Anwendung und Einsatzbereiche

Um strukturelle Informationen biologischer Proben auf der Mikro- und Nanoskala zu verstehen, reicht die Auflösung konventioneller Lichtmikroskope und Röntgentomographie-Systeme nicht aus. Mit JEOL-Elektronenmikroskopen können kleinste biologische Strukturen wie Viren, aber auch mikroskalige Objekte wie Synapsen oder Zellen, abgebildet und dreidimensional rekonstruiert werden.

Rekonstruktion eines Bakteriophagen (links) und Synapsen (rechts)

Bildquelle: Journal of Structural Biology 177 (2012) 589–601 bzw. JEOL News 51

Nanopartikel gewinnen aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften sowohl für die Industrie als auch für die universitäre Forschung immer mehr an Bedeutung. Ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften hängen stark von ihrer Größe, Form und Zusammensetzung ab. Mit den Hochleistungsinstrumenten von JEOL lassen sich diese Eigenschaften bis in den Sub-Nanometerbereich hinein zuverlässig analysieren.

Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Eisenoxid-Nanopartikels

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH, Universität Bielefeld Frau Dr. Ennen / Applikationsarbeit F200

Nanopartikel gewinnen aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften sowohl für die Industrie als auch für die universitäre Forschung immer mehr an Bedeutung. Ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften hängen stark von ihrer Größe, Form und Zusammensetzung ab. Mit den Hochleistungsinstrumenten von JEOL lassen sich diese Eigenschaften bis in den Sub-Nanometerbereich hinein zuverlässig analysieren.

Elementverteilung eines Core-Shell-Nanopartikels. Der innere Gold-Kern (rot) ist mit einer 0,6nm dünnen Palladium-Schicht (grün) überzogen

Bildquelle: JEOL Ltd. / Präsentation GrandARM

Asbest wurde über Jahrzehnte hinweg als feuer- und temperaturfester Werk- und Dämmstoff eingesetzt. Nach der Entdeckung der gesundheitlichen Gefahren werden potentiell asbesthaltige Baustoffe in vielen Labors untersucht. Als einziger Hersteller bietet JEOL die hochleistungsfähige Kombination eigener Elektronenmikroskope und eigener Spektrometer als Komplettlösung für die normgerechte Asbestanalytik an.

Identifizierung einer Chrysotil-Faser mittels REM-Abbildung und EDX-Spektrum

Bildquelle: JED-Broschüre

Um die mechanischen Eigenschaften eines metallischen Gefüges zu definieren, wird das Bilden von Ausscheidungen gezielt eingesetzt. In Form von Verunreinigungen können diese jedoch auch unerwünscht sein. Um die Qualität einer Legierung beurteilen zu können, müssen die Morphologie sowie die chemische Zusammensetzung der Ausscheidungen bestimmt werden. Zu diesem Zweck bietet JEOL allumfassende Komplettlösungen, von der artefaktfreien Probenpräparation bis zur hochaufgelösten Analyse von der µm bis nm Ebene an.

Elementverteilungsbild einer Messinglegierung

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH

Die Aufklärung von Proteinstrukturen durch die kryo Elektronenmikroskopie hat in den letzten Jahren große Veränderungen erlebt und wurde 2017 mit dem Nobelpreis für Chemie geehrt (https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2017/advanced-chemistryprize2017.pdf).
Mit der Einführung schneller, hochempfindlicher Kameratechniken und einem hohen Automatisierungsgrad der Elektronenmikroskope ist es möglich mit Auflösungen von 2 Ångström und darunter, Proteine in ihrer nativen Umgebung (amorphes Eis) zu charakterisieren.
Die Methode der Einzelpartikel Analyse (engl.: single particle analysis oder SPA) erlaubt Proteine, welche nicht kristallisiert werden können, in einer schnellen und effizienten Art und Weise zu untersuchen. So können z.B. schnell neue Wirkstoffe gegen verschiedenste Krankheiten entwickelt oder auch grundlegende Funktionsweisen von biochemischen/ molekularbiologischen Prozessen verstanden werden.

GroEL Protein, 40k x Vergrößerung, K2 summit, CRYO ARMTM 200, Pixelgröße 0,12nm, 200kV
Schottky, rechts oben: live FFT, zero-loss Aufnahme (Omega Energiefilter bei 20eV Schlitzweite).

Bildquelle: JEOL Ltd., Universität Osaka, Prof. Namba

DNA Origami ist eine neue Technik in der synthetischen Biologie bzw. den Disziplinen der Biochemie und Biophysik. Hier werden DNA Moleküle in beliebige zwei- und dreidimensionale Nanoformen gebracht. Anwendungen finden diese synthetisch gefalteten DNA Moleküle z.B. als zukünftige biokompatible Träger von Wirkstoffen oder der Herstellung von Nanomaschinen bzw. Nanorobotern.

Negativ kontrastierte TEM Aufnahme von synthetisierten DNA Molekülen

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH, TU München, Prof. Dietz bzw. Klaus Wagenbauer.

Magnetotaktische Bakterien orientieren sich mit Hilfe von membranumhüllten Magnetitpartikeln entlang des Erdmagnetfeldes. Diese Organismen dienen als Modelle zur Untersuchung der komplexen Prozesse der Biomineralisation. Zusätzlich werden die sogenannten Magnetosomen (Einheit aus Magnetitkristall und Membran) als Träger für Wirkstoffe getestet, sowie für neue Therapieformen in der Medizin (Hyperthermietherapie). Für die hochauflösenden elementare Zuordnung der einzelnen Komponenten stellt JEOL kombinierte und vollständig automatisierte Lösungen bereit.

Elementanalyse (rotes Rechteck) bei 120 kV im (S)TEM an magnetotaktischen Bakterien, Magnetitketten (grün)

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH

Fasern werden in vielen Industriezweigen eingesetzt, bspw. in der Textilverarbeitung oder als Konstruktionswerkstoff im Maschinenbau. Ihre strukturellen Eigenschaften lassen sich beispielsweise anhand eines Faserquerschnittes studieren. Hierfür bietet JEOL eine etablierte und leistungsfähige Komplettlösung zur einfachen, artefaktfreien Präparation und höchstauflösenden Abbildung und Analytik.

REM-Abbildung eines Querschnitts durch ein Faserbündel

Bildquelle: JEOL Ltd., Broschüre Ion Slicer

Im Rahmen einer Biopsie erfolgt eine Gewebeentnahme welche anschließend unter dem Mikroskop untersucht wird. Zusätzlich können durch die Verwendung von Markern die zu untersuchenden Wirkstoffe zielgerichtet lokalisiert werden. Hierfür bietet JEOL zum einen speziell entwickelte, automatisierte Systeme zur einfachen und kontraststarken Abbildung und hochauflösenden und ultrastrukturellen Diagnostik an. Zum anderen können die verwendeten Marker durch hochsensitive JEOL EDX-Detektoren zielgerichtet lokalisiert werden.

TEM-Abbildung von einem Gewebeschnitt

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH, Demo Friedrich Baur Institut München

Zur atomaren Abbildung und Analyse von leichten und elektronenstrahl-empfindlichen Materialien bedarf es der Hochleistungsmikroskopie. Durch die hohe Stabilität und ausgezeichnete Auflösung von JEOL Transmissionselektronenmikroskopen können selbst zwischen einzelnen Kohlenstoffatomen mühelos Gitterfehler identifiziert und untersucht werden.

Atomar aufgelöste Abbildung von Graphen

Bildquelle: JEOL Ltd., Präsentation GrandARM

In modernen Halbleiterbauteilen müssen komplexe, funktionelle Strukturen auf immer kleinerem Raum realisiert werden. Um Fehler zuverlässig zu lokalisieren und identifizieren zu können, ist eine genaue Analyse des Aufbaus und der Elementverteilung zwingend erforderlich. Mit den automatisierten Systemen von JEOL lassen sich Halbleiterbauteile zielgerichtet mit höchster Genauigkeit präparieren, abbilden und auf Fehler hin analysieren.

3-dimensionale Elementverteilung einer NAND-Schaltung

Bildquelle: JEOL Ltd., Broschüre/Präsentation JEM-2800

Um die komplexen Zusammenhänge biologischer Proben zu verstehen, sind hochaufgelöste 3D-Darstellungen unerlässlich. Mit JEOL Transmissionselektronenmikroskopen können empfindliche biologische Strukturen schonend abgebildet und vollautomatisiert in allen drei Raumdimensionen rekonstruiert werden. Für eine einfache Interpretation kann das errechnete 3D-Modell virtuell beliebig bewegt, segmentiert und untersucht werden.

Elektronenmikroskopische Aufnahme und rekonstruiertes Modell eines Golgi-Appartes eines Fadenwurms

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH, ENI / Göttingen

Die Eigenschaften von Werkstoffen werden maßgebend durch ihre Struktur und die Bindungszustände der Atome bestimmt. Genaue Kenntnisse über Aufbau und chemische Zusammensetzung sind für die Entwicklung neuer Werkstoffe von essenzieller Bedeutung. Mit den hochauflösenden Spektroskopie-Systemen von JEOL können solche Bindungszustände lokal mit atomarer Genauigkeit untersucht werden.

Energieverlustspektrum der Minerale Rutil (rot) und Anatase (grau)

Bildquelle: JEOL Ltd., Präsentation ARM200F

Durch die Kombination von JEOL patentierten TEM und EDX Systemen kann der Nachweis von Elementen bis in den nm und sub-nm Bereich realisiert werden. Moderne Techniken erlauben es innerhalb kürzester Zeit eine genaue Aussage über die chemische Zusammensetzung zu treffen. Dadurch kann zeiteffizient auf  Problemstellungen und Fragen reagiert werden.

Chemisches Elementmapping an einer Halbleiterprobe (JEM-2800)

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH, Demoreport AMS AG

Die Verknüpfung von lichtmikroskopischen Signalen und elektronenoptischen Details erlaubt unter anderem Rückschlüsse auf die genaue Lokalisation von Proteinen in bestimmten Teilen von Geweben. Zur Kombination zwischen Fluoreszenz-  und höchstauflösender Elektronenmikroskopie stellt JEOL intuitive, systemübergreifende Komplettlösungen her.

Dünnschnitt eines Zebrafisches: Korrelativ überlagerte elektronen- und fluoreszenzmikroskopische Aufnahmen

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH, Zentrum für regenerative Therapien, TU Dresden.

Fotolithographie ist eine essentielle Methode in der Halbleiter- und Mikroelektrotechnik, etwa zur Herstellung integrierter Schaltungen mit hohem Durchsatz. Elektronenoptische Systeme von JEOL ermöglichen eine schnelle und zuverlässige Qualitätskontrolle als auch der Optimierung bzw. Entwicklung von neuen Verfahren in der Halbleitertechnik.

Fotolithographisch strukturierte Siliziumwafer

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH, Max-Planck-Institut für Halbleiterforschung, München.