DE102007034853A1 - Verfahren und Vorrichtung zur verbesserten mikrofluidischen Versorgung von Proben und Messeinrichtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messsondenvorrichtung für ein Sondenmikroskop, insbesondere ein Rastersondenmikroskop, mit einer Messsondenaufnahme und einer an der Messsondenaufnahme angeordneten Messsonde, die für eine sondenmikroskopische Untersuchung einer Probe eingerichtet ist, wobei an der Messsondenaufnahme eine die Messsonde wenigstens teilweise aufnehmende und auf einer von der Messsondenaufnahme abgewandten Seite offene Messsondenkammer gebildet ist, die konfiguriert ist, eine Flüssigkeit die Messsonde umgebend aufzunehmen. Die Erfindung betrifft ferner eine Messzelle zum Aufnehmen einer flüssigen Probe für ein Sondenmikroskop, insbesondere ein Rastersondenmikroskop, bei der von einer Außenwand umgeben in einem Innenraum mehrere Messzellenkammern gebildete sind, die mittels einer oder mehrerer Trennwände voneinander getrennt sind, wobei die einen oder die mehreren Trennwände eine geringe Bauhöhe als die Außenwand aufweisen. Die Erfindung betrifft ferner ein Rastersondenmikroskop mit einer Messsondenvorrichtung sowie ein Rastersondenmikroskop mit einer Messzelle.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur verbesserten mikrofluidischen Versorgung der Messprobe und oder der Messsonde für Rastersondenmikroskopische Untersuchungen, mit dem Ziel einer deutlich verringerten mechanischen Belastung des Cantilevers bzw. der Messsonde für eine erhöhten Einsatzzeit bzw. -häufigkeit der Messsonde beim Probenwechsel.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Rastersondenmikroskopie (SPM – „scanning probe microscopy") ist eine Mess- und Analysetechnik, bei der eine Messsonde über eine Probe eines zu untersuchenden Messmediums gerastert wird und bei der über eine abstandsabhängige Wechselwirkung zwischen der Messsonde und der Probe eine Topographie der Probe ermittelt wird. Es können aber auch Materialkonstanten oder andere Probeninformationen gewonnen werden. Die prominentesten Vertreter dieser Technik sind das Rasterkraftmikroskop (AFM – „atomic force microscope") und das Rastertunnelmikroskop (STM – „scanning tunneling microscope"). Weitere Vertreter dieser Technologie sind insbesondere das Rasternahfeldmikroskop (SNOM – „scanning near field microscope") und das Rasterphotonenmikroskop (SPFM – „scanning photonic force microscope").
  • Zum Messen der abstandsabhängigen Wechselwirkung zwischen Messsonde und Probe wird bei der Abstandsspektroskopie die Messsonde relativ zur Oberfläche der Probe verlagert, beispielsweise in einer zur Probenoberfläche vertikalen Richtung, und die Wechselwirkung zwischen Messsonde und Probe wird gemessen. Alternativ kann auch die Probe bewegt werden. Es kann auch eine Relativbewegung zwischen Messsonde und Probe vorgesehen sein, bei der sowohl die Messsonde als auch die Probe bewegt werden. Bei der Rastersondenmikroskopie wird diese Abstandsspektroskopie zum Messen der Wechselwirkung zwischen Messsonde und Probe beispielsweise dazu genutzt, Kräfte zwischen Molekülen zu messen, indem ein Molekül an die Messsonde bindet und ein weiteres Molekül an die Probe.
  • Es kann dann die Wechselwirkung zwischen den beiden gebundenen Molekülen gemessen werden. Es können aber auch intramolekulare Kräfte gemessen werden, indem beispielsweise die Messsonde auf die Probe abgesenkt und hierbei auf eine Bindung gewartet wird. Danach kann die Messsonde wieder von der Probe entfernt werden, wobei hierbei auf die Messsonde wirkende Kräfte aufgezeichnet werden. Darüber hinaus sind weitere Messungen möglich, bei denen eine Wechselwirkung gemessen wird, die mit einem zugeordneten Abstand zu zwei oder mehreren Orten korreliert.
  • Als Messsonde wird bei der Rasterkraftmikroskopie üblicherweise ein Bauteil verwendet, welches auch als Cantilever – bestehend aus einem Biegebalken und oder wahlweise versehen mit einer pyramidenförmigen Spitze – bezeichnet wird. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit, wird in den nachfolgenden Erläuterungen auf einen Cantilever Bezug genommen. Die Ausführungen gelten entsprechend für andere Formen von Messsonden in der Rastersondenmikroskopie.
  • Es ist bekannt, für die Abstandsspektroskopie sowohl unbehandelte als auch vorbehandelte Cantilever zu verwenden. Im Fall eines unbehandelten Cantilevers ist eine Bindung der Probe bei der Messung unspezifisch. Beispielsweise geht es hierbei darum, Moleküle mittels Bindung an den Cantilever aus ihrem Umgebungsmedium zu ziehen, um die Wechselwirkung der Moleküle mit dem Umgebungsmedium zu messen. Hierbei können aber auch die Moleküle genauer charakterisiert werden, an denen gezogen wird. So zeigen zum Beispiel DNA-Moleküle eine spezifische Spektroskopiekurve aufgrund einer internen Konformationsumwandlung. Ein anderes Einsatzgebiet ist die Viskoelastizitätsmessung an deformierbaren Materialen wie Biopolymeren und lebenden biologischen Zellen, um die sogenannte Steifigkeit „stiffness" zu ermittelt.
  • Mit einem vorbehandelten Cantilever können insbesondere spezifische Bindungen untersucht werden. Eine solche Untersuchung kann vorteilhaft sein, wenn das Ausbilden von ungewünschten Bindungen, die danach unter Umständen kaum noch voneinander getrennt werden können, bei der Messung verhindert werden soll. So ist es gängige Praxis, ein oder mehrere Moleküle an die als Cantilever ausgeführte Messsonde zu binden, welche dann mit dem oder den gebundenen Molekül(en) ein Rezeptor-Ligand-System bildet. Es ist auch bekannt, Zellen an eine als Cantilever gebildete Messsonde zu binden und dieses System in Wechselwirkung mit einer Probe, beispielsweise einem Biomaterial, oder mit anderen Zellen zu bringen. Vor behandlungen von Messsonden, insbesondere von Cantilever, sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt, beispielsweise in Form des Hydrophobisierens der Messsonde. Eine weitere Beschichtung des Cantilevers kann das Ankleben von artifiziellen Partikeln wie z. B. Glaskugeln und Polystyrene Kugeln sein, die dann ihrerseits wieder mit Zellen oder anderen Beschichtungen ummantelt sein können. Durch den Einsatz von Kleber ist die Bindung der Kugeln an den Cantilever sehr stark und deutlich höher als die Bindung von Partikeln an den Cantilever über das Rezeptor-Ligand-System.
  • Bekannte Möglichkeiten zur Vorbehandlung des Cantilevers führen allgemein zu einer Beschichtung der Messsonde, zumindest in Teilbereichen. So beschichtet eine an dem Cantilever angebrachte Zelle einen Teilbereich der Oberfläche des Cantilevers. Es kann hierbei vorgesehen sein, den Cantilever im Rahmen der Vorbehandlung zunächst mit einer Beschichtung zu versehen, insbesondere einer haftvermittelnden Beschichtung, auf der dann eine zu messende Substanz aufgebracht wird. Allgemein wird im folgenden das im Rahmen der Vorbehandlung auf die Messsonde, insbesondere den Cantilever, aufgebrachte Material als Sondensubstanz bezeichnet, sei es ein einzelnes Material oder eine Kombination von mehreren Materialien, die beispielsweise eine haftvermittelnde Basis und eine hierauf angeordnete und zu untersuchende Substanz umfasst. Eine im Rahmen der Vorbehandlung aufgebrachte und von der Sondensubstanz umfasste (Basis-)Beschichtung wird auch als Sondenbeschichtung bezeichnet.
  • Ein wesentliches Einsatzgebiet der Rastersondenmikroskopie ist der Life Sciences Bereich – die Untersuchung von biologischen Proben vorzugsweise in wässrigen Flüssigkeiten. Aufgrund der relativ hohen Oberflächenspannung dieser Flüssigkeiten wirken deutliche Kräfte auf den Cantilever und angehängte partikuläre Beschichtungen, wenn die Sonde eintaucht oder aus der Flüssigkeit genommen wird. Dies kann bis zur irreversiblen Deformation des Cantilevers selbst führen. Nur wenn ein Partikel durch z. B. Kleber sehr fest an dem Cantilever fixiert ist, kann häufig Verlustfrei der Probenraum gewechselt werden. Dabei wird der Begriff Partikel sehr allgemein verwendet – es handelt sich um künstliche, biologische oder biogene Objekte im Bereich von Submikrometer bis Submillimeter. Diese können sphärisch oder unregelmäßig geformt sein. Häufig eingesetzte Partikel sind z. B. Glaskugeln, Silikakugeln, Polymerkugeln und biologische Zellen bzw. Zellhaufen.
  • In den bisher bestehenden Ausführungen eines Cantileverhalters wird ein Mikropartikel, das nur moderat an der Spitze z. B. über Biotin/Streptavidin Bindungen fixiert ist, abgerissen, wenn die Einheit aus einer Fluidikkammer herausgehoben wird bzw. wieder eintaucht. Damit ist die mehrmalige Verwendung einer Messsonde in verschiedenen Messkammern deutlich erschwert. Soll die Messsonde nach der sondenmikroskopischen Messung für andere Untersuchungen weiter verwendet werden, so ist dies auch nahezu unmöglich. Für die Ausführung weiterer Messungen an unterschiedlichen Proben mit einer Messsonde wäre es sehr hilfreich, die durch die Oberfächenspannungen induzierten Kräfte auf die Messsonde gering zu halten. Bisher wurde nur der Cantilever durch Beschichtungen in seinen chemischen Oberflächeneigenschaften verändert, um eine Ankopplung von Molekülen und Partikeln zu verbessern oder zu verhindern. Zusätzlich zur verringerten mechanischen Belastung des Cantilevers wäre es wichtig die Gefahr der Denaturierung klein zu halten, dies bedeutet z. B. Verdunstung zu vermeiden und bedarf auch ggf. einer Temperaturkontrolle.
  • Da auch lebende Systeme beobachtet werden sollen, ist eine gezielte Veränderung der Oberflächenspannungseigenschaften der Flüssigkeiten nur eingeschränkt möglich. Aus diesem Grund wird eine geeignete geometrische Vorrichtung mit korrespondierendem Verfahren vorgeschlagen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren und Vorrichtung zu finden, mit dem die physikalische Belastung einer Messsonde für die rastensondenmikroskopische Untersuchung in Flüssigkeiten bei Ein- und Austritt aus dem Probenraum reduziert wird. Dadurch erhöht sich die Einsatzzeit der Messsonde und ermöglicht einen erhöhten Probendurchsatz. Die Erfindung verringert nicht nur die Belastung der Messsonde, sondern ermöglicht auch eine separate Ablage der Messsonde für nachfolgende Untersuchungen.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gelöst, die eine verbesserte mikrofluidischen Versorgung der Messprobe und oder der Messsonde für rastersondenmikroskopische Untersuchungen gestatten, mit dem Ziel einer deutlich verringerten mechanischen Belastung des Cantilevers bzw. der Messsonde für eine erhöhte Einsatzzeit bzw. -häufigkeit der Messsonde. Es wird eine i) Einrichtung/Beschichtung zum Erhalt einer Flüssigkeitsglocke um den Cantilever vorgeschlagen, die mit ii) einer Oberflächentopografie des Probensubstrates korrespondiert und iii) durch eine geeignete Geometrie, Vervielfachung und Anordnung einzelner Messkammern den Wechsel der Rastersondenmikroskopischen Messeinrichtung von einer Messkammer zur anderen erleichtert und vorteilhaft für die Automatisierung der Probencharakterisierung eingesetzt werden kann.
  • Die Erfindung umfasst den Gedanken, dass eine geeignet ausgeführte Manschette an der Unterseite eines Cantileverhalters beim Austritt des Cantilevers mit der Messsonde aus der mit Flüssigkeit versetzten Messkammer den Flüssigkeitsabriss so schonend gestaltet, dass die physikalisch mechanische Belastung des Cantilevers und insbesondere der Messsonde so gering ist, dass eine mehrmalige Verwendung möglich wird.
  • Typischerweise geht die Manschette über die Abmessung des Cantilevers und der Messsonde hinaus. Um dennoch ein Beprobung mit der AFM-Spitze auszuführen umfasst die Erfindung ferner den Gedanken, dass der Boden der Messkammer eine zur Manschette korrespondierende Topografie z. B. Trapez oder einen Kegelstumpf aufweist, um den Kontakt zwischen Cantilever und Probe zu verringern. Diese Topografie kann durch Verfahren wie Spritzguss oder durch Abformtechniken erzeugt werden. Alternativ ist es auch möglich, dass im einfachsten Fall nur ein geeignetes Podest durch Einsatz z. B. eines planaren Objektgläschen erzeugt wird.
  • Die Erfindung umfasst ferner den Gedanken, dass die topografische Ausgestaltung der Messkammer optisch durchsichtig ist, die mikroskopische Beobachtung der Probe und der Messsonde erlaubt und bioverträgliche Eigenschaften aufweist. Dies ist für den Einsatz im Life Science Bereich sehr wichtig.
  • Die Manschette selbst kann aus flexiblem oder weniger flexiblem Material bestehen. Ein flexibles Material kann dabei ermöglichen, dass beim Aufsetzen auf dem Boden der Messkammer eine Kompression erfolgt, so dass der Cantilever mit der Messsonde die Probe zur Messung kontaktieren kann. Damit kann die Abmessung der topografischen Erhöhung auch reduziert werden oder es kann ganz darauf verzichtet werden. Ebenfalls ist es möglich, dass die Manschette eine heterogene Zusammensetzung aufweist. Dies bezieht sich nicht nur auf die vertikale bzw. horizontale Struktur, sondern auch auf die Anzahl der Manschetten-Lippen. So ist es möglich, dass sich eine äußere Manschette in Komposition und Geometrie von einer zweiten inneren Manschette unterscheidet. Dabei kann die äußere Manschette verstärkt für die fluidische Abdichtung eingesetzt sein, während die innere Manschette eher für den Erhalt einer wässrigen Umgebung um den Cantilever während der Umsetzung dient.
  • Der Erfindung liegt auch der Gedanke zu Grunde, dass sowohl das Material der Manschette selbst, als auch der Unterboden des Cantileverhalters so chemisch modifiziert werden, dass die Ausbildung und Stabilität einer Flüssigkeitsglocke um die Messsonde verbessert ist. Thermoreversible Polymere (NiPAM) auch als Hydrogele bezeichnet, zeichnen sich dadurch aus, dass sie bei bestimmten Temperaturkennlinien einen Umschlag von Hydrophob zu Hydrophil aufweisen. Damit kann temperaturabhängig die Anheftung von Zellen gesteuert werden. Weiterhin kann auch eine temperaturabhängige Volumenänderung erfolgen, beispielsweise schrumpft das Hydrogel der Firma GeSiM bei einer Temperaturerhöhung um 5°C um 90%, begleitet von einer mechanischen Verfestigung. Der Erfindung liegt deshalb der Gedanke zu Grunde, durch Einsatz von Hydrogelen im Manschettenmaterial und oder im Bereich der Unterseite des Cantileverhalters deren chemisch physikalische Eigenschaften wie Volumen, Festigkeit, Hydrophobizität steuerbar zu machen. Dabei ist es auch möglich, dass sich die Manschette bzw. die Hydrogelbedeckung nicht nur cantileverseitig befindet, sondern auch auf der Ebene des Probensubstrates sich ein manschetteförmiges Konstrukt befindet und ggf. die Topografische Struktur umsäumt.
  • Der Erfindung liegt ferner der Gedanke zu Grunde, dass eine Manschette einen Glockeneffekt hervorruft. Dies kann dazu führen, dass beim Eintauchen des Cantileverhalters in die Flüssigkeit sich Luftblasen oberhalb der Messsonde fangen und die Rastensondenmessung als auch die optische Beobachtung stören wenn nicht unmöglich machen. Aus diesem Grund wird eine fluidische Zuführung am Cantileverhalter vorgeschlagen, die es zunächst erlaubt die sich bildende Luftblase abzusaugen. Anschliessend kann durch diese Zuleitung auch eine Flüssigkeit zugeführt oder abgesaugt werden. Dabei ist es als eine Ausführungsform auch möglich durch eine geeignete Ausformung an der Unterseite des Cantileverhalters die sich bildende Luftblase seitlich so abzuleiten, dass keine Pumpe dafür eingesetzt werden muss. Darüber hinaus kann es auch mehrere unabhängige Kanäle dieser Zuleitung geben. Vorteilhaft ist zudem, wenn durch mindestens einen Kanal auch Partikel z. B. als Messsonde eingeführt werden.
  • Eine weitere Ausführungsform beschreibt den Gedanken, dass unabhängig von der genanten Zuleitung im Cantileverhalter eine weitere Fluidzuführung in die Messkammer eingeführt wird. Dies ist besonders für eine separate Zell- und Wirkstoffzugabe vorteilhaft. Dabei wird z. B. vorgeschlagen, dass sich diese Fluidikzuführung in mindestens 2 unabhängige Zuleitungen und eine Abführung untergliedert. Typischerweise eingesetzte Micropartikel als Messsonden oder Targetproben haben häufig eine Größe von 2–50 μm. Damit sedimentieren sie relativ schnell auch innerhalb der fluidischen Zuleitungen und sind dann nur aufwendig mit viel Spülvolumen zu entfernen, wenn nach der Partikelzugabe z. B. eine Spülrountine oder Wirkstoffzugabe notwendig ist. Mit der bezeichneten Ausführung wird der Nachteil bestehender Fluidzellen für den AFM-Betrieb umgangen, die keine getrennte Zuführung von Mikropartikeln und reinen Flüssigkeiten vorsehen.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, dass die benannten Eigenschaften des Messraumes wie mehrkanalige Zuführung und topografische Struktur nicht nur für eine solitäre Messkammer gilt, sondern auch ein Kammernverbund vorgestellt wird. In einer Ausführungsform wird beispielhaft vorgeschlagen, dass die Zwischenwände der Kammern flachere Zwischenwände haben als die Aussenwände. Die getrennten Messkammern können fluidisch separat befüllt werden, übersteigt der Pegel aber die Höhe der Zwischenwände, so befinden sich diese in einem sogenannten fluidischen Kontinuum. Auf diese Weise kann die Messsonde auch von einer Messkammer zur nächsten bewegt werden, ohne dass es zu einer ausgeprägten mechanischen Belastung besonders der Messsonde kommt. Es ist in einer Ausführungsform dieser korrespondierenden Messkammern auch möglich, dass nicht alle Einheiten der Multikammer miteinander fluidisch kommunizieren. In einem konkreten Ausführungsbeipiel wird vorgeschlagen, dass eine Kammer aus z. B. drei Untereinheiten mit einer Kammer für die Probenpartikel und für die Sondenpartikel sowie einem Bereich für die Ablage von abgetrennten Cantilever-Messsonden bzw. den Abfall besteht. Dabei kann diese Dreier-Einheit auch so gestaltet sein, dass ein einheitlicher Messraum durch Zwischenwände so strukturiert ist, dass die Bereiche nebeneinander oder kreissegmentartig angeordnet sind. Der Vorteil einer räumlichen Separierung von Partikel für die Messsonde und für die AFM-Beprobung ist, das eine vorhergehende Interaktion beider Typen unterbunden wird und eine Inkubation mit einem Wirkstoff nicht zwangsweise auf beide Typen einwirkt. Durch die Einführung eines dritten Bereiches für die Ablage von abgetrennten Cantilevern oder sonst wie deponierten Sondenpartikeln wird es möglich, diese leichter wiederzufinden, um daran befindliche Objekte für nachfolgende Untersuchungen weiter zu benutzen. Besonders für lebende Zellen ist so eine nachfolgende Kultivierung möglich. Ist eine Zelle oder ein Zellhaufen als Messsonde angebracht, so beginnt bei Inkubation in einem Kultivierungsmedium und den geeigneten äußeren Bedingungen wie Temperatur (z. B. 37°C) und Begasung (z. B. 5% CO2) eine Zellteilung. Adhärent wachsende Zellen sind typischerweise motil mit Bewegungsgeschwindigkeiten im Bereich μm/s, so dass bei geeigneter Beschichtung des Plattensubstrates die Zellen von allein sich von dem Cantilever bzw. dessen Teile bewegen.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist, dass die Zellaufnahme eine arrayartige Substrukturierung aufweist. Damit wird die eher zufällige Verteilung der Zellen aus Probe bzw. der Partikel für die Messsonde aufgehoben und in eine geordnete Ablage überführt. Damit sind das Auffinden der Objekte und die automatische Beprobung erleichtert. Beispielsweise kann die Probenaufnahme eine zeilen- und spaltenweise Anordnung von Poren mit einem Durchmesser kleiner als die Abmessung der Einzelprobe aufweisen. Durch Anlegen eines Unterdruckes werden die suspendierten Objekte auf die Poren gesaugt und festgehalten, wie es aus der Technik des planaren Patch-Clamps bekannt ist. Objekte außerhalb der Poren können durch eine Querströmung weggespült werden. Die Positionierung kann auch durch Überdruck erfolgen. Typischerweise werden für die Druckerzeugung Pumpen eingesetzt.
  • Die Arrayartige Positionierung der Objekte kann alternativ auch durch Mikro-Spotting der Objekte mittels eines Dispensers erfolgen. Diese Methode ist besonders attraktiv, wenn die topografische Aufnahme mit einer arrayartigen Matrix von Substanzen belegt ist, die die Anlagerung von Mikrobjekten, insbesondere Zellen fördern (z. B. Polylysin) bzw. hemmen (z. B. polyHEMA – poly-hydroxyethyl methacrylate). Solche eine Matrix wird standardmäßig mittels Spotting oder Kontaktprinting (z. B. Nano- oder Mikroimprinting) hergestellt.
  • Bei der Überführung des Cantilevers von einem Messraum zum anderen, kann die Relativbewegung sowohl durch Bewegung des Cantileverhalters als auch durch Veränderung der Position des Messraumes oder durch eine gegenseitige Bewegung ausgeführt werden.
  • Für die Langzeitstabilität der Untersuchung ist es wichtig, dass die Verdunstung möglichst gering ist. Um dies zu ermöglichen wird vorgeschlagen, dass ein Verdunstungsschutz die Messkammern während der Messung abdeckt. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass sich ein Ring um den Cantileverhalter befindet und die unmittelbar genutzte Messkammer und einige Flächen darum abdichtet. Wenn größere Bereiche abgedeckt werden sollen, wird eine Platte vorgeschlagen. Die kann sich z. B. durch Federvorrichtung über die nicht genutzten Bereiche schieben.
  • Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
  • 1a Vorrichtung zur Erzeugung einer Flüssigkeitsglocke um eine Messsonde und korrespondierender Probenraum im Querschnitt
  • 1b Vielzahl von Messkammer/Probenräumen mit abgesenkten inneren Trennelementen im Querschnitt
  • 1c Array von Messkammern mit unterschiedlichen Kompartimenten für Probe, Messsonde und Sondenablage in Draufsicht
  • 2a Prinzip der Ausbildung der Flüssigkeitsglocke in der Ausgangslage,
  • 2b Meniskusausbildung in der Überführungsposition aus der ersten Messkammer
  • 2c Meniskusausbildung in der Eintauchposition der zweiten Messkammer
  • 3a Array von Messkammern mit unterschiedlichen Kompartimenten für Probe, Messsonde und Sondenablage in Draufsicht
  • 3b Prinzip der weiteren Unterteilung des Probenraumes mittels Arraybildung
  • 3c Multicantilever und Arrayformation mit korrespondierender Geometrie
  • 4a–d beschreiben ein Ausführungsbeispiel einer Messsondenüberführung ohne Manschette mit abgestimmtem Flüssigkeitswechsel
  • 1 zeigt in
    a) Das Ende eines Cantileverhalters ist ein optisch durchsichtiges Material 1 an dessen Unterseite der Cantilever 2 (mit Biegebalken und Spitze) angebracht sind. Die Spitze ist bereits mit einem Messsondenpartikel 3 beladen. Die Auslenkung eines Laserstrahls 4 wird detektiert und charakterisiert die xyz-Position des vorderen Teils des Cantilevers. Eine fluidische Zuleitung 5 erlaubt es, Flüssigkeit 7 in die Umgebung des Cantilevers zu bringen bzw. abzusaugen. Gleichzeitig kann diese Zuleitung auch genutzt werden, um sich an der Unterseite des Cantileverhalters befindliche störende Luftblase abzunehmen. Durch einen Manschettenaufbau 6 kann der Cantilever so auch bei einer Position oberhalb des Flüssigkeitsstandes 9 der Messzelle 8 flüssigkeitsumgeben sein. Dabei bildet sich eigener Meniskus 10 aus. Vorteilhaft ist es, wenn durch Oberflächenbeschichtung des Cantileverhalters und insbesondere der Manschette 6 sich eine großvolumige Flüssigkeitsansammlung bilden kann. Die Messkammer 8 ist mit separaten fluidischen Zuleitungen 12 (z. B. vorteilsweise 2) und einem Abfluß 11 versehen, sodass unabhängig von der Zuleitung 5 Flüssigkeit ausgetauscht und der Pegel 9 verändert werden kann. Damit der Kontakt des Cantilevers zu den Probenzellen 13 nicht durch die Höhe der Manschette 6 gestört wird, ist der Boden der Kammer podestartig 14 ausgeführt. Vorzugsweise ist die Messkammer in Kunststoff ausgeführt, so dass eine derartige Strukturierung technisch leicht umgesetzt werden kann.
    Wenn die Manschette aus einem flexiblen Material besteht kann auf eine Podeststrukturierung auch verzichtet werden.
    b) beschreibt im Querschnitt eine Vielzahl von Messkammern aus 1a). Dabei ist in einer bevorzugten Ausführung der Aussenrand 15 der Messkammer deutlich höher als die Zwischenwände 16, um den z-Hub des Cantilevers klein zu halten.
    c) beschreibt eine Arrayartige Anordnung 17 von Messkammern aus 1a in der Draufsicht mit schematisierten Fluidikkontakten 18. Die Trapezartige Innenform 19 symbolisiert die Podestanordnung. Vorgeschlagen wird eine Ausführung in der eine Reihe mit Probenzellen 20, eine Reihe mit Sondenzellen 21 und die Mittelreihe als Ablage 22 fungiert. Dabei kann ein solcher Dreierverbund bzw. Subunit (Spalten) zueinander mit reduzierten Zwischenwänden ausgebildet sein, während in Abgrenzung zu einem weiteren Verbund die Abgrenzungswände höher als die Zwischenwände der Subeinheiten sind. Soll ein Cantilever abgetrennt werden oder aber die Messsonde ausgetauscht werden, so kann dies in 22 erfolgen. Die einzelnen Messkammern können zusätzlich durch fluidische Verbindungen 23 miteinander in Verbindung stehen. Diese Verbindung muss nicht durchgehend ausgebildet sein, sondern kann auch nur z. B. je 2 benachbarte Kammern verbinden. Auch eine Kontrolle durch miniaturisierte Ventile ist möglich. Die Reihenfolge der Ausführung mit Kammern für die Probe, für die Sonde und die Ablage kann auch in einer anderen Kombination ausgeführt sein, wie z. B. Ablage, Probe und Sonde.
  • In 2a ist schematisch dargestellt, wie eine belastungsarme Überführung von einem Messraum in einen anderen ausgeführt werden kann. Eine Messkette besteht in diesem Beispiel aus zwei Messkammern 9, die durch eine Trennwand 16 separiert sind, wobei die 16 niedriger ist als die Außenwand 15. Der Cantileverhalter 1 mit einer Fluidikkapillare 5 und dem Cantilever 2 ist von einer Manschette 6 umgeben, deren Bemessung kürzer oder länger als die Cantileverspitze mit der Sonde sein kann. Die Sonde befindet sich oberhalb der Probe 13. Das System ist gefüllt bis zu einem Flüssigkeitsstand 24, der für die separaten Messkammern auch unterschiedlich sein kann. Eine gedachte virtuelle Linie 25 bezeichnet die Grenze oberhalb der die Messsonde einschließlich der Manschette kontaktfrei an der Zwischenwand 16 vorbeigeführt werden kann.
    In 2b ist gezeigt, dass 1 aus der Messkammer bewegt wurde (Pfeil). Dies kann durch die Motorisierung des Cantileverhalters selbst erfolgen, mit einem üblichen Motorisierungsweg von < 200 μm oder durch eingesetzte Servomotoren. Einfacher kann ein z-Hub aber durch einen Excenterhub umgesetzt werden, wenn die Flüssigkeitsstände und damit die Hubbewegung nicht in inkrementen Schritten verändert werden muss.
    Dabei bildet sich ein Meniskus 26 zwischen der Flüssigkeit der Messkammer und im Bereich um die Messsonde. Der Hub muss so groß sein, dass die Cantileverspitze mit der Manschette über der Linie 25 hinausgeht. Ist der Hub zu hoch kann der Meniskus abreißen. Um dies zu vermeiden, wird zudem die Hubbewegung mit einer Erhöhung des Flüssigkeitsspiegels 27 in der Messkammer verbunden. Dies kann unabhängig vom Füllstand der zweiten Messkammer erfolgen.
    In 2c ist gezeigt, dass die Messsonde in die zweite Messkammer überführt ist (Pfeil). Dies wird z. B. durch Bewegung des Probenhalters umgesetzt. Nähert sich bei dieser Bewegung die Messsonde dabei der Trennwand 16 so wird der Flüssigkeitsstand in der Messkammer 1 abgesenkt auf 24 und zunächst der Flüssigkeitsstand der zweiten Kammer erhöht 28. Parallel zum Absenken der Messsonde auf die Probe 13 wird auch der Flüssigkeitsstand der zweiten Kammer wieder auf 24 abgesenkt.
  • 3 beschreibt einen Entwurf, um das Auffinden von Partikeln für die Messsonde und für die Beprobung (Probenzellen) zu erleichtern. Alternativ kann die Porenformation auch zur Regulation des Flüssigkeitsstandes benutzt werden:
    3a) beschreibt eine zur 1c adäquate Abbildung mit arrayartige Anordung 17 von Messkammern in der Draufsicht mit schematisierten Fluidikkontakten 18. Die Trapezartige Innenform 19 symbolisiert die Podestanordnung. Vorgeschlagen wird eine Ausführung in der eine Reihe mit Probenzellen 20, eine Reihe mit Sondenzellen 21 und die Mittelreihe als Ablage 22 fungiert. Soll ein Cantilever abgetrennt werden oder aber die Messsonde ausgetauscht werden, so kann dies in 22 erfolgen. Die einzelnen Messkammern können zusätzlich durch fluidische Verbindungen 23 miteinander in Verbindung stehen. Diese Verbindung muss nicht durchgehend ausgebildet sein, sondern kann auch nur z. B. je 2 benachbarte Kammern verbinden. Auch eine Kontrolle durch miniaturisierte Ventile ist möglich.
    3b zeigt, dass in beispielhafte Ausführung des Trapezförmigen Innenraumes 19. In einer Messkammer 30 befinden sich in einem definierten Abstand von einander Poren 31, die ein Array bilden. Die Messkammer ist so fluidisch angeschlossen, dass über eine Kombination aus Ventilen und Pumpen (34) ein Ansaugdruck über die Poren induziert werden kann. Die Zugabe von Partikeln (29) saugt die Partikeln auf die freien Porenplätze, im Ergebnis entstehen array-artig angeordnete Partikel (33) Alternativ kann auch über einen Überdruck eine Platzierung erzeugt werden, bzw. dass Poren-Array gereinigt werden. Weiterhin werden ggf. überschüssige Partikel (32) auf Zwischenflächen abgelagert. Diese können durch danach weggespült werden, während die platzierten Objekte (33) mittels Druck lokalstabil bleiben.
    Vorzugsweise ist die fluidische Kontaktierung so ausgelegt, dass ein Zeilen- bzw. Spaltenweise Belegung ermöglicht wird.
    3c beschreibt eine AFM-Messsonde bestehend typischerweise aus Grundkörper (35) und Cantilever (36) mit einem zusätzlich aufgebrachten Piezo-stellelement (37). Bevorzugt sollte bei einem Multicantilever der Biegebalkenabstand 38 genauso gross sein wie der korrespondieren Arrayabstand.
  • 4 zeigt in
    a), dass eine Messkammer 9 unterteilt ist in 2 Teilbereiche, die durch eine Zwischenwand 16 getrennt sind. Jeder dieser Teilbereich weist zumindest eine fluidische Zuführung 12, 12a auf, die unabhängig von einander betrieben werden kann und sowohl saugt und pumpt. Die Teilbereich sind bis zu einer Flüssigkeitshöhe 24 gefüllt, wobei in der Präparationslösung 40 sich Partikel 39 für den Einsatz als Messsonde befinden, während in der Messlösung 41 sich Probenobjekte 13 befinden. Die Linie 25 kennzeichnet die Höhe, die der Cantilever mit der Messsonde die Zwischenwand 16 passieren muss, um nicht in gegenseitigen Kontakt zu kommen.
    In 4b erfolgt eine Ankopplung eines Partikels 39 an den Cantilever, damit wird dieses Objekt zu einer Messsonde 3. Danach wird werden die beide Teilbereiche gespült, so dass in 41 und 42 im Wesentlichen ein identisches Fluid enthalten ist.
    In 4c erfolgt eine Flutung der Messkammer 9 über die Höhe der Zwischenwand 16 hinaus bis zu einem Flüssigkeitsstand 43. Begleitend zur Erhöhung des Pegels wird der Abstand zwischen Cantileverhalter und Partikel 39 vergrößert. Im Anschluß wird der Cantilever über dem zweiten Teilbereich positioniert (Pfeil).
    In 4d erfolgt eine Absenkung des Flüssigkeitspegels 43 auf den ursprünglichen Stand 24, begleitet von einer Absenkung des Cantileverhalters mit der Messsonde auf eine Arbeitsposition in der Nähe der Probenpartikel. Zusätzlich erfolgt ein Austausch der Flüssigkeit, so dass in den zwei Teilbereichen wieder individuelle Lösungen 44, 45 vorliegen.
  • Die in der vorstehenden Beschreibungen und Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.

Claims (19)

  1. Messsondenvorrichtung für ein Sondenmikroskop, insbesondere ein Rastersondenmikroskop, mit einer Messsondenaufnahme (1) und einer an der Messsondenaufnahme (1) angeordneten Messsonde (2), die für eine sondenmikroskopische Untersuchung einer Probe eingerichtet ist, wobei an der Messsondenaufnahme (1) eine die Messsonde (2) wenigstens teilweise aufnehmende und auf einer von der Messsondenaufnahme (1) abgewandten Seite offene Messsondenkammer (6) gebildet ist, die konfiguriert ist, eine Flüssigkeit die Messsonde (2) umgebend aufzunehmen.
  2. Messsondenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsondenkammer (6) einen Manschettenaufbau aufweist.
  3. Messsondenvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsondenkammer (6) konfiguriert ist, mit der aufzunehmenden Flüssigkeit eine die Messsonde (2) umgebende Flüssigkeitsglocke zu bilden.
  4. Messsondenvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Wandabschnitte der Messsondenkammer (6) zumindest teilweise aus einem flexiblen Material sind.
  5. Messsondenvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Wandabschnitte der Messsondenkammer (6) zumindest auf einer Innenseite wenigstens teilweise eine hydrophile Oberflächenbeschichtung aufweisen.
  6. Messsondenvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsondenkammer (6) mit mehreren Teilkammern gebildet ist.
  7. Messsondenvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsondenkammer (6) mit einer inneren und einer äußeren Messsondenkammer gebildet ist.
  8. Messsondenvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein von der Messsondenkammer (6) umfasstes Volumen einstellbar ist.
  9. Messsondenvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Fluidkanal (5), der mit einem Innenraum der Messsondenkammer (6) in Fluidverbindung steht und konfiguriert ist, die Flüssigkeit in die Messsondenkammer (6) einzuführen und aus der Messsondenkammer (6) abzuführen.
  10. Messsondenvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsondenkammer (6) zumindest abschnittsweise aus einem optisch transparenten Material ist.
  11. Messsondenvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsonde (2) lösbar an der Messsondenaufnahme (1) befestigt ist.
  12. Messsondenvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsonde (2) ein Cantilever ist.
  13. Messzelle (8) zum Aufnehmen einer flüssigen Probe für ein Sondenmikroskop, insbesondere ein Rastersondenmikroskop, bei der von einer Außenwand umgeben in einem Innenraum mehrere Messzellenkammern gebildet sind, die mittels einer oder mehrerer Trennwände voneinander getrennt sind, wobei die einen oder die mehreren Trennwände eine geringe Bauhöhe als die Außenwand aufweisen.
  14. Messzelle (8) nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch weitere Fluidkanäle, die jeweils mit zumindest einer der mehreren Messzellenkammern in Fluidverbindung stehen.
  15. Messzelle (8) nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch einen weiteren Fluidkanal, der mit den mehreren Messzellenkammern in Fluidverbindung steht.
  16. Messzelle (8) nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 15, gekennzeichnet durch einen Verdunstungsschutz, der konfiguriert ist, den Innenraum während einer sondenmikroskopischen Messung zu verschließen.
  17. Messzelle (8) nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich eines Bodens ein oder mehrere nach oben gekrümmte Abschnitte gebildet sind.
  18. Rastersondenmikroskop mit einer Messsondenvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12.
  19. Rastersondenmikroskop mit einer Messzelle (8) nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 17.
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