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Lexikon der Biologie: Rastersondenmikroskopie

Rastersondenmikroskopie w, Scanning-Probe-Microscopy, Abk. SPM, Überbegriff für mikroskopische Verfahren, bei denen Probenoberflächen mit wenige Nanometer (10–9 m) großen Sonden abgetastet (gescannt) werden und ein hochaufgelöstes Bild der Oberflächentopographie aufgezeichnet wird. Die Rastersondenmikroskopie nutzt die stark abstandsabhängigen lokalen Wechselwirkungen (z.B. quantenmechanischer Tunnelstrom, elektrochemische, elektrostatische und elektromagnetische Kräfte) zwischen Sondenspitze und Probe, um ein dreidimensionales Bild der Oberfläche darzustellen. Hierzu wird die extrem spitze Sonde (im Idealfall befindet sich auf der Sondenspitze nur 1 Atom) mit Hilfe eines piezoelektrischen Kristalls (Piezoaktuator) in Schritten von wenigen Ångström (1 Å = 0,1 nm) lateral über die Probe bewegt (gerastert). Über einen Regelkreis, der die Wechselwirkung (z.B. einen fließenden Strom) erfaßt, wird der vertikale Abstand zwischen Sonde und Probe reguliert. Aus den Meßpunkten (xy-Koordinaten) der so abgetasteten Fläche und der korrespondierenden vertikalen Korrektur (z-Koordinate) errechnet ein angeschlossener Computer die Oberflächenkontur. Da die räumliche Auflösung im Nanometer-Bereich liegt, können mit der Rastersondenmikroskopie atomare Oberflächenstrukturen sichtbar gemacht werden. – Ihren Anfang nahm die Rastersondenmikroskopie mit der Entwicklung des Raster-Tunnelelektronenmikroskops (STM) durch G. Binnig und H. Rohrer 1981 (Nobelpreis 1986). Elektronen die den quantenmechanischen Potentialwall zwischen Sonde und Probe durchtunneln, erzeugen bei der STM-Mikroskopie einen meßbaren Tunnelstrom, der zur Bildgewinnung eingesetzt wird. Bei dem ebenfalls von Binnig 1986 vorgestellten Raster-Kraftmikroskop (Scanning-Force-Microscopy [SFM] oder Atomic-Force-Microscopy [AFM]) werden atomare Kräfte zwischen Sonde und Probe registriert und in ein Oberflächenbild umgesetzt. Mittlerweile wurden weitere kraftmikroskopische Verfahren eingeführt. Je nach zugrundeliegender physikalischer Wechselwirkung von Sonde und Probe werden diese als Magnet-Kraftmikroskopie (MFM), Elektrostatische Kraftmikroskopie (EFM), Raster-Ionenleitungsmikroskopie (SICM), Raster-Chemisches-Potential Mikroskopie (SCPM) oder Raster-Wärmemikroskopie (SThM) bezeichnet. Variationen der Rastersondenmikroskopie, die optische Wechselwirkungen zwischen Sonde und Probe nutzen, sind die Raster-Nahfeldmikroskopie (SNOM) und die Photonen-Raster-Tunnelmikroskopie (PSTM). – Die Rastersondenmikroskopie ist zur Oberflächencharakterisierung in der Physik und in den Materialwissenschaften weitverbreitet. Insbesondere die Raster-Kraftmikroskopie gewinnt zunehmend an Bedeutung bei der Charakterisierung biologischer Materialien z.B. von Polymeren (Muskelproteine, DNA, Pflanzenzellwände) und anderen biologischen Strukturen (β-Amyloide, Chromosomen, Zell- und Membranoberflächen). ESEM, Nanotechnologie.

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