DE102006043352A1

DE102006043352A1 - Einrichtung zum Abtasten einer von einer Flüssigkeit bedeckten Probenoberfläche

Info

Publication number: DE102006043352A1
Application number: DE102006043352A
Authority: DE
Inventors: Tilman Dr. Schäffer; Mathias Böcker; Boris Dr. Anczykowski
Original assignee: NANOANALYTICS GmbH; Westfaelische Wilhelms Universitaet Muenster
Current assignee: NANOANALYTICS GmbH; Westfaelische Wilhelms Universitaet Muenster
Priority date: 2006-09-15
Filing date: 2006-09-15
Publication date: 2008-03-27
Also published as: US8332960B2; EP2067016A1; US20110162117A1; WO2008031618A1

Abstract

Gezeigt wird eine Einrichtung 32 zum Abtasten der Oberfläche einer Probe 20, die mit einer Flüssigkeit 22 bedeckt ist. Die Einrichtung umfaßt eine Sonde 12, die an einem Ende eine Spitze 14 aufweist, Mittel 24 zum Bewegen der Sonde 12 und der Probe 20 relativ zueinander, eine Lichtquelle 26, eine Fokussiervorrichtung 48, die Licht von der Lichtquelle 26 auf eine in der Flüssigkeit 22 befindliche Stelle der Spitze 14 fokussiert, und einen Detektor 30 zum Detektieren von Licht, welches von der Spitze 14 gestreut wird. Auf dem Weg des Lichtes zwischen der Lichtquelle 26 und der Spitze 14 befindet sich eine Grenzfläche 56, an der das Licht in die Flüssigkeit 22 eintritt, wobei die Grenzfläche ortsfest bezüglich der Sonde 12 ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Abtasten der Oberfläche einer von einer Flüssigkeit bedeckten Probe. Derartige Einrichtungen sind beispielsweis in Lambelet, P., M. Pfeffer, A. Sayah and F. Marquis-Weible (1998), "Reduction of tip-sample interaction forces for scanning near-field optical microscopy in a liquid environment." Ultramicroscopy 71(1-4): 117-121; Nitz, H., J. Kamp and H. Fuchs (1998). "A combined scanning ion-conductance and shear-force microscope." Probe Microsc. 1: 187-200; und Schäffer, T. E., B. Anczykowski and H. Fuchs (2006), Scanning Ion Conductance Microscopy, Applied Scanning Probe Methods, B. Bhushan and H. Fuchs. Berlin, Heidelberg, New York, Springer Verlag. 2: 91-119 offenbart.
In 1 ist eine bekannte Einrichtung 10 nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 schematisch dargestellt. Die Einrichtung umfaßt eine Sonde, die durch eine Pipette 12 gebildet ist, die sich an ihrem in der Darstellung von 1 unteren Ende in eine feine Spitze 14 verjüngt. Die Pipette 12 ist ferner mit einem Piezoelement 16 in Kontakt, durch das die Spitze 14 der Pipette 12 in Schwingungen versetzt werden kann.
Ferner ist in 1 ein Probenbehälter 18 gezeigt, in dem sich eine schematisch dargestellte Probe 20 befindet. Der Probenbehälter 18 ist mit einer Flüssigkeit 22 gefüllt, die die Probe 20 vollständig bedeckt. Bei der Probe 20 könnte es sich beispielsweise um lebende Zellen handeln, die nur in einer Flüssigkeit existieren können. Ein weiterer Grund, die Probe 20 mit einer Flüssigkeit, genauer gesagt, mit einem Elektrolyten zu bedecken, besteht in der Möglichkeit, Ionenleitfähigkeitsmessungen durchzuführen, die unten näher beschrieben werden.
Der Probenbehälter 18 ist auf einem XYZ-Scanner 24 angeordnet, so daß der Probenbehälter mit der Probe 20 relativ zur Pipette 12 bewegt werden kann. Durch diese Relativbewegung kann die Oberfläche der Probe 20 mit der Spitze 14 der Pipette 12 abgerastert werden.
Die Einrichtung 10 von 1 umfaßt ferner einen Laser 26, dessen Strahl 28 durch eine nicht gezeigte Fokussiereinrichtung auf die Spitze 14 im ruhenden Zustand fokussiert ist. Der Laser 26 und die Pipette 12 sind ortsfest zueinander, beispielsweise dadurch, daß beide auf demselben Experimentiertisch montiert sind. Somit ändert sich der Abstand zwischen dem Laser 26 und der Spitze 14 der Pipette 12 während des Scannens nicht, so daß der Laserstrahl auch während der Relativbewegung zwischen der Probe und der Pipettenspitze 14 stets auf diese fokussiert sein sollte.
Schließlich ist ein Detektor 30 vorgesehen, der den Laserstrahl 28 empfängt, nachdem dieser an der Spitze 14 reflektiert wurde. Durch die von dem Piezoelement 16 erzeugte Vibration der Spitze 14 wird das reflektierte Laserlicht 28 moduliert. Mit Hilfe des Detektors 30 können über diese Modulationen die Vibrationen der Pipettenspitze 14 detektiert werden. Die Wechselwirkung des Laserstrahls mit der Spitze 14 wird in der vorliegenden Schrift allgemein als „Streuung" bezeichnet. Unter den Begriff „Streuung" fällt insbesondere eine Reflektion von der Spitze und eine Transmission, die sich z.B. ergibt, wenn die Spitze aus dem Lichtweg des Laserstrahls herausschwingt.
Wenn die Pipettenspitze 14 sehr nahe an die Oberfläche der Probe 20 herangeführt wird, treten Scherkräfte auf, durch welche die Amplitude, Phase und/oder Frequenz Vibration der Spitze 14 beeinflußt z.B. gedämpft wird. Die Dämpfung der Vibration wird wiederum mit Hilfe des Detektors 30 detektiert. Dadurch kann der Abstand zwischen der Spitze 14 und der Probe 20 bestimmt werden. Beispielsweise kann der XYZ-Scanner 24 so angesteuert werden, daß die Dämpfung der Oszillationen und damit der Abstand zwischen der Spitze 14 und der Probe 20 beim Abrastern der Probe 20 konstant gehalten werden. Die beim Abtasten der Oberfläche der Probe 20 durchgeführten Bewegungen des XYZ-Scanners können von einem Computer (nicht gezeigt) aufgezeichnet werden, und aus ihnen kann ein topographisches Bild der Oberfläche erzeugt werden. Die Einrichtung von 1 wird daher auch als Scherkraftmikroskop bezeichnet.
Allerdings treten bei der bekannten Vorrichtung von 1 häufiger Probleme mit der Zuverlässigkeit der Signale auf. Offenbar ist es schwierig, den Laserstrahl 28 auf die Spitze 14 der Pipette fokussiert zu halten, wenn diese von der Flüssigkeit 22 umgeben ist. Um diese Probleme zu umgehen, hat man versucht, den Füllstand der Flüssigkeit 22 so niedrig zu wählen, daß ein oberer Abschnitt der Spitze 14 über den Flüssigkeitspegel ragt, und den Laserstrahl 28 auf diesen oberen Abschnitt zu fokussieren, ohne daß er die Flüssigkeit durchlaufen müßte. Dies hat sich jedoch in der Praxis als schwierig erwiesen, da sich ein ausreichend niedriger Flüssigkeitsstand über der Probe nur schwer herstellen und während der Untersuchung kaum aufrechterhalten läßt, weil stets ein Teil der Flüssigkeit verdunstet. Selbst wenn es gelingt, die Probe stets von Flüssigkeit bedeckt zu halten, treten die folgenden Probleme auf: für den Fall, daß der Flüssigkeitspegel niedrig gehalten wird und dadurch an einem Abschnitt vorliegt, an dem die Spitze mit vergleichsweise großer Amplitude schwingt, werden die erhaltenen optischen Signale durch kleine Änderungen des Flüssigkeitspegels in Folge von Verdunstung spürbar verändert und dadurch verfälscht. Falls ein höherer Flüssigkeitspegel verwendet wird, der an einem Abschnitt der Spitze vorliegt, an dem die Spitze nur mit vergleichsweise geringer Amplitude schwingt, sind die Signale zwar stabiler, aber dafür deutlich schwächer.
Um diese Probleme zu umgehen, wird in Koopman, M., B. I. de Bakker, M. F. Garcia-Parajo and N. F. van Hulst (2003), "Shear force imaging of soft samples in liquid using a diving bell concept." Appl. Phys. Lett. 83(24): 5083-85 ein Aufbau mit einer „Tauchglocke" verwendet, der jedoch verhältnismäßig kompliziert ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß sie eine zuverlässige Fokussierung des Lichtes auf die Spitze der Sonde ermöglicht.
Diese Aufgabe wird bei der Einrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß sich auf denn Weg des Lichtes zwischen der Lichtquelle und der Spitze der Sonde eine Grenzfläche befindet, an der das Licht in die Flüssigkeit eintritt, wobei die Grenzfläche ortsfest bezüglich der Sonde ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich bei der bekannten Vorrichtung von 1 die optische Weglänge zwischen dem Laser 26 (oder einer nicht gezeigten Fokussiervorrichtung) einerseits und der Spitze 14 der Pipette 12 andererseits ändert, wenn der Probenbe hälter 18 beim Scannen der Probe 20 relativ zur Pipette 12 und dem Laser 26 bewegt wird. Denn obwohl bei dieser Relativbewegung der Abstand zwischen dem Laser 26 und der Pipette 12 unverändert bleibt, ändern sich die Anteile des Weges, die der Laserstrahl 28 in der Luft bzw. in der optisch dichteren Flüssigkeit 22 zurücklegt. Daher ändert sich beim Scannen die optische Weglänge zwischen der Fokussiervorrichtung (nicht gezeigt) und der Pipettenspitze 14, und durch diese Änderung der optischen Weglänge kann die Fokussierung an der Pipettenspitze 14 verlorengehen.
Bei der Einrichtung gemäß der Erfindung befindet sich hingegen auf dem Weg des Lichtes zwischen der Lichtquelle und der Spitze eine Grenzfläche, an der das Licht in die Flüssigkeit eintritt, und diese Grenzfläche ist ortsfest bezüglich der Sonde. Das bedeutet, daß sich die Weglänge des Lichts durch die optisch dichtere Flüssigkeit während des Scannens nicht ändert und dadurch die Fokussierung beibehalten werden kann. Im Gegensatz hierzu wird beim Stand der Technik von 1 die besagte Grenzfläche durch die Wand des Probenbehälters 18 gebildet, und diese wird beim Scannen der Probe 20 relativ zur Sonde 12 bewegt, ist also nicht ortsfest zu dieser.
Zum Verbessern der Qualität des optischen Signals sind vorzugsweise auch der Detektor und die Sonde ortsfest relativ zueinander. Um auch die optische Weglänge zwischen der Spitze und dem Detektor während des Rastervorgangs konstant zu halten, weist die Einrichtung in einer vorteilhaften Weiterbildung auf dem Weg des Lichtes zwischen der Spitze und dem Detektor eine weitere Grenzfläche auf, an der das Licht aus der Flüssigkeit austritt und die ebenfalls ortsfest bezüglich der Sonde ist.
Vorzugsweise sind erste Umlenkmittel, wie zum Beispiel Spiegel oder Umlenkprismen, vorgesehen, um das Licht auf dem Weg von der Lichtquelle in Richtung auf die Sondenspitze umzulenken. Außerdem sind vorzugsweise zweite Umlenkmittel und/oder eine Kollimatorvorrichtung vorgesehen, welche Licht, welches von der vibrierenden Spitze gestreut wurde, auf den Detektor lenken. Mit Hilfe der Umlenkmittel kann der optische Pfad zwischen der Lichtquelle, der Spitze und dem Detektor je nach gewünschter Geometrie des Aufbaus eingerichtet werden. Vorteilhafterweise ist auch die Kollimatorvorrichtung ortsfest bezüglich der Sonde.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine Lichtführungsvorrichtung vorgesehen, die ortsfest zur Sonde und zumindest teilweise in die Flüssigkeit eintauchbar ist und die einen Innenraum aufweist, der durch die Grenzfläche zwischen der Lichtquelle und der Spitze und/oder die Grenzfläche zwischen der Spitze und dem Detektor von der Flüssigkeit getrennt ist. Eine derartige Lichtführungsvorrichtung kann auf einfache Weise zusammen mit der Sonde an einer gemeinsamen Halterung befestigt werden, so daß die ortsfeste Beziehung zwischen der Grenzfläche und der Sonde einfach hergestellt werden kann, wie unten anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert wird.
Aus der DE 195 46 860 C2 sind Lichtführungsvorrichtungen für Rastersondenmikroskope an sich bekannt, jedoch sind sie nicht im Zusammenhang mit Proben offenbart, die von einer Flüssigkeit bedeckt sind, und sie weisen daher auch keine Grenzfläche auf, an der das Licht in eine Flüssigkeit ein- oder aus einer Flüssigkeit austritt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine derartige Lichtführungsvorrichtung für den Lichtweg zwischen der Lichtquelle und der Sondenspitze und eine weitere Lichtführungsvorrichtung für den Lichtweg zwischen der Sondenspitze und dem Detektor vorgesehen. Es können auch zwei Detektoren mit jeweils einer Lichtführungsvorrichtung vorgesehen sein, von denen die eine so angeordnet ist, daß sie Licht sammelt, welches von der vibrierenden Spitze durchgelassen wird, und die andere Licht sammelt, welches von der Spitze reflektiert wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfaßt die Einrichtung einen Sondenhalter, in dem die Sonde durch ein elastisches Element, welches die Sonde gegen Auflagen des Sondenhalters drückt, lösbar befestigt ist. Der Sondenhalter gestattet somit ein schnelles und zuverlässiges Austauschen der Sonde. Dies ist vorteilhaft, weil die Sonden recht schnell verschleißen und häufig ersetzt werden müssen. Außerdem kann durch den Sondenhalter die Stabilität der Sonde erhöht werden. Vorzugsweise weist der Sondenhalter wenigstens zwei und insbesondere vier einzelne Auflagen mit jeweils konvexer, z.B. halbkugelförmiger Auflagefläche auf. Die halbkugelförmigen Auflageflächen gestatten eine genau definierte und reproduzierbare Position der Sonde in dem Sondenhalter, so daß sich die Justage nach dem Wechseln einer Sonde deutlich vereinfacht.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Sondenhalter seinerseits an einer Haltevorrichtung lösbar gehalten. Vorzugsweise umfaßt die Haltevorrichtung eine Halteplatte und eine Verstellvorrichtung, wobei der Sondenhalter über die Verstellvorrichtung relativ zur Halteplatte verstellbar ist. Der modulare Aufbau aus Sondenhalter und Haltevorrichtung erleichtert das Wechseln der Sonde, weil diese zusammen mit dem Sondenhalter aus der Apparatur entnommen werden kann und das Wechseln der Sonde am Sondenhalter allein, d.h., außerhalb der Apparatur, deutlich bequemer ist, als wenn der Sondenhalter in der Apparatur verbleibt.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung kann die Einrichtung um die Funktion eines Raster-Ionenleitfähigkeit-Mikroskops ("scanning ion conductance microscope", SICM) erweitert werden. Dazu wird die Sonde durch eine Pipette gebildet, welche an einem Ende die längliche Spitze aufweist, in der eine Öffnung angeordnet ist, über die ein innerer Hohlraum der Pipette mit der äußeren Umgebung der Spitze kommuniziert. Außerdem ist sowohl in der Flüssigkeit, mit der die Probe bedeckt ist, als auch in dem Hohlraum der Pipette jeweils eine Elektrode angeordnet. In dieser Weiterbildung wird zudem für die Flüssigkeit ein Elektrolyt verwendet. Wenn zwischen den beiden Elektroden eine Spannung angelegt wird, fließt ein meßbarer Ionenstrom durch die Öffnung an der Spitze. Wenn die Spitze jedoch nahe genug an die Probe angenähert wird, wird der Ionenstrom "abgeschnürt", was durch einen Abfall des Ionenstroms detektiert werden kann. Gemäß dieser Weiterbildung erhält die Einrichtung somit eine zweifache Funktionalität, den Abstand zu einer Probe zu detektieren, nämlich einerseits durch die Scherkraft und andererseits durch die Ionenleitfähigkeit. Alternativ kann die Einrichtung der Erfindung auch mit einer Funktionalität einer ortsauflösenden optischen Nahfeldmikroskopie ("near-field scanning optical microscopy", NSOM) kombiniert werden, bei der die Sonde nicht durch eine Pipette, sondern durch eine an ihrem einen Ende zu einer länglichen Spitze ausgezogenen Glasfaser besteht und eine Apertur an der Spitze vorgesehen ist, mit der ein optisches Nahfeld über der Probe erzeugt oder detektiert werden kann.
Weitere Vorteile, Eigenschaften und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben wird. Darin zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung einer Einrichtung zum Abtasten der Oberfläche einer Probe aus dem Stand der Technik,
2 eine Querschnittsansicht einer Einrichtung zum Abtasten der Oberfläche einer Probe nach einer Weiterbildung der Erfindung,
3 eine Einrichtung wie in 2, jedoch mit vertauschter Anordnung der Linsen und der Spiegel,
4 eine Querschnittsansicht einer Einrichtung nach einer alternativen Weiterbildung der Erfindung ohne Abbildungsoptik zwischen Spitze und Detektor,
5 eine Querschnittsansicht einer Einrichtung nach einer alternativen Weiterbildung der Erfindung, bei der die Grenzfläche zwischen der Lichtquelle und der Spitze und die Grenzfläche zwischen der Spitze und dem Detektor durch die Innenwand eines Ringzylinders gebildet werden,
5a eine Draufsicht auf die Einrichtung von 5,
6a und 6b schematisch die Möglichkeiten, die Schwingung der Spitze mit Laserlicht zu detektieren,
7a eine perspektivische Darstellung einer Einrichtung bei der Detektion in Transmission entsprechend 6a,
7b eine perspektivische Darstellung einer Einrichtung bei der Detektion in Reflexion entsprechen 6b,
8 das Resonanzspektrum der Vibration der Spitze einer Pipette,
9 ein Diagramm der Schwingungsamplitude und des Ionenstroms durch eine Öffnung in der Spitze der Pipette in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen der Probenoberfläche und der Spitze,
10 eine perspektivische Darstellung eines Sondenhalters mit einer darin befestigten Pipette und
11 eine Haltevorrichtung mit Halteplatte, Verstellvorrichtung und Sondenhalter.
In 2 ist eine Einrichtung 32 zum Abtasten der Oberfläche einer Probe 20 gezeigt, die mit einer Flüssigkeit 22 bedeckt ist. In sämtlichen Zeichnungen werden identische oder einander entsprechende Komponenten mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Die Einrichtung 32 umfaßt eine Sonde, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch eine Pipette 12 mit einer länglichen Spitze 14 gebildet wird. Ähnlich wie beim Stand der Technik von 1 befindet sich die Probe 20 in einem Probenbehälter 18, der auf einem XYZ-Scanner 24 angeordnet ist und somit relativ zur Sonde 12 bewegt werden kann.
Die Einrichtung 32 umfaßt ferner eine schematisch dargestellte Haltevorrichtung 34, an der die Sonde 12, eine erste Lichtführungsvorrichtung 36 und eine zweite Lichtführungsvorrichtung 38 befestigt sind. Ferner sind an der Haltevorrichtung 34 ein Laser 26 und ein Detektor 30 angeordnet. Die erste und die zweite Lichtführungsvorrichtung 36, 38 umfassen jeweils einen Rohrabschnitt 40 bzw. 42, der in die Flüssigkeit 22 eingetaucht ist. Am unteren Ende des Rohrabschnittes befindet sich jeweils ein Spiegel 44 bzw. 46 und eine Konvexlinse 48 bzw. 50. Die Lichtführungsvorrichtungen 36 und 38 haben jeweils einen Innenraum 52 bzw. 54, der von der Flüssigkeit 22 getrennt ist.
Im folgenden wird die Funktion der Einrichtung von 2 beschrieben. Der Laser 26 schickt einen Laserstrahl 28 durch den Innenraum 52 der ersten Lichtführungsvorrichtung 36, der am Spiegel 44 umgelenkt und durch die Linse 48 auf die Spitze 14 der Sonde 12 fokussiert wird.
Dabei bildet die Linse 48 sowohl eine Fokussiervorrichtung als auch die Grenzfläche 56, an der das Licht 28 in die Flüssigkeit 22 eintritt.
Die Spitze 14 der Sonde 12 wird durch einen Piezokristall 16 in Vibrationen versetzt, so daß die Spitze 14 transversal schwingt und dadurch das Lichtsignal moduliert. Das durch die Spitze 14 modulierte Lichtsignal 28 tritt an der Kollimatorlinse 50 der zweiten Lichtführungsvorrichtung 38 aus der Flüssigkeit 22 aus und wird kollimiert, vom Spiegel 46 umgelenkt und auf den Detektor 30 gerichtet, an dem es detektiert wird. Der Piezokristall 16 ist nicht in allen Fällen unerläßlich, beispielsweise könnte die thermische Bewegung der Spitze 14 für eine meßbare Modulation des Lichtsignals ausreichen.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, haben die Lichtführungsvorrichtungen 36 und 38 einen periskopähnlichen Aufbau, und diese Lichtführungsvorrichtungen bzw. Periskope sind ortsfest bezüglich der Sonde 12, da sie an derselben Haltevorrichtung 34 befestigt sind. Dies bedeutet insbesondere, daß die Grenzfläche 56, an der das Licht 28 in die Flüssigkeit 22 eintritt und die im gezeigten Ausführungsbeispiel durch die der Spitze 14 zugewandte Fläche der Linse 48 gebildet wird, ortsfest relativ zur Sonde 12 ist. Somit wird nicht nur die geometrische Weglänge des Lichtes zwischen dem Laser 26 und der Spitze 14 konstant gehalten, sondern auch die optische Weglänge, weil sich der Abstand zwischen der Grenzfläche 56 und der Probe 14 und somit der Anteil des Lichtweges im optisch dichteren Medium während des Scannens nicht ändert. Dadurch wird erreicht, daß, anders als beim Stand der Technik von 1, die Fokussierung des Laserlichtes 28 auf die Spitze 14 von der Scannbewegung des XYZ-Scanners 24 unbeeinflußt bleibt.
Auf ähnliche Weise wird eine Grenzfläche 58, an der das Licht 28 aus der Flüssigkeit 22 austritt, durch die der Spitze 14 zugewandte Fläche der Linse 50 gebildet, und auch diese ist ortsfest bezüglich der Sonde 12.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform 60 gezeigt, die der Einrichtung 32 von 2 sehr ähnlich ist. Der Unterschied zwischen den Einrichtungen 32 und 60 besteht darin, daß bei ihr die Reihenfolge der Linsen 48, 50 und der Spiegel 44, 46 vertauscht ist. Bei der Einrichtung 60 von 3 befindet sich in einen unteren Abschnitt der Rohrabschnitte 40 bzw. 42 jeweils eine Öffnung 62, 64, durch welche die Flüssigkeit 22 in die Rohrabschnitte 40, 42 eintreten und in diesen bis zu den jeweiligen Linsen 48, 50 vordringen kann, die wie in 2 die jeweiligen Grenzflächen 56 bzw. 58 bilden. Alternativ könnten die Öffnungen 62 und 64 jedoch auch mit einem lichtdurchlässigen Material, z.B. einem Glasplättchen, verschlossen sein, welches dann seinerseits die Grenzflächen bilden würde.
Die in 2 und 3 gezeigten Einrichtungen mit den periskopartigen Lichtführungsvorrichtungen 36 und 38 sind äußerst kompakt. Tatsächlich gestattet der kompakte Aufbau es, anstatt den Probenbehälter 18 mit einem XYZ-Scanner 24 zu bewegen, die gesamte Haltevorrichtung 34, inklusive Sonde 12, Laser 26, Detektor 30 und Lichtführungsvorrichtungen 36 und 38, mit einem (nicht gezeigten) XYZ-Scanner gegenüber dem Behältnis 18 zu bewegen, welches dann ortsfest bezüglich des Experimentiertisches angeordnet werden könnte. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei Proben, die nicht leicht bewegt werden können, beispielsweise Proben, die auf einer bestimmten Temperatur gehalten werden müssen und daher auf einer Heizvorrichtung anzuordnen sind, oder wenn die Proben besonders groß und daher schwer zu bewegen sind.
In 4 ist eine Einrichtung 61 gezeigt, bei der die Haltevorrichtung 34 über einen XYZ-Scanner 24 verstellt werden kann. Die Einrichtung 61 umfaßt eine erste Lichtführungsvorrichtung 36, die derjenigen von 3 ähnlich ist, außer daß sie um etwa 10 bis 20 Grad gegenüber der Längsachse der Sonde 12 geneigt ist. Anders als die Einrichtungen 32 und 60 von 2 und 3 umfaßt die Einrichtung 61 jedoch keine zweite Lichtführungseinrichtung 38. Statt dessen ist der Detektor 30 über ein Trageelement 65 starr mit der Lichtführungsvorrichtung 36 verbunden und in unmittelbarer Nähe der Spitze 14 im Lichtweg des Laserstrahls 28 angeordnet. Dadurch wird der Aufbau weiter vereinfacht. Diese Vereinfachung ist möglich, weil die Anforderungen an die Genauigkeit der Abbildung des Laserlichts auf den Detektor 30 im Hinblick auf die Qualität der Messung weniger hoch sind als diejenigen an die Fokussierung des Laserlichts 28 auf die Spitze 14.
In 5 und 5a ist eine weitere Ausführungsform 66 nach einer Weiterbildung der Erfindung gezeigt. 5 zeigt einen Längsschnitt durch die Einrichtung 66 und 5a einen Querschnitt entlang der Line A-A'.
Die Einrichtung 66 ist in ihrer Funktion der Einrichtung 60 von 3 ähnlich. Der Hauptunterschied besteht darin, daß anstelle der zwei separaten periskopartigen Lichtführungsvorrichtungen 36 und 38 bei der Einrichtung 66 lediglich eine Lichtführungsvorrichtung 68 vorgesehen ist. Die Lichtführungsvorrichtung 68 besteht aus einem Ringzylinder oder Doppelzylinder mit einem inneren Zylinder 70, der die Sonde 12 direkt umgibt, und einem äußeren Zylinder 72. Der Innenzylinder 70 und der Außenzylinder 72 sind durch eine ringförmige Bodenfläche 74 verbunden, so daß sich ein von der Flüssigkeit 22 getrennter Innenraum 75 ergibt. In dem Innenraum 75 sind, ähnlich wie bei der Einrichtung 60 von 3, Linsen 48, 50 und Spiegel 44, 46 angeordnet. Die Grenzflächen 56 bzw. 58, an denen das Laserlicht 28 in die Flüssigkeit 22 ein- bzw. aus dieser austritt, sind bei der Einrichtung 66 durch transparente Abschnitte im Innenzylinder 70 gebildet. Die gesamte Lichtführungsvorrichtung 68 ist ortsfest relativ zur Sonde 12, beispielsweise indem beide wiederum an einer gemeinsamen Haltevorrichtung (nicht gezeigt) befestigt sind. Die Erfindung ist also nicht auf eine Einrichtung mit periskopartigen Lichtführungsvorrichtungen beschränkt, sondern es ist eine Vielzahl von Ausführungen möglich, solange zumindest die Grenzfläche, an der das Licht in die Flüssigkeit 22 eintritt, ortsfest bezüglich der Sonde 12 ist.
In 6a und 6b sind die zwei grundlegenden optischen Detektionsmodi der Schwingung der Spitze 14 dargestellt. Die transversale Schwingungsrichtung der Spitze 14 ist durch den gestrichelten Pfeil schematisch angedeutet. Der Lichtstrahl 28 wird auf eine Stelle der Spitze 14 im schwingungsfreien Zustand gelenkt und fokussiert, wie oben unter Bezugnahme auf 2 bis 5 beschrieben wurde. Gemäß einem ersten Detektionsmodus kann das Licht detektiert werden, das aufgrund der Schwingung der Spitze 14 durchgelassen wird. Je nach Schwingungszustand der Spitze 14 wird das durchgelassene Licht unterschiedlich moduliert. Dieser Fall ist in 6a schematisch dargestellt. Alternativ kann das Licht detektiert werden, das von der Spitze 14 reflektiert wird, wie schematisch in 6b dargestellt ist. In diesem Fall ist vorzugsweise zumindest der Teil der Spitze 14, auf den fokussiert wird, mit einem Metall bedampft, um eine reflektierende Fläche zu erzeugen.
In den 7a und 7b sind in räumlicher Darstellung entsprechende Aufbauten zu den in 6a und 6b gezeigten Detektionsmodi gezeigt. In der Ausführungsform von 7a werden eine erste und eine zweite periskopartige Lichtführungsvorrichtung 36, 38 verwendet, die denjenigen der Einrichtung 32 von 2 ähnlich sind. Der Laserstrahl 28 wird von der ersten Lichtführungsvorrichtung 36, ähnlich wie im Zusammenhang mit 2 und 3 beschrieben, auf eine Stelle auf der Spitze 14 der Sonde 12 gerichtet und fokussiert. Der durch die Vibration der Spitze 14 modulierte, durchgelassene Lichtstrahl 28 wird von der zweiten Lichtführungsvorrichtung 38 gesammelt und auf einen Detektor (in 7a nicht gezeigt) abgebildet. Obwohl dies in 7a nicht gezeigt ist, sind die erste Lichtführungsvorrichtung 36, die zweite Lichtführungsvorrichtung 38 und die Sonde 12 an einer gemeinsamen Haltevorrichtung befestigt und somit ortsfest zueinander.
7b zeigt den entsprechenden Aufbau für den Fall, daß das Laserlicht 28 an der Spitze 14 reflektiert wird.
In 7a und 7b ist die Flüssigkeit 22 ein Elektrolyt. In der Spitze 14 der Pipette 12 ist eine Öffnung ausgebildet, über die der Innenraum der Pipette 12 mit der äußeren Umgebung, d.h., dem Elektrolyten 22 im Probenbehälter 18 kommuniziert. In dem Probenbehälter 18 und dem Innenraum der Pipette 12 kann jeweils eine Elektrode angeordnet sein (in den Figuren nicht gezeigt), zwischen denen eine Spannung angelegt werden kann. Aufgrund der Spannung fließt ein Ionenstrom durch die Öffnung in der Spitze 14 der Pipette 12, der gemessen werden kann, um Abstandsmessungen nach der SICM-Methode durchzuführen.
In 8 ist eine Meßkurve der Oszillationsamplitude der von dem piezoelektrischen Element 16 zu Transversalschwingungen angeregten Spitze 14 in Abhängigkeit von der Treiberfrequenz des piezoelektrischen Elements 16 dargestellt. Wie in 8 zu sehen ist, gibt es klar ausgeprägte Resonanzfrequenzen. Mit einer oder mehrerer dieser Resonanzfrequenzen wird das piezoelektrische Element 16 während des Betriebs der Einrichtung angetrieben.
In 9 ist die Abhängigkeit der Schwingungsamplitude der Spitze 14 auf der linken Ordinate in Abhängigkeit von der z-Position des XYZ-Scanners 24 und damit des Abstandes zwischen der Spitze 14 und der Oberfläche der Probe 20 dargestellt. Beim Annähern der Probe 20 an die Spitze 14 (d.h., auf der Abszisse von rechts nach links schauend) erkennt man einen deutlichen Sprung bei einer Position von etwa 1,4 μm in der Oszillationsamplitude der Spitze 14. Dieser Effekt entspricht der oben beschriebenen Dämpfung, die durch Scherkräfte bewirkt wird, wenn die Spitze 14 sehr nahe an die Probenoberfläche kommt. Ferner ist auf der rechten Ordinate der Ionenstrom dargestellt, der, wie oben beschrieben, durch die Öffnung in der Spitze 14 der Pipette 12 fließt. Wie in 9 zu erkennen ist, fällt ungefähr bei dem gleichen Abstand, bei dem die Oszillationsdämpfung aufgrund der Scherkräfte einsetzt, auch der Ionenstrom ab, weil er bei der sehr dichten Annäherung an die Probenoberfläche abgeschnürt wird.
In 10 ist ein Sondenhalter 76 perspektivisch dargestellt. Der Sondenhalter 76 weist einen länglichen Halteabschnitt 78 auf, der eine Längsachse definiert, und einen dazu im rechten Winkel angeordneten Flanschabschnitt 80. Im Halteabschnitt 78 ist eine Längsnut 82 ausgebildet, auf deren Boden zwei Paare von halbkugelförmigen Auflagen 84 angeordnet sind (in der Darstellung verdeckt). An dem Halteabschnitt 78 sind ferner zwei Blattfedern 86 befestigt, durch welche die Sonde 12 gegen die Auflagen 84 gedrückt wird, so daß die Sonde 12 in einer vorbestimmten und reproduzierbaren Position gehalten wird. Die Nut 82 im Halteab schnitt 78 setzt sich hierbei durch den Flanschabschnitt 80 hindurch bis zu einer Öffnung auf der dem Halteabschnitt 78 gegenüberliegenden Seite des Flanschabschnitts 80 fort, so daß die Sonde 12 durch diese Öffnung in die Nut 82 eingeschoben werden kann.
In 11 ist eine Haltevorrichtung 34 perspektivisch dargestellt. Die Haltevorrichtung 34 umfaßt eine Halteplatte 88, an der ein Verstelltisch 90 verstellbar befestigt ist. Der Verstelltisch 90 umfaßt eine übliche XY-Verstellvorrichtung oder Verkippvorrichtung, die mit geeigneten Stellschrauben (nicht gezeigt) relativ zur Halteplatte 88 positioniert werden kann. In einer Ausnehmung in dem Verstelltisch 90 ist der Halteabschnitt 78 des Sondenhalters 76 eingeführt, wobei der Flanschabschnitt 80 am Verstelltisch 90 aufliegt. Zum Wechseln der Sonde kann der Sondenhalter 76 als Ganzes aus der Öffnung im Verstelltisch 90 gezogen und somit aus der Einrichtung entnommen werden. Dann kann außerhalb der Einrichtung die Sonde 12 im Sondenhalter 76 ausgewechselt werden und der Sondenhalter mit der neuen Sonde wieder in die Öffnung im Verstelltisch 90 eingeführt werden. Durch diesen modularen Aufbau wird das Austauschen der Sonde 12 deutlich vereinfacht.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Ausführung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

10: Einrichtung zum Abtasten der Oberfläche einer Probe nach dem Stand der Technik
12: Sonde
14: Spitze der Sonde 12
16: Piezoelement
18: Probenbehälter
20: Probe
22: Flüssigkeit
24: XYZ-Scanner
26: Laser
28: Laserstrahl
30: Detektor
32: Einrichtung zum Abtasten der Oberfläche einer Probe
34: Haltevorrichtung
36: erste Lichtführungsvorrichtung
38: zweite Lichtführungsvorrichtung
40, 42: Rohrabschnitt
44, 46: Spiegel
48, 50: Linse
52, 54: Innenraum der Lichtführungsvorrichtung 36, 38
56, 58: Grenzfläche
60, 61: Einrichtung zum Abtasten der Oberfläche einer Probe
62, 64: Öffnung
65: Trageelement
66: Einrichtung zum Abtasten der Oberfläche einer Probe
68: Lichtführungsvorrichtung
70: Innenzylinder
72: Außenzylinder
74: Boden
75: Innenraum
76: Sondenhalter
78: Halteabschnitt
80: Flanschabschnitt
82: Längsnut
84: Auflage
86: Blattfeder
88: Halteplatte
90: Verstelltisch

Claims

Einrichtung (32, 60, 61, 66) zum Abtasten der Oberfläche einer Probe (20), die mit einer Flüssigkeit (22) bedeckt ist, mit einer Sonde (12), die an einem Ende eine Spitze (14) aufweist; Mitteln (24) zum Bewegen der Sonde (12) und der Probe (20) relativ zueinander; einer Lichtquelle (26); einer Fokussiervorrichtung (48), die Licht (28) von der Lichtquelle (26) auf eine in der Flüssigkeit befindliche Stelle im Bereich der Spitze (14) fokussiert; und einem Detektor (30) zum Detektieren von Licht (28), welches an der Spitze (14) gestreut wurde, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf dem Weg des Lichtes (28) zwischen der Lichtquelle (26) und der Spitze (14) eine Grenzfläche (56) befindet, an der das Licht in die Flüssigkeit (22) eintritt, wobei die Grenzfläche (56) ortsfest bezüglich der Sonde (12) ist.
Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (30) und die Sonde (12) ortsfest relativ zueinander sind.
Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (26) und die Sonde (12) ortsfest relativ zueinander sind.
Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf dem Weg des Lichtes (28) zwischen der Spitze (14) und dem Detektor (30) eine weitere Grenzfläche (58), an der das Licht aus der Flüssigkeit (22) austritt, befindet, welche ortsfest bezüglich der Sonde (12) ist.
Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß erste Umlenkmittel (44) vorgesehen sind, welche von der Lichtquelle (26) ausgehendes Licht auf die Spitze lenken.
Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zweite Umlenkmittel (46) und/oder eine Kollimatorvorrichtung (50) vorgesehen sind, welche von der Spitze (14) gestreutes Licht auf den Detektor (30) lenken.
Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollimatorvorrichtung (50) und die Sonde (12) ortsfest relativ zueinander sind.
Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtführungsvorrichtung (36, 38, 68) vorgesehen ist, die ortsfest zur Sonde (12) ist, zumindest teilweise in die Flüssigkeit eintauchbar ist und einen Innenraum (52, 54, 75) aufweist, der durch die Grenzfläche (56) auf dem Lichtweg zwischen der Lichtquelle und der Spitze (14) und/oder die Grenzfläche (58) auf dem Lichtweg zwischen der Spitze (14) und dem Detektor (30) von der Flüssigkeit (22) getrennt ist.
Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinrichtung (48), die ersten Umlenkmittel (44), die Kollimatorvorrichtung (50) und/oder die zweiten Umlenkmittel (46) an der Lichtführungsvorrichtung (36, 38, 68) befestigt oder einstückig damit ausgebildet ist bzw. sind.
Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinrichtung (48), die ersten Umlenkmittel (44), die Kollimatorvorrichtung (50) oder die zweiten Umlenkmittel (46) die Grenz fläche (56) auf dem Lichtweg zwischen der Lichtquelle (26) und der Spitze (14) oder die Grenzfläche (58) auf dem Lichtweg zwischen der Spitze (14) und dem Detektor (30) bildet bzw. bilden.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei der Lichtführungsvorrichtungen (36, 38) vorgesehen sind, die relativ zur Sonde (12) so angeordnet sind, daß die eine Lichtführungsvorrichtung von der Spitze (14) transmittiertes Licht sammelt und die andere Lichtführungsvorrichtung von der Spitze (14) reflektiertes Licht sammelt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß drei der Lichtführungsvorrichtungen (36, 38) vorgesehen sind, die relativ zur Sonde so angeordnet sind, daß die eine Lichtführungsvorrichtung (36) Licht von der Lichtquelle (26) auf die Spitze (14) führt, die zweite Lichtführungsvorrichtung (38) von der Spitze (14) transmittiertes Licht sammelt und die dritte Lichtführungsvorrichtung von der Spitze (14) reflektiertes Licht sammelt.
Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (12) in einem Sondenhalter (76) durch ein elastisches Element (86), welches die Sonde (12) gegen Auflagen (84) des Sondenhalters (76) drückt, lösbar befestigt ist.
Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Sondenhalter (76) wenigstens zwei und insbesondere vier einzelne Auflagen (84) mit jeweils konvexer, insbesondere halbkugelförmiger Auflagefläche aufweist.
Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Sondenhalter (76) an einer Haltevorrichtung (34) lösbar gehalten ist.
Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung (34) eine Halteplatte (88) und eine Verstellvorrichtung (90) umfaßt, wobei der Sondenhalter (76) über die Verstellvorrichtung (90) relativ zu der Halteplatte (88) verstellbar ist.
Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (12) durch eine Pipette gebildet ist, welche an einem Ende die Spitze (14) aufweist, wobei an der Spitze eine Öffnung angeordnet ist, über die ein innerer Hohlraum der Pipette (12) mit der äußeren Umgebung der Spitze (14) kommuniziert.
Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß in der Flüssigkeit (22), mit der die Probe bedeckt ist, und in dem Hohlraum der Pipette jeweils eine Elektrode angeordnet ist.
Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (26) eine kohärente Lichtquelle ist.
Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel (16) zum Erzeugen von Schwingungen der Spitze (14), insbesondere ein piezoelektrisches Element (16) umfaßt.
Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (24) zum Bewegen der Sonde (12) und der Probe (20) relativ zueinander ein piezoelektrisches Element umfassen.