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Leckere Gemüsechips? Trocknung wasserhaltiger Proben für die Elektronenmikroskopie

Phasendiagramm Wasser
Phasendiagramm Wasser

In der Untersuchung von wasserhaltigen Proben (z.B. biologischem Gewebe) mittels Elektronenmikroskopie oder Rasterkraftmikroskopie ergibt sich das Problem der Trocknung unter Erhalt der Struktur.

Entscheidend für die Analyse und Abbildung solcher Strukturen ist die Probenpräparation. Das Ziel der eingesetzten Methode muss die Fixierung der Struktur zum Zeitpunkt der Probenentnahme und deren Erhalt bis zur mikroskopischen Charakterisierung sein.

Das Trocknen der Präparate durch einfache Verdunstung führt zu starken Zerstörungen der Probenstruktur aufgrund der Einwirkung von Oberflächenspannungen. Die Substitution des Wassers gegen Flüssigkeiten mit geringerer Oberflächenspannung (= Entwässerung) und anschließende Trocknung zeigt einen verbesserten morphologischen Strukturerhalt.

Die Grenzflächenspannung/Oberflächenspannung tritt nur bei flüssigen Medien auf und beschreibt das Bestreben der Flüssigkeit ihre Oberfläche zu minimieren. Erstrebenswert ist demnach eine Trocknung ohne das Auftreten von Oberflächenspannungen bzw. ohne Beteiligung einer Flüssigkeit.

Die „Lösung“ für das Problem findet sich durch die Betrachtung des Phasendiagramms der Flüssigkeit (Wasser). Das Diagramm zeigt die Auftragung von Druck/bar gegen Temperatur/°C von Wasser. Zur Entfernung des Wassers gibt es zwei Möglichkeiten ohne die Phasengrenze flüssig/gasförmig direkt zu übertreten.

Zum einen wird festes Eis bei niedrigem Druck direkt zu gasförmigem Wasserdampf. Dieses Phänomen wird als Sublimation (siehe Diagramm links, roter Pfeil) bezeichnet.

Dieses Verhalten von Wasser wird bei der Gefriertrocknung genutzt um wasserhaltige Substanzen (z. B. Astronautennahrung oder Instantkaffee) zu trocknen. Durch zu langsames Einfrieren kommt es zur Bildung von großen Kristalliten, welche z.B. Zellwände und Strukturen schädigen können. Dies kann jedoch minimiert werden, indem die Proben in „Slush-Stickstoff“ bei -210 °C schockgefroren werden. Aufgrund der Ausbildung einer isolierenden Dampfschicht (Leidenfrost‘sches Phänomen) gefrieren Proben in flüssigem Stickstoff nicht schnell genug. Die Gefrierung mit „Slush-Stickstoff“ benetzt die Proben viel effektiver und sorgt für eine kleine Kristallgröße.

Mit den Gefriertrocknern K750X/ K775X und dem „Slush-Stickstoff-Bereiter (EK4180) von Quorum Technologies können Proben schonend eingefroren und entwässert werden.

Phasendiagramm CO2 - Mit freundlicher Genehmigung von Jost Gabler
Phasendiagramm CO2 - Mit freundlicher Genehmigung von Jost Gabler

Eine andere Möglichkeit die Phasengrenze flüssig/gasförmig zu vermeiden liegt jenseits des „kritischen Punktes“ der Flüssigkeit. In einem abgeschlossenen Raum wird der kritische Punkt einer Flüssigkeit durch eine Temperatur (kritische Temperatur = höchste Temperatur, bei der die flüssige Phase einer Substanz noch auftreten kann) und einen dazugehörigen Druck (kritischer Druck) definiert. Der Bereich oberhalb des kritischen Punktes wird als überkritisches Fluid bezeichnet, in dem keine Phasengrenze existiert. Wird bei gleichbleibender Temperatur langsam der Druck verringert (siehe Diagramm rechts oben: CO2) entweicht lediglich Gas. Diese Trocknungsart wird als Kritische-Punkt-Trocknung (KPT; englisch: CPD von „critical point drying“) bezeichnet.

Der kritische Punkt von Wasser liegt bei 219 bar und einer Temperatur von 374 °C und ist für biologisches Material unbrauchbar. Aus diesem Grund wird Wasser erst durch Alkohol oder Aceton ersetzt und anschließend wird diese Hilfsflüssigkeit wiederum mit flüssigem CO2 verdrängt. Kohlenstoffdioxid besitzt einen kritischen Punkt bei 73,8 bar und 31 °C und ist somit einfacher zu erreichen. Neben der Trocknung von biologischen Material sind weitere Einsatzgebiete die Entwässerung von Proben in der Pharmakologie, Histologie und Pathologie.

Auch die Halbleiterindustrie nutzt vermehrt Kritisch-Punkt-Trockner, um ein Zerreißen von feinsten Strukturen während der Trocknung zu verhindern.

Im Bereich der Kritsch-Punkt-Trocknung ist der manuelle E3100 der Firma Quorum ein bekannter Klassiker und bewährt sich bereits seit über 40 Jahren im Laboreinsatz. Noch komfortabler und vielseitiger sind die Geräte K850 und K850 WM.

Mit eingebauter thermoelektrischer Heizung und adiabatischer Kühlung ermöglicht der K850 eine genaue Prozesskontrolle. Der K850 WM ist ein kompaktes Gerät zur Trocknung eines kompletten 6“-Wafers.


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