DE102015015497A1 - Various applications of high-resolution fluorescence-based microscopy methods (RESOLFT / STED et al.) Based methods, such as fluorescence-based nanostructuring - Google Patents

Various applications of high-resolution fluorescence-based microscopy methods (RESOLFT / STED et al.) Based methods, such as fluorescence-based nanostructuring Download PDF

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung und ein Verfahren vorgestellt, mit der man Nanostrukturierung/Nanomodifizierung und andere Prozesse gesteuert, kontrolliert und präzise in atomarer Auflösung durchführen kann. Dies wird realisiert durch das zeitlich gezielte Anregen räumlich genau lokalisierter einzelner Fluorophormoleküle oder -atome, damit diese bei Abregung Fluoreszenz-Photonen emittieren, wobei diese emittierten Fluoreszenz-Photonen auf andere in unmittelbarer Umgebung liegende einzelne Atome oder Moleküle treffen, damit bei diesen dem Fluorophor benachbarten oder umliegenden Atomen oder Molekülen bestimmte Vorgänge in atomarer Dimension (z. B. deren (energetischer) Anregung oder Modifizierung, Zerstörung, Defragmentierung, Degradierung von deren physikalisch-chemischer Struktur oder Transport/Bewegen von zumindest einzelnen Molekülabschnitten oder Abtragung/Entfernung/Wegnahme von einzelnen Atomen/Molekülen o. ä.) induziert werden, um eben diese Prozesse wie beispielsweise Nanostrukturierung, Nanomodifizierung oder Informationsspeicherung/Informationsverarbeitung zu ermöglichen. Dabei basieren dieses Verfahren und die entsprechende Vorrichtung auf RESOLFT/STED oder andere hochauflösende Mikroskopiemethoden, wobei jedoch die Photonen des emittierten Fluoreszenzlichtes nicht für die Detektion oder Analyse, sondern für andere Anwendungen, wie eben die bereits oben genannten Prozesse wie Nanostrukturierung/Nanomodifizierung etc. verwendet werden.A device and method is presented for controlling, controlling and precisely performing atomic resolution nanostructuring / nanomodification and other processes. This is realized by the temporally targeted excitation of spatially precisely located individual fluorophore molecules or atoms, so that they emit fluorescence photons when depleted, these emitted fluorescence photons strike other lying in the immediate vicinity of individual atoms or molecules, thus adjacent to the fluorophore or surrounding atoms or molecules certain processes in atomic dimension (eg their (energetic) excitation or modification, destruction, defragmentation, degradation of their physico-chemical structure or transport / movement of at least individual molecule sections or ablation / removal / removal of individual Atoms / molecules or the like) in order to enable precisely these processes, such as, for example, nanostructuring, nanomodification or information storage / information processing. In this case, this method and the corresponding device based on RESOLFT / STED or other high-resolution microscopy methods, but the photons of the emitted fluorescent light not for the detection or analysis, but for other applications, such as the above-mentioned processes such as nanostructuring / nanomodification, etc. used become.

Description

Einleitung:Introduction:

Es wird ein Verfahren bzw. die entsprechende Vorrichtung angewandt, die auf hochauflösende fluoreszenz-basierte Mikroskopiemethoden (wie beispielsweise RESOLFT/STED) basieren, bei denen ein Fluorophor zur Fluoreszenz angeregt wird und daraufhin ein Fluoreszenz-Photon emittiert. Das emittierte Fluoreszenz-Photon wird dann jedoch nicht wie üblich durch einen Detektor detektiert, sondern wird auf das den Fluorophor umgebende Material gelenkt, um dort einzelne Atome oder Moleküle zeitlich und räumlich präzise und genau individuell anzusteuern, um a) deren phys.-chem. Eigenschaften hochaufgelöst zeit- und punktgenau zu verändern und/oder b) für weitergehende Schritte, die in der Mikro- und Nanotechnik üblich sind, vorzubereiten.A method and apparatus, respectively, based on high-resolution fluorescence-based microscopy methods (such as RESOLFT / STED) in which a fluorophore is excited to fluoresce and then emit a fluorescence photon, is used. The emitted fluorescence photon is then not detected as usual by a detector, but is directed to the material surrounding the fluorophore, there to control individual atoms or molecules temporally and spatially precisely and precisely individually to a) whose phys.-chem. Properties with high resolution can be changed at any time and with pinpoint accuracy and / or b) prepared for further steps that are common in micro and nanotechnology.

Es werden verschiedene Anwendungen diskutiert.Various applications are discussed.

Stand der Technik:State of the art:

Es folgt eine Übersicht über die zu Zeit gängigen hoch- oder superauflösenden Mikroskopiemethoden. Viele von ihnen basieren auf Fluoreszenztechniken.Below is an overview of the current high-resolution or super-resolution microscopy methods. Many of them are based on fluorescence techniques.

RESOLFT:RESOLFT:

RESOLFT (Reversible Saturable Optical Fluorescence Transitions) umfasst die beiden superauflösenden Fluoreszenz-Mikroskopietechniken STED und GSD. In der Literatur wird allerdings manchmal RESOLFT und STED gleichgesetzt.RESOLFT (Reversible Saturable Optical Fluorescence Transitions) comprises the two super-resolution fluorescence microscopy techniques STED and GSD. However, RESOLFT and STED are sometimes equated in the literature.

STED:STED:

Das STED (Stimulated emission depletion microscopy) Verfahren beruht auf Übergänge zwischen energetisch unterschiedlichen elektronischen Zuständen, die nacheinander ablaufen [1]–[5].The STED (stimulated emission depletion microscopy) method is based on transitions between energetically different electronic states, which occur consecutively [1] - [5].

Damit man das STED Verfahren durchführen kann, ist es wichtig, dass drei unterschiedliche (elektronische) Zustände oder Energieniveaus in der Probe bzw. in dem die Probe markierenden Fluoreszenzfarbstoff existieren (1):In order to be able to perform the STED method, it is important that three different (electronic) states or energy levels exist in the sample or in the fluorescent dye labeling the sample ( 1 ):

– Der unterste oder energetisch niedrigste Zustand Z1:- The lowest or lowest energy condition Z1:

Der energetisch niedrigste Zustand ist ein nicht-fluoreszenter oder nicht-fluoreszenzfähiger Zustand. Er wird auch Dunkelzustand genannt.The lowest energy state is a non-fluorescent or non-fluorescent state. He is also called dark state.

– Der mittlere oder energetisch mittlere Zustand Z2:- The mean or energetic middle state Z2:

Der energetisch mittlere Zustand ist ein fluoreszenter oder fluoreszenzfähiger Zustand. Er wird auch Hellzustand genannt.The energetic mean state is a fluorescent or fluorescent state. He is also called Hell State.

Den Übergang vom nicht-fluoreszenten Zustand in den fluoreszenten Zustand wird auch Anschalten oder Aktivierung oder Einstellen oder Umschalten genannt. Der Übergang vom fluoreszenten Zustand in den nicht-fluoreszenten Zustand wird auch Ausschalten oder Abschalten oder Deaktivierung oder Umschalten genannt.The transition from the non-fluorescent state to the fluorescent state is also called switching on or activation or switching. The transition from the fluorescent state to the non-fluorescent state is also called switching off or switching off or deactivation or switching.

– Der oberste oder energetisch höchste Zustand Z3:- The highest or highest energy state Z3:

Der energetisch höchste Zustand ist ein fluoreszierender Zustand, da das Atom/Molekül in diesem Zustand ein Fluoreszenzphoton emittieren kann.The highest energy state is a fluorescent state, since the atom / molecule can emit a fluorescence photon in this state.

Der Übergang vom fluoreszenten Zustand in den fluoreszierenden Zustand wird Anregung genannt, der Übergang vom fluoreszierenden Zustand in den fluoreszenten Zustand wird als Abregung bezeichnet und kann durch Emission von Fluoreszenzlicht geschehen. Auch strahlungslose Übergänge sind möglich (z. B. Quenchen).The transition from the fluorescent state to the fluorescent state is called excitation, the transition from the fluorescent state to the fluorescent state is called depletion and can be done by emission of fluorescent light. Radiation-free transitions are also possible (eg quenching).

Das Aktivierungs-, Anregungs-, Abregungs- und Deaktivierungslicht können unterschiedliche Wellenlängen besitzen.The activation, excitation, de-excitation and deactivation light may have different wavelengths.

Beim STED Verfahren befinden sich im Ausgangszustand die fluoreszierenden Farbstoffmoleküle (Fluorophore) auf der Probenoberfläche in dem zu detektierenden, kreisförmigen Bereich B1 im energetisch untersten Zustand Z1 (nicht-fluoreszenter Zustand). In einem ersten Belichtungsschritt werden durch einfallendes Aktivierungs- oder Anschaltlicht S1 mit entsprechender Wellenlänge sämtliche Fluorophore vom nicht-fluoreszenten Zustand Z1 in den energetisch mittleren Zustand Z2 (fluoreszenter Zustand) angehoben. In einem zweiten Belichtungsschritt werden durch einfallendes Anregungslicht S2 mit entsprechender Wellenlänge sämtliche Fluorophore im zu detektierenden Bereich vom fluoreszenten Zustand Z2 in den energetisch höchsten fluoreszierenden Zustand Z3 gebracht. In einem dritten Belichtungsschritt wird mit einem Abregungslichtstrahl S3, der zentral in der Mitte eine Nullstelle und an den Rändern eine Intensität ungleich Null besitzt, der Randbereich RB1 des Bereichs B1 durch stimulierte Emission abgeregt, so dass die sich in diesem Randbereich RB1 befindlichen Fluorophore von dem fluoreszierenden Zustand Z3 wieder in den fluoreszenten Zustand Z2 zurückkehren. Da der beaufschlagende Abregungslichtstrahl S3 zentral eine Nullstelle besitzt, d. h. also zentral keine Intensität besitzt, bleiben dort die wenigen oder sogar nur ein einzelnes Fluorophor im fluoreszierenden Zustand Z3. Diese können nun selber spontan durch Fluoreszenz, d. h. durch Emission eines Fluoreszenzphotons, in den fluoreszenten Zustand Z2 zurückkehren. Es besteht aber nun auch die Möglichkeit, durch einen weiteren, zusätzlichen Abregungsstrahl S4 ohne zentrale Nullstelle die in der zentralen Nullstelle im fluoreszierenden Zustand Z3 verbliebenen Fluorophore durch stimulierte Emission abzuregen, so dass man den Zeitpunkt der Fluoreszenzemission selber wählen oder festlegen kann.In the STED process, in the initial state, the fluorescent dye molecules (fluorophores) are present on the sample surface in the circular region B1 to be detected in the energetically lowest state Z1 (non-fluorescent state). In a first exposure step, all fluorophores are raised from the non-fluorescent state Z1 to the energetically middle state Z2 (fluorescent state) by incident activating or switch-on light S1 with a corresponding wavelength. In a second exposure step, all fluorophores in the region to be detected are brought from the fluorescent state Z2 into the highest-energy fluorescent state Z3 by incident excitation light S 2 having the appropriate wavelength. In a third exposure step, with a depletion light beam S3, which has a center zero in the center and a nonzero intensity at the edges, the edge region RB1 of the region B1 is stimulated by stimulated emission, so that the fluorophores located in this edge region RB1 are deflected by the fluorescent state Z3 return to the fluorescent state Z2 again. Since the applied Abregungslichtstrahl S3 centrally has a zero, that is so centrally has no intensity, there remain the few or even a single fluorophore in the fluorescent state Z3. These can now themselves spontaneously by fluorescence, ie by emission of a fluorescence photon, return to the fluorescent state Z2. However, it is now also possible by means of a further, additional excitation beam S4 without a central zero point to deplete the fluorophores remaining in the central zero in the fluorescent state Z3 by stimulated emission, so that the time of fluorescence emission can be selected or determined.

Die somit von den in der zentralen Nullstelle im fluoreszierenden Zustand Z3 verbliebenen wenigen Fluorophore emittieren dann spontan oder stimuliert die Fluoreszenzphotonen, die dann auf die Detektoroberfläche gelangen. Da die Emission der Fluoreszenzphotonen von den Fluorophoren innerhalb und außerhalb der zentralen Nullstelle sukzessiv stattfindet, kann man somit eine Abbildung der Oberfläche erzielen, die ein Auflösungsvermögen weit unterhalb der optischen Beugungsgrenze nach Abbé besitzt.The few fluorophores thus remaining in the central zero point in the fluorescent state Z3 then emit spontaneously or stimulate the fluorescence photons, which then reach the detector surface. Since the emission of the fluorescence photons from the fluorophores takes place successively within and outside the central zero, one can thus obtain an image of the surface which has a resolution far below the optical diffraction limit according to Abbé.

Der Abregungsvorgang selber ist aber eigentlich aus rein wellenoptischer Sicht ebenfalls beugungsbeschränkt: würde die Abregung linear mit der Intensität des Abregungsstrahls erfolgen, wäre keine wesentliche Verbesserung oder Erhöhung der Auflösung nach Abbé zu erzielen [5]. Jedoch erst durch einen Materialeffekt, nämlich der Sättigung der Abregung mit dem Abregungslichtstrahl läßt sich die Auflösungsgrenze überwinden [5]: wie bereits weiter oben ausgeführt, besitzt die Intensität des Abregungsstrahls S2 zentral eine Nullstelle, die allerdings nicht stufenförmig ausgebildet ist, sondern innerhalb des Querschnitt-Strahlprofils des Abregungsstrahls erfolgt der Übergang vom Randbereich RB1 mit maximaler Intensität zum Mittelpunkt der zentral gelagerten Nullstelle stetig, so dass eigentlich nur in einem sehr, sehr kleinen zentral gelegenen Nullstellen-Bereich NB1 der Nullstelle die Intensität wirklich gleich null beträgt. Bereits geringste Intensitäten des Abregungsstrahls reichen allerdings aus, um den fluoreszierenden Zustand Z3 komplett zu entvölkern, d. h. alle angeregten Elektronen vom angeregten Zustand Z3 in den abgeregten Zustand Z2 zu überführen. So bleiben nur in einem sehr, sehr kleinen Teilbereich, nämlich im Bereich der Nullstelle NB1, die Fluorophore im fluoreszierenden Zustand Z3, der der Mitte der Nullstelle des Abregungslichtstrahls entspricht. Der Durchmesser dieses Teilbereichs, nämlich des Bereichs der Nullstelle NB1, liegt weit unterhalb der klassischen Beugungsgrenze. Das Unterschreiten der klassischen optischen Auflösungsgrenze nach Abbé erfolgt also nicht auf rein wellenoptischem Wege, sondern wird mit Hilfe eines materialeigenen Effekts, nämlich der Sättigung, erreicht.The de-excitation process itself, however, is also diffraction-limited from a purely optical point of view: if the depletion were linear with the intensity of the depletion beam, no significant improvement or increase in the resolution according to Abbé would be achieved [5]. However, only by a material effect, namely the saturation of the de-excitation with the Abregungslichtstrahl the resolution limit can be overcome [5]: as stated above, the intensity of the Abregungsstrahls S2 has a central zero point, which is not formed stepwise, but within the cross section Beam profile of Abregungsstrahls the transition from the edge region RB1 with maximum intensity to the center of the centrally stored zero steadily, so that actually only in a very, very small centrally located zero range NB1 of the zero point, the intensity is really equal to zero. However, even the lowest intensities of the Abregungsstrahls sufficient to completely depopulate the fluorescent state Z3, d. H. to transfer all the excited electrons from the excited state Z3 to the excited state Z2. Thus, only in a very, very small subarea, namely in the region of the zero point NB1, the fluorophores remain in the fluorescent state Z3, which corresponds to the center of the zero point of the Abregungslichtstrahls. The diameter of this subregion, namely the region of the zero point NB1, is far below the classical diffraction limit. The falling below the classical optical resolution limit according to Abbé does not take place in a purely wave-optical way, but is achieved by means of a material's own effect, namely saturation.

Der Abregungsstrahl S2 muss nicht unbedingt kreisförmig oder rotationssymmetrisch mit einer zentralen Nullstelle sein. Denkbar sind auch alle anderen Intensitätsverteilungen, die jedoch mindestens eine Nullstelle oder ein zumindest lokales Intensitäts-Minimum besitzen müssen. Denkbar sind auch mehrere Nullstellen angeordnet in einem Array (Gitter), andere nicht-punktförmige geometrische Figuren oder eine linienförmige Nullstelle. Letzteres würde sich besonders anbieten, wenn man große Probenbereiche abzuscannen hat und wenn nur eine Raumdimension interessant ist für eine superaufgelöste Darstellung (Linienscan).The depletion beam S2 does not necessarily have to be circular or rotationally symmetric with a central zero. Also conceivable are all other intensity distributions, which, however, must have at least one zero point or at least one local intensity minimum. Also conceivable are several zeros arranged in an array (grid), other non-point geometric figures or a linear zero. The latter would be particularly useful if you have to scan large sample areas and if only one room dimension is interesting for a super-resolved representation (line scan).

Wenn die zu untersuchenden Stoffe autofluoreszent sind, d. h. sie fluoreszieren von alleine, ohne dass man einen fluoreszenten Farbstoff (Fluorophor) zugeben und immobilisieren muss, dann kann man den STED und die anderen Vorgänge auch eben ohne Fluorophor durchführen, wodurch ein aufwendiger Prozessschritt (immobilisieren der Fluorophore) unterlassen werden kann.If the substances to be tested are autofluorescent, d. H. they fluoresce on their own, without having to add a fluorescent dye (fluorophore) and immobilize, then you can perform the STED and the other processes just without fluorophore, whereby a complex process step (immobilizing the fluorophores) can be omitted.

Der optischen Eigenschaften der Fluoreszenzstrahlung (Wellenlänge, Intensität, Halbwertszeit, Polarisation etc.) hängen auch von den physikalisch-chemischen Eigenschaften der atomaren/molekularen Umgebung ab, insbesondere die Wellenlänge der emittierten Fluoreszenzstrahlung wird von der atomaren/molekularen Umgebung beeinflusst (chemical-shift). Somit lassen sich aus der detektierten Fluoreszenzstrahlung, insbesondere der Wellenlänge, aber auch aus den übrigen optischen Eigenschaften der emittierten Fluoreszenzstrahlung, Rückschlüsse und Informationen ziehen oder erhalten über die physikalisch-chemischen Eigenschaften und über die atomare/molekulare Struktur der unmittelbaren Umgebung des Fluorophors.The optical properties of fluorescence radiation (wavelength, intensity, half-life, polarization, etc.) also depend on the physico-chemical properties of the atomic / molecular environment, in particular the wavelength of the emitted fluorescence radiation is influenced by the atomic / molecular environment (chemical-shift). , Thus, conclusions and information can be drawn or obtained from the detected fluorescence radiation, in particular the wavelength, but also from the remaining optical properties of the emitted fluorescence radiation, via the physicochemical properties and the atomic / molecular structure of the immediate environment of the fluorophore.

Im Prinzip ist eigentlich alles, was bei normalen Fluoreszenzen anwendbar ist (zeitaufgelöste Fluoreszenzmessung, Mapping, Lebensdauer-Imaging-Nanoskopie (FLIN) etc.) auch auf STED anwendbar.In principle, anything that is applicable to normal fluorescence (time-resolved fluorescence measurement, mapping, lifetime imaging nanoscopy (FLIN), etc.) is also applicable to STED.

GSD:GSD:

Beim GSD(Ground State Depletion)-Verfahren erfolgt durch den Abregungsstrahl S3 keine Abregung vom fluoreszierenden Zustand Z3 in den fluoreszenten Zustand Z2, sondern stattdessen wird ein Übergang vom fluoreszenten Zustand Z2 in den nicht-fluoreszenten Dunkelzustand Z1 induziert (Fall 1), oder ein Übergang vom fluoreszierenden Zustand Z3 in den nicht-fluoreszenten Dunkelzustand Z1 induziert (Fall 2), und zwar entweder bevor das Anregungslicht S2 die Elektronen vom fluoreszenten Zustand Z2 in den fluoreszierenden Zustand Z3 anregen (Fall 1) oder nachdem das Anregungslicht S2 die Elektronen vom fluoreszenten Zustand Z2 in den fluoreszierenden Zustand Z3 anregen [6]–[8].In the case of the GSD (Ground State Depletion) method, the de-excitation beam S3 does not cause any de-excitation from the fluorescent state Z3 to the fluorescent state Z2, but instead a transition from the fluorescent state Z2 to the non-fluorescent dark state Z1 is induced (Case 1), or Transition from the fluorescent state Z3 in the non-fluorescent dark state Z1 induced (Case 2), either before the excitation light S2 excite the electrons from the fluorescent state Z2 in the fluorescent state Z3 (Case 1) or after the excitation light S2, the electrons from the fluorescent Stimulate state Z2 in the fluorescent state Z3 [6] - [8].

Beim Dunkelzustand handelt es sich oft um einen langlebigen Tripelzustand. The dark state is often a long lasting triple state.

Im Prinzip ist das STED-Verfahren nicht auf elektronische An- und Abregungen und Übergänge zwischen elektronischen Elektronenniveaus beschränkt, sondern auch andere Arten von An- und Abregungen wie beispielsweise zwischen einzelnen Vibrations- oder Rotationsniveaus des Fluorophormoleküls erscheinen möglich. Erfolgt beispielsweise der Abregungsvorgang von Z3 zu Z2 zwischen zwei Vibrationsniveaus in demselben elektronisch angeregten Zustand, dann kann anstelle eines UV-Fluoreszenzphotons ein IR-Photon emittiert werden; oder wenn sich der Fluorophor im Zustand Z3 befindet, und zwar in Form eines hohen Vibrationszustandes in einem elektronisch angeregten Zustand, dann kann ein IR-Abregungsstrahl S3 oder S4 den Fluorophor in einen niedrigeren Vibrationszustand im selben elektronisch angeregten Zustand bringen, von dem es dann mittels Emission eines Fluoreszenzphotons in den elektronischen Grundzustand übergeht.In principle, the STED method is not limited to electronic stimuli and transitions between electron electronic levels, but other types of excitement such as between individual vibrational or rotational levels of the fluorophore molecule appear possible. For example, if the de-excitation process from Z3 to Z2 occurs between two levels of vibration in the same electronically excited state, then instead of a UV fluorescence photon, an IR photon may be emitted; or when the fluorophore is in state Z3, in the form of a high state of vibration in an electronically excited state, then an IR depletion beam S3 or S4 can bring the fluorophore to a lower vibrational state in the same electronically excited state, from which it then Emission of a fluorescence photon goes into the electronic ground state.

Anstelle der normalen Fluoreszenzübergänge im STED-Prozess kann auch Röntgenfluoreszenz angewandt werden, zumal Röntgenstrahlung eine sehr viel geringe Wellenlänge besitzt, was für das Auflösungsvermögen vorteilhaft ist. Außerdem können dann noch im Rahmen der fluoreszenzbasierten Nanostrukturierung, die weiter unten ausführlich behandelt wird, die bereits bekannten und bewährten Photoresistschichten verwendet werden.Instead of the normal fluorescence transitions in the STED process, X-ray fluorescence can also be used, especially as X-ray radiation has a very small wavelength, which is advantageous for the resolution. In addition, in the context of the fluorescence-based nanostructuring, which will be discussed in detail below, the already known and proven photoresist layers can be used.

Ebenfalls sind auch andere optische oder nicht-optische Aktivierungs- oder Anregungsarten, z. B. mittels Ramanprozesse, elastische oder inelastische Stoß- oder Streuprozesse mit Elektronen, Protonen oder anderen Partikeln, denkbar, um von einem energetisch unteren Zustand Z1 zu einem energetisch mittleren Zustand Z2 oder von einem energetisch mittleren Zustand Z2 zu einem energetisch hohen Zustand Z3 zu gelangen. Beispielsweise kann man mittels einer angelegten Spannung oder opto-akustischer Prozesse u. a. die Fluorophore von dem Zustand Z1 in den Zustand Z2 oder vom Zustand Z2 in den Zustand Z3 bringen, oder mittels Elektrolumineszenz kann man die Fluorophore vom Zustand Z2 in den Zustand Z1 oder von Z3 nach Z2 befördern. Allerdings würde man bei diesen alternativen An- und Abregungsarten, durch die der Fluorophor insbesondere vom Zustand Z3 in den Zustand Z2 gelangt, schon allein wegen der fehlenden Nullstelle die Ortsauflösung verlieren; es sei denn, man beherrscht einen Prozess, bei denen Partikel durch inelastische Stoß- oder Streuprozesse einen Teil der Energie ortsgenau abgeben könnten, um den Fluorophor (elektronisch) an- oder abzuregen, insbesondere vom Zustand Z3 in den Zustand Z2, weil hochbeschleunigte Teilchen wie beispielsweise Elektronen, nach de Broglie eine Wellenlänge besitzen, die weit unterhalb der optischen Wellenlängen liegen, nämlich im unteren Nanometerbereich. Anstelle von Nullstellen könnte man die Minima oder Maxima von Beugungs- und Interferenzmustern von miteinander interferierenden Elektronen oder der Fokus eines Elektronenstrahls zur ortsgenauen An- oder Abregung der Fluorophore verwenden, da der Durchmesser der Interferenzstreifen oder der Fokusdurchmesser wegen der de Broglie-Beziehung bei hoher Teilchenenergie viel kleiner als die Nullstelle des Abregungslichts S3 sein kann.Also, other optical or non-optical activation or excitation, z. B. by Raman processes, elastic or inelastic collision or scattering processes with electrons, protons or other particles, conceivable to get from an energetic lower state Z1 to an energetic middle state Z2 or from an energetic middle state Z2 to an energetically high state Z3 , For example, you can u by means of an applied voltage or opto-acoustic processes. a. The fluorophores can be brought from state Z1 to state Z2 or from state Z2 to state Z3, or by electroluminescence one can transport the fluorophores from state Z2 to state Z1 or from Z3 to Z2. However, in these alternative modes of activation and deactivation, by means of which the fluorophore in particular passes from state Z3 to state Z2, one would lose the positional resolution simply because of the missing zero position; Unless one dominates a process in which particles could deliver a part of the energy by inelastic collision or scattering processes to the fluorophore (electronically) on or off, especially from state Z3 to state Z2, because highly accelerated particles such For example, electrons, de Broglie have a wavelength that are far below the optical wavelengths, namely in the lower nanometer range. Instead of zeros, one could use the minima or maxima of diffraction and interference patterns of interfering electrons or the focus of an electron beam for localized excitation or depletion of the fluorophores, since the diameter of the interference fringes or focal diameters due to the de Broglie relationship at high particle energy may be much smaller than the zero of the de-energizing light S3.

Wenn die Elektronen auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden, um eben eine sehr geringe de Broglie-Wellenlänge zu erhalten, aber dadurch eine zu hohe Energie für die resonante An- oder Abregung des Fluorophors besitzen, dann können die Elektronen auch streifend einfallen, um nur einen Teil der Energie an den Fluorophor abzugeben. Ein weiterer Vorteil wäre es, dass durch einen streifenden Einfall der Fluorophor nicht so einfach zerstört werden würde.If the electrons are accelerated to high velocities to obtain a very low de Broglie wavelength, but have too much energy for the resonant excitation or depletion of the fluorophore, then the electrons can also graze to only a fraction the energy to the fluorophore. Another advantage would be that a grazing incidence would not easily destroy the fluorophore.

Wegen der im Vergleich zu Elektronen größeren Masse könnte man gemäß der de Broglie-Beziehung mit auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigten Protonen und Neutronen noch viel geringere Wellenlängen erzielen und somit auch viel geringere Fokusdurchmesser und schmalere Interferenzstreifen; allerdings wächst auch die Gefahr, die Probe oder den Fluorophor durch den Einfall dieser massereichen Teilchen zu zerstören. Somit könnte nur tote Materie wie Halbleitermaterialien, aber keine empfindlichen organischen Proben untersucht werden. Auch für die später vorgestellte fluoreszenzbasierte Nanostrukturierung wären Teilchenstrahlen mit Elektronen, Protonen oder Neutronen von Interesse.Due to the larger mass compared to electrons, the de Broglie relationship with protons and neutrons accelerated to high velocities would allow much smaller wavelengths to be achieved, and thus much smaller focal diameters and narrower interference fringes. however, the danger of destroying the sample or the fluorophore by the incidence of these massive particles also increases. Thus, only dead matter such as semiconductor materials but no sensitive organic samples could be investigated. Particle beams with electrons, protons or neutrons would also be of interest for the later-presented fluorescence-based nanostructuring.

PALM:PALM:

Auch PALM (Photoactivated localization microscopy) oder STORM (Stochastic optical reconstruction microscopy) beruht auf einer Aktivierung und Deaktivierung der fluoreszierenden Moleküle (Fluorophore) [9]–[12]: Im Ausgangszustand liegen die Fluorophore auf der zu untersuchenden Probenoberfläche im deaktivierten Dunkelzustand Z1 vor. Durch die großflächige Beaufschlagung der Probenoberfläche mit Aktivierungslicht geringer Intensität wird ein geringer Anteil der Fluorophore in einen fluoreszenzfähigen Hellzustand Z2 überführt. Dabei ist es wichtig, die Intensität des Aktivierungslichts so gering zu halten, dass nur sehr wenige Fluorophore in den Hellzustand gelangen. Aus stochastischen Gründen sind im allgemeinen diese wenigen aktivierten Fluorophore meist relativ gleichmäßig auf der Oberfläche verteilt, so dass zwischen zwei einzelnen aktivierten Fluorophoren im Mittel ein Abstand herrscht, der ein Vielfaches der optischen Auflösungsgrenze nach Abbé beträgt. Eine Erhöhung der Intensität des Aktivierungslichts würde eine größere Anzahl von Fluorophoren in den aktivierten Hellzustand überführen. Dabei würde sich der mittlere Abstand zwischen zwei aktivierten Fluorophoren verringern. Allerdings darf dieser mittlere Abstand auf keinen Fall die optische Auflösungsgrenze nach Abbé unterschreiten. Nach der erstmaligen Aktivierung eines geringfügigen Anteils der Fluorophore auf der Probenoberseite werden diese wenigen, relativ weit voneinander beabstandeten aktivierten Fluorophore durch eine weitere Beaufschlagung mit Anregungslicht zur Fluoreszenz angeregt. Dabei besitzt das Anregungslicht solch eine ausreichende Intensität, dass möglichst sämtliche aktivierten Fluorophore zur Fluoreszenz angeregt werden. Dabei emittieren die angeregten Fluorophore das Fluoreszenzlicht. Da die einzelnen aktivierten Fluorophore einen großen Abstand zueinander besitzen, welcher ein Vielfaches von der Auflösungsgrenze nach Abbé beträgt, erscheinen die fluoreszierenden Fluorophore dem Beobachter oder der aufnehmenden ortsauflösenden Kamera (CCD/CMOS) einzeln und isoliert und beugungsbedingt als leuchtende Kreis- oder Kugelscheibe mit einer kreisförmigen oder kugelförmigen Strahlungsverteilung (Beugungsscheibchen). In einem isotropen Medium muss sich aus prinzipiellen Gründen und aus einfachen Symmetrieüberlegungen heraus das das Fluoreszenzlicht emittierende Fluorophor-Molekül im Zentrum oder Mittelpunkt der leuchtenden Kugelscheibe befinden. Durch die Emission des Fluoreszenzlichts werden diese Fluorophore abgeregt, um dann wieder durch Deaktivierung in den deaktivierten Dunkelzustand überführt zu werden. Das emittierte Fluoreszenzlicht wird ortsaufgelöst mittels der CCD/CMOS-Kamera aufgenommen: da die Fluoreszenzstrahlungscharakteristik des emittierenden Fluorophors kreis- oder kugelförmig ist, ist das Fluoreszenzlicht kreis- oder kugelsymmetrisch um den Emissionsort (Fluorophor) angeordnet oder anders ausgedrückt, der Fluorophor befindet sich punktgenau im Zentrum des leuchtenden Kreis- oder Kugelscheibchens, so dass die örtliche Position des Zentrums des leuchtenden Kreis- oder Kugelscheibchens, das für den Emissionsort des Fluoreszenzlichts und somit für die örtliche Position des Fluorophors steht, einfach durch die Berechnung des geometrischen Mittelpunktes des leuchtenden Kreis- oder Kugelscheibchens bestimmt werden kann. Das so aufgenommene Fluoreszenzbild wird zunächst computergestützt überarbeitet, indem aus bereits weiter oben ausgeführten Gründen der eigentliche Aufenthaltsort des fluoreszierenden Fluorophor-Moleküls durch Bestimmung des Mittelpunkts der leuchtenden Kugelscheibe weiter eingeengt wird, und zwar mit einer Genauigkeit, die weit unterhalb des optischen Auflösungsvermögens nach Abbé liegt. Das ist nur dadurch möglich, wenn als Voraussetzung der Abstand der einzelnen fluoreszierenden Fluorophore groß genug ist, so dass sich zwei benachbarte leuchtende Kugelscheiben nicht überlappen, sondern isoliert und kreisförmig erscheinen. Das so überarbeitete Bild wird dann abschließend abgespeichert. Diese Prozedur wird wiederholt durchgeführt, und aus stochastischen Gründen werden bei jeder Wiederholung dieser Prozedur meistens andere Fluorophore auf der Probenoberfläche aktiviert und zur Fluoreszenz angeregt. Bei jeder Wiederholung wird ein anderes Fluoreszenz-Einzelbild mit der CCD/CMOS-Kamera aufgenommen. Nach einer ausreichend großen Anzahl von Wiederholungen werden dann die überarbeiteten, unterschiedlichen Einzelbilder überlagert; und es ergibt sich als Gesamtbild (fast) vollständig eine Abbildung der fluoreszenzmarkierten Struktur auf der zu untersuchenden Probenoberfläche, und zwar mit einer Auflösung unterhalb der Auflösungsgrenze nach Abbé.Also PALM (Photoactivated localization microscopy) or STORM (Stochastic optical reconstruction microscopy) is based on an activation and deactivation of the fluorescent molecules (fluorophores) [9] - [12]: In the initial state, the fluorophores are present on the sample surface to be examined in the deactivated dark state Z1 , Due to the large-area exposure of the sample surface with activation light of low intensity, a small proportion of the fluorophores is converted into a fluoresceable bright state Z2. It is important to keep the intensity of the activation light so low that only very few fluorophores reach the bright state. For stochastic reasons, these few activated fluorophores are generally relatively evenly distributed on the surface, so that on average there is a distance between two individual activated fluorophores which is a multiple of the optical resolution limit according to Abbé. An increase in the intensity of the activation light would result in a larger number of Convert fluorophores to the activated light state. This would reduce the mean distance between two activated fluorophores. However, this average distance must under no circumstances fall below the optical resolution limit according to Abbé. Upon initial activation of a minor portion of the fluorophore on the sample top, these few relatively spaced apart activated fluorophores are excited to fluoresce by further excitation light excitation. In this case, the excitation light has such a sufficient intensity that as far as possible all activated fluorophores are excited to fluorescence. The excited fluorophores emit the fluorescent light. Since the individual activated fluorophores have a large distance to one another, which is a multiple of the resolution limit according to Abbé, the fluorescent fluorophores appear to the observer or the receiving local resolution camera (CCD / CMOS) individually and isolated and diffraction-dependent as a luminous circular or spherical disk with a circular or spherical radiation distribution (diffraction disc). In an isotropic medium, for reasons of principle and simple symmetry considerations, the fluorophore molecule emitting the fluorescent light must be in the center or center of the luminous spherical disk. Due to the emission of the fluorescent light, these fluorophores are de-energized, in order then to be converted again by deactivation into the deactivated dark state. The emitted fluorescent light is recorded spatially resolved by means of the CCD / CMOS camera: since the fluorescence radiation characteristic of the emitting fluorophore is circular or spherical, the fluorescent light is arranged in a circle or spherically symmetric about the emission site (fluorophore) or in other words, the fluorophore is located precisely in the Center of the luminous circle or Kugelscheibchens, so that the local position of the center of the luminous circle or Kugelscheibchens, which stands for the emission location of the fluorescent light and thus for the local position of the fluorophore, simply by calculating the geometric center of the luminous circular or Kugelscheibchens can be determined. The fluorescence image recorded in this way is first revised computer-aided by further narrowing the actual location of the fluorescent fluorophore molecule by determining the center of the luminous spherical disc for reasons already outlined above, with an accuracy that is far below the optical resolution of Abbé , This is only possible if, as a prerequisite, the distance of the individual fluorescent fluorophores is large enough so that two adjacent luminous spherical disks do not overlap, but appear isolated and circular. The thus revised image is then finally saved. This procedure is repeated and, for stochastic reasons, each time this procedure is repeated, most other fluorophores on the sample surface are usually activated and excited to fluoresce. At each repetition, a different fluorescence frame is taken with the CCD / CMOS camera. After a sufficiently large number of repetitions, the revised, different individual images are then superimposed; and there is (almost) complete imaging of the fluorescence-marked structure on the sample surface to be examined, with a resolution below the resolution limit according to Abbé.

Es ist offensichtlich, dass dieses Verfahren aufwendige computergestützte Berechnungen benötigt, die entweder sehr lange dauern und/oder entsprechend leistungsfähige Computerhardware und Software notwendig sind.It is obvious that this method requires complex computer-aided calculations which either take a very long time and / or correspondingly powerful computer hardware and software are necessary.

SIM:SIM:

Ein drittes hoch- oder superauflösendes Mikroskopieverfahren ist das sogenannte SIM(Structured Illumination Microscopy)-Verfahren [13]–[18]. Dabei wird die zu mikroskopierende Oberfläche mit einem periodischen Streifenmuster mit einer entsprechenden Periode mit dem Wellenvektor kS beleuchtet (strukturierte Beleuchtung), wodurch die Auflösung bedeutend erhöht werden kann. Dies lässt sich anschaulich im reziproken Raum (k-Raum) mit Hilfe der Fouriertransformation erklären: Ohne das Streifenmuster besitzt die Oberfläche des zu mikroskopierenden Objekts ein Fourier-Spektrum, dessen Wellenvektoren sich im reziproken Raum alle innerhalb einer Zone, beispielsweise einer Kugel, befinden, die im reziproken Raum um den Ursprung des Wellenvektor-Koordinatensystems angeordnet ist. Durch die (sinusförmige) strukturierte Beleuchtung mit dem Streifenmuster wird diese Kugel im reziproken Raum um den Wellenvektor kS der strukturierten Beleuchtung verschoben, so dass sie nicht mehr konzentrisch um den Ursprung des Koordinatensystems angeordnet ist, sondern in seinem ersten Quadranten. Dadurch werden sämtliche k-Vektoren der Kugel mit dem Wellenvektor kS der strukturierten Beleuchtung vektoriell addiert, so dass als Resultat dieser Vektoraddition sämtliche k-Vektoren eine größere Länge bzw. höheren Betrag besitzen und somit eine kleinere Wellenlänge λ wegen k = 2π/λ. Eine niedrigere Wellenlänge bedeutet aber nach Abbé eine höhere Auflösung wegen d = λ/NA = λ/nsinα (mit d = minimaler beobachtbarer Abstand, NA = numerische Apertur), so dass durch die strukturierte Beleuchtung die optische Auflösungsgrenze nach unten verschoben wird.A third high- or super-resolution microscopy method is the so-called SIM (Structured Illumination Microscopy) method [13] - [18]. In this case, the surface to be microscopically illuminated with a periodic stripe pattern with a corresponding period with the wave vector k S (structured illumination), whereby the resolution can be significantly increased. This can be explained clearly in the reciprocal space (k-space) with the aid of the Fourier transform: Without the fringe pattern, the surface of the object to be microscopically has a Fourier spectrum whose wave vectors are all within a zone, for example a sphere, in reciprocal space. which is located in the reciprocal space around the origin of the wave vector coordinate system. Due to the (sinusoidal) structured illumination with the fringe pattern, this sphere is displaced in the reciprocal space around the wave vector k S of the structured illumination, so that it is no longer arranged concentrically around the origin of the coordinate system but in its first quadrant. As a result, all k-vectors of the sphere are vectorially added to the wave vector k S of the structured illumination, so that as a result of this vector addition all k-vectors have a greater length or higher magnitude and thus a smaller wavelength λ because of k = 2π / λ. However, a lower wavelength means, according to Abbé, a higher resolution because of d = λ / NA = λ / nsinα (with d = minimum observable distance, NA = numerical aperture), so that the optical resolution limit is shifted downwards by the structured illumination.

Man kann diesen Effekt auch einfach experimentell beobachten (Moirée-Effekt).You can also easily observe this effect experimentally (moiré effect).

Als weitere hoch- oder superortsauflösende Mikroskopieverfahren sind noch SPDM (Spectral Precision Distance Microscopy), SPDMphymod mit „blinkenden Farbstoffen”, SOFI (Superresolution optical fluctuation imaging), SALM (Spectrally Assigned Localization Microscopy), 4Pi, SNOM oder NSOM (Near-field scanning optical microscope) und/oder technische Ableitungen und/oder Kombinationen davon oder mit anderen Mikroskopiemethoden zu nennen [19]–[23]. Further high-resolution or super-resolution microscopy methods are SPDM (Spectral Precision Distance Microscopy), SPDMphymod with "flashing dyes", SOFI (Superresolution optical fluctuation imaging), SALM (Spectrally Assigned Localization Microscopy), 4Pi, SNOM or NSOM (near-field scanning optical microscope) and / or technical derivations and / or combinations thereof or with other microscopy methods [19] - [23].

Nanostrukturierung:Nanostructuring:

Es existieren bereits viele Verfahren oder Prozesse nur Strukturierung von verschiedenen Materialien (Halbleiter, Metalle, Polymere, Keramiken etc.) im Nanometermaßstab (Nanostrukturierung). Exemplarisch wird nun das folgende Verfahren herausgestellt: An der Oberfläche eines zu strukturierenden Materials im Nanometermaßstab sind UV-sensible Moleküle immobilisiert worden. Durch die Beaufschlagung mit UV-Licht, dessen Wellenlänge im Absorptionsbereich der UV-sensiblen Moleküle liegt, können die UV-sensiblen Moleküle aktiviert und angeregt werden, um eine Photoreaktion und dadurch einen Nanostrukturierungsprozess zu starten. Nachteilig ist die punktgenaue Immobilisierung der UV-sensiblen Moleküle auf der Materialoberfläche, und zwar genau an der Stelle, an der die Nanostrukturierung stattfinden soll. Bei der weiter unten vorgestellten fluoreszenz-basierten Nanostrukturierung kann man die Oberfläche des zu strukturierenden Materials großflächig mit Fluorophoren bedecken, um dann z. B. mittels des STED-Verfahrens einzelne Fluorophore optisch anzusteuern, d. h. zu aktivieren und anzuregen, damit gezielt punktgenau der Nanostrukturierungsprozess starten kann.There are already many processes or processes only structuring of different materials (semiconductors, metals, polymers, ceramics, etc.) on the nanometer scale (nanostructuring). By way of example, the following method is now pointed out: UV-sensitive molecules have been immobilized on the surface of a nanometer-scale material to be patterned. By exposure to UV light whose wavelength is within the absorption range of the UV-sensitive molecules, the UV-sensitive molecules can be activated and excited to initiate a photoreaction and thereby a nanostructuring process. A disadvantage is the precise immobilization of UV-sensitive molecules on the material surface, and precisely at the point where the nanostructuring is to take place. In the fluorescence-based nanostructuring, presented below, the surface of the material to be structured can be covered extensively with fluorophores, in order to produce z. B. optically to control individual fluorophores by means of the STED method, d. H. to activate and stimulate, so targeted targeted the nanostructuring process can start.

Aufgabenstellung:Task:

In vielen Anwendungsgebieten der Mikro- und Nanotechnik ist die Leistungsfähigkeit (Performance) von den Mikro- oder Nanobauteilen sehr stark abhängig von der räumlichen Dichte sowie der räumlich lokalen Auflösung der sich in den Bauteilen befindlichen Mikro- und/oder Nanostrukturen. Beispielsweise sind in der Mikroelektronik integrierte Schaltkreise (Chips) wie beispielsweise Prozessoren und Speicherchips umso leistungsfähiger, je größer deren Dichte an Transistoren oder Schaltelementen ist (siehe Integrationsgrad bei integrierten Schaltkreisen wie z. B. VLSI bis GLSI). d. h. je dichter die Transistoren gepackt sind, desto höher ist die Leistungsfähigkeit des integrierten Schaltkreises. Da die integrierten Schaltkreise meistens mittels optischer Lithographie hergestellt werden, stellt bei der Herstellung solcher mikroelektronischer Bauteile das optische Auflösungsvermögen nach Abbé eine Grenze dar, die die Transistordichte der integrierten Schaltkreise und somit ihre Leistungsfähigkeit beschränkt. Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung vorzustellen, die diese Grenze des optischen Auflösungsvermögens nach Abbé unterschreitet, um z. B. die Integrationsdichte von Nanostrukturen jenseits der vom optischen Auflösungsvermögen vorgegebenen Grenze stark zu erhöhen.In many application areas of micro- and nanotechnology, the performance of the micro- or nano-components is very much dependent on the spatial density as well as the spatially local resolution of the micro- and / or nanostructures in the components. For example, in microelectronics, integrated circuits (chips) such as processors and memory chips are all the more powerful the greater their density of transistors or switching elements is (see degree of integration in integrated circuits such as VLSI to GLSI). d. H. the closer the transistors are packed, the higher the performance of the integrated circuit. As the integrated circuits are most often fabricated by optical lithography, in the fabrication of such microelectronic devices, Abbé optical resolution is a limit that limits the transistor density of the integrated circuits and thus their performance. It is an object of this invention to provide a method or device that falls below this limit of optical resolution according to Abbé, for. B. to greatly increase the integration density of nanostructures beyond the limit imposed by the optical resolution.

Lösungsweg:Solution:

Das Verfahren bzw. die entsprechende Vorrichtung basiert auf eine hochauflösende fluoreszenzbasierte Mikroskopiemethode, wie beispielsweise RESOLFT/STED. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren/Vorrichtung wird genau diese dieselbe Mikroskopiemethode benutzt, um ein Fluoreszenz-Photon hochortsaufgelöst zu erzeugen, indem ein Fluorophor hochortsaufgelöst angeregt wird und dadurch ein Fluoreszenz-Photon emittiert wird. Jedoch werden die emittierten Photonen des Fluoreszenzlichts nicht zur Detektion oder Analyse verwendet, d. h. das vom Fluorophor emittierte Fluoreszenz-Photon gelangt nicht in einen Detektor, sondern das vom Fluorophor emittierte Fluoreszenzphoton wird, bevor es auf eine Detektoroberfläche treffen würde, vorher abgezweigt und dann für eine andere Anwendung, wie z. B. Nanostrukturierung/Nanomodifizierung oder Informationsspeicherung/Informationsverarbeitung, verwendet [24]; z. B. wird das vom Fluorophor emittierte Fluoreszenzphoton abgelenkt, um ein Molekül im umliegenden Material zu modifizieren, und zwar mit einer Ortsauflösung unterhalb der Auflösungsgrenze von Abbé.The method and the corresponding device is based on a high-resolution fluorescence-based microscopy method, such as RESOLFT / STED. In the method / device according to the invention, precisely this same microscopy method is used to generate a fluorescence photon in a highly localized manner by exciting a fluorophore in a highly resolved manner and thereby emitting a fluorescence photon. However, the emitted photons of the fluorescent light are not used for detection or analysis, i. H. the fluorescence photon emitted by the fluorophore does not pass into a detector, but the fluorescence photon emitted by the fluorophore is branched off in advance, before it would strike a detector surface, and then, for another application, such as e.g. Nano-structuring / nanomodification or information storage / information processing [24]; z. For example, the fluorescence photon emitted by the fluorophore is deflected to modify a molecule in the surrounding material, with a spatial resolution below the resolution limit of Abbé.

Anstelle von RESOLFT/STED können auch andere hochauflösende fluoreszenz-basierte Mikroskopiemethoden, wie beispielsweise PALM oder SOFI, bei denen ein Fluorophor nach superortsaufgelöster Anregung ein Fluoreszenz-Photon superortsaufgelöst emittiert, verwendet werden, auf denen das erfindungsgemäße Verfahren/Vorrichtung beruht.Instead of RESOLFT / STED, it is also possible to use other high-resolution fluorescence-based microscopy methods, such as PALM or SOFI, in which a fluorophore emits super-resolved superimposed resolved fluorescence photon on which the inventive method / device is based.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Ausführungsbeispiele und AnwendungsbeispieleDetailed description of the invention and exemplary embodiments and application examples

Wie bereits unter dem Stand der Technik detailliert beschrieben, wird beim RESOLFT/STED-Verfahren u. a. eine geringe Anzahl von Fluoreszenz-Photonen von einem fluoreszenzfähigen Molekül (Fluorophor) räumlich hochaufgelöst und genau lokalisiert emittiert; und zwar mit einer räumlichen Auflösung bis hinunter in den atomaren Maßstab von wenigen nm, die weit unter der klassischen optischen Auflösungsgrenze nach Abbé für Licht liegt. Beim RESOLFT/STED-Verfahren werden die emittierten Fluoreszenz-Photonen zur optischen Detektion und zur anschließenden Analyse benutzt, indem diese auf einen optischen Detektor fallen und ein entsprechendes Meßsignal auslösen; allerdings können diese emittierten Fluoreszenz-Photonen auch für andere Anwendungen benutzt werden, die wie folgt beschrieben werden [24]: Allen Anwendungen ist gemeinsam, dass sie einen STED-Prozess wie detailliert unter dem Stand der Technik beschrieben durchlaufen. Dadurch emittiert der im Zustand Z3 sich befindliche Fluorophor hochortsaufgelöst einige wenige Fluoreszenzphotonen, indem es vom Zustand Z3 in den Zustand Z2 übergeht. Diese werden im Folgenden als die vom Fluorophor emittierten Fluoreszenzphotonen bezeichnet. Alle Anwendungen haben nun gemein, dass sie die vom Fluorophor emittierten Fluoreszenzphotonen anderweitig nutzen als zur reinen bildgebenden Detektion. So läßt sich der STED-/RESOLFT-Prozess zur fluoreszenz-basierten Nanostrukturierung und zur Realisierung von Akuatoren, Sensoren oder anderen Vorrichtungen oder Verfahren verwenden, wie im Folgenden gezeigt wird:As already described in detail in the prior art, in the RESOLFT / STED method, among other things, a small number of fluorescence photons are emitted from a fluoresceable molecule (fluorophore) in a spatially highly resolved and precisely localized manner; and with a spatial resolution down to the atomic scale of a few nm, which is far below the classical optical resolution limit according to Abbé for light. In the RESOLFT / STED method, the emitted fluorescence photons are used for optical detection and subsequent analysis by falling on an optical detector and triggering a corresponding measurement signal; however, these emitted fluorescence photons can also be used for other applications as follows [24]: All applications have in common that they go through a STED process as described in detail under the prior art. As a result, the fluorophore present in state Z3 emits a few high-resolution fluorescence photons by going from state Z3 to state Z2. These are referred to below as the fluorescence photons emitted by the fluorophore. All applications now have in common that they use the fluorescence photons emitted by the fluorophore otherwise than for pure imaging detection. Thus, the STED / RESOLFT process can be used for fluorescence-based nanostructuring and for the realization of actuators, sensors or other devices or methods, as shown below:

I.) Fluoreszenzbasierte NanostrukturierungI.) Fluorescence-based nanostructuring

Unter einer Nanostrukturierung von Material versteht man entweder eine Modifikation oder eine Ablation von Material im Nanomaßstab.Nanostructuring of material is either a modification or ablation of nanoscale material.

Unter einer photonen-basierten Modifizierung eines Materials versteht man die photonen-induzierte Änderung der physikalisch-chemischen Struktur des den Fluorophor lokal umgebenden und bestrahlten bzw. behandelten Materials, indem die einfallenden Photonen das Material photolytisch und/oder pyrolytisch anregen und somit eine photonen-induzierte Reaktion (photochemischer oder photothermischer Prozess) auslösen. Dies führt zu einer Änderung der molekularen Struktur wie beispielsweise molekulare Anordnung oder Erzeugung neuer Molekülstrukturen durch Spaltung oder Entstehung neuer Verbindungen, z. B. Vernetzung. Dies geht einher mit der Änderung der physikalisch-chemischen Eigenschaften. Dazu können die optischen Eigenschaften (Brechzahl, Transmission, Reflexion, Absorptionskoeffizient, optische Aktivität, Polarisation, Doppelbrechung, nichtlinear-optische Eigenschaften etc.), die elektrischen Eigenschaften (Widerstand, Leitwert, Dielektrizität, elektrische Polarisierbarkeit etc.), die magnetischen Eigenschaften (Suszeptibilität, Magnetisierung, magnetische Polarisierbarkeit etc.), mechanischen Eigenschaften (Dichte, Festigkeit, Stabilität etc.) thermischen Eigenschaften (Wärmeleitfähigkeit, Wärmeausdehnungskoeffizient, Wärmekapazität etc.), die akustischen Eigenschaften (Ausbreitungsgeschwindigkeit und Dämpfung akustischer Wellen etc.), physikalisch-chemische Eigenschaften (Verdampfungsenthalpie, Sublimationsenthalpie, Kondensationsenthalpie, Benetzbarkeit, Oberflächenspannung, Adsorptionseigenschaften und andere Oberflächen- oder Volumeneigenschaften etc.) oder chemischen Eigenschaften (Reaktionsenthalpie, Reaktionsfähigkeit, selektive Ätzbarkeit beispielsweise zur Erzeugung von photonischen Kristallen oder Halbleiterheterostrukturen, lokale Reaktionsinhibition, lokale Erhöhung der Reaktivität oder lokale Vorbehandlung etc.) zählen.By a photon-based modification of a material is meant the photon-induced change of the physico-chemical structure of the fluorophore locally surrounding and irradiated or treated material by the incident photons photolytically and / or pyrolytically stimulate the material and thus a photon-induced Reaction (photochemical or photothermal process) trigger. This leads to a change in the molecular structure such as molecular arrangement or generation of new molecular structures by cleavage or formation of new compounds, eg. B. networking. This goes hand in hand with the change in physicochemical properties. For this purpose, the optical properties (refractive index, transmission, reflection, absorption coefficient, optical activity, polarization, birefringence, non-linear optical properties, etc.), the electrical properties (resistance, conductance, dielectric, electrical polarizability, etc.), the magnetic properties (susceptibility , Magnetization, magnetic polarizability, etc.), mechanical properties (density, strength, stability, etc.), thermal properties (thermal conductivity, coefficient of thermal expansion, heat capacity, etc.), acoustic properties (propagation velocity and acoustic wave attenuation, etc.), physico-chemical properties ( Enthalpy of vaporization, sublimation enthalpy, enthalpy of condensation, wettability, surface tension, adsorption properties and other surface or volume properties, etc.) or chemical properties (reaction enthalpy, reactivity, selective etchability, eg For example, to generate photonic crystals or semiconductor heterostructures, local reaction inhibition, local increase in reactivity or local pretreatment, etc.).

Unter Ablation versteht man den definierten Abtrag oder Wegnahme von Material mittels (Laser-)Licht ohne sichtbare thermische Schädigung des umliegenden Materials. Die abgetragene Stelle zeichnet sich aus durch scharfe Kanten und Abtragsflächen mit möglichst geringen thermischen Schädigungen wie beispielsweise Debris, so dass in der Mikro- oder Nanotechnik die Eigenschaften des umliegenden Materials nicht verändert werden.Ablation is the defined removal or removal of material by means of (laser) light without visible thermal damage to the surrounding material. The abraded site is characterized by sharp edges and Abtragsflächen with minimal thermal damage such as debris, so that in micro or nanotechnology, the properties of the surrounding material are not changed.

Die fluoreszenzbasierte Nanostrukturierung wird dabei wie folgt realisiert: Hierbei wird ein hochauflösendes fluoreszenzbasiertes Mikroskopieverfahren wie beispielsweise RESOLFT/STED/GSD (1) durchlaufen (das Verfahren ist nicht auf RESOLFT/STED beschränkt, sondern kann auch alle anderen hochauflösende, fluoreszenzbasierte Mikroskopieverfahren umfassen, aber der Einfachheit und Anschaulichkeit halber wird hier das STED- oder GSD-Verfahren zur Demonstration gewählt): Zunächst erfolgt durch ein Anschaltlicht S1 eine Aktivierung des Fluorophors vom nicht-fluoreszenzfähigen Dunkelzustand Z1 in den fluoreszenzfähigen Hellzustand Z2. Danach wird der Fluorophor durch einfallendes Anregungslicht S2 in einen fluoreszierenden Zustand Z3 überführt. Daraufhin wird der Fluorophor und seine Umgebung mit einem Anregungslicht S3 beaufschlagt, welches zentral eine Nullstelle besitzt. Somit und wegen des bereits oben erläuterten Sättigungseffektes verbleibt nur das eine Fluorophor im angeregten, fluoreszierenden Zustand Z3, und zwar in einem Bereich weit unterhalb des klassischen optischen Auflösungsvermögens, d. h. der noch angeregte und fluoreszierende Bereich ist weitaus kleiner als nach der optischen Auflösungsgrenze von Abbé eigentlich möglich, während alle umliegenden Fluorophore entweder (wie im Falle von STED) in den fluoreszenzfähigen Hellzustand Z2, der aber nicht fluoreszierend ist, oder gleich (wie im Falle von GSD) in den nicht-fluoreszenzfähigen Dunkelzustand Z1 abgeregt worden ist. Der im fluoreszierenden Zustand Z3 verbliebene Fluorophor emittiert nun spontan oder durch einen weiteren Abregungsstrahl S4 stimuliert ein paar wenige Fluoreszenz-Photonen, indem es vom Zustand Z3 in den Zustand Z2 übergeht. Diese durch das Durchlaufen des STED/GSD-Prozesses gewonnenen Fluoreszenz-Photonen werden nicht zur rein bildgebenden Detektion benutzt, indem sie in einen Detektor fallen, sondern die durch den STED- oder GSD-Prozess entstandenen Fluoreszenz-Photonen werden dazu verwendet, diese auf das umliegende Material zu lenken, um dieses mit den vom Fluorophor emittierten Fluoreszenzphotonen hochortsaufgelöst zu beaufschlagen, damit dieses hochortsaufgelöst strukturiert wird, indem es entweder lokal modifiziert oder lokal abgetragen wird, und zwar kontrolliert, gezielt und steuerbar mit einer Auflösung in atomarem Maßstab, das weit unter der optischen Auflösungsgrenze nach Abbé liegt.The fluorescence-based nanostructuring is realized as follows: Here, a high-resolution fluorescence-based microscopy method such as RESOLFT / STED / GSD ( 1 ) (the method is not limited to RESOLFT / STED, but may include all other high-resolution, fluorescence-based microscopy methods, but for simplicity and clarity, the STED or GSD method is chosen here for demonstration): First, by an S1 turn on activation of the fluorophore from the non-fluorescent dark state Z1 into the fluorescent bright state Z2. Thereafter, the fluorophore is converted by incident excitation light S2 in a fluorescent state Z3. Subsequently, the fluorophore and its surroundings are supplied with an excitation light S3, which has a zero point centrally. Thus, and because of the saturation effect already explained above, only the one fluorophore remains in the excited, fluorescent state Z3, in a range well below the classical optical resolution, ie the still excited and fluorescent region is actually much smaller than after the optical resolution limit of Abbe actually possible, while all the surrounding fluorophores have either (as in the case of STED) been degenerated into the fluorescent bright state Z2 but which is not fluorescent, or the same (as in the case of GSD) into the non-fluorescent dark state Z1. The remaining in the fluorescent state Z3 fluorophore now emits spontaneously or stimulated by another Abregungsstrahl S4 a few fluorescent photons by going from state Z3 to state Z2. These fluorescence photons obtained by passing through the STED / GSD process are not used for purely imaging detection by falling into a detector, but the fluorescence photons produced by the STED or GSD process are used to apply them to the photon To direct surrounding material in order to apply this highly disrupted to the fluorescence photons emitted by the fluorophore, so that it is structured highorts resolved by either locally modified or locally removed, controlled, targeted and controllable with a Atomic scale resolution far below the optical resolution limit of Abbé.

Die nun folgende Nanostrukturierung und/oder Nanomodifizierung geht wie folgt vonstatten:
Durch den vorangegangenen STED-Prozess (siehe oben und unter Stand der Technik detailliert beschrieben) emittiert der Fluorophor eine geringe Anzahl von Fluoreszenz-Photonen. Diese werden aber in diesem Fall nicht für die Detektion verwandt, sondern diese breiten sich aus und treffen auf die Atome oder Moleküle des umliegenden, benachbarten Materials, von denen sie absorbiert und energetisch angeregt, d. h. in einen energetisch höheren Zustand angehoben werden. Die Anregung kann entweder von photolytischer oder pyrolytischer Natur sein, d. h. die Anregung kann entweder elektronisch, vibratorisch oder rotatorisch geschehen. Dadurch wird eine Photo-Reaktion ausgelöst, die die physikalisch-chemische Struktur des umliegenden Materials verändert. Bei der Photo-Reaktion kann es sich entweder um einen photochemische oder um eine photothermische Reaktion oder um eine Mischform oder Hybridform aus beiden (photochemisch und/oder photothermisch) oder um eine mehrstufige Reaktion handeln, die aus mehreren einzelnen photochemischen und/oder photothermischen Reaktionsstufen zusammengesetzt ist. Das kann beispielsweise durch einen direkten Bindungsbruch geschehen (photolytisch) oder durch photonen-induzierte Vibrations- oder Rotationsbewegungen von einzelnen Molekülgruppen (pyrolytisch) oder durch Modifizierung der sterischen Struktur oder durch cis-trans-Isomerie [25], bei der das emittierte Fluoreszenzphoton das Ziel-Molekül von einem cis-Zustand in einen trans-Zustand oder umgekehrt überführt. Später wird beschrieben, dass dieser Vorgang zur Informationsspeicherung dienen kann, bei der der cis-Zustand als binäre 1 und der trans-Zustand als binäre 0 oder umgekehrt interpretiert werden kann. Weitere mögliche Photo-Reaktionen sind Norrish I oder II, u. a. an benachbarten Polymethacrylatmolekülen.
The following nanostructuring and / or nanomodification proceeds as follows:
Through the previous STED process (see above and described in detail in the prior art), the fluorophore emits a small number of fluorescence photons. These are not used in this case for the detection, but they spread and hit the atoms or molecules of the surrounding, adjacent material from which they are absorbed and energetically excited, that are raised to a higher energy state. The excitation can be either photolytic or pyrolytic in nature, ie the excitation can be either electronic, vibratory or rotational. This initiates a photo-reaction that alters the physicochemical structure of the surrounding material. The photo-reaction can either be a photochemical or a photothermal reaction or a mixed form or hybrid form of both (photochemical and / or photothermal) or a multi-stage reaction composed of several individual photochemical and / or photothermal reaction stages is. This can be done for example by a direct bond breaking (photolytic) or by photon-induced vibrational or rotational movements of individual molecule groups (pyrolytic) or by modification of the steric structure or by cis-trans isomerism, [25] in which the emitted fluorescence photon the target Transferred from a cis state to a trans state or vice versa. It will be described later that this process can be used for information storage where the cis state can be interpreted as binary 1 and the trans state as binary 0 or vice versa. Other possible photo-reactions are Norrish I or II, inter alia on adjacent polymethacrylate molecules.

Auch eine totale Defragmentierung oder Degradation erscheint theoretisch möglich, so dass es zu einem genau definierten Abtrag des Materials im Nanometermaßstab an einer bestimmten Stelle in diesem Bereich kommt. Zurück bleiben leere, materialfreie Stellen mit einer genau definierten Größe, Form und mit Randgebieten ohne thermische Schädigung, die aufgrund von Quanteneffekten die nanophysikalischen und/oder nanochemischen Eigenschaften des so behandelten Materials verändern, wie beispielsweise das Absorptionsspektrum und somit den Farbeindruck. Beispielsweise können dadurch photonische Kristalle mit bestimmten meta-optischen Eigenschaften wie negativem Brechungsindex erzeugt werden; oder die elektronischen Bänder der Kristallstruktur können modifiziert werden, um Halbleiterheterostrukturen wie beispielsweise Quantenpunkte, Quantentöpfe oder Quantenfilme herzustellen. Auch die Modifizierung der physikalisch-chemische Eigenschaften von Kristallstrukturen erscheint möglich.Also, a total defragmentation or degradation appears theoretically possible, so that there is a well-defined removal of the material on the nanometer scale at a certain point in this area. This leaves empty, material-free areas of a precisely defined size, shape and peripheral areas without thermal damage, which due to quantum effects change the nanophysical and / or nanochemical properties of the material thus treated, such as the absorption spectrum and thus the color impression. For example, photonic crystals with certain meta-optical properties such as negative refractive index can be produced thereby; or the electronic bands of the crystal structure may be modified to produce semiconductor heterostructures such as quantum dots, quantum wells or quantum wells. Also, the modification of the physicochemical properties of crystal structures seems possible.

Für die Anregung des Fluorophors kommen verschiedene Mechanismen in Frage:
down-conversion: Die Photonen des Anregungslichts besitzen eine höhere Quantenenergie als die Photonen des emittierten Fluoreszenzlichts: so kann der Fluorophor durch energiereiche UV-Strahlung angeregt werden, die Wellenlänge des emittierten Fluoreszenzlichts kann im UV/Vis, sichtbaren oder (nahen) IR-Spektrum liegen (down-conversion, Stokes). Dies kann wichtig sein für pyrolytische Anregung von photothermischen Prozessen.
up-conversion: Die Photonen des Anregungslichts besitzen eine niedrigere Quantenenergie als die Photonen des emittierten Fluoreszenzlichts; d. h. es ist aber auch denkbar, dass das Anregungslicht eine niedrigere Quantenenergie besitzt als das emittierte Fluoreszenzlicht (up-conversion, Anti-Stokes), so dass beispielsweise der Fluorophor mittels sichtbarem oder IR-Licht angeregt wird und somit hochenergetisches UV-Licht als Fluoreszenzlicht emittiert wird, dessen Quantenenergie ausreichend groß ist, um elektronische Bindungen photolytisch anzuregen und direkt zu brechen und/oder eine andere photochemische Reaktion auszulösen, und somit das umliegende Material in den beaufschlagten Stellen atomar ortsgenau und gezielt zu modifizieren und/oder abzutragen.
For the excitation of the fluorophore different mechanisms come into question:
down-conversion: The photons of the excitation light have a higher quantum energy than the photons of the emitted fluorescence light: thus, the fluorophore can be excited by high-energy UV radiation, the wavelength of the emitted fluorescence light in the UV / Vis, visible or (near) IR spectrum lie (down-conversion, Stokes). This may be important for pyrolytic excitation of photothermal processes.
up-conversion: The photons of the excitation light have a lower quantum energy than the photons of the emitted fluorescence light; ie it is also conceivable that the excitation light has a lower quantum energy than the emitted fluorescent light (up-conversion, anti-Stokes), so that, for example, the fluorophore is excited by visible or IR light and thus emits high-energy UV light as fluorescent light is whose quantum energy is sufficiently large to stimulate electronic bonds photolytically and break directly and / or trigger another photochemical reaction, and thus the surrounding material in the impinged sites atomically accurate and targeted to modify and / or remove.

Auch eine Mehrphoton-Anregung der Fluorophore erscheint denkbar, beispielsweis aus mehreren Photonen aus dem nahen IR-Spektrum durch einen fs-Laser, so dass das emittierte Fluoreszenzlicht im UV-Bereich liegt und dessen Photonen ausreichend hohe Photonenenergien besitzen zur Nanostrukturierung. Dagegen ist eine Mehrphotonen-Nanostrukturierung, bei der mehrere emittierte Photonen des Fluorophors gemeinsam und gleichzeitig einen Modifikationsprozess des umliegenden Materials bewirken, wohl eher unwahrscheinlich.A multi-photon excitation of the fluorophores is conceivable, for example, from several photons from the near IR spectrum by a fs laser, so that the emitted fluorescent light is in the UV range and whose photons have sufficiently high photon energies for nanostructuring. In contrast, multi-photon nanostructuring, in which several emitted photons of the fluorophore together and at the same time cause a modification process of the surrounding material, is unlikely.

Auch mehrstufige Prozesse sind denkbar, in denen es zu einer Strukturierung auf mittelbarem oder indirektem Wege kommt. Dazu können Photoresist-Schichten mit oder ohne Photoinitiatoren verwendet werden, die beispielsweise als Schutzschicht zum selektiven Ätzen oder als Reaktionsschicht oder als Opferschicht oder als funktionale Schicht dienen. Auch andere typische Arbeitsschritte der Mikro- oder Nanotechnik wie beispielsweise Sputtern oder Abformen können sich daran anschließen oder damit kombiniert werden. Besonders geeignet erscheinen neben Photoresist-Schichten aus Novolacken besonders Photoresist-Schichten aus UV-modifizierbaren Polymethacrylaten, an denen gezielt an atomaren Stellen Norrish-Reaktionen zur Brechzahländerung durchgeführt werden können [26]. Dazu sollten dann die Photo-Schichten mit den Fluorophoren entsprechend dotiert oder versehen werden.Multilevel processes are also conceivable in which structuring takes place indirectly or indirectly. For this purpose, photoresist layers can be used with or without photoinitiators, which serve for example as a protective layer for selective etching or as a reaction layer or as a sacrificial layer or as a functional layer. Other typical micro-or nanotechnology operations, such as sputtering or molding, may also join or be combined with it. In addition to photoresist layers of novolaks especially photoresist layers of UV-modifiable polymethacrylates appear particularly suitable at which Norrish reactions to refractive index change at atomic sites can be carried out [26]. For this purpose, the photo-layers with the fluorophores should then be doped or provided accordingly.

So können um den Fluorophor gelagerte photo-modifizierbare/photoablative Materialien wie beispielsweise Photoresiste mit oder ohne Photoinitiatoren durch das emittierte Fluoreszenzphoton beaufschlagt und durch eine dadurch ausgelöste Photo-Reaktion örtlich gezielt lokal in atomarer Auflösung modifiziert oder abgetragen oder sonst wie verändert werden.Thus, photo-modifiable / photoablative materials stored around the fluorophore, such as photoresists with or without photoinitiators, can be acted upon by the emitted fluorescence photon and locally modified or ablated locally in atomic resolution or otherwise altered by a photo-reaction triggered thereby.

Neben dem gezielten Auslösen von bestimmten chemischen Reaktionen an einzelnen Molekülen (z. B. Biomolekülen) kann man durch die fluoreszenzbasierte Nanostrukturierung auch einfache und komplexe Nanostrukturen wie z. B. dünne Schichten, Voids, Gitter u. a. erzeugen, die unter anderem zum weiteren Aufbau von Nanomaschinen benutzt werden können, oder aber es können bereits bestehende Nanosysteme, wie beispielsweise biologische Systeme, z. B. Zellen, modifiziert werden; so erscheint auch eine genetische Modifikation möglich, wenn der Fluorophor gezielt an einer bestimmten Stelle am DNA-Molekül befestigt wird.In addition to the targeted triggering of certain chemical reactions on individual molecules (eg biomolecules), fluorescence-based nanostructuring can also be used to prepare simple and complex nanostructures, such as nanostructures. B. thin layers, voids, grid u. a. generate, which can be used inter alia for the further construction of nanomachines, or it can already existing nanosystems, such as biological systems, eg. Cells, modified; Thus, a genetic modification also appears possible if the fluorophore is specifically attached to a specific site on the DNA molecule.

II.) Fluoreszenzbasierter AktuatorII.) Fluorescence-based actuator

Man kann die bereits oben ausführlich diskutierte fluoreszenz-basierte Nanostrukturierung bereits als erstes Beispiel interpretieren, in dem der RESOLFT/STED/GSD-Prozess bereits zur Realisierung eines Aktuators genutzt wird, da der sich im Zustand Z3 befindliche Fluorophor, der die zur Nanostrukturierung benutzten Fluoreszenzphotonen emittiert, als einen Aktuator aufgefasst werden kann. Neben der oben ausführlich vorgestellten fluoreszenz-basierten Nanostrukturierung kann der STED/RESOLFT-Prozess auch zur Realisierung von weiteren Aktuatoren verwendet werden:
Wie bereits weiter oben ausführlich beschrieben, wird das STED-Prozess oder ein vergleichbarer Prozess durchlaufen. Nach Beaufschlagung der Abregungsstrahlung bleiben nur noch ein oder wenige Fluorophore im fluoreszierenden Zustand Z3 im Bereich der zentralen Nullstelle des Abregungsstrahls S3. Diese(s) Fluorophor(e) emittieren nun ein oder mehrere Fluoreszenzphotonen, die in diesem Fall nicht für die Detektion verwandt werden, sondern als punktuelle Lichtquelle dient

  • – zur allgemeinen örtlich hochaufgelösten Beleuchtung eines anderen Objektes, um dieses mit wenigen Photonen zu beaufschlagen, damit z. B. die Photonen am anderen Objekt kontrolliert und gezielt gestreut werden, damit z. B. das andere Objekt „hell erscheint und so gemessen werden kann; auch eine Raman-Streuung oder eine weitere Fluoreszenz an anderen Objekten erscheint möglich
  • – zum örtlich hochaufgelösten Lichteintrag/Lichteinkopplung in das Umgebungsmaterial: durch die gezielte Beaufschlagung der Umgebung (z. B. von benachbarten Molekülen) mittels der vom Fluorophor emittierten Fluoreszenzphotonen werden diese durch die benachbarten Atome/Moleküle absorbiert, um dort eine photonen-induzierte Reaktion, insbesondere eine photochemische/photolytische Reaktion oder Prozess, auszulösen; dabei kann es beispielsweise um die bereits weiter oben ausführlich diskutierte fluoreszenz-basierte Nanostrukturierung handeln, bei denen ganze Bereiche im Nanometermaßstab bearbeitet, modifiziert oder abgetragen werden, oder es kann um einzelne Moleküle handeln, die durch die Absorption der emittierten Fluoreszenzphotonen gezielt zu einer photochemischen Reaktion oder zu einem weiteren RESOLFT/STED-Prozess angeregt werden
  • – zur örtlich hochaufgelösten Energieübertragung von einem Fluorophor/Molekül auf ein benachbartes Fluorophor/Molekül und von diesem Fluorophor/Molekül wiederum auf ein weiter benachbartes Fluorophor/Molekül oder von einem Fluorophor oder Nanomaschine auf eine andere benachbarte Nanomaschine; so kann ein minimaler Energiefluss in der Größenordnung von wenigen Energiequanten hinsichtlich Energiemenge und -richtung kontrolliert gesteuert werden
  • – zum örtlich hochaufgelösten Energieeintrag oder -abfluss, beispielsweise in ein molekulares System oder in eine Nanomaschine, um diese mit Energie zu versorgen, damit diese arbeiten und ihre Funktion verrichten kann
  • – zur örtlich hochaufgelösten Informationsübertragung (dies wird später ausführlich diskutiert)
  • – zur örtlich hochaufgelösten punktuellen Erwärmung, beispielsweise um photothermische Prozesse auszulösen
The already extensively discussed fluorescence-based nanostructuring can already be interpreted as the first example, in which the RESOLFT / STED / GSD process is already used for the realization of an actuator, since the fluorophore in state Z3 is the fluorescence photon used for nanostructuring emitted, as an actuator can be construed. In addition to the fluorescence-based nanostructuring presented in detail above, the STED / RESOLFT process can also be used to implement further actuators:
As described in detail above, the STED process or a comparable process is run through. After the excitation radiation has been applied, only one or a few fluorophores remain in the fluorescent state Z3 in the region of the central zero point of the de-excitation beam S3. These fluorophore (s) now emit one or more fluorescence photons, which in this case are not used for detection, but serve as a point source of light
  • - To the general local high-resolution lighting of another object to apply this with a few photons, thus z. B. the photons are controlled on the other object and scattered specifically, so z. B. the other object "appears bright and so can be measured; also Raman scattering or further fluorescence on other objects appears possible
  • By localized exposure of the environment (eg of neighboring molecules) by means of the fluorescence photons emitted by the fluorophore, these are absorbed by the neighboring atoms / molecules in order to generate a photon-induced reaction there, in particular a photochemical / photolytic reaction or process trigger; This may be, for example, the fluorescence-based nanostructuring discussed in detail above in which entire regions are processed, modified or ablated on the nanometer scale, or they may be individual molecules that specifically target a photochemical reaction as a result of the absorption of the emitted fluorescence photons or to another RESOLFT / STED process
  • For locally highly resolved energy transfer from one fluorophore / molecule to an adjacent fluorophore / molecule and from that fluorophore / molecule in turn to a further adjacent fluorophore / molecule or from one fluorophore or nanomachine to another adjacent nanomachine; Thus, a minimal energy flow in the order of a few energy quanta in terms of energy quantity and direction can be controlled controlled
  • - To locally high-resolution energy input or outflow, for example, in a molecular system or in a nanomachine, to provide them with energy, so that they can work and perform their function
  • For locally high-resolution information transmission (this will be discussed in detail later)
  • - For local high-resolution point heating, for example, to initiate photothermal processes

Zur Veranschaulichung wird im folgenden auf ein paar ausgewählte Anwendungsbeispiele detailliert eingegangen:To illustrate, a few selected application examples are described in detail below:

1.) Fluoreszenzbasierte Datenspeicherung oder Datenverarbeitung1.) Fluorescence-based data storage or data processing

Hier wird ein auf dem STED-Prozess basierendes Verfahren vorgeschlagen, um digitale Bausteine auf kleinstem Raum zum a) Schalten von Molekülen (z. B. von einen cis- in einen trans-Zustand und umgekehrt) und somit zum b) Speichern und/oder eventuell Verarbeiten von Informationen zu realsieren. Dabei ist die Abmessung bzw. Dichte entscheidend, denn je kleiner die Abmessung, desto leistungsfähiger ist die Datenverarbeitungseinheit.Here, a method based on the STED process is proposed in order to enable digital building blocks in a very small space for a) switching of molecules (eg from a cis to a trans state and vice versa) and thus b) storage and / or storage possibly processing information. Here, the dimension or density is critical, because the smaller the dimension, the more powerful the data processing unit.

Wie bereits weiter oben ausführlich beschrieben, wird der STED-Prozess oder ein vergleichbarer Prozess durchlaufen. Nach Beaufschlagung der Abregungsstrahlung S3 bleiben nur noch ein oder wenige Fluorophore im fluoreszierenden Zustand Z3 im Bereich der zentralen Nullstelle des Abregungsstrahls S3. Diese(s) Fluorophor(e) emittieren nun ein oder mehrere Fluoreszenzphotonen, die in diesem Fall nicht für die Detektion verwandt werden, sondern die sich ausbreiten und auf benachbarte Moleküle des sie umgebenden Materials treffen. Diese benachbarten Moleküle des die Fluorophore umgebenden Materials besitzen die Eigenschaften, durch Auftreffen eines Fluoreszenz-Photons ihren Zustand zu ändern, d. h. von einem stabilen Zustand in einen anderen stabilen Konformations-Zustand überführt zu werden oder umzuschalten. Dabei kann es sich beispielsweise um isomere Zustände handeln, wie beispielsweise die cis-trans-Isomerie bspw. von Cyclohexan oder Derivate. Durch Beaufschlagung des benachbarten Moleküls durch das vom Fluorophor emittierte Fluoreszenz-Photon geht eben dieses beaufschlagte Molekül von einem isomeren Zustand in den anderen über, beispielsweise von dem isomeren trans-Zustand in den isomeren cis-Zustand. Dies kann man als Abspeicherung einer Informationseinheit (Bit) auffassen, wobei beispielsweise der isomere trans-Zustand für die digitale Information „0” und der isomere cis-Zustand für die digitale Information „1” steht. Natürlich können die isomeren Zustände auch umgekehrt interpretiert werden. Werden viele cis-trans-Isomere in die Nähe des Fluorophors oder der Fluorophore angeordnet und definiert und gezielt mittels des emittierten Fluoreszenz-Photons angesteuert und beaufschlagt, so nehmen alle diese cis-trans-Isomere jeweils den gewünschten isomeren Zustand ein, der jeweils für eine Bit-Information steht. Somit läßt sich auf kleinstem Raum pro Isomer eine Bit-Information abspeichern, verarbeiten und wieder auslesen.As described in detail above, the STED process or a comparable process is run through. After admission of the Abregungsstrahlung S3 remain only one or a few fluorophores in the fluorescent state Z3 in the region of the central zero point of the Abregungsstrahls S3. These fluorophore (s) now emit one or more fluorescence photons, which in this case are not used for detection, but which spread and strike neighboring molecules of the surrounding material. These neighboring molecules of the material surrounding the fluorophores have the properties of changing their state by incidence of a fluorescence photon, ie, being switched from one stable state to another stable conformation state or switching. These may be, for example, isomeric states, for example the cis-trans isomerism, for example of cyclohexane or derivatives. By applying the fluorescence photon emitted by the fluorophore to the neighboring molecule, it is precisely this acted upon molecule that changes from one isomeric state into the other, for example from the isomeric trans state to the isomeric cis state. This can be understood as storage of an information unit (bit), wherein, for example, the isomeric trans state stands for the digital information "0" and the isomeric cis state stands for the digital information "1". Of course, the isomeric states can also be interpreted inversely. If many cis-trans isomers are arranged and defined in the vicinity of the fluorophore or the fluorophores and are targeted and acted upon by the emitted fluorescence photon, then all of these cis-trans isomers assume the desired isomeric state, in each case for one Bit information is available. Thus, bit information can be stored, processed and read out again in the smallest space per isomer.

Auch eine Verarbeitung von Informationen erscheint auf dieser Basis möglich zu sein: wenn zwei Fluorophore Zugriff auf dasselbe Cyclohexan-Molekül besitzen (oder auf ein anderes Molekül, dass die cis-trans-Isomerie besitzt), dann kann man sich folgendes Prozedere vorstellen: wenn beide Fluorophore nicht emittieren, dann bleibt das Cyclohexan-Molekül in seiner Ausgangsstellung, emittiert eines der beiden Fluorophore, so schaltet das Cyclohexan-Molekül um, emittieren beide Fluorophore (fast) gleichzeitig, so schaltet das Cyclohexan-Molekül wieder in den Ausgangszustand; das Umschaltverhalten des Cyclohexan-Moleküls unter dem Einfluss der beiden Fluorophore entspricht einer exklusiven OR-Wahrheitstabelle. Dabei bleibt die Frage offen, was passiert, wenn beide Fluorophore genau gleichzeitig das Cyclohexan-Molekül beaufschlagen.Also, information processing seems to be possible on this basis: if two fluorophores have access to the same cyclohexane molecule (or to another molecule that possesses the cis-trans isomerism), then the following procedure can be imagined: if both Do not emit fluorophores, then the cyclohexane molecule remains in its initial position, emits one of the two fluorophores, so switches the cyclohexane molecule, emit both fluorophores (almost) simultaneously, the cyclohexane molecule switches back to its original state; the switching behavior of the cyclohexane molecule under the influence of the two fluorophores corresponds to an exclusive OR truth table. The question remains as to what happens if both fluorophores act on the cyclohexane molecule exactly at the same time.

Neben der cis-trans-Isomerie sind auch andere Ausführungsformen möglich und denkbar; so kann beispielsweise zum Zwecke der Informationsspeicherung auch auf andere Photoisomerie- oder Konformationsisomerie-Zustände zurückgegriffen werden. Allerdings müßten diese ebenfalls mittels eines emittierten Fluoreszenzphotons umschaltbar und zeitlich stabil sein.In addition to the cis-trans isomerism, other embodiments are possible and conceivable; Thus, for example, for the purpose of information storage on other Photoisomerie- or conformational isomerism states can be used. However, these would also have to be switchable and time-stable by means of an emitted fluorescence photon.

2.) Fluoreszenzbasierte Nanoaktuatoren/Nanomaschinen2.) Fluorescence-based nanoactuators / nanomachines

Das STED-Verfahren kann auch zum Betreiben oder zur Schaltung von Nanomaschinen oder Nanoaktuatoren verwendet werden. Unter Nanomaschinen oder Nanoaktuatoren versteht man Maschinen mit Abmessungen im Nanometerbereich, die mechanische Arbeit leisten können, und zwar in einem bis auf wenige Nanometer genau lokalisierten Bereich. Auch in diesem Anwendungsbeispiel kann man auf die cis-trans-Isomerie zurückgreifen: Zum Schalten oder zum Betreiben der Nanomaschinen in atomaren Dimensionen durch die vom Fluorophor emittierten einfallenden Fluoreszenz-Photonen oder zum Ausführen von Aktuatoraufgaben kann auch hier die cis-trans-Isomerie der benachbarten Moleküle ausgenutzt werden: durch das Umschalten vom isomeren cis-Zustand in den isomeren trans-Zustand oder umgekehrt kann beispielsweise Arbeit auf kleinstem Raum geleistet werden. Wie bereits weiter oben ausführlich beschrieben, wird dazu das STED oder ein vergleichbares Verfahren durchlaufen. Nach Beaufschlagung der Abregungsstrahlung S3 verbleiben nur noch ein oder wenige Fluorophore im fluoreszierenden Zustand Z3. Diese(s) Fluorophor(e) emittieren nun ein oder mehrere Fluoreszenzphotonen, welche sich ausbreiten und auf benachbarte Moleküle des sie umgebenden Materials treffen. Dadurch wird wie bereits weiter oben beschrieben die benachbarten Moleküle beispielsweise von cis-Zustand in den trans-Zustand umgeschaltet. Da dadurch Masse in Form von Molekülabschnitten bewegt wird, wird dadurch mechanische Arbeit verrichtet. Dies kann verwendet werden, um andere molekulare Einheiten mechanisch zu bewegen oder um anderen molekularen Einheiten oder Nanomaschinen Energie in mechanischer Form zuzuführen, damit diese mechanische Arbeit leisten können, oder um andere molekulare Einheiten oder andere Nanomaschinen zu schalten oder um an andere molekulare Einheiten oder Nanomaschinen betriebswichtige Informationen zu übergeben oder zu übermitteln.The STED method can also be used to operate or switch nanomachines or nanoactuators. Nanomachines or nanoactuators are machines with dimensions in the nanometer range that can perform mechanical work, in an area that is precisely localized to a few nanometers. The cis-trans isomerism can also be used in this application example: For switching or operating the nanomachines in atomic dimensions by the incident fluorescence photons emitted by the fluorophore or for carrying out actuator tasks, the cis-trans isomerism of the adjacent ones can also be used here Molecules can be exploited: by switching from the isomeric cis state to the isomeric trans state or vice versa, for example, work can be done in the smallest space. As already described in detail above, the STED or a comparable method is used for this purpose. After exposure to the Abregungsstrahlung S3 remain only one or a few fluorophores in the fluorescent state Z3. These fluorophore (s) now emit one or more fluorescence photons which propagate and strike adjacent molecules of the surrounding material. As a result, as already described above, the adjacent molecules are switched, for example, from the cis state into the trans state. As this moves mass in the form of molecular sections, mechanical work is thereby performed. This can be used to mechanically move other molecular entities or to supply energy to other molecular entities or nanomachines in mechanical form to perform mechanical work, to switch other molecular entities or other nanomachines, or to other molecular entities or nanomachines to submit or transmit essential information.

Als ein konkretes Beispiel kann angeführt werden, dass das Molekül im cis-Zustand dann als Nanohebel in der Ausgangsstellung fungieren kann, während dasselbe Molekül im trans-Zustand als Nanohebel im Arbeitszustand dient. Das gezielte Umschalten wird dann durch das STED-Verfahren bewerkstelligt, indem das emittierte Fluoreszenzphoton das Molekül vom cis- in den trans-Zustand überführt und umgekehrt.As a concrete example, it can be stated that the molecule in the cis state can then function as a nano-lever in the starting position, while the same molecule in the trans state serves as a nano-lever in the working state. Targeted switching is then accomplished by the STED method in that the emitted fluorescence photon transfers the molecule from the cis- to the trans-state and vice versa.

Dabei ist dieses Verfahren nicht nur auf die cis-trans-Isomerie beschränkt, sondern jeder Zustand oder Photoisomerie, der durch Einfall oder Absorption von Lichtquanten die Konfiguration des Moleküls ändert, kann dazu verwendet werden. Not only is this process restricted to cis-trans isomerism, but any state or photoisomerism that alters the configuration of the molecule by the incidence or absorption of light quanta can be used.

3.) Fluoreszenzbasierte atomare oder molekulare Licht- und/oder Energiequelle:3.) Fluorescence-based atomic or molecular light and / or energy source:

Der Fluorophor kann als atomare oder molekulare Licht- oder Energiequelle zur Beleuchtung/Beaufschlagung von umliegendem Material dienen oder um Energie einer atomaren oder molekularen Einheit gezielt zuzuführen, um diese elektronisch anzuregen oder damit diese Arbeit verrichten kann oder um Informationen an diese zu übermitteln.The fluorophore may serve as an atomic or molecular source of light or energy to illuminate surrounding material or to selectively deliver energy to an atomic or molecular entity to electronically excite, or to perform, or transmit information to.

Für die Nanotechnik sind auch atomare oder molekulare Lichtquellen von Interesse, die gemäß dem STED-Verfahren funktionieren und die deswegen an einer genau örtlich definierten Position zu einem genau definierten Zeitpunkt eine genau definierte Anzahl von Photonen mit einer genau definierten Quantenenergie emittieren können, um beispielsweise einen FRET-Prozess z. B. für eine Nanometerskala anzuregen [27]. Dazu wird der Fluorophor mit dem STED-Verfahren zum richtigen Zeitpunkt aktiviert und angeregt, um ein solches Photon zu emittieren:
Wie bereits weiter oben ausführlich beschrieben, wird das STED oder ein vergleichbares Verfahren durchlaufen. Nach Beaufschlagung der Abregungsstrahlung S3 verbleiben nur noch ein oder wenige Fluorophore im fluoreszierenden Zustand Z3. Diese(s) Fluorophor(e) emittieren nun ein oder mehrere Fluoreszenzphotonen, welche sich ausbreiten und auf benachbarte Moleküle des sie umgebenden Materials treffen.
For nanotechnology are also atomic or molecular light sources of interest, which operate according to the STED method and therefore can emit at a precisely defined location at a precisely defined time a well-defined number of photons with a well-defined quantum energy, for example one FRET process z. B. for a nanometer scale [27]. For this purpose, the fluorophore is activated and excited at the right time with the STED process in order to emit such a photon:
As already described in detail above, the STED or a comparable method is run through. After exposure to the Abregungsstrahlung S3 remain only one or a few fluorophores in the fluorescent state Z3. These fluorophore (s) now emit one or more fluorescence photons which propagate and strike adjacent molecules of the surrounding material.

Um den richtigen Emissionszeitpunkt des Fluoreszenzphotons auszuwählen, kann nach dem Abregungslicht S3 der in der Nullstelle im fluoreszierenden Zustand Z3 verbliebene Fluorophor durch einen weiteren stimulierenden Abregungslichtstrahl S4 beaufschlagt werden, so dass durch stimulierte Emission der Fluorophor zum gewünschten Zeitpunkt das Fluoreszenzlicht emittiert.In order to select the correct emission time of the fluorescence photon, the fluorophore remaining in the zero state in the fluorescent state Z3 can be acted upon by the stimulating emission light beam S4 after the de-excitation light S3, so that the fluorescence light emits the fluorescent light at the desired point in time by stimulated emission.

Solche atomaren Lichtquellen können im Verbund auch verwendet werden, um durch das STED-Verfahren gezielt optische Resonanzmoden in benachbarten Mikro- oder Nanopartikeln anzuregen (beispielsweise optische Moden im Volumen oder in Kavitäten des Partikels, und zwar zwischen dessen spiegelnden Oberflächen auf den Innen- und/oder Außenseiten, oder es können Moden in den das Partikel umfassenden kugelförmigen transparenten Schichten angeregt werden oder auch Whispering Gallery Modes können angeregt werden [28]). Die Mikro- oder Nanopartikel können dann beispielsweise eingesetzt werden als labelfreie (Bio-)sensoren (bsp. zum ortsgenauen Nachweis von einzelnen Zielanalyten oder zur atomar ortsgenauen Bestimmung des pH-Wertes) oder als Detektor mit einer räumlich atomaren Auflösung für externe Einflüsse, die die Resonatorbedingungen ändern, e. g. Druck oder Temperatur). Da auch in dieser Anwendung das STED-Verfahren eingesetzt wird, kann eine räumliche Auflösung der nachzuweisenden Zielanalyte oder der zu detektierenden Parameter in atomarer Größenordnung erfolgen.Such atomic light sources can also be used in combination to specifically stimulate optical resonance modes in adjacent microparticles or nanoparticles by the STED method (for example optical modes in the volume or in cavities of the particle, between its reflecting surfaces on the inner and / or outer surfaces). or outer sides, or modes in the particle-comprising spherical transparent layers can be excited or Whispering Gallery modes can be stimulated [28]). The micro- or nanoparticles can then be used, for example, as label-free (bio) sensors (for example, for the precise detection of individual target analytes or for the atomically accurate determination of the pH value) or as a detector with a spatially atomic resolution for external influences, the Change resonator conditions, e. G. Pressure or temperature). Since the STED method is also used in this application, a spatial resolution of the target analyte to be detected or of the parameters to be detected can take place on an atomic scale.

Neben der Anwendung als Biosensor können die Fluorophore mittels des STED-Verfahrens auch Cantilever-Spitzen eines AFM oder eines anderen Rasterelektronenmikroskops oder eines Feldelektronenmikroskops atomar ortsgenau markieren, um diese vor der ersten Messung kalibrieren zu können.In addition to being used as a biosensor, the fluorophores can also use the STED method to mark the cantilever tips of an AFM or another scanning electron microscope or a field electron microscope atomically precisely in order to be able to calibrate them before the first measurement.

Man kann sich auch vorstellen, dass zwei benachbarte Fluorophore die Fluoreszenzstrahlung synchronisiert mit derselben Phase abstrahlen, indem nach dem Abregungslicht S3 die in der Nullstelle im Zustand Z3 verbliebenen Fluorophore durch einen stimulierenden Abregungslichtstrahl S4 gleichzeitig beaufschlagt werden, so dass durch stimulierte Emission beide Fluorophore gleichzeitig mit einer konstanten Phasenbeziehung das Fluoreszenzlicht emittieren. Als „Nanolaser” kann man eine solche Anordnung noch nicht interpretieren, da der Resonator und somit eine Vorzugsausbreitungsrichtung fehlt. Eventuell handelt es sich um einen „Nanosuperstrahler”. Falls man aber die beiden oder mehreren Fluorophore innerhalb eines Quantenfilms oder innerhalb einer Grenzschicht eines Halbleiterlasers mit reflektierenden Innenflächen integriert, kann eventuell doch dem emittierten Fluoreszenzlicht eine Richtung vorgegeben werden.It can also be envisaged that two adjacent fluorophores emit the fluorescence radiation synchronized with the same phase by the stimulation Abregungslichtstrahl S4 are applied simultaneously after the de-excitation light S3 remaining in the Z3 in the state Z3 fluorophores, so that by stimulated emission both fluorophores simultaneously with a constant phase relationship emit the fluorescent light. Such a device can not yet be interpreted as a "nanolaser" because the resonator and thus a preferential propagation direction are missing. Maybe it is a "Nanosuperstrahler". However, if one integrates the two or more fluorophores within a quantum film or within a boundary layer of a semiconductor laser having reflective inner surfaces, then perhaps the emitted fluorescent light may be given a direction.

III.) Fluoreszenzbasierter SensorIII.) Fluorescence-based sensor

Als Sensoren können Bauteile oder auch einzelne Moleküle bezeichnet werden, die geeignet sind, bestimmte physikalische oder chemische Größen, die ein Objekt oder einen Prozess charakterisieren, zu messen, indem diese mittels eines Effektes erfasst und ein entsprechendes Meßsignal generiert und ausgegeben wird.As sensors, components or even individual molecules can be designated, which are suitable for measuring certain physical or chemical quantities that characterize an object or a process, by detecting them by means of an effect and generating and outputting a corresponding measurement signal.

Der STED-Prozess kann verwandt werden, um hochempfindliche Sensoren im Nanometermaßstab, die eine Hoch- oder Superortsauflösung besitzen, zu realisieren. Dabei kommen die Sensoren in Form von fluoreszierenden Molekülen vor.The STED process can be used to realize high-sensitivity nanoscale sensors that have high or super-resolution resolution. The sensors are in the form of fluorescent molecules.

Dabei kann man zwei Arten von Sensoren mit prinzipiell verschiedenen Funktionsweisen unterscheiden:

  • – bei der ersten Funktionsweise beeinflusst die unmittelbare atomare oder molekulare Umgebung die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des fluoreszierenden Sensormoleküls wie beispielsweise Fluoreszenzwellenlänge, Fluoreszenzintensität, Fluoreszenzdauer, Phase des emittierten Fluoreszenzlichts, so dass aus dem emittierten Fluoreszenzlicht des Fluorophors Rückschlüsse auf die unmittelbare physikalische und/oder chemische Umgebung geschlossen werden können. Dabei kann man sowohl kinetische als auch thermodynamische Vorgänge mit oder ohne Stoff- oder Phasenumwandlung untersuchen.
  • – bei der zweiten Funktionsweise wird das fluoreszierende Sensormolekül entweder an ein mobiles oder bewegtes Medium oder an ein stationäres oder ruhendes Medium fixiert, so dass im ersten Fall der fluoreszierende Sensor mit dem mobilen Medium mitbewegt und im zweiten Falle der fluoreszierende Sensor im oder auf dem stationären Medium ruht. Dabei fungiert der fluoreszierende Fluorophor als Sender. Somit kann man im ersten Falle die Bewegung des Mediums nachverfolgen und somit Informationen über deren Kinematik und/oder Dynamik erhalten, oder man kann im zweiten Falle erkennen, wenn ein anderes Medium sich über dem stationären Medium ausbreitet oder sich darüber hinwegbewegt, um somit die Bewegung eines anderen Mediums anzuzeigen.
There are two types of sensors with different functions:
  • In the first mode of operation, the immediate atomic or molecular environment influences the physical and / or chemical properties of the fluorescent sensor molecule, such as fluorescence wavelength, fluorescence intensity, fluorescence duration, phase of the emitted fluorescence light, so that conclusions can be drawn from the emitted fluorescent light of the fluorophore to the immediate physical and / or chemical properties. or chemical environment can be closed. It is possible to study both kinetic and thermodynamic processes with or without material or phase transformation.
  • In the second mode of operation, the fluorescent sensor molecule is fixed either to a mobile or moving medium or to a stationary or stationary medium, so that in the first case the fluorescent sensor moves with the mobile medium and in the second case the fluorescent sensor in or on the stationary one Medium is resting. The fluorescent fluorophore acts as transmitter. Thus, in the first case, one can track the movement of the medium and thus obtain information about its kinematics and / or dynamics, or it can be seen in the second case, if another medium spreads over the stationary medium or moves over it, thus the movement of another medium.

Fluoreszenzbasierter Sensor gemäß der ersten FunktionsweiseFluorescence-based sensor according to the first mode of operation

Wie bereits weiter oben ausführlich beschrieben, wird das STED oder ein vergleichbares Verfahren durchlaufen. Nach Beaufschlagung der Abregungsstrahlung S3 verbleiben nur noch ein oder wenige Fluorophore im fluoreszierenden Zustand Z3 im Bereich der zentralen Nullstelle. Diese(s) Fluorophor(e) emittieren nun ein oder mehrere Fluoreszenzphotonen, die auf die Detektoroberfläche treffen und mit denen man ein räumlich superaufgelöstes Bild erzeugen kann.As already described in detail above, the STED or a comparable method is run through. After application of the depletion radiation S3, only one or a few fluorophores remain in the fluorescent state Z3 in the region of the central zero point. These fluorophore (s) now emit one or more fluorescence photons, which hit the detector surface and with which one can produce a spatially super-resolved image.

Bei dem Sensor gemäß der ersten Funktionsweise hängen die Eigenschaften des vom Fluorophor emittierten Fluoreszenzlichts (Wellenlänge, Intensität, Polarisation, Halbwertzeit, Phasenverschiebung etc.) auch von den physikalisch-chemischen Eigenschaften der unmittelbaren atomaren oder molekularen Umgebung wie beispielsweise den benachbarten Bindungsverhältnissen der chemischen Umgebung ab, da die physikalisch-chemischen Eigenschaften der molekularen Umgebung einen Einfluss auf die elektronische Struktur oder Eigenschaften des Fluorophor-Moleküls besitzen, was wiederum Einfluss auf die Eigenschaften des emittierten Fluoreszenzlichts (Wellenlänge, Intensität, Halbwertszeit, Phasenverschiebung etc.) hat, so dass anhand des emittierten Fluoreszenzlichts die physikalisch-chemischen Umgebungseigenschaften bestimmt werden können und somit z. B. Rückschlüsse auf die Bindungsverhältnisse in der unmittelbaren Umgebung in atomarer Auflösung möglich sind. Ein besonderes Beispiel ist das Quenchen.In the sensor according to the first mode of operation, the characteristics of the fluorescent light emitted by the fluorophore (wavelength, intensity, polarization, half-life, phase shift, etc.) also depend on the physico-chemical properties of the immediate atomic or molecular environment, such as the adjacent bonding ratios of the chemical environment since the physico-chemical properties of the molecular environment have an influence on the electronic structure or properties of the fluorophore molecule, which in turn influences the properties of the emitted fluorescence light (wavelength, intensity, half-life, phase shift, etc.), so that emitted fluorescent light, the physico-chemical environmental properties can be determined and thus z. B. conclusions on the bonding conditions in the immediate vicinity in atomic resolution are possible. A special example is the quenching.

Dies ermöglicht eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten:
Da man mittels des detektierten Fluoreszenzlichtes anhand deren optischen Fluoreszenzeigenschaften wie Fluoreszenzwellenlänge und -dauer Rückschlüsse auf die physikalisch-chemischen Eigenschaften der unmittelbaren atomaren/molekularen Umgebung ziehen kann, und zwar punktuell mit einer räumlichen Auflösung im Nanometermaßstab, erscheint es möglich, zusammen mit den reinen räumlich hochaufgelösten Ortsinformationen für die rein bildgebende Detektion und Darstellung eine räumliche Verteilung der physikalisch-chemischen Eigenschaften in atomarer Auflösung bereitzustellen (mapping).
This allows a variety of applications:
Since one can draw conclusions on the physical-chemical properties of the immediate atomic / molecular environment by means of the detected fluorescent light on the basis of their optical fluorescence properties such as fluorescence wavelength and duration, specifically with a spatial resolution on the nanometer scale, it seems possible, together with the pure spatial high-resolution location information for the purely imaging detection and representation to provide a spatial distribution of the physicochemical properties in atomic resolution (mapping).

Folgende Anwendungsbeispiele in den folgenden Themengebieten erscheinen denkbar:The following application examples in the following subject areas seem conceivable:

ohne Stoffumwandlung:without substance conversion:

Man kann hinsichtlich der Materialuntersuchung ohne Stoffumwandlung mittels des Sensors gemäß der ersten Funktionsweise zwischen Anwendungen aus dem Gebiet der Kinetik und aus dem Gebiet der Thermodynamik unterscheiden: It is possible to differentiate between materials in the field of kinetics and the field of thermodynamics with regard to the material examination without conversion of the substance by means of the sensor according to the first mode of operation:

kinetisch:kinetically:

  • Kinetik, Diffusion, Osmose, Absorption, Adsorption, Physisorption, Chemisorption, Kristallwachstum, Defektbildung im Kristallgitter (Halbleiterkristalle: Frenkeldefekte etc.), Rißbildung, Elektrophorese, Mischvorgänge, Quenchen, Konvektion, akustischen und/oder thermische Effekte, Korrosionsvorgänge, eventuell auch Plasma möglichKinetics, diffusion, osmosis, absorption, adsorption, physisorption, chemisorption, crystal growth, defect formation in the crystal lattice (semiconductor crystals: pitted defects, etc.), cracking, electrophoresis, mixing, quenching, convection, acoustic and / or thermal effects, corrosion, possibly also plasma possible

thermodynamisch:thermodynamically:

  • Phasenumwandlung, Kondensation, Sublimation, Phasenumwandlung auch beim Supraleiter, Auskondensation, Auflösen in Lösungen, Mischvorgänge, Kristallisation, Absorption, Adsorption, Umwandlung von einem Aggregatzustand in einen anderen AggregatzustandPhase transformation, condensation, sublimation, phase transformation also in the superconductor, condensation, dissolution in solutions, mixing processes, crystallization, absorption, adsorption, transformation from one state of aggregation to another state of aggregation

technische oder Ingenieurwissenschaftliche Prozesse oder Vorgänge:technical or engineering scientific processes or processes:

Der Fluorophor wird als Marker in eine Mikro- oder Nanovorrichtung eingebaut oder ist dort selbst als aktives Element tätig, beispielsweise zur Prozessüberwachung während seiner eigenen Herstellung oder während des Betriebs, Überwachung der Alterung, Veränderungen der funktionalen Eigenschaften im Betriebsablauf, Dejustage, Abnutzung, ZerstörungThe fluorophore is incorporated as a marker in a micro or nanodevice or is itself active as an active element, for example, for process monitoring during its own production or during operation, monitoring the Aging, changes in functional properties during operation, misalignment, wear, destruction

mit Stoffumwandlung:with material conversion:

Man kann hinsichtlich der Materialuntersuchung mit Stoffumwandlung mittels des Sensors gemäß der ersten Funktionsweise zwischen Anwendungen aus dem Gebiet der Kinetik und aus dem Gebiet der Thermodynamik unterscheiden:It is possible to distinguish between material conversion applications using the sensor according to the first mode of operation between applications in the field of kinetics and from the field of thermodynamics:

kinetisch:kinetically:

Reaktionskinetik, chemischer Reaktionsverlauf zwischen Reaktionspartnern: dabei dient der Fluorophor als Marker oder ist selber aktiver Reaktionspartner, Katalyse, kernchemische ReaktionenReaction kinetics, chemical reaction course between reaction partners: the fluorophore serves as a marker or is itself an active reaction partner, catalysis, nuclear chemical reactions

Allgemein kann man bezüglich des Sensors gemäß der ersten Funktionsweise noch folgende Anwendungsgebiete voneinander unterscheiden:
Oberflächen- oder Volumeneffekte, Phänomene an der Phasengrenze oder Grenzflächenphänomene zwischen gleichen oder verschiedenen Phasen und/oder Aggregatzuständen, Untersuchungen im festen, flüssigen oder gasförmigen Aggregatzustand oder im Plasma, oder in nicht eindeutig definierten Aggregatzuständen wie Glas, Sand, Pulver etc.
In general, the following fields of application can be distinguished from one another with respect to the sensor according to the first mode of operation:
Surface or volume effects, phenomena at the phase boundary or interface phenomena between the same or different phases and / or states of aggregation, investigations in the solid, liquid or gaseous state or in the plasma, or in not clearly defined physical states such as glass, sand, powder, etc.

Folgende konkrete Anwendungsbeispiele sind denkbar, aber stellen lediglich nur eine begrenzte Auswahl dar:
Es können physikalische, chemische oder biologische Eigenschaften, Größen und/oder Zustände oder technische, natur- und/oder ingenieurwissenschaftliche Kenngrößen von statischen (zeitlich sich nicht verändernden) oder dynamischen (zeitlich sich verändernden) technischen, physikalischen, chemischen oder biologischen Systemen (natürlich oder künstlich), wie beispielsweise Substanzen, Materialien, homogene oder heterogene Stoffsysteme, Reaktionssysteme, biologische Zellen, technische Vorrichtungen sowie Prozesse/Vorgänge in diesen (z. B. Phasenumwandlung, chem. Reaktionen) nicht-zeitaufgelöst oder zeitaufgelöst in atomarem oder molekularem Maßstab in verschiedenen Aggregatzuständen/Phasen bestimmt werden.
The following concrete application examples are conceivable, but are only a limited selection:
It may be physical, chemical or biological properties, sizes and / or conditions or technical, natural and / or engineering parameters of static (temporally non-changing) or dynamic (time-varying) technical, physical, chemical or biological systems (natural or artificial), such as substances, materials, homogeneous or heterogeneous material systems, reaction systems, biological cells, technical devices and processes / processes in them (eg phase transformation, chemical reactions) non-time resolved or time resolved on an atomic or molecular scale in different Physical states / phases are determined.

Nachdem wie bereits mehrfach oben beschrieben der RESOLFT/STED/GSD-Prozess durchlaufen wurde, wird ein vom Fluorophor emittiertes Fluoreszenzphoton erzeugt, deren optische Fluoreszenzeigenschaften wie Fluoreszenzwellenlänge oder -dauer u. a. Informationen über die chemische Umgebung des Fluorophors enthält und die ausgewertet werden. Man kann eine Festkörperoberfläche (kristallin, amorph, Halbleiter, Metall, Polymer, (bio-)chemische Substanzen u. a.) mit diesen Fluorophoren bestücken und somit die Bindungsverhältnisse der z. B. durch Physisorption/Chemisorption/Van-der-Waal-Kräfte angelagerten Atome oder Moleküle bestimmen.After the RESOLFT / STED / GSD process has been run through several times as described above, a fluorescence photon emitted by the fluorophore is generated whose optical fluorescence properties, such as fluorescence wavelength or duration, and the like, are determined. a. Contains information about the chemical environment of the fluorophore and which are evaluated. One can equip a solid surface (crystalline, amorphous, semiconductor, metal, polymer, (bio-) chemical substances, etc.) with these fluorophores and thus the bonding conditions of z. B. by physisorption / chemisorption / Van der Waal forces deposited atoms or molecules.

Man kann somit die Oberflächenzustände vermessen und auch den gesamten Absorptions- oder Adsorptionsbelegungs- oder Desorptionsprozess zeit- und ortsaufgelöst verfolgen (Sorptionsisotherme). Ebenfalls ist es möglich, die Veränderung im darüber liegenden Bereich anzuzeigen, z. B. wenn Gas, Dampf oder ein anderes Fluidum über die Oberfläche oder innerhalb eines Strömungskanals strömt, an deren Innenflächen der Fluorophor immobilisiert worden ist. Das am Fluorophor vorbeifließende Teilchen oder Medium oder Fluidum tritt mit dem Fluorophor in Wechselwirkung. Dadurch ändern sich die chemische Umgebung des Fluorophors und somit auch die Fluoreszenzeigenschaften der von ihm emittierten Fluoreszenzphotonen wie Fluoreszenzwellenlänge oder -dauer. Bei transparenten Festkörpern (Glas, Polymere) kann man die Fluorophore auch im Materialvolumen, oder zumindest dicht unterhalb der Oberfläche anbinden, um etwas über die Bindungszustände im Materialvolumen oder dicht unterhalb der Oberfläche zu erfahren. Man kann die Fluorophore auch an Mikro- oder Nanopartikel (Microbeads) anbinden, die sich in einem Fluidum befinden und in einer Flüssigkeitsströmung) auflösen. Fluorophore müssen nicht immer unbedingt nur an Festkörperoberflächen angebunden werden, sondern können auch mit Flüssigkeitsmolekülen oder Gasmolekülen verbunden werden. Eventuell können die Fluorophore auch in einem Plasma eingesetzt werden; oder aber die Fluorophore können auch in Form eines Liganden oder eines Zentralteilchens in eine Komplexverbindung oder allgemein in einen Molekülabschnitt eines beliebigen (biochemisches oder synthetisches oder andersartiges) Molekül eingebracht werden, um etwas über die Bindungsverhältnisse innerhalb des Moleküls in Erfahrung zu bringen.It is thus possible to measure the surface states and also to follow the entire absorption or adsorption occupation or desorption process in time and space (sorption isotherm). It is also possible to indicate the change in the area above, z. B. when gas, steam or other fluid flows over the surface or within a flow channel, on whose inner surfaces the fluorophore has been immobilized. The particle or medium or fluid flowing past the fluorophore interacts with the fluorophore. This changes the chemical environment of the fluorophore and thus also the fluorescence properties of the fluorescence photons emitted by it, such as fluorescence wavelength or duration. In the case of transparent solids (glass, polymers), the fluorophores can also be bound in the material volume, or at least just below the surface, in order to find out about the bonding states in the material volume or just below the surface. It is also possible to attach the fluorophores to micro- or nanoparticles (microbeads) which are located in a fluid and dissolve in a liquid flow). Fluorophores do not necessarily have to be attached to solid surfaces, but can also be connected to liquid molecules or gas molecules. Optionally, the fluorophores can also be used in a plasma; or else the fluorophores may also be incorporated in the form of a ligand or a central particle into a complex compound or generally into a molecular segment of any (biochemical or synthetic or other) molecule to learn about the binding relationships within the molecule.

Nicht nur statische Situationen lassen sich dadurch beschreiben, sondern auch dynamische Vorgänge, in denen sich die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Umgebung zeitlich verändern: so kann man beispielsweise die Fluorophore an einen Reaktionspartner (Edukt) in Form eines Labels oder Markers anbinden, der daraufhin eine chemische Reaktion durchläuft. Es ist auch möglich, dass der Fluorophor selber ein Reaktionspartner ist. In jedem Fall lassen sich anhand der emittierten Fluoreszenzstrahlung in-situ Rückschlüsse ziehen auf die zeitliche Veränderung der Bindungsverhältnisse im Verlauf der chemischen Reaktion. Bei den chemischen Reaktionen kann es sich um jegliche Art von chemischen Reaktionen handeln; dazu zählen biochemische Reaktionen (z. B. Polymerase-Kettenreaktion) wie auch technische Reaktionen aus der Technischen Chemie (z. B. Polymerisation). Auch kernchemische Reaktionen sind denkbar, wenn durch radioaktive Strahlung sich die Kernzahl und somit das chemische Element ändert, hat dies auch Einfluss auf die Fluoreszenzeigenschaften der vom Fluorophor emittierten Fluoreszenzstrahlung. Analog lässt sich somit auch die zeitliche Änderung von physikalisch-chemischen Eigenschaften während des Ablaufs von biologischen, physikalischen, geophysikalischen, geologischen, mineralogischen Vorgängen oder Prozessen (Phasenumwandlung) im Nanometermaßstab in-situ verfolgen.It is not only static situations that can be described, but also dynamic processes in which the physical-chemical properties of the environment change over time: for example, the fluorophores can be attached to a reaction partner (starting material) in the form of a label or marker undergoes chemical reaction. It is also possible that the fluorophore itself is a reaction partner. In any case, it is possible to draw in-situ conclusions on the temporal change in the bonding conditions in the course of the chemical reaction on the basis of the emitted fluorescence radiation. The chemical reactions can be any kind of chemical reactions; These include biochemical reactions (eg polymerase chain reaction) as well as technical reactions from technical chemistry (eg polymerisation). Nuclear reactions are also conceivable, if by radioactive radiation the Core number and thus the chemical element changes, this also has an influence on the fluorescence properties of the fluorescent radiation emitted by the fluorophore. Analogously, the temporal change of physical-chemical properties during the course of biological, physical, geophysical, geological, mineralogical processes or processes (phase transformation) can be tracked in-situ on a nanometer scale.

Ein weiteres großes Anwendungsgebiet ist die Ingenieurwissenschaft, insbesondere die Mikro- und Nanotechnik. Durch einen Sensor gemäß der ersten Funktionsweise lassen sich so auch Fehler im Produktions- oder Herstellungsablauf von Mikro- oder Nanostrukturen auffinden. Die Fluorophore können auch zur Qualitätssicherung oder -kontrolle während der Produktion von Mikro- oder Nanostrukturen eingesetzt werden; oder in Mikro- oder Nanokomponenten eingebaute Fluorophore werden zur Prozessüberwachung eingesetzt, um die Funktionalität und Alterungsprozesse von sich im Betrieb befindlichen Mikro- oder Nanostrukturen in-situ zu überprüfen. Zur Prozessüberwachung gehören auch das Erkennen von Veränderungen der funktionalen Eigenschaften im Betrieb, Dejustage, Abnutzung oder Zerstörung. Dabei sind die Fluorophore selber als Marker eingebaut oder fungieren selber als aktive Komponente in der Mikro- oder Nanovorrichtung.Another large area of application is engineering, in particular micro and nanotechnology. By a sensor according to the first mode of operation, errors in the production or production process of microstructures or nanostructures can also be found. The fluorophores can also be used for quality assurance or control during the production of microstructures or nanostructures; or fluorophores incorporated into micro- or nano-components are used for process monitoring to in-situ check the functionality and aging processes of operating micro- or nanostructures. Process monitoring also includes recognizing changes in functional properties during operation, misalignment, wear or destruction. The fluorophores themselves are incorporated as markers or themselves act as active components in the micro- or nanodevice.

Falls notwendig, können die Fluorophore auch einen gewünschten Reparatur- oder Selbstzerstörungsprozess der Mikro- oder Nanostruktur auslösen.If necessary, the fluorophores can also trigger a desired repair or self-destruct process of the micro- or nanostructure.

Dies alles gilt auch für biologische, biochemische oder chemische Systeme wie Mikroreaktoren, Nanoreaktoren oder biologische Zellen.All of this also applies to biological, biochemical or chemical systems such as microreactors, nanoreactors or biological cells.

Fluoreszenzbasierter Sensor gemäß der zweiten FunktionsweiseFluorescence-based sensor according to the second mode of operation

Bei dem Sensor gemäß der zweiten Funktionsweise dient der Fluorophor lediglich als Lichtquelle, die unbeeinflusst von der lokalen physikalisch-chemischen Umgebung Fluoreszenzlicht mit unveränderten Eigenschaften emittiert.In the sensor according to the second mode of operation, the fluorophore serves merely as a light source that emits fluorescent light with unchanged properties, uninfluenced by the local physical-chemical environment.

Wie bereits weiter oben ausführlich beschrieben worden ist, wird das STED oder ein vergleichbares Verfahren durchlaufen. Nach Beaufschlagung der Abregungsstrahlung S3 verbleiben nur noch ein oder wenige Fluorophore im Bereich der Nullstelle im fluoreszierenden Zustand Z3. Diese(s) Fluorophor(e) emittieren nun ein oder mehrere Fluoreszenzphotonen. Dabei sind mehrere verschiedene Anwendungen möglich, wie im Folgenden genauer erörtert:As has already been described in detail above, the STED or a comparable method is run through. After application of the depletion radiation S3, only one or a few fluorophores remain in the region of the zero point in the fluorescent state Z3. These fluorophore (s) now emit one or more fluorescence photons. Several different applications are possible, as discussed in more detail below:

Bedeckungssensorcover sensor

Die Oberfläche eines stationären Objekts wird mit Fluorophoren ausgestattet, die Fluoreszenzlicht superortsaufgelöst emittieren. Dieses Fluoreszenzlicht wird von einem Detektor superortsaufgelöst detektiert. Zu einer Änderung des Detektionssignals kommt es nur, wenn der Fluorophor von einem anderen mobilen Objekt (Gas- oder Flüssigkeitsströmung, bewegte feste Teilchen mit größerem oder kleinerem Durchmesser wie Sand, Pulver etc.) teilweise oder vollständig verdeckt wird. Aus dem Detektionssignal kann man dann den Zeitpunkt des Vorbeiflugs des sich vorbeibewegenden Teilchens bestimmen oder im Falle von vielen Fluorophoren angeordnet in Form eines zweidimensionalen Feldes auf der Oberfläche des stationären Objekts kann man die genauen Ortskoordinaten des vorbeifliegenden Teilchens in atomarer Auflösung messen. Bei einer teilweisen Verdeckung von vielen kleineren vorbeifliegenden Teilchen kann man eine Teilchendichtemessung durchführen, oder im Falle von vorbeiströmenden Flüssigkeiten oder Gase kann man Transmissions- oder Absorptions- oder Reflexionsmessungen superortsaufgelöst durchführen; oder an die Innenseite/-fläche von μ-Fluideinrichtungen oder μ-Fluidkanäle oder in biologische Zellen befestigen, um die Anwesenheit von Fluiden anzuzeigen und um deren Nanometerströmungsverhalten zu untersuchen.The surface of a stationary object is equipped with fluorophores that emit super-resolved fluorescent light. This fluorescent light is detected super-resolved by a detector. A change in the detection signal occurs only when the fluorophore is partially or completely obscured by another mobile object (gas or liquid flow, moving solid particles of larger or smaller diameter such as sand, powder, etc.). From the detection signal, one can then determine the time of the vorbebeiflugs passing the passing particle or in the case of many fluorophores arranged in the form of a two-dimensional field on the surface of the stationary object, one can measure the exact location coordinates of the passing particle in atomic resolution. With partial obscuration of many smaller particles passing by, one can perform a particle density measurement, or in the case of passing liquids or gases, one can perform transmission or absorption or reflectance measurements super-resolved; or attach to the inside / face of μ-fluid devices or μ-fluid channels or biological cells to indicate the presence of fluids and to study their nanometer flow behavior.

Nachverfolgung von ObjektenTracking of objects

Der Fluorophor wird auf einem mobilen Objekt immobilisiert. Wenn sich nun dieses mobile Objekt in Bewegung setzt und der Fluorophor emittiert nun Fluoreszenzstrahlung, dann lässt sich der stetig veränderte Aufenthaltsort des Fluorophors und damit des mobilen Objektes, mit dem es fest verbunden ist, und somit seine Trajektorie in-situ und momentan verfolgen, und zwar in atomarer Auflösung weit unterhalb der Abbé'schen Auflösungsgrenze (hochortsaufgelöste Nachverfolgung).The fluorophore is immobilized on a mobile object. Now, when this mobile object sets in motion and the fluorophore now emits fluorescence radiation, then the constantly changing location of the fluorophore and thus the mobile object, with which it is firmly connected, and thus track its trajectory in situ and currently, and although in atomic resolution far below the Abbé resolution limit (high-resolution tracking).

Man kann die Fluorophore auch an Mikro- oder Nanopartikel (Microbeads) anbinden und in eine Flüssigkeitsströmung) einbringen oder aber der Fluorophor liegt selbst in flüssiger Form vor und ist damit selber Teil der Flüssigkeitsströmung. Somit kann man den Verlauf der gesamten Flüssigkeit im Nanometermaßstab verfolgen. Die Strömung kann nach Bernoulli strömen und kann eine Schichtenströmung sein (Newton'sches Fluid), oder es kann eine turbulente Strömung sein. Dadurch kann man das Scherverhalten, besonders an der Grenzfläche zu anderen Flüssigkeiten oder zur Wand des flüssigkeitsführenden Mikrokanals, Turbulenzen im Nanomaßstab, die innere Reibung (Viskosität) oder die Reynold-Zahl (Umschlagpunkt von laminarer in turbulenter Strömung) und andere rheologische Effekte superortsaufgelöst bestimmen. Dabei muss entweder der Abregungsstrahl S3 mit Nullstelle bzw. die entsprechende Optik mitbewegt werden, oder es sind sehr viele Fluorophore immobilisiert, und der Abregungsstrahl trifft immer nur eine bestimmte Stelle.It is also possible to attach the fluorophores to micro- or nanoparticles (microbeads) and to introduce them into a liquid flow) or else the fluorophore itself is in liquid form and is thus itself part of the liquid flow. Thus, one can follow the course of the entire liquid on the nanometer scale. The flow may flow to Bernoulli and may be a stratified flow (Newtonian fluid), or it may be a turbulent flow. This can be used to determine the shear behavior, especially at the interface with other liquids or to the wall of the liquid-carrying microchannel, nanoscale turbulence, the internal friction (viscosity) or the Reynolds number (transition point from laminar to turbulent flow) and other rheological effects super-resolved. It must either the Abregungsstrahl S3 are moved to zero or the corresponding optics, or there are many fluorophores immobilized, and the Abregungsstrahl always hits only a certain place.

Dosimeterdosimeter

Bei dieser Anwendung können einzelne UV-Photonen hochortsaufgelöst detektiert werden, die bei PALM oder STED als Anregungslicht verwendet werden. Anders als beim PALM- oder STED-Verfahren werden in diesem Falle die Detektoren, die das emittierte Fluoreszenzphoton detektieren, nicht eingesetzt, um ein Bild der Probe in Superauflösung zu erhalten, sondern hier ist das Ziel, dass der Fluorophor selber als Sensor eingesetzt wird, um die Existenz und Menge von einfallendem UV-Anregungslicht ortsaufgelöst anzuzeigen. Fällt auch nur eine geringe Menge von UV-Anregungslicht auf die den Fluorophor enthaltende Oberfläche ein, so wird sich dies durch Fluoreszenzerscheinung bemerkbar machen, wenn vorher die Stellen mit dem Aktivierungslicht S1 angeschaltet worden ist und optional (im Falle von STED) bei Bedarf Abregungslicht S3 (mit einer Nullstelle) angewandt worden ist, um nur noch einzelne punktuelle Stellen sensitiv für das einfallende UV-Licht bereitzustellen. Ansonsten bleibt die Probe dunkel, denn wenn kein UV-Anregungslicht S2 auf die mit Fluorophoren bestückte Probenoberfläche einfällt oder die entsprechenden Stellen sind nicht mit Aktivierungslicht eingeschaltet worden, dann werden die Fluorophore auch kein Fluoreszenzlicht emittieren. Vorteil mit dem STED-Verfahren ist, dass man einzelne Stellen der Probe in atomarer Dimension ein- und ausschalten kann, so dass diese einzelnen Stellen für den Nachweis aktiviert oder deaktiviert werden können, um eine vorher nicht dagewesene räumliche Auflösung der Verteilung des Anregungslichts S2 zu erreichen. Praktisch handelt es sich hierbei um ein ortsauflösendes Dosimeter mit einer Ortsauflösung weit unterhalb der optischen Auflösungsgrenze, um u. a. auch die Intensitätsverteilung innerhalb des Anregungslichtstrahls zu untersuchen.In this application, single UV photons can be detected at high resolution, which are used as excitation light in PALM or STED. Unlike the PALM or STED method, in this case the detectors that detect the emitted fluorescence photon are not used to obtain an image of the sample in super-resolution, but here the goal is that the fluorophore itself be used as a sensor, to display the existence and amount of incident UV excitation light spatially resolved. If even a small amount of UV excitation light is incident on the surface containing the fluorophore, this will be manifested by fluorescence appearance if the sites with activating light S1 have previously been turned on and optionally (in the case of STED) descent light S3 if necessary (with a zero) has been used to provide only single point sensitive to the incident UV light. Otherwise, the sample remains dark, because if no UV excitation light S2 is incident on the fluorophore-loaded sample surface or the corresponding sites have not been switched on with activation light, then the fluorophores will also emit no fluorescent light. The advantage with the STED method is that individual points of the sample can be switched on and off in an atomic dimension, so that these individual points can be activated or deactivated for detection by a previously unseen spatial resolution of the distribution of the excitation light S2 to reach. In practice, this is a spatially resolving dosimeter with a spatial resolution far below the optical resolution limit to u. a. also to study the intensity distribution within the excitation light beam.

Auch das SIM-Verfahren ist für diese Art der Anwendung geeignet, da man durch die Beaufschlagung mit periodisch strukturiertem Licht das Auflösungsvermögen beträchtlich erhöhen kann.The SIM method is also suitable for this type of application, since the exposure to periodically structured light can considerably increase the resolution.

IV.) Weitere AnwendungenIV.) Other applications

1.) Fluoreszenzbasierte Markierung (Identifizierung/Authentifizierung/Informationsträger)1.) Fluorescence-based labeling (identification / authentication / information carrier)

Wie bereits weiter oben Ausführungsbeispiele ausführlich beschrieben, wird das STED oder ein vergleichbares Verfahren durchlaufen. Nach Beaufschlagung der Abregungsstrahlung S3 verbleiben nur noch ein oder wenige Fluorophore im Bereich der Nullstelle im fluoreszierenden Zustand Z3. Diese(s) Fluorophor(e) emittieren nun ein oder mehrere Fluoreszenzphotonen.As already described in detail above embodiments, the STED or a similar method is run through. After application of the depletion radiation S3, only one or a few fluorophores remain in the region of the zero point in the fluorescent state Z3. These fluorophore (s) now emit one or more fluorescence photons.

Nicht nur biologische Moleküle, auch Moleküle von technischen Werkstoffen/Materialien insbesondere von Mikro- oder Nanomaschinen (oder von anderen Vorrichtungen, die nur eine sehr, sehr begrenzte Oberfläche in der Größenordnung von einigen Atomdurchmessern zur Verfügung haben, bspw. Cantilever-Spitzen eines AFM oder Feldelektronenmikroskops) können mittels des STED-Verfahrens atomar ortsgenau oder lokal markiert werden, um eben Informationen zu speichern über diesen Werkstoff/Material oder Maschine (Hersteller, Herstellungsdatum und -land, Produkt- oder Seriennummer, Produktions- oder Prozessparameter, chemische Zusammensetzung, physikalischchemischen, funktionalen und/oder technischen Eigenschaften/Merkmale etc.), um später durch eine atomare lokale Abrufung der Informationen mittels des STED-Verfahrens eine Identifizierung und/oder Authentifizierung und/oder Nachverfolgung eben dieser zu ermöglichen.Not only biological molecules, but also molecules of engineering materials / materials in particular of micro or nanomachines (or of other devices which have only a very, very limited surface of the order of a few atomic diameters, for example cantilever tips of an AFM or Field electron microscopes) can be atomically or locally marked using the STED method in order to store information about this material / material or machine (manufacturer, date and country of manufacture, product or serial number, production or process parameters, chemical composition, physico-chemical, functional and / or technical properties / features, etc.), in order later to permit identification and / or authentication and / or follow-up thereof by means of an atomic local retrieval of the information by means of the STED method.

Speziell für diese Anwendung oder allgemein für jede andere Anwendung kann auch der 3D-Druck/stereolithographische Druck angewandt werden, um die Fluorophore nicht nur an der Oberfläche, sondern auch im Materialvolumen (bulk) selber in atomaren Maßstäben ortsgenau zu positionieren.3D printing / stereolithographic printing can also be used specifically for this application or in general for any other application, so that the fluorophores can be precisely positioned not only on the surface, but also in the bulk material itself at atomic scales.

2.) Optische Falle2.) Optical trap

Wie bereits weiter oben ausführlich beschrieben, wird das STED oder ein vergleichbares Verfahren durchlaufen. Nach Beaufschlagung der Abregungsstrahlung S3 verbleiben nur noch ein oder wenige Fluorophore im Bereich der Nullstelle im fluoreszierenden Zustand Z3. Diese(s) Fluorophor(e) emittieren nun ein oder mehrere Fluoreszenzphotonen.As already described in detail above, the STED or a comparable method is run through. After application of the depletion radiation S3, only one or a few fluorophores remain in the region of the zero point in the fluorescent state Z3. These fluorophore (s) now emit one or more fluorescence photons.

Wenn der Fluorophor nun in einer optischen Falle eingefügt worden ist, dann kann man mittels des STED-Verfahrens die Position des in der optischen Falle (wie beispielsweise in DE 10 2014 005 219 A1 beschrieben) genau lokalisieren. Man kann dann die laserstrahl-gestützte Kühlung von einzelnen Atomen oder Molekülen ortsgenau genau verfolgen. Dies ist wichtig, da der zur Kühlung des Fluorophors oder des mit dem Fluorophor markierten Moleküls eingesetzte Laserstrahl muss genau die richtige Phasenbeziehung an der richtigen Stelle besitzen, damit der Fluorophor/das Molekül durch Abregung auch gekühlt wird. Ansonsten muss, wenn die STED-Messung eine unpassende Ortsposition ergibt, über ein Feedback-Signal die Phase des einfallenden Laserstrahls oder die Position des zu kühlenden Atoms/Moleküls nachgesteuert werden.If the fluorophore has now been inserted in an optical trap, then by means of the STED method, the position of the optical trap (such as in DE 10 2014 005 219 A1 exactly localized). One can then closely track the laser-beam-based cooling of individual atoms or molecules accurately. This is important because the laser beam used to cool the fluorophore or the molecule labeled with the fluorophore must have just the right phase relationship in the right place so that the fluorophore / molecule is also cooled by depletion. Otherwise, if the STED measurement results in an inappropriate spatial position, the phase of the incident laser beam or the position of the atom to be cooled / molecule must be readjusted via a feedback signal.

Anstelle von STED können auch andere Technologien zur Lokalisierung unterhalb der Beugungsgrenze verwenden werden. Instead of STED, other technologies may also be used to locate below the diffraction limit.

3.) FRET-Paar (Donor und Akzeptor)3.) FRET pair (donor and acceptor)

Man kann den STED-Prozess auch mit dem FRET(Förster-Resonanzenergietransfer)-Prozess kombinieren. Dabei stellt das Fluorphor den Akzeptor oder Donor im FRET-Paar (bestehend aus Donor und Akzeptor) dar oder das FRET-Paar dient in seiner Gesamtheit als einzelner Fluorophor. Mittels des FRET-Prozesses lassen sich Rückschlüsse auf die physikalisch-chemische Umgebung ziehen.One can also combine the STED process with the FRET (Förster resonance energy transfer) process. The fluorophore is the acceptor or donor in the FRET pair (consisting of donor and acceptor) or the FRET pair in its entirety serves as a single fluorophore. The FRET process allows conclusions to be drawn about the physical-chemical environment.

Wie bereits weiter oben ausführlich beschrieben, wird das STED oder ein vergleichbares Verfahren durchlaufen. Nach Beaufschlagung der Abregungsstrahlung S3 verbleiben nur noch ein oder wenige Fluorophore im Bereich der Nullstelle im fluoreszierenden Zustand Z3. Diese(s) Fluorophor(e) emittieren nun ein oder mehrere Fluoreszenzphotonen, die auf einen ortsauflösenden Detektor treffen, so dass sich ein hochaufgelöstes Bild der Probe ergibt.As already described in detail above, the STED or a comparable method is run through. After application of the depletion radiation S3, only one or a few fluorophores remain in the region of the zero point in the fluorescent state Z3. These fluorophore (s) now emit one or more fluorescence photons that strike a spatially resolving detector, resulting in a high resolution image of the sample.

Dabei kann der Fluorophor als FRET-Paar vorliegen; oder der Fluorophor kann als Akzeptor des FRET-Paares vorliegen, dann erfolgt die Anregung des Akzeptors mittels des STED-Prozesses hochortsaufgelöst, d. h. der Resonanzenergietransfer zwischen Akzeptor und Donor findet statt, nachdem der Abregungsstrahl S3 die Position des Akzeptors mittels der Nullstelle eingeengt hat, und somit erfolgt die Emission des Fluoreszenzlichtes des Donors ebenfalls hochortsaufgelöst; oder der Fluorophor kann als Donor des FRET-Paares vorliegen, dann erfolgt die Emission des Donors mittels des STED-Prozesses hochortsaufgelöst, nachdem der Abregungsstrahl S3 die Umgebung des Fluorophors bzw. Donors abgeregt hat.The fluorophore can be present as a FRET pair; or the fluorophore may be present as an acceptor of the FRET pair, then the excitation of the acceptor by means of the STED process is highly resolved, d. H. the resonance energy transfer between the acceptor and the donor takes place after the depletion beam S3 has narrowed the position of the acceptor by means of the zero, and thus the emission of the fluorescent light of the donor is also very high resolution; or the fluorophore may be present as a donor of the FRET pair, then the emission of the donor by the STED process is highly resolved after the Abregungsstrahl S3 has de-energized the environment of the fluorophore or donor.

Liegt nun der Fluorophor als FRET-Paar oder als Akzeptor oder Donor des FRET-Paares vor, so lassen sich die hochaufgelösten Ortsinformationen mit den entsprechenden Informationen über die physikalisch-chemische Umgebung an derselben Stelle kombinieren. Man erhält auf die Weise eine superortsaufgelöste räumliche Verteilung (mapping) der physikalisch-chemischen Eigenschaften der untersuchten Probenoberfläche.If the fluorophore is present as a FRET pair or as an acceptor or donor of the FRET pair, then the high-resolution location information can be combined with the corresponding information about the physicochemical environment at the same location. In this way, a super-resolved spatial distribution (mapping) of the physicochemical properties of the examined sample surface is obtained.

Eigentlich stellt dies einen Spezialfall eines Sensors gemäß der ersten Funktionsweise dar.Actually, this represents a special case of a sensor according to the first mode of operation.

Literatur:Literature:

  • [1] Stefan W. Hell and Jan Wichmann: Breaking the diffraction resolution limit by stimulated emission: stimulated-emission-depletion fluorescence microscopy. In: Optics Letters. 19, Nr. 11, 1994, S. 780–782, doi:10.1364/OL.19.000780 .[1] Stefan W. Hell and Jan Wichmann: Breaking the diffusion resolution limit by stimulated emission: stimulated-emission-depletion fluorescence microscopy. In: Optics Letters. 19, No. 11, 1994, pp. 780-782, doi: 10.1364 / OL.19.000780 ,
  • [2] Thomas A. Klar, Stefan W. Hell: Subdiffraction resolution in far-field fluorescence microscopy. In: Optics Letters. Vol. 24, Nr. 14, 1999, S. 954–956, doi:10.1364/OL.24.000954 .[2] Thomas A. Klar, Stefan W. Hell: Subdiffraction resolution in far-field fluorescence microscopy. In: Optics Letters. Vol. 24, No. 14, 1999, pp. 954-956, doi: 10.1364 / OL.24.000954 ,
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  • [27] DE 10 2010 012 857 [27] DE 10 2010 012 857
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Legende:Legend:

1: Elektronisches Termschema beim RESOLFT/STED-Prozess 1 : Electronic Termscheme in the RESOLFT / STED process

2: Prinzip des SIM veranschaulicht im reziproken Raum 2 : Principle of SIM illustrated in reciprocal space

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  • DE 102014005219 A1 [0093] DE 102014005219 A1 [0093]

Claims (1)

Verwendung eines optisch nicht-beugungsbegrenzten optisch hoch- oder superortsauflösendes Mikroskopieverfahrens und/oder -Vorrichtung wie RESOLFT, STED, GSD, PALM, FPALM, PALMIRA, STORM, dSTORM, SIM, 3D-SIM, SMI, SPDM, SPDMphymod mit „blinkenden Farbstoffen”, SOFI, SALM, 4Pi, 4Pi-STED, TIRF, 3D LIMON, LSI-TIRF, SNOM und/oder technische Ableitungen und/oder Kombinationen davon oder mit anderen Mikroskopiemethoden wie beispielsweise FCS oder FCCS zur fluoreszenz-basierten Nanostrukturierung und anderen Anwendungen, die eine Hoch- oder Superortsauflösung erfordern.Use of an optically non-diffraction-limited, optically high- or super-resolution microscopy method and / or apparatus such as RESOLFT, STED, GSD, PALM, FPALM, PALMIRA, STORM, dSTORM, SIM, 3D-SIM, SMI, SPDM, SPDMphymod with "flashing dyes" , SOFI, SALM, 4Pi, 4Pi-STED, TIRF, 3DLIMON, LSI-TIRF, SNOM and / or engineering derivates and / or combinations thereof or other microscopy methods such as FCS or FCCS for fluorescence-based nanostructuring and other applications require a high or super-resolution.
DE102015015497.4A 2015-11-30 2015-11-30 Various applications of high-resolution fluorescence-based microscopy methods (RESOLFT / STED et al.) Based methods, such as fluorescence-based nanostructuring Withdrawn DE102015015497A1 (en)

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