Elektronenmikroskopie und Analytik
Entwicklung von Hard- und Software für die quantitative Rasterelektronenmikroskopie an dünnen Proben
Um quantitative Informationen über Proben zu gewinnen, müssen die Signalelektronen im Rasterelektronenmikroskop (SEM) einzeln detektiert, gezählt,
digital gespeichert und verarbeitet werden. Die dazu erforderliche Hard- und Software ist bei kommerziellen SEMs nicht erhältlich. Aus diesem Grunde wurde
hardwareseitig für ein hochauflösendes Feldemission-SEM (Typ S-800) ein ringförmiger Dunkelfeld-Detektor entwickelt und getestet.
Eine schnelle Elektronik, bestehend aus modifizierten ETD, schnellem Diskriminator und digitalem Zähler (120 MHz) sowie schnelle rauscharme
Strom-Spannungswandler (Verstärkung 108
bis 1010 V/A) wurden entwickelt. Die neue Version des PC-kontrollierten Systems erlaubt simultan bis zu 4 analoge und einen digitalen Kanal und
Bildformate mit einer Auflösung von maximal 16384 x 16384 Bildpunkten mit 12 bit Tiefe über eine USB 2.0 Schnittstelle zu erfassen. Zusätzlich zu
den Bilddaten werden für jedes Bild weitere Parameter während der Abbildung erfasst, die für die quantitative Auswertung benötigt werden.
Zur Quantifizierung der Elektronenstreuung
in dünnen Proben wurde ein MATLAB - Monte Carlo Simulationsprogramm entwickelt, das für wählbare Probenparameter (Elementzusammensetzung,
Dichte, Dicke) und Untersuchungsparameter (Elektronenenergie, Elektronendosis, Bestrahlungsapertur) die Winkel- und Energieverteilung der transmittierten Elektronen
ermittelt. Aus diesen Verteilungen lassen sich für wählbare Detektionsgeometrien die resultierenden Detektorsignale berechnen, was u.a. zur Optimierung der
Detektionsgeometrie und zur Berücksichtigung von Nichtlinearitäten in den detektierten Signalen genutzt werden kann. Die entwickelte Software
enthält ein Demonstrationsprogramm für die detailierte Darstellung der in der Probe ablaufenden Elektronenstreuprozesse und der sich anschließenden
Elektronendetektion zu Lehrzwecken für Studenten. Mit
der entwickelten Instrumentation wird die Dunkelfeldabbildung dünner unkontrastierter organischer Proben, so z.B. gefriergetrockneter Makromoleküle oder
Molekülkomplexe, im Transmissionsmode des hochauflösenden SEM bei sehr niedrigen Bestrahlungsdosen möglich. Aus diesen digitalen
Dunkelfeldbildern lassen sich mit der neu entwickelten Software außer der Form und Größe der makromolekularen Objekte auch ihre Masse bzw. ihr
Molekulargewicht (der Massebereich erstreckt sich über 4 Größenordnungen von etwa 104 bis über 108 Da) sowie
weitere charakteristische Parameter wie z.B. die Masse/Länge bei filamentösen Strukturen oder die Masse/Fläche bei Membranen und dünnen
Filmen bestimmen; diese Parameter sind für die biophysikalische Charakterisierung der untersuchten Proben sehr hilfreich. Zur weitgehend automatisierten
quantitativen Auswertung der digitalen Dunkelfeldbilder und der Darstellung der Ergebnisse wurde ein umfangreiches "user"-freundliches MATLAB-Softwarepaket
"MASDET" in Kooperation mit dem M.E. Müller Institut für Mikroskopische Strukturbiologie am Biozentrum der Universität Basel für den PC
entwickelt, welches jedoch auch mit den Betriebssystemen "Mac OS" oder "UNIX" verwendet werden kann.
Drittmittelgeber:
Beteiligte Wissenschaftler:
Veröffentlichungen:
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