Chemie und Pharmazie

Für die hochaufgelöste Abbildung und Analytik biologischer Proben ist es oftmals notwendig, die Probe im nativen Zustand zu untersuchen. Dank des patentierten JEOL Aqua Covers können selbst feuchte oder hydratisierte Proben in einem Rasterelektronenmikroskop bei niedrigem Druck abgebildet werden.

Abbildung eines Wassertropfens auf einer Rosenblatt-Oberfläche

Bildquelle: JEOL Ltd. (Präsentation Aqua Cover)

An der Grenze zwischen organischer und anorganischer Chemie verfügen die metallorganischen Verbindungen über einzigartige Eigenschaften, die sie für den Einsatz als Katalysatoren oder zur epitaktischen Abscheidung prädestinieren. Die Analyse der oft temperatur- oder luftempfindlichen Verbindungen stellt besondere Herausforderungen an die Messinstrumente dar. Hierfür bietet JEOL maßgeschneiderte Massenspektrometer mit speziell entwickelten Ionenquellen an.

ColdSpray-Massenspektrum eines Kupfer-Komplexes bei -30°C

Bildquelle: JEOL Ltd. / Broschüre JMS-T100LP, Seite 13

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

Papier als Massenprodukt kann kostengünstig produziert werden, wenn das Verhältnis von Fasern und Füllstoffen optimiert wird ohne die mechanischen und drucktechnischen Eigenschaften zu verändern. Hierzu ist es entscheidend, während der Papierentwicklung wie auch produktionsbegleitend, die Verteilung von Faser- und Füllstoff im Papier zu untersuchen. Die äußerst robusten Analytiksysteme von JEOL können im anspruchsvollen Routinebetrieb zur artefaktfreien Präparation wie auch zur präzisen morphologischen und chemischen Charakterisierung von Zellstoffen eingesetzt werden.

Planschnitt durch ein Blatt Papier

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH

Anorganische Grundmaterialien stellen die Basis für eine Vielzahl von wichtigen industriellen Zwischen- und Endprodukten dar (z.B. Kunststoffe, Farbmittel, Düngemittel). Diese Ausgangsmaterialien müssen dabei bereits gewisse Gütekriterien erfüllen. Die leistungsfähigen Systeme von JEOL ermöglichen es derartige Chemikalien strukturell zu charakterisieren und damit eindeutige Aussagen über deren Zusammensetzung und Reinheit zu treffen.

²⁷Al Festkörper-NMR-Spektrum einer anorganischen Verbindung mit oktaedrisch (rechts) und tetraedrisch (links) koordinierten Aluminiumspezies

Bildquelle: JEOL Ltd. / Broschüre Solid State NMR, Seite 2 (Textteile gelöscht)

Organische Grundchemikalien sind ein elementarer Bestandteil für die produzierende chemische Industrie. Eine genaue molekulare Charakterisierung ist hierbei für eine weitere Verarbeitung unumgänglich. Die Hochleistungsspektrometer von JEOL können durch ihre Diversität jede strukturelle Fragestellung schnell und effizient lösen.

Bildquelle: Application Note, JEOL USA, Inc.

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

Biozide werden heutzutage flächendeckend zur Schädlingsbekämpfung in der Landwirtschaft eingesetzt. Für die Zulassung von landwirtschaftlichen Erzeugnissen ist die quantitative Bestimmung der toxischen Rückstände des  eingesetzten Pflanzenschutzmittels von essentieller Bedeutung. Die hochauflösenden analytischen Instrumente von JEOL können einfach und schnell Spuren von Bioziden selbst bei niedrigsten Konzentrationen nachweisen.

Massenspektrum von verschiedenen Herbiziden

Bildquelle: JEOL Ltd. / DART Application Notes, Seite 57

Die Oberfläche von Lotusblättern kann als Modellsystem für selbstreinigende Oberflächen dienen. Die genaue Charakterisierung dieser Oberflächen ist essentiell um sie nachbauen zu können. Die Oberfläche von Lotusblättern besteht aus kleinen Wachsröhren, die während der Untersuchung mittels Elektronenstrahl leicht zerstört werden können. Hierzu offeriert JEOL maßgeschneiderte Lösungen mit welchen die Proben kontrolliert thermisch stabilisiert werden und somit eine Zerstörung durch die Beobachtung ausgeschlossen werden kann.

Oberfläche einen Lotusblattes. Der Durchmesser der Wachsröhren beträgt ca 50 nm

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH

Zur hochaufgelösten Abbildung und Analytik biologischer Proben in einem Elektronenmikroskop müssen gesonderte Präparationsmethoden angewandt werden. Gerade Nahrungsmittel bzw. deren Komponenten lassen sich nur durch aktive Kühlung artefaktfrei darstellen. JEOL Elektronenmikroskope sind daher serienmäßig für die Installation von Kryo-Systemen vorbereitet, sodass empfindliche Proben extern präpariert, gekühlt transferiert und schließlich im Kryo-Betrieb untersucht werden können.

Elektronenmikroskopische Abbildung von Milchpulver

Bildquelle: JEOL (Germany) GmbH, DIL Quakenbrück

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.

Li-Batterien werden unter anderem in Mobiltelefonen oder Kraftfahrzeugen verwendet. Der Nachweis in einem Mikroskop ist dank des neu entwickelten Leichtelementspektrometers von JEOL erstmals routine- und serienmäßig mit hoher räumlicher Auflösung und Nachweisempfindlichkeit möglich.

Identifizierung von Lithium in einer Li-Ionen-Batterie

Bildquelle: JEOL Ltd., SXES-Broschüre

Moderne Lackierungen sind in der Regel Mehrschichtsysteme. Bei makroskopisch sichtbaren Lackfehlern ist es von großer Bedeutung, jene Schicht zu ermitteln, in welcher die Ursache des Fehlers liegt. Die Präparationssysteme von JEOL ermöglichen die einfache und reproduzierbare Herstellung von artefaktfreien Querschnitten.

Querschnitt einer lackierten Metalloberfläche. Durchmesser des Einschlusses ca. 10µm

Bildquelle: JEOL Ltd., Broschüre CP

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

Die präzise Bestimmung von Gasen mit Kleinstunterschieden in ihrer atomaren Masse ist eine wichtige Aufgabe bei der Produktion von technischen Gasen. Die exakte Bestimmung aller Komponenten einer Gasmischung ist mit herkömmlichen Massenspektrometern nicht möglich. Die speziellen Hochleistungsmassenspektrometer von JEOL ermöglichen die Bestimmung und Analyse aller gasförmigen chemischen Verbindungen, inklusive atomaren Wasserstoffs.

Identifizierung von H2 und H in dem Massenspektrum einer Gasmischung

Bildquelle: JEOL Ltd., Broschüre JMS-MT3010HRGA, Seite 3

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

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

Fossile Kraftstoffe wie z.B. Diesel sind hochkomplexe Mischungen aus den verschiedensten linearen, zyklischen und aromatischen Kohlenwasserstoffen. Diese aufzutrennen und somit die Bestandteile des Kraftstoffes eindeutig zu bestimmen ist dabei von großer Bedeutung. Durch die Kombination von speziellen 2-dimensionaler GC-Techniken können JEOL Systeme exakte und schnelle Strukturinformationen liefern.

2-dimensionales Totalionenstrom-Chromatogramm (TICC) von Dieselkraftstoff mittels GCxGC/TOFMS; Auftrennung nach Siedepunkt (Abszisse) und Polarität (Ordinate)

Bildquelle: JEOL Ltd., Broschüre JMS-T200GC AccuTOF GCx, Seite 4

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.

Petroleum als weitverbreiteter Brennstoff besteht aus einem Gemisch flüssiger Kohlenwasserstoffe. Diese molekularanalytisch zu erfassen ist mittels massenspektrometrischen Standardmethoden nur sehr schwer möglich. JEOL-Systeme können auf schnelle und unkomplizierte Art und Weise mittels weicher Ionisierung das Molekulargewicht ohne Fragmentierung bestimmen.

Massenspektren von n-Alkan, aufgenommen mit Feldionisation (oben) und EIektronenstoßionisation (unten)

Bildquelle: JEOL Ltd., Broschüre T200GC-Petroleum_and_Petrochemical_Solutions

Die Farben eines Schmetterlingsflügels entstehen durch Pigment- oder Strukturfarben. Die Präparation eines Querschnittes durch die feingliedrige Flügeloberfläche ist mechanisch unmöglich. Mit den JEOL Präparationssystemen und Rasterelektronenmikroskopen können selbst fragile, organische Strukturen zugänglich und sichtbar gemacht werden.

Abbildung eines Querschnittes durch einen Schmetterlingsflügel (Morpho)

Bildquelle: JEOL Ltd., Broschüre Cross Section Polisher