Chemie eines Malariaparasiten im menschlichen Blut und Immunlabel in einer Hefezelle

Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX oder EDS oder EDXS) in der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM, STEM) kann wertvolle Daten für die Forschung an biologischen Proben beitragen, z. B. für die Abbildung von Zellen und Geweben mit chemischer Information. Silizium-Drift-Detektoren (SDD), die für EDS verwendet werden, sind im EDS-Niedrigenergiebereich so empfindlich geworden, dass der Nachweis kleiner, für die Biologie relevanter Mengen leichter Elemente wie Kalzium, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel, nun routinemäßig möglich ist. Darüber hinaus ermöglicht die EDS die Identifizierung fast aller Elemente des Periodensystems im Rahmen eines einzigen Experiments, welches nur wenige Minuten dauert. Dadurch ist die EDS in der Elektronenmikroskopie prädestiniert für die Untersuchung komplexer Biomaterialien. Biomineralisierung ist eines der besonders gut geeigneten Themen, aber auch die Abbildung der Verteilung von Elementen wie Sauerstoff oder Kalzium ist möglich. Darüber hinaus können Immunlabel durch EDX leicht von ihrer Umgebung unterschieden werden, wenn sie ein geeignetes Element enthalten oder aus diesem bestehen.

Abb. 1: In Harz eingebettete, mit Plasmodium (Malaria verursachender Parasit) infizierte menschliche Erythrozyten. Quantitative Abbildung der Verteilung leichter und schwerer Elemente mit einer Genauigkeit von wenigen m%. Aufnahmeparameter: 30 mm² EDS Detektor, Erfassungsraumwinkel 0,09 sr, Abnahmewinkel 13°, konventionelle STEM, Messzeit 20 min. Daten mit freundlicher Genehmigung von C. Biot, C. Slomianny, Lab. of Cell Physiology, University of Lille, France.

Abb. 2: Trennung der EDS Element-Linien für Osmium und Phosphor mit der ESPRIT-Software

Als Beispiel wurden in Harz eingebettete menschliche Erythrozyten, die mit Plasmodium falciparum, dem Malaria verursachenden Parasiten, infiziert worden waren, mit EDX in einem konventionellen Raster-TEM untersucht. Die Elementverteilung wurde erfasst und quantitativ analysiert (Abb. 1). EDS-Element-Linien-Überlappungen wie die von Osmium, welches häufig für die Markierung bestimmter Bereiche (engl. "staining") und zur Fixierung in der Mikroskopie biologischer Proben verwendet wird, und des leichteren system-relevanten Phosphors können mit der vielseitigen EDS-Analysesoftware ESPRIT leicht getrennt werden. Abb. 2 zeigt, dass die richtige Trennung der Überlappung der Phosphor-Linie mit der Osmium-Linie für die korrekte Darstellung und Auswertung des gemessenen Spektrums unerlässlich ist. Darüber hinaus erscheint der Kalzium-Peak, der für die Erstellung der Elementverteilungsbilder verwendet wurde, deutlich im untergrundsubtrahierten Spektrum.

Ein zweites Beispiel ist das Elementverteilungsbild einer in Harz eingebetteten Hefezelle (Abb. 3). Die Verteilung von leichten und schweren Elementen kann eindeutig dargestellt werden. Die Stickstoffkonzentration wird quantitativ mit einer Genauigkeit von wenigen Massenprozenten in hoher Ortsauflösung dargestellt. Am interessantesten ist die Abbildung der als Immunlabel verwendeten Silberkügelchen und des damit verbundenen Schwefelsignals.

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Abb. 3: Elementanalyse von in Harz eingebetteten Hefezellen. Leichte und schwere Elemente lassen sich leicht unterscheiden. Die quantitative Abbildung von wenigen Massenprozent Stickstoff in hoher Ortsauflösung ist routinemäßig möglich. Das als Immunlabel verwendete Silber und der zugehörige Schwefel können nachgewiesen werden. Exp. Details: EDS Detektor mit 30mm² aktiver SDD-Fläche, Erfassungsraumwinkel 0.09sr, Abnahmewinkel 22°, konventionelle STEM, Messszeit 20 min.