Rasterkraftmikroskopie: Mikrosysteme für Highspeed-Aufnahmen

17.10.2019

© TU Wien

Die Platte mit der Spitze: Auf der Platte ist der Cantilever befestigt (roter Kreis), auf dem die Tastspitze angebracht ist (unten).

An der TU Wien wurde eine neuartige Messspitze für die Rasterkraftmikroskopie entwickelt, die eine hohe Messgeschwindigkeit erlaubt und sogar empfindliche Prozesse in lebenden Zellen abbilden kann.

Hochauflösende Bilder von winzigen Objekten sind heute ganz normal: Feinste Details von Bakterien und Viren, sogar Moleküle und einzelne Atome lassen sich mittlerweile abbilden. Dabei verwendet man oft Rasterkraftmikroskope, bei denen eine vibrierende Spitze in Kontakt mit der Probe gebracht wird. Allerdings musste man sich bisher entscheiden – zwischen schnellen Abbildungstechniken, bei denen empfindliche Proben zerstört werden können, und schonenden Abbildungstechniken, die viel Zeit in Anspruch nehmen.

An der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnologie der TU Wien gelang es nun, einen Ausweg aus diesem Dilemma zu finden: Man versetzt nicht wie bisher üblich bloß einen winzigen Balken mit der feinen Spitze direkt in Bewegung, sondern lässt eine Platte vibrieren, auf der wiederum ein maßgeschneiderter kleinerer Balken mit einer ultrafeinen Spitze befestigt ist. Durch die geschickte Kopplung beider Komponenten kann die mögliche Messgeschwindigkeit so sehr erhöht werden, dass damit sogar Videos von empfindlichen Objekten möglich werden sollen, etwa von lebenden Zellen, die gerade auf ein Medikament reagieren. Die Mikrostruktur aus Platte und Balken, die das Herzstück für zukünftige Rasterkraftmikroskope bilden soll, hat die TU Wien bereits zum Patent angemeldet.

Punkt für Punkt ein Bild erfühlen

„In einem Rasterkraftmikroskop verwendet man einen winzigen Balken, den sogenannten Cantilever, in der Größenordnung von wenigen Mikrometern. Wenn man den Cantilever bei seiner Resonanzfrequenz in Vibration versetzt, dann schwingt er extrem schnell, typischerweise einige hunderttausend Mal pro Sekunde“, sagt Prof. Ulrich Schmid vom Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme. Auf dem Cantilever befindet sich eine extrem feine Spitze. Wenn sie der Probenoberfläche sehr nahekommt, dann wirkt auf atomarer Skala eine Kraft zwischen Probe und vibrierender Spitze. Das wirkt sich auf die Bewegung des Cantilevers aus. Er schwingt ein kleines bisschen anders, und diese Änderung wird gemessen.

Diese Messung muss man Punkt für Punkt durchführen: An jeder Stelle der Probe erhält man ein neues Messergebnis, deren Zahlenwerte fügt man anschließend am Computer zu einem Bild zusammen. In der Praxis ist entscheidend, wie lange es dauert, ein solches Bild zu erstellen. Wenn man das Objekt in kurzer Zeit abbilden möchte, muss man einen Cantilever verwenden, der sehr rasch schwingt. „Das kann man erreichen, indem man den Cantilever immer steifer macht“, erklärt Ulrich Schmid. „Das Problem dabei ist aber: Je steifer und unnachgiebiger der schwingende Teil der Messapparatur ist, umso eher wird die Probe dadurch zerstört. Deshalb konnte man viele biologische Proben bisher nur mit besonders schonenden Techniken abbilden, die entsprechend mehr Zeit in Anspruch nehmen.“ Es war daher bisher nicht möglich, solche Proben auf einer kurzen Zeitskala zu beobachten und rasche Veränderungen sichtbar zu machen.

Schwingende Platte, schonende Messung

Mit einem physikalischen Trick konnte man dieses Problem nun umgehen: Der Cantilever wird auf einer kleinen Platte befestigt. Nicht er selbst wird dann bei seiner Resonanzfrequenz in Schwingung versetzt – stattdessen wird die Platte bei ihrer Resonanzfrequenz zum Schwingen angeregt. Bestimmte Resonanzfrequenzen der Platte können ganz gezielt angeregt werden, der Cantilever wird dabei passiv mitbewegt. Das bedeutet, dass der Cantilever selbst viel weicher sein kann als bisher – und das bei höherer Vibrationsfrequenz.

„Wir erzeugen ein gekoppeltes schwingendes System aus Cantilever und vibrierender Platte, das selbst bei hohen Frequenzen insgesamt weit weniger steif ist als ein Cantilever alleine, wenn er mit seiner Eigenfrequenz schwingt“, erklärt Jonas Hafner, „und weniger steif bedeutet weniger zerstörerisch für empfindliche Proben.“

Der neue Messfühler funktioniert in Flüssigkeiten, was für biologische Proben besonders wichtig ist. Die Mikrostruktur wurde, mit Unterstützung des Forschungs- und Transfersupports der TU Wien, bereits zum Patent angemeldet. Außerdem wurden erste wichtige Ergebnisse in zwei wissenschaftlichen Publikationen vorgestellt.

Überall dort, wo bei weichen Materialien oder Oberflächen hohe Messgeschwindigkeiten erreicht werden sollen, kann der neue Messkopf seine Stärke ausspielen. Bei biologischen Proben oder biochemischen Prozessen soll er in Zukunft eingesetzt werden, aber auch in der Materialforschung, etwa bei fragilen Polymerstrukturen, könnte er eine wichtige Rolle spielen.

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