerhaken aus, die auf der äußeren Hülle des Virus sitzen. Diese gaben dem Virus nicht nur seinen Namen, Corona = Krone, sondern werden auch mit als Ursache für die hohe Infektiosität vermutet. Mit diesen Widerhaken krallt es sich leicht an den Wirtszellen fest und kann dort ausreichend lang verweilen, um seine DNA in die Wirtszelle einzuschleusen. Da Viren Verwandlungskünstler sind, also ständig mutieren, dient das Aussehen auch als Indikator für Mutationen.