In-situ-Ultramikrotomie

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In situ Ultramikrotomie (Autor: Dr. A. Zankel)

Experimentelle Methode

FELMI-ZFE

Bei dieser Methode ist ein Ultramikrotom in ein Umgebungs-REM (ESEM) eingebaut, wobei eine Probe mittels eines Diamantmessers sequentiell geschnitten wird. Nach jedem Schnitt wird die verbleibende Stirnfläche der Probe elektronenmikroskopisch abgebildet (siehe Schema in Bild 1). Danach können die einzelnen Bilder zu einer 3D-Darstellung des Probenbereichs zusammengesetzt werden. Daraus können auch quantitative Größen wie z. B. Volumenanteile verschiedener Phasen oder z. B. die Größenverteilung von Hohlräumen etc. ermittelt werden.

Bild 1:

Schematische Darstellung der Methode. SE: Sekundärelektronen, RE: Rückstreuelektronen, EDX: Energiedispersive Röntgenspektroskopie

Die Abbildung findet im sogenannten Low Vacuum-Modus des ESEM statt, wobei typischerweise Rückstreuelektronen zur Signalerzeugung verwendet werden (Materialkontrast). Dies bedingt entweder eine entsprechende chemische Heterogenität der Probenoberfläche (z. B. bei talkumgefülltem Polypropylen) oder erfordert eine entsprechende Kontrastierung der Proben. Für biologische Proben und Polymerproben sind Osmiumtetroxid, Rutheniumtetroxid und Uranylacetat typische bei der Präparation verwendete Chemikalien.

Anwendungsbeispiel in der Kunststofftechnik

Bild 2a zeigt den Querschnitt einer Polyethersulfonmembran, die in Kunstharz eingebettet wurde. Aufgrund des Schwefels in der Matrix der Membran zeigt sich Materialkontrast im Vergleich zum Einbettmittel. Dies ermöglicht die dreidimensionale Rekonstruktion von Probenbereichen (Bild 2b).

Bild 2:

Querschnitt einer Polyethersulfonmembran eingebettet in Kunstharz (die schwefelhältige Membran hebt sich vom Einbettmittel ab: Materialkontrast) (a); 3D-Rekonstruktion eines Probenbereichs (Skaleneinheit: $\mu$m) (b).

Anwendungen in der Medizin

Die In situ Ultramikrotomie wurde entwickelt für Untersuchungen im Bereich der Neurophysiologie. Eine weite Verbreitung hat sie im Bereich Biologie und Medizin. Darüber hinaus wird diese Methode auch im Bereich der Materialwissenschaften angewandt. Im Jahr 2011 wurde durch Kopplung dieser Methode mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) die Möglichkeit geschaffen, 3D-Rekonstruktionen von chemischen Bereichen in Materialien durchzuführen.

Danksagung

Die Herausgeber des Lexikons danken Dr. A. Zankel, Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik (FELMI) und Zentrum für Elektronenmikroskopie (ZFE) Graz für den Gastbeitrag.

Siehe auch

• Elektronenmikroskopie
• Energiedispersive Röntgenspektroskopie
• Hybride Methoden
• Hybride Methoden, Beispiele
• Mikrotomie
• Umgebungs-REM

Literaturhinweise

[1]	Michler, G. H., Lebek, W.: Ultramikrotomie in der Materialforschung. Carl Hanser Verlag, München Wien (2004) (ISBN 3-446-22721-0; siehe AMK-Büchersammlung unter F 5)
[2]	Denk, W., Horstmann, H.: Serial Block-face Scanning Electron Microscopy to Reconstruct three-dimensional Tissue Nanostructure. PLoS Biol 2(11) (2004): e329.
[3]	Zankel, A., Kraus, B., Poelt, P., Schaffer, M., Ingolic, E.: Ultramicrotomy in the ESEM, a Versatile Method for Materials and Life Sciences. J. Microsc. 233 (2009) 140-8; Link (Zugriff am 17.01.2024)
[4]	Reingruber, H., Zankel, A., Mayrhofer, C., Poelt, P.: Quantitative Characterization of Microfiltration Membranes by 3D reconstruction. J. Membr. Sci. 372 (2011) 66–74; Link (Zugriff am 17.01.2024)
[5]	Zankel, A.; Reingruber, H.; Schröttner, H.: 3D Elemental Mapping in the ESEM. Imaging & microscopy 2 (2011) 35 – 37; Link (Zugriff am 17.01.2024)
[6]	Zankel, A., Wagner, J., Poelt, P.: Serial sectioning methods for 3D investigations in materials science, Micron 62 (2014) 66–75; Link (Zugriff am 17.01.2024)
[7]	Muellner, T., Zankel, A., Lv, Y., Svec, F., Höltzel, A., Tallarek, U.: Assessing Structural Correlations and Heterogeneity Length Scales in Functional Prous Polymers from Physical Reconstructions. Advanced Materials 27 (2015) 6009–6013, DOI: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201502332
[8]	Zankel, A., Nachtnebel, M., Wernitznig, S.: Synergy of SEM and Ultramicrotomy, Imaging and Microscopy Sep. 15 (2016) Link (Zugriff am 17.01.2024)