DE10039094C1 - Vorrichtung zur quantitativen hochauflösenden Messung von Abständen, Kräften, Elastizitäten, Drücken und Beschleunigungen - Google Patents

Abstract

Hochauflösende Abstandsmessungen im Nanometerbereich und darunter sowie die damit verbundenen physikalischen Größen zeigen große Störempfindlichikeit und dadurch begrenztes Auflösungsvermögen, da die zu Abstandsmessungen genutzten (häufig elektromagnetischen) physikalischen Felder meist von Punktquellen ausgehen und mikroskopischen Sensoren erfasst werden. Dies erschwert zum einen die gegenseitige Ausrichtung von Feldquelle und Sensor, zum anderen machen sich unbeabsichtigte, jedoch unvermeidbare thermische Störungen besonderes bemerkbar. DOLLAR A Die hier beschriebene Vorrichtung umgeht diese Probleme, in dem die Feldquelle durch ein großflächiges homogenes evaneszentes Feld dargestellt wird. Positionsveränderungen des Sensors in andere als der gewünschten Richtung beeinflussen das Messsignal daher kaum, so dass ein verbessertes Signal-zu-Rausch-Verhältnis resultiert. DOLLAR A Die Vorrichtung eignet sich insbesondere zu Abstands- und Kraftmessungen in der molekularen (Bio-)Physik.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur quantitativen hochauflösenden Messung von Abständen und, damit verbunden, von Kräften, Elastizitäten, Drücken, Beschleunigungen sowie anderer Größen, die auf eine Abstandsmessung zurückgeführt werden können.

Vorrichtungen zur quantitativen hochauflösenden Messung von Abständen oder Drücken, die der hier beschriebenen am nächsten kommen, sind bereits beschrieben, z. B. in

• 1. der deutschen Patentanmeldung DE 41 06 548 A1
• 2. der US-amerikanischen Patentanmeldung US 4 286 468 A
• 3. der US-amerikanischen Patentanmeldung US 4 421 384 A
• 4. der US-amerikanischen Patentanmeldung US 5 891 747 A

Andere sind beschrieben in den Referenzen des beigefügten Literaturverzeichnisses.

Quantitativ hochauflösende Messungen werden im Bereich der molekularen (Bio-)Physik benötigt, um Aussagen über molekulare Wechselwirkungen treffen zu können. Ein Anwendungsbeispiel sind Auslenkungs- und Kraftmessungen an Motorproteinen. Die benötigte Mindestauflösung liegt dabei bei etwa einem Nanometer; Kräfte müssen im unteren Pikonewtonbereich bestimmbar sein. Weitere Anwendungsgebiete finden solche Messungen in der Nanotechnologie oder der Mikrosystemtechnik.

Eine der Methoden, die derzeit zur Messung der genannten Größen im Bereich der molekularen Biophysik angewendet werden, ist die optische Pinzette [siehe zum Beispiel Ashkin et al. (1990), Finer et al. (1994), Molloy et al. (1995), Simmons et al. (1996), Svoboda und Block (1994) oder Veigel et al. (1999)]

Bei diesem Verfahren erzeugt ein stark fokussierter Laserstrahl ein optisches Kraftfeld, in dem dielektrische Partikel (und die daran chemisch oder elektrostatisch gebundenen Objekte; ein Beispiel sind die oben genannten Motorproteine) festgehalten werden können. Das Bild des eingefangenen Partikels wird auf ein Photodiodenarray abgebildet, so dass eine Auslenkung des Partikels aus der Nulllage ein photoelektrisches Signal erzeugt. Bei entsprechender Eichung kann von diesem Signal auf die aktuelle Position zurückgerechnet werden. Dieses Verfahren besitzt jedoch folgende Nachteile:

• - Zunächst ist die optische Pinzette ein reiner Kraft-, und, damit verbunden, Beschleunigungs- bzw. Drucksensor. Direkte Abstandsmessungen sind ohne das Anlegen einer Kraft an den festgehaltenen Partikel nicht durchführbar, da sich das optische Kraftfeld und der Partikel nicht widerstandslos gegeneinander verschieben lassen.
• - Es entstehen hohe Beschaffungskosten, da ein sehr stabiler Laser hoher Leistung zur Formung des optischen Kraftfeldes benötigt wird.
• - Es entsteht ein großer apparativer Aufwand, da sowohl für die Formung des optischen Kraftfeldes als auch zur Detektion von Positionsänderungen eingefangener Objekte die Abbildungsoptik eines hochwertigen (und damit teuren) Mikroskops zwingend benötigt wird.
• - Aus diesem Grunde ist es auch nicht möglich, einen auf dem Prinzip der optischen Pinzette basierenden kompakten Abstands-, Beschleunigungs-, Druck- oder Kraftsensor zu fertigen.
• - Weiterhin gilt die beschränkende Bedingung, dass das eingefangene und auszumessende Objekt im Mikroskop sichtbar sein muss, damit es auf den Detektor abgebildet werden kann.
• - Schließlich können störende Effekte des Messprinzips auf die ablaufenden biochemischen oder biophysikalischen Reaktionen nicht ausgeschlossen werden, da der Laser, der das optische Kraftfeld formt, gerade in den Bereich, in dem sich auch die genannten Reaktionen abspielen, eingekoppelt und dort sehr stark fokussiert sein muss; entsprechend werden hohe optische Energieraten in das Versuchsensemble eingestrahlt.

Neben der optischen Pinzette als rein optischem Verfahren werden modifizierte Kraftmikroskope verwendet [siehe zum Beispiel Ishijima et al. (1996), Kitamura et al. (1999), Kojima et al. (1994) oder Tokunaga et al. (1997)]. Dabei wird das auszumessende Objekt an einer Glasmikronadel befestigt. Die Auslenkung dieser Mikronadel wird mittels eines Photodiodenarrays durch die Positionsveränderungen eines an der Nadel reflektierten Laserstrahls bestimmt. Die Nachteile dieses Verfahrens sind:

• - Wie die optischen Pinzette ist auch das Mikronadel-Kraftmikroskop ein reiner Kraft-, Beschleunigungs- und Drucksensor, mit dem Abstände bzw. Abstandsänderungen nur dann gemessen werden können, wenn gleichzeitig eine Kraft an der Mikronadel anliegt und diese eine Auslenkung der Nadel verursacht.
• - Damit diese Auslenkung über die Positionsverschiebung des reflektierten Laserstrahls auch nachgewiesen werden kann, muss die Glasmikronadel entsprechend nachgiebig sein (zum Beispiel lediglich 100 µN/m bei Tokunaga et al. (1997)), da die nachzuweisenden Kräfte im oben genannten Anwendungsbereich der Motorproteine im unteren Pikonewtonbereich liegen. Man erreicht diese Nachgiebigkeit, indem man Glaskapillaren oder Mikroskop- Deckgläschen "von Hand" mit einem sogenannten "Puller" erhitzt und auszieht [Ishijima et al. (1996), Tokunaga et al. (1997)]. Damit allerdings ergibt sich der Nachteil, dass man die sich ergebende Elastizität der Nadel nur sehr grob im Vorhinein festlegen kann und eine reproduzierbare Herstellung der Glasnadeln erschwert wird. Gerade dies wäre aber Voraussetzung für eine Serienfertigung dieses Sensorprinzips.
• - Weiterhin wird für eine hochauflösende Detektion der Strahlablenkung im unteren Nanometerbereich ein Ensemble von Laser, Mikronadel und Detektor benötigt, bei dem der Abstand zwischen der Glasnadel und dem Detektor im oberen Zentimeterbereich liegt. Dies verhindert eine kompakte Bauweise und erschwert die gegenseitige Justierung der Elemente.
• - Und schließlich können sich auch hier - wie bei der optischen Pinzette - störende Seiteneffekte auf die zu untersuchenden biochemischen oder biophysikalischen Reaktionen ergeben, da der Laserstrahl direkt in die nähere Umgebung des Reaktionsvolumens eingestrahlt wird.

Ein weiteres Verfahren ist die in DE 41 06 548 A1 beschriebene Drahtsonde für die optische Nahfeldmikroskopie, Rastertunnelmikroskopie und Kraftmikroskopie. Sie wird dort als submikroskopischer Sender oder Empfänger elektromagnetischer Strahlung im infraroten bis ultravioletten Spektralbereich eingesetzt. Diese Strahlung ist jedoch hoch lokalisiert und liegt - im Gegensatz zur hier beschriebenen Erfindung - nicht als großflächig homogenes evaneszentes Feld vor. Hierdurch ergibt sich eine höhere Störanfälligkeit der in DE 41 06 548 A1 beschriebenen Vorrichtung.

Optische Lichtwellenleiter zur Abstandsmessung finden Anwendung in der in US 5891 747 A beschriebenen Vorrichtung. Hierbei erzeugt eine Änderung des Abstandes eine Veränderung der optischen Weglänge zwischen den LWL, die proportional zur lateralen Auslenkung der LWL ist. Wie bei DE 41 06 548 A1 oben ist jedoch auch hier die Strahlung hochlokalisiert und liegt ebenfalls nicht als großflächig homogenes evaneszentes Feld vor.

Auf dem gleichen Prinzip wie die hier beschriebene Erfindung basiert das Verfahren von US 4421 384 A zur Abstandsbestimmung: Unter Ausnutzung des Effektes der sogenannten "frustrierten Totalreflexion" (s. u.) wird der Abstand zwischen zwei zueinander parallel ausgerichteten Lichtwellenleitern bestimmt (vgl. Fig. 1, 2 und 3 der genannten Patentschrift). Alternativ schlägt US 4421 384 A vor, den Abstand zwischen einem Lichtwellenleiter und einem zweiten "optischen Material" dadurch zu bestimmen, dass auch hier durch die Anwesenheit des "optischen Materials" die Totalreflexion des Lichts im Lichtwellenleiter frustriert wird und sich daher der reflektierte Anteil verändert (vgl. Fig. 4 der genannten Patentschrift).

Seiner Herkunft als "Unterwasserhydrophon" entsprechend stellt es sich jedoch heraus, dass für die oben genannten Aufgabenstellungen im Bereich der molekularen (Bio-)Physik, bei denen - wie erwähnt - Auflösungen im unteren Nanometer- und Pikonewtonbereich zugleich erzielt werden müssen, die in US 4421 384 A beschriebene Erfindung nicht einsetzbar ist:

• - Die genannte Erfindung erhebt Anspruch auf eine Zwei-Lichtwellenleiter-Konfiguration (vgl. Ansprüche 1-5 der genannten Patentschrift), bei der die angeschliffenen Endflächen der beiden Lichtwellenleiter parallel zueinander ausgerichtet werden. Um jedoch die oben erwähnten Kraftauflösungen erreichen zu können, müssen - damit bei Applizierung der zu messenden Kräfte im Pikonewtonbereich eine ausreichende Verformung des Kraftarms gewährleistet ist - relativ dünne Lichtwellenleiter (ca. 10-50 µm Durchmesser) als Kraftarm eingesetzt werden. Die aneinander auszurichtenden Endflächen sind daher ebenfalls sehr klein, was die notwendig exakte gegenseitige Ausrichtung der Lichtwellenleiter erheblich erschwert. Weiterhin besteht die Gefahr, dass der Empfangslichtwellenleiter bereits durch kleinste Verschiebungen aus dem evaneszenten Feld des Sendelichtleiters heraus "rutscht", was sich in einer Verfälschung des Messsignals niederschlagen kann.
• - Die zu erreichenden Auflösungen im Nanometer- und Pikonewtonbereich bringen es mit sich, dass die durch die Brownsche Molekularbewegung erzeugten thermischen Schwingungen der Lichtwellenleiter fast dieselbe Größenordnung wie die zu messenden Abstände und Kräfte erreichen. Beim Einsatz der von US 4421 384 A vorgeschlagenen Zwei-Lichtleiter- Konfiguration wären jedoch beide Lichtwellenleiter von diesen Schwingungen betroffen, so dass zusätzlich zum eigentlich Messfühler auch die Lage des evaneszenten Feldes als Referenzpunkt thermisch verrauscht wird. Dies ist bei der Datenanalyse ein nicht unerheblicher Nachteil.
• - Die Notwendigkeit, dünne Lichtwellenleiter mit einem Durchmesser von 10-50 µm verwenden zu müssen, verhindert auch den Einsatz der zweiten, von US 4421 384 beanspruchten Konfiguration (Ansprüche 6 und 7 der genannten Patentschrift). Hierbei muss ein Lichtsignal so in den Lichtwellenleiter eingekoppelt werden, dass es von der einen schrägen Endfläche des keilförmigen Endstücks auf die andere Endfläche und von dort zurück in den Lichtwellenleiter reflektiert wird. Es ist offensichtlich, dass ein solcher Lichtweg in dünnen Lichtwellenleitern nur mit großem Aufwand realisierbar wäre, da die Lichtquelle mit einer Positioniergenauigkeit von wenigen Mikrometern in den Lichtwellenleiter eingekoppelt werden müsste.

Der Effekt der "frustrierten Totalreflexion" findet auch in weiteren Erfindungen zur Messung von Abständen oder Drücken Anwendung (zum Beispiel DE 28 53 800 A1, US 4286 468 A, US 5031 987 A, EP 0184 270 A2, US 5257 093 A,. US 5715 060 A, US 5239 183 A). Allerdings handelt es sich dabei ebenfalls um Messverfahren, die im Bereich der molekularen (Bio-)Physik nicht einsetzbar sind, da ihnen die benötigte Auflösung fehlt oder die technische Ausführung dies verhindert. Anwendungen zur Kraft-, Elastizitäts- oder Beschleunigungsmessung, die diesen Effekt benutzen, sind uns nicht bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Vorrichtung zur quantitativen hochauflösenden Messung von Abständen, Kräften, Elastizitäten, Drucken und Beschleunigungen zu schaffen, die die oben genannten Nachteile der bislang verwendeten Messprinzipien vermeidet und im Bereich der molekularen (Bio-)Physik einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Es ist bekannt, dass an optischen Grenzflächen - das bedeutet am Übergang von einem optisch durchlässigen Medium mit dem Brechungsindex n₁ zu einem zweiten, ebenfalls optisch durchlässigen Medium mit dem Brechungsindex n₂ ≠ n₁ - Totalreflexion stattfindet, wenn das Medium 1 optisch dichter ist als das Medium 2, n₁ < n₂, und der Einfallswinkel α der elektromagnetischen Welle im Medium 1 größer ist als der kritische Winkel α_k = arcsin(n₁/n₂) der optischen Grenzfläche.

Weiter ist bekannt, dass diese strahlenoptische Überlegung wegen der Wellennatur der elektromagnetischen Strahlung ergänzt werden muss. Aus den Maxwellgleichungen - dies sind die grundlegenden Gleichungen zur Beschreibung elektromagnetischer Effekte, zu denen auch die Lichtausbreitung gehört - erhält man Stetigkeitsbedingungen für das elektromagnetische Feld, aus denen die Existenz eines sogenannten "evaneszenten" elektromagnetischen Feldes im Medium 2 abgeleitet werden kann. Dieses evaneszente, d. h. "dahinschwindende" Feld besitzt jedoch keine Wellenform und repräsentiert daher auch keinen sich im Raum fortpflanzenden Lichtstrahl! Vielmehr kann es durch eine abfallende, von der Vakuumwellenlänge λ der elektromagnetischen Welle abhängige Funktion dargestellt werden, die mit einer Eindringtiefe

parametrisiert werden kann [Born und Wolf (1980)].

Bringt man nun ein drittes Medium mit einem Brechungsindex n₃ < n₂ - es habe der einfacheren Rechnung halber denselben Brechungsindex n₃ = n₁ wie das Medium 1 - in den Bereich des evaneszenten Feldes, so wird es dort in eine fortlaufende elektromagnetische Welle zurücktransformiert, was letztendlich zu einem Licht- und Energietransport über die vom Medium 2 gebildete Lücke führt, die Totalreflektion wird "frustriert". Der relative Anteil T der Lichtmenge, der bei einer Lücke der Breite g von Medium 1 zum Medium 3 übertragen wird, ergibt sich zu

wobei z und ζ abstandsunabhängige Parameter sind, in die lediglich der Polarisationszustand der betrachteten elektromagnetischen Welle eingeht [Brekhovskikh (1960)]. Die Transmission T ist extrem vom Abstand g abhängig und fällt bei einer günstig gewählter Nulllage während einer Abstandsvergößerung um δ von nahezu 100% auf fast 0% ab.

Die Erfindung nutzt diesen Effekt, indem sie einen angeschliffenen Lichtwellenleiter (LWL) in das evaneszente Feld einbringt und so die Einkopplung der an einer benachbarten optischen Grenzfläche totalreflektierten elektromagnetischen Lichtwelle in diesen LWL ermöglicht. Wie oben erläutert, ist die Lichttransmission abhängig vom Abstand der totalreflektierenden optischen Grenzfläche zum LWL. Eine Verschiebung des LWL um kleine Distanzen wird sich daher deutlich in einem veränderten Transmissionskoeffizient T niederschlagen, der durch eine Messung der durch das Medium 2 "getunnelten" Lichtmenge leicht ermittelt werden kann - zum Beispiel durch eine Photodiode mit nachgeschaltetem Verstärker - und nach entsprechender Eichung einen eindeutigen Messwert für den Abstand liefert.

Da die Messdaten im anvisierten Einsatzgebiet der molekularen (Bio-)Physik kaum aus dem thermischen Rauschen herausragen, ist es sinnvoll, - wie bereits oben erwähnt - das evaneszente Feld nicht wie in US 4421 384 A beschrieben am angeschliffenen Ende eines Lichtwellenleiters sondern an der Grundfläche eines prismenförmigen Glaskörpers entstehen zu lassen (vgl. Fig. 1). Damit erreicht man ein großflächig homogenes evaneszentes Feld, was die Justierung des Lichtwellenleiters an der Glasoberfläche des Prismas erheblich vereinfacht. Unter Berücksichtigung des thermischen Rauschens und unter Vernachlässigung des dazu deutlich kleineren Detektions- und Verstärkerrauschen sind mit diesem Messprinzip Auflösungen bis hinab zu 10 Femtometer möglich.

Die Erfindung besitzt gegenüber den anderen, oben beschriebenen Messverfahren der optische Pinzette und des modifizierten Kraftmikroskops die folgenden Vorteile:

• - Es lässt sich direkt zur Messung von kleinsten Abständen einsetzen, da der Abstand zwischen der totalreflektierenden optischen Grenzfläche und dem LWL auch ohne Verbiegung des LWL variiert werden kann (d. h. es muss keine Kraft an dem LWL anliegen). Hierzu ist der LWL lediglich in einer Halterung zu befestigen, die die zu messenden Abstandsänderungen an den LWL weitergibt.
• - Die Herstellungskosten sind relativ niedrig, da zur Erzeugung eines evaneszenten Feldes zum Beispiel ein einfacher Diodenlaser ausreicht und Lichtwellenleiter als industrielles Standardprodukt verfügbar sind.
• - Der apparative Aufwand kann klein gehalten werden, da außer dem genannten LWL mit nachgeschalteter Photodiode und Verstärkungsschaltung lediglich eine Vorrichtung zur Erzeugung eines evaneszenten Lichtfeldes benötigt wird. Oben wurde bereits diskutiert, dass hierbei die Verwendung eines prismenförmigen Glaskörper sehr vorteilhaft ist. Dies hat aber auch den weiteren Vorzug, dass solche Glaskörper industriell leicht und kostengünstig hergestellt werden können.
• - Damit ist es auch möglich, diesen Messaufbau räumlich kompakt zu halten - was die Störanfälligkeit der Erfindung reduziert - und als "Black box" in Serie zu montieren. Bei entsprechender Ausführung dieser "Black box" wird die Anwendung des Sensors sehr vereinfacht, da lediglich eine Lichtquelle via LWL-Kopplung eingespeist bzw. eine interne Lichtquelle mit Strom versorgt werden muss und das Mess-Signal am Ausgang als Spannungssignal abgegriffen werden kann.
• - Störende Effekte des evaneszenten Lichtes auf die zu untersuchenden biochemischen oder biophysikalischen Reaktionen können weitgehend ausgeschlossen werden, da zum einen relativ kleine Lichtleistungen zur Erzeugung des evaneszenten Feldes ausreichen und zum anderen das evaneszente Lichtfeld räumlich vom Reaktionsvolumen getrennt bleibt.
• - Durch die Verwendung des LWL als Kraftarm kann bei bekannten Materialkonstanten relativ einfach eine gewünschte Elastizität - und damit die mechanischen Eigenschaften des Sensors insgesamt - eingestellt werden, da hierzu lediglich die Halterung des LWL verschoben werden muss.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 senkrechter Schnitt durch die Prinzipskizze der Erfindung,

Fig. 2 Prinzip der Elastizitätsmessung,

Fig. 3 Prinzip der direkten Abstandsmessung,

Fig. 4 Anwendung der Erfindung zu molekularen Messungen,

Fig. 5 Ausführung der Erfindung als "Black box".

Die Fig. 1 zeigt einen senkrechten Schnitt durch eine Prinzipskizze der Erfindung. Das Licht einer Lichtquelle 1 - hierfür eignet sich besonders ein Laser - wird über eine Aufweitungsoptik 2 in ein Glasprisma 3 eingekoppelt. Dabei sollte das Glasmaterial so ausgewählt werden, dass es bei dem verwendeten Lichtwellenlängenbereich möglichst wenig Verluste aufweist.

Die Austrittsseite 5 des Glasprismas 3 wird räumlich so angeordnet, dass alle Lichtstrahlen 4 innerhalb des Glasprismas 3 an der Austrittsseite 5 total reflektiert werden. Wie oben erläutert, entsteht im Außenraum 6 ein evaneszentes Lichtfeld. Bringt man nun einen Lichtwellenleiter 7 in den Außenraum 6 nahe der Austrittsseite 5, so kann, wie ebenfalls oben erläutert, ein Teil des Lichtes 8 vom Lichtwellenleiter 7 aufgenommen und zu einer Photonendetektionseinheit 9 - hier kann zum Beispiel eine Photodiode verwendet werden - fortgeleitet werden. Dort wird ein Spannungssignal generiert, das proportional zur fortgeleiteten Lichtmenge ist. Mit diesem Signal kann der abstandsabhängige Transmissionskoeffizient T gemessen werden, von dem wiederum auf den Abstand des Lichtwellenleiters 7 von der Austrittsfläche 5 des Glasprismas 3 geschlossen werden kann.

Wird die Erfindung als Kraft-, Druck- oder Beschleunigungssensor oder zur Messung von Elastizitäten verwendet, so wird der Lichtwellenleiter 7 in einer mit der Laborumgebung verbundenen Halterung 11 so fixiert, dass die Lichtleiterteile links und rechts der Halterung mechanisch entkoppelt werden. Die zu messende, von außen auf eine Sensorfläche 12 einwirkende Kraft wird durch ein starres Verbindungselement 10 auf den Lichtwellenleiter 7 übertragen. Die Elastizität dieses Elementes 10 muss so gewählt werden, dass sie deutlich kleiner ist als die Elastizität des Lichtwellenleiterstücks, das durch die Halterung 11 vom Rest des Lichtleiters mechanisch entkoppelt wurde.

Die von außen einwirkende Kraft verbiegt daher den Lichtwellenleiter 7 so, dass sich der Abstand des Lichtwellenleiters 7 und der Austrittsfläche 5 des Glasprismas 3 ändert. Diese Abstandsänderung äußert sich in einer Änderung des Spannungssignals, das von der Photodiode 9 generiert wird. Bei entsprechender vorangegangener Kraft-Signal-Eichung kann so die von außen einwirkende Kraft gemessen werden.

Druck-, Beschleunigungs- oder Elastizitätsmessungen können auf einfache Weise auf die soeben beschriebene Kraftmessung zurückgeführt werden:

• - Der Druck p ist als Kraft pro Flächeneinheit definiert, p = F/A. Daher muss zur Messung eines Druckes lediglich eine Fläche bekannter Größe A als Sensorfläche 12 benutzt werden, die über das starre Verbindungselement 10 mit dem Lichtwellenleiter 7 verbunden werden kann.
• - Eine über das starre Verbindungselement 10 auf den Lichtwellenleiter 7 übertragene Beschleunigung äußert sich ebenfalls als Kraft, die den LWL auslenken wird. Ist die gesamte beschleunigte Masse m bekannt (zusammengesetzt aus Sensorfläche 12, Verbindungselement 10, und frei beweglichem Teil des Lichtwellenleiters 7), so kann nach Messung der Kraft F mittels a = F/m auf die Beschleunigung a geschlossen werden.
• - Schließlich kann (Fig. 2) die Elastizität 1/κ eines Objektes 13 gemessen werden. Dazu wird das Objekt 13 in Kontakt mit der Sensorfläche 12 gebracht und mit Hilfe zum Beispiel einer Mikrometerschraube seine der Sensorfläche 12 entgegensetzte Oberseite 14 um eine definierte Länge d in Richtung der Sensorfläche 12 gedrückt. Die hierzu notwendige Kraft F wird wie oben durch das starre Verbindungselement 10 auf den Lichtwellenleiter 7 übertragen und mit dem ebenfalls oben beschriebenen Mechanismus gemessen. Über eine vorher durchzuführende Eichmessung ist die Federkonstante D des aus Sensorfläche 12, Verbindungselement 10 und Lichtwellenleiter 7 bestehenden Systems bekannt. Eine kurze physikalische Rechnung führt zu der gesuchten Elastizität 1/κ = d/F - 1/D.

Abstandsmessungen sind mit der Erfindung auf zwei Arten durchführbar. Zum einen können mit dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Prinzip Abstände bzw. Auslenkungen ε gemessen werden, wenn gleichzeitig eine Kraft F auf die Sensorfläche ausgeübt wird. Über die Federkonstante D des aus Sensorfläche 12, Verbindungselement 10 und Lichtwellenleiter 7 bestehenden Systems kann dann auf die Auslenkung ε = F/D geschlossen werden.

Fig. 3 zeigt das Prinzip zur direkten Abstands- und Auslenkungsmessung. Dieses Prinzip benötigt keine externe Kraft zur Verbiegung des Lichtwellenleiters 7. Daher kann das starre Verbindungselement entfallen. Die Halterung 11 wird so weit wie möglich zur Spitze 15 des Lichtwellenleiters 7 verschoben, um Schwingungen des Lichtwellenleiters 7 zu verhindern. Die zu messenden Abstandsvariationen d werden entweder an die Halterung 11 übertragen oder entsprechen einer Verschiebung des Glaskörpers, so dass sich die Position des Lichtwellenleiters 7 innerhalb des evaneszenten Feldes ändert und sich eine Signaländerung an der Photodiode 9 ergibt.

Da der Glaskörper im allgemeinen durch jeden, bei der verwendeten Lichtwellenlänge optisch durchlässigen Körper ersetzt werden kann, sind mit diesem Verfahren hochauflösende Oberflächenabtastungen dieses Körpers durchführbar.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel, wie die Erfindung für molekulare Kraft- und Auslenkungsmessungen eingesetzt werden kann. Zwischen dem Lichtwellenleiter 7 und einem mit der äußeren Umgebung verbundenen Fixierungspunkt 18 wird ein Molekül 17 - beispielsweise ein Protein - aufgespannt. In Variation zur Anordnung in Fig. 1 wird hier die zu messende Kraft nicht über ein Verbindungselement übertragen, sondern wirkt direkt am Lichtwellenleiter 7, wenn sich die Konformation des Moleküls 17 so ändert, dass es eine Kraft F auf den Lichtwellenleiter 7 ausübt und ihn verbiegt. Um eine solche Konformationsänderung auszulösen, ist es in der Regel notwendig, die Anordnung in wässriger Lösung 16 unterzubringen, deren Inhaltsstoffe durch einen sogenannten Lösungswechsel ausgetauscht werden können, was wiederum zum Start der gewünschten chemisch-/physikalischen Reaktion führt.

Die Fig. 5 schließlich zeigt eine mögliche Ausführung der Erfindung als sogenannte "black box" 19, die die genaue Ausführung des Messprinzips vor dem Anwender "versteckt": Die Stromversorgung der Lichtquelle 1 erfolgt über die Anschlüsse 20. Der Einbau der Lichtquelle in die black box hat den Vorteil, dass dem Anwender die Justierung der Lichtquelle abgenommen wird. Bei Verwendung einer Laserdiode als Lichtquelle kann die Lichtstärke leicht durch den über die Anschlüsse 20 fließenden Diodenstrom geregelt werden.

Die Kraft F wird wie bei Fig. 1 über eine in das Gehäuse 19 integrierte Sensorfläche 12 auf das starre Verbindungselement 10 und damit auf den Lichtwellenleiter 7 übertragen. Das Spannungssignal der Photodiode 9 wird über einen integrierten elektronischen Verstärker 21 auf den Signalausgang 22 gegeben, von wo aus es weiterverarbeitet werden kann. Der Anwender "sieht" bei dieser Ausführung also lediglich den Eingang der Stromversorgung für die Lichtquelle, den Eingang für die Spannungsversorgung des integrierten Verstärkers und den Signalausgang, ohne sich um die detaillierte Ausführung des Kraftsensors kümmern zu müssen.

Zitierte Patentschriften

DE 28 53 800 A1: Winzer "Abstimmbarer Richtkoppler für Lichtwellenleiter"
DE 41 06 548 A1: Fischer "Sonde für die optische Nahfeldmikroskopie, Rastertunnelmikroskopie und Kraftmikroskopie"
EP 0184 270 A2: Shaw und Digonnet "Fiber coupler temperature transducer"
US 4286 468 A: Altman "Frustrated total internal reflection fiber-optic small-motion sensor for hydrophone use"
US 4421 384 A: McMahon "Fiber optic transducer"
US 5031 987 A: Norling "Fiber optic thermal switch utilizing frustrated total internal reflection readout"
US 5239 183 A: Motohiro et al. "Optical gap measuring device using frustrated internal reflection"
US 5257 093 A: Mager und Slutsky "Apparatus for measuring nanometric distances employing frustrated total internal reflection"
US 5715 060 A: Sides "Apparatus and method for measuring linear nanometric distances using evanescent radiation"
US 5891 747 A: Farah "Interferometric fiber optic displacement sensor"

Zitierte Literatur

Ashkin et al. (1990) Force generation of organelle transport measured in vivo by an infraredlaser trap. Nature 348: 346-348
Born und Wolf (1980) Principles of Optics. Pergamon, Oxford.
Brekhovskikh (1960) Waves in Layered Media. Academic, New York.
Finer et al. (1994) Single myosin molecule mechanics: Piconewton forces and nanometre steps. Nature 368: 113-117
Ishijima et al. (1996) Multiple- and single-molecule analysis of the actomyosin motor by nanometer-piconewton manipulation with a microneedle: Unitary steps and force. Biophysical Journal 70: 383-400.
Kitamura et al. (1999) A single myosin head moves along an actin filament with regular steps of 5.3 nanometres. Nature 397: 129-134.
Kojima et al. (1994) Direct measurements of stiffness of single actin filaments with and without tropomyosin by in vitro nanomanipulation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 91: 12 962-12 966.
Molloy et al. (1995) Movement and force produced by a single myosin head. Nature 378: 209-212.
Simmons et al. (1996) Quantitative measurements of force and displacement using an optical trap. Biophysical Journal 70: 1813-1822.
Svoboda und Block (1994) Biological applications of optical forces. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 23: 247-285.
Tokunaga et al. (1997) Subpiconewton intermolecular force microscopy. Biochem. Biophys. Res. Comm. 231: 566-569.
Veigel et al. (1999) The motor protein myosin-I produces its working stroke in two steps. Nature 398: 530-533.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur quantitativen hochauflösenden Messung von Abständen, Kräften, Elastizitäten, Drücken und Beschleunigungen, bestehend aus einer Lichtquelle (1), einem für dieses Licht durchlässigen Körper (3), einem Lichtwellenleiter (7) und einer Lichtmengenmesseinheit (9),
wobei,

• - durch die Einkopplung des Lichts der Lichtquelle (1) in den lichtdurchlässigen Körper durch innere Totalreflexion an einer der Oberflächen (5) des Körpers im Außenraum (6) längs dieser Oberfläche ein großflächiges, homogenes evaneszentes Feld entsteht,
• - der Lichtwellenleiter an einer Halterung (11) befestigt in dieses evaneszente Feld gebracht wird,
• - die der Oberfläche des lichtdurchlässigen Körpers zugewandte Lichteintrittsfläche des Lichtwellenleiters so bearbeitet ist, dass Licht aus dem evaneszenten Feld in den Lichtwellenleiter einkoppeln kann,
• - die aus dem evaneszenten Lichtfeld in den Lichtwellenleiter eingekoppelte Lichtmenge mit der Lichtmengenmesseinheit (9) gemessen werden kann,
• - die Halterung so an dem Lichtwellenleiter befestigt ist, dass das Teilstück des Lichtwellenleiters zwischen der Spitze (15) und der Halterung senkrecht zur Längsachse des Lichtwellenleiters ausgelenkt werden kann
• - und diese Auslenkung in einer Variation der von der Lichtmengenmesseinheit gemessenen Lichtmenge resultiert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkung des Lichtwellenleiters durch eine direkt am Lichtwellenleiter angreifende Kraft und/oder durch eine auf ein mit dem Lichtwellenleiter verbundenes Verbindungselement (10) wirkende Kraft und/oder durch einen auf jenes Verbindungselement wirkenden Druck und/oder durch eine Beschleunigung jenes Verbindungslements verursacht wird.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter ein Singlemode-Lichtwellenleiter oder ein Multimode- Lichtwellenleiter ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtmengenmesseinheit (9) durch eine Photodiode und/oder durch ein Feld von Photodioden und/oder durch einen Photomultiplier und/oder durch einen elektrischen Photowiderstand realisiert wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) Licht einer oder mehrerer Wellenlängen im sichtbaren und/oder nichtsichtbaren Bereich und/oder ein kontinuierliches Lichtspektrum mit Wellenlängen im sichtbaren und/oder nichtsichtbaren Bereich emittiert.