DE102021005684A1 - STED method with hollow fiber optic cables - Google Patents
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Abstract
Es wird eine hochauflösende fluoreszenz-basierte Mikroskopievorrichtung und -verfahren auf Basis von RESOLFT / STED / GSD ausgestattet mit biegsamen hochflexiblen (Mikro-)Hohlkapillaren zur Strahlführung und -formung vorgestellt, um in einer verschmutzten Messumgebung in kritischer Atmosphäre schwer zugängliche Stellen auf einer Probenoberfläche erreichen zu können, ohne dass das energiereiche Anregungslicht (meist und daher bevorzugt im UV-Bereich) und das Fluoreszenzlicht (Emissionslicht meist und daher bevorzugt im Vis/IR-Bereich) eine hohe Dämpfung oder Dispersion besitzen.Dazu werden das Anregungs- und das Emissionslicht mittels einer Hohlkapillare zu den schwer zugänglichen Stellen auf der Probenoberfläche hin- und weggeführt. Dabei ist die Innenseite der Hohlkapillare mit einer speziellen Beschichtung versehen, die durch einen CVD-Prozess, bevorzugt einen OMCVD-, MOCVD-, EOCVD oder OECVD-Prozess oder einen CVI-Prozess, auf die Innenseite der Hohlkapillare aufgebracht worden ist, wodurch das geführte Anregungs- und Emissionslicht eine vernachlässigbare Dämpfung und Dispersion besitzt und außerdem seine Polarisationsrichtung beibehält. Dies ist eine notwendige Voraussetzung, um den RESOLFT-Messvorgang durchführen zu können.A high-resolution fluorescence-based microscopy device and method based on RESOLFT / STED / GSD equipped with flexible, highly flexible (micro) hollow capillaries for beam guidance and shaping is presented in order to reach hard-to-reach places on a sample surface in a polluted measurement environment in a critical atmosphere without the high-energy excitation light (usually and therefore preferably in the UV range) and the fluorescence light (emission light usually and therefore preferably in the Vis/IR range) having high attenuation or dispersion a hollow capillary to and from the hard-to-reach places on the sample surface. The inside of the hollow capillary is provided with a special coating that has been applied to the inside of the hollow capillary by a CVD process, preferably an OMCVD, MOCVD, EOCVD or OECVD process or a CVI process, whereby the guided Excitation and emission light has negligible attenuation and dispersion and also retains its polarization direction. This is a necessary prerequisite to be able to carry out the RESOLFT measurement process.
Description
Stand der Technik:State of the art:
Es folgt zunächst eine Übersicht über die zurzeit gängigen hoch- oder superauflösenden Mikroskopiemethoden. Viele von ihnen basieren auf Fluoreszenztechniken.First, an overview of the currently common high- or super-resolution microscopy methods follows. Many of them are based on fluorescence techniques.
RESOLFT:RESOLFT:
Gemäß [1] umfasst RESOLFT (Reversible Saturable Optical Fluorescence Transitions) die beiden superauflösenden Fluoreszenz-Mikroskopietechniken STED und GSD, wobei STED und GSD verschiedene Realisierungen des RESOLFT-Konzepts darstellen. Allerdings wird in der Literatur manchmal RESOLFT und STED gleichgesetzt oder bezeichnen verschiedene Ausführungsformen desselben Konzepts (
STED:STED:
Das STED (Stimulated Emission Depletion Microscopy) Verfahren beruht auf Übergänge zwischen energetisch unterschiedlichen elektronischen Zuständen, die nacheinander ablaufen [2] - [6].The STED (Stimulated Emission Depletion Microscopy) method is based on transitions between energetically different electronic states that take place one after the other [2] - [6].
Damit das STED Verfahren durchgeführt werden kann, ist es wichtig, dass drei unterschiedliche (elektronische) Zustände oder Energieniveaus in der Probe bzw. in dem die Probe markierenden Fluoreszenzfarbstoff existieren:
- - Der unterste oder energetisch niedrigste Zustand Z1:
- Der energetisch niedrigste Zustand ist ein nicht-fluoreszenter oder nicht-fluoreszenzfähiger Zustand. Er wird auch Dunkelzustand genannt.
- - Der mittlere oder energetisch mittlere Zustand Z2:
- Der energetisch mittlere Zustand ist ein fluoreszenter oder fluoreszenzfähiger Zustand. Er wird auch Hellzustand genannt.
- - The lowest or energetically lowest state Z1:
- The energetically lowest state is a non-fluorescent or non-fluorescent state. It is also called the dark state.
- - The mean or energetically mean state Z2:
- The energetically intermediate state is a fluorescent or fluoresceable state. It is also called the light state.
Den Übergang vom nicht-fluoreszenten Zustand in den fluoreszenten Zustand wird auch Einschalten, 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.
- - Der oberste oder energetisch höchste Zustand Z3:
- Der energetisch höchste Zustand ist ein fluoreszierender Zustand, da das Atom / Molekül in diesem Zustand ein Fluoreszenzphoton emittieren kann. Auch er ist zusammen mit dem fluoreszenzfähigen oder fluoreszenten Zustand Z2 Teil des Hellzustandes.
- - The highest or energetically highest state Z3:
- The energetically highest state is a fluorescent state because the atom/molecule can emit a fluorescence photon in this state. It is also part of the light state together with the fluorescent state Z2.
Der Übergang vom fluoreszenten Zustand in den fluoreszierenden Zustand wird Anregung genannt, der Übergang vom fluoreszierenden Zustand in den fluoreszenten Zustand wird als Abregung oder Stimulation bezeichnet und kann durch stimulierte 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 de-excitation or stimulation and can occur through stimulated emission of fluorescent light. Radiative transitions are also possible (e.g. quenching).
Das Aktivierungs-, Anregungs-, Abregungs- und Deaktivierungslicht können unterschiedliche Wellenlängen besitzen.The activation, excitation, de-excitation and deactivation light can have different wavelengths.
Noch eine ergänzende Anmerkung zu den oben aufgeführten Definitionen:
- Als Hellzustand bezeichnet man den fluoreszenzfähigen Zustand Z2 und eventuell auch den fluoreszierenden Zustand Z3, da durch den Übergang zwischen beiden ein FluoreszenzPhoton emittiert wird, welches mittels eines optischen Detektors detektiert werden kann, so dass dadurch ein hochauflösendes Bild entstehen kann. Somit ist der Hellzustand das Gegenteil vom Dunkelzustand.
- The bright state is the fluorescent state Z2 and possibly also the fluorescent state Z3, since the transition between the two emits a fluorescence photon that can be detected by an optical detector, so that a high-resolution image can be created. Thus, the light state is the opposite of the dark state.
Beim STED Verfahren befinden sich im Ausgangszustand die fluoreszierenden Farbstoffmoleküle (Fluorophore) auf der Probenoberfläche in einem 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 B1 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. Man nennt diesen Lichtstrahl mit dem charakteristischen Donut-Profil auch STED-Lichtstrahl oder auch Fluoreszenzverhinderungs- oder Stimulationslichtstrahl.In the initial state of the STED method, the fluorescent dye molecules (fluorophores) on the sample surface are in a circular area 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 activation or turn-on light S1 with a corresponding wavelength. In a second exposure step, all fluorophores in the area B1 to be detected are brought from the fluorescent state Z2 to the energetically highest fluorescent state Z3 by incident excitation light S2 with a corresponding wavelength. In a third exposure step, the edge area RB1 of the area B1 is de-excited by stimulated emission with a deactivation light beam S3, which has a zero point in the center and an intensity non-zero at the edges, so that the fluorophores located in this edge area RB1 are separated from the fluorescent state Z3 return to the fluorescent state Z2. This light beam with the characteristic donut profile is also called a STED light beam or also a fluorescence prevention or stimulation light beam.
Da der beaufschlagende Abregungslichtstrahl S3 zentral eine Nullstelle besitzt, d.h. also zentral keine Intensität besitzt, bleiben dort die wenigen oder sogar idealerweise 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 eine weitere stimulierte Emission gezielt abzuregen, so dass man den Zeitpunkt der Fluoreszenzemission selber wählen oder festlegen kann.Since the applied de-excitation light beam S3 has a zero in the center, ie has no intensity in the center, the few or even ideally only a single fluorophore in the fluorescent state Z3 remain there. These can now spontaneously return to the fluorescent state Z2 themselves by fluorescence, ie by emission of a fluorescence photon. However, there is now also the possibility of using a further, additional deactivation beam S4 without a central zero point to selectively de-excite the fluorophores remaining in the central zero point in the fluorescent state Z3 by means of a further stimulated emission, so that one can choose or determine the point in time of the fluorescence emission oneself.
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 eine Auslösungsgrenze besitzt, die weit unterhalb von der klassischen nach Abbe liegt.The few fluorophores thus left in the central zero in the fluorescent state Z3 then spontaneously emit or stimulate the fluorescence photons, which then reach the detector surface. Since the emission of fluorescence photons from the fluorophores occurs successively inside and outside the central null, it is thus possible to obtain an image of the surface that has a resolution well below the classical Abbe resolution.
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 Abbe zu erzielen [6]. Jedoch erst durch einen Materialeffekt, nämlich der Sättigung der Abregung mit dem Abregungslichtstrahl lässt sich die Auflösungsgrenze überwinden [6]: wie bereits weiter oben ausgeführt, besitzt die Intensität des Abregungsstrahls S3 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 Abbe erfolgt also nicht auf rein wellenoptischem Wege, sondern wird mit Hilfe eines materialeigenen Effekts, nämlich der Sättigung, erreicht.However, from a purely wave-optical point of view, the de-excitation process itself is also diffraction-limited: if the de-excitation were linear with the intensity of the de-excitation beam, no significant improvement or increase in resolution according to Abbe could be achieved [6]. However, the resolution limit can only be overcome by a material effect, namely the saturation of the de-excitation with the de-excitation light beam [6]: as already explained above, the intensity of the de-excitation beam S3 has a central zero point, which is not stepped, but within the cross-section -Beam profile of the depletion beam, the transition from the edge area RB1 with maximum intensity to the center of the centrally located zero point is continuous, so that the intensity is really only equal to zero in a very, very small, centrally located zero point area NB1 of the zero point. However, even the lowest intensities of the depletion beam are sufficient to completely depopulate the fluorescent state Z3, i.e. to convert all excited electrons from the excited state Z3 to the de-excited state Z2. Thus, the fluorophores remain in the fluorescent state Z3, which corresponds to the center of the zero point of the de-excitation light beam, only in a very, very small sub-area, namely in the area of the zero point NB1. The diameter of this sub-area, namely the area of the zero point NB1, is far below the classic diffraction limit. Falling below the classic optical resolution limit according to Abbe is not achieved purely by wave-optical means, but is achieved with the help of an effect inherent to the material, namely saturation.
Der Abregungsstrahl S3 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) (
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 STED und die anderen Vorgänge auch ohne Fluorophor durchgeführt werden, wodurch ein aufwendiger Prozessschritt (Immobilisieren der Fluorophore) unterlassen werden kann.If the substances to be examined are autofluorescent, i.e. they fluoresce on their own without having to add and immobilize a fluorescent dye (fluorophore), then STED and the other processes can also be carried out without a fluorophore, which means that a complex process step (immobilizing the fluorophores) can be omitted.
Die optischen Eigenschaften der Fluoreszenzstrahlung (Wellenlänge, Intensität, Halbwertszeit, der Lebensdauer, 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 über die physikalisch-chemischen Eigenschaften und über die atomare / molekulare Struktur der unmittelbaren Umgebung des Fluorophors.The optical properties of the fluorescence radiation (wavelength, intensity, half-life, lifetime, 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 about the physico-chemical properties and the atomic/molecular structure of the immediate vicinity of the fluorophore can be drawn from the detected fluorescence radiation, in particular the wavelength, but also from the other optical properties of the emitted fluorescence radiation.
Vom Prinzip lässt sich daher alles, was bei der normalen oder klassischen Fluoreszenzspektroskopie oder -mikroskopie realisiert worden ist (zeitaufgelöste Fluoreszenzmessung, Mapping, Scanning, Lebensdauer-Imaging-Nanoskopie (FLIN) etc.) auch auf STED anwenden und übertragen.In principle, everything that has been realized in normal or classic fluorescence spectroscopy or microscopy (time-resolved fluorescence measurement, mapping, scanning, lifetime imaging nanoscopy (FLIN) etc.) can also be applied and transferred to STED.
RESOLFT:RESOLFT:
Im Allgemeinen bezeichnet man mit RESOLFT einen Oberbegriff, der u.a. STED und GSD umfasst. Jedoch wird in manchen Literaturstellen das RESOLFT-Verfahren wie folgt beschrieben (
So bleiben auf der Probenoberfläche nur noch wenige und räumlich voneinander weit beabstandete Fluorophore im fluoreszenzfähigen Zustand Z2 übrig, die durch Anregungslicht in den fluoreszierenden Zustand Z3 gebracht werden und von dort Fluoreszenzphotonen emittieren können, welches detektiert und zur Bildgebung beitragen können. Falls sich alle Fluorophore im nicht-fluoreszenzfähigen Dunkelzustand Z1 befinden, kann man durch eine geringe Dosis eines Anschaltsignals (Fluoreszenzermöglichungslicht) eine kleine Teilmenge der Fluorophore von dem Dunkelzustand Z1 in den fluoreszenzfähigen Hellzustand Z2 überführen und dann wie weiter oben beschrieben fortfahren.
Im Allgemeinen versteht man jedoch unter der im vorhergehenden Absatz beschriebenen Ausführungsform das GSD-Verfahren, auf das im folgenden Abschnitt noch einmal detailliert eingegangen wird und welches lediglich eines von mehreren Ausführungsformen des grundlegenden RESOLFT-Prinzps darstellt.Only a few fluorophores in the fluorescing state Z2 that are spatially far apart from one another remain on the sample surface, which can be brought into the fluorescing state Z3 by excitation light and from there emit fluorescence photons, which can be detected and contribute to imaging. If all the fluorophores are in the non-fluorescent dark state Z1, one can convert a small subset of the fluorophores from the dark state Z1 to the fluorescent light state Z2 by a small dose of turn-on signal (fluorescence-enabling light) and then proceed as described above.
In general, however, the embodiment described in the previous paragraph is understood to be the GSD method, which will be discussed in detail again in the following section and which represents only one of several embodiments of the basic RESOLFT principle.
GSD:GSD:
Hierzu wird auf die Druckschriften
Beim Dunkelzustand handelt es sich oft um einen langlebigen Triplettzustand. Das Ausführungsbeispiel nach Fall 1 wird noch einmal detailliert erörtert: Vor der Anregung der Fluorophore in den fluoreszierenden Zustand Z3 befinden sich die (meisten) Fluorophore im fluoreszenten Zustand Z2. Durch ein Umschaltsignal kann ein Großteil der sich im Zustand Z2 befindlichen Fluorophore in einen langlebigen Dunkelzustand gelangen, so dass sie für eine Fluoreszenzanregung nicht mehr zur Verfügung stehen. Nun befinden sich nur noch wenige Fluorophore im fluoreszenzfähigen Hellzustand Z2, die voneinander durchschnittlich weit beabstandet sind. Durch ein geeignetes Anregungslicht werden diese wenigen, weit räumlich voneinander entfernten und somit voneinander isolierten Fluorophore in den fluoreszierenden Zustand Z3 gebracht; durch Emission von Fluoreszenzphotonen gelangen sie wieder in den Ausgangszustand Z2 zurück, während die emittierten Fluoreszenzphotonen detektiert und zur Bildgebung verwendet werden können. For this purpose, reference is made to the publications
The dark state is often a long-lived triplet state. The exemplary embodiment according to case 1 is discussed again in detail: Before the fluorophores are excited into the fluorescent state Z3, (most) fluorophores are in the fluorescent state Z2. A switching signal can cause a large part of the fluorophores in the Z2 state to enter a long-lived dark state, so that they are no longer available for fluorescence excitation. Now there are only a few fluorophores in the fluorescent bright state Z2, which are at an average distance from each other. With a suitable excitation light, these few fluorophores, which are far from one another and thus isolated from one another, are brought into the fluorescent state Z3; they return to the initial state Z2 by emitting fluorescence photons, while the emitted fluorescence photons can be detected and used for imaging.
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. 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.In principle, the STED method is not limited to electronic excitation and de-excitation and transitions between electronic electron levels, but other types of excitation and de-excitation, such as between individual vibrational or rotational levels of the fluorophore molecule, also appear possible. For example, if the de-excitation process from Z3 to Z2 occurs between two vibrational levels in the same electronically excited state, then an IR photon may be emitted instead of a UV fluorescence photon; or if the fluorophore is in the Z3 state, in the form of a high vibrational state 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 can then be emission of a fluorescence photon into the electronic ground state. Instead of the normal fluorescence transitions in the STED process, X-ray fluorescence can also be used, especially since X-rays have a very short wavelength, which is advantageous for the resolution.
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 Z1 in den Zustand Z2 oder vom Zustand Z2 in den Zustand Z1 oder von Z2 nach Z3 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.Also other optical or non-optical activation or excitation types, for example by means of Raman processes, elastic or inelastic impact or scattering processes with electrons, protons or other particles, are also conceivable in order to move from an energetically lower state Z1 to an energetically middle state Z2 or from to reach an energetically middle state Z2 to an energetically high state Z3. For example, the fluorophores can be brought from the Z1 state to the Z2 state or from the Z2 state to the Z3 state by means of an applied voltage or opto-acoustic processes, or the fluorophores can be brought from the Z1 state to the Z2 state or from the Z3 state by means of electroluminescence Move Z2 to state Z1 or from Z2 to Z3 or from Z3 to Z2. However, with these alternative types of excitation and de-excitation, through which the fluorophore moves from state Z3 to state Z2 in particular, the spatial resolution would be lost simply because of the missing zero point; unless one masters a process in which particles could release part of the energy at a precise location through inelastic impact or scattering processes in order to (electronically) switch the fluorophore on or off gene, in particular from state Z3 to state Z2, because highly accelerated particles such as electrons according to de Broglie have a wavelength that is far below the optical wavelengths, namely in the lower nanometer range.
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.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 the precise excitation or de-excitation of the fluorophores, since the diameter of the interference fringes or the focus diameter at high particle energy due to the de Broglie relationship can be much smaller than the zero of the de-excitation 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. 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 und somit auch viel geringere Fokusdurchmesser und schmalere Interferenzstreifen erzielen; 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.If the electrons are accelerated to high velocities in order to obtain a very short de Broglie wavelength, but as a result have too high an energy for the resonant excitation or de-excitation of the fluorophore, then the electrons can also graze incident, to only a part of delivering energy to the fluorophore. A further advantage would be that the fluorophore would not be destroyed so easily by a grazing incidence. Because of the greater mass compared to electrons, much shorter wavelengths and thus much smaller focus diameters and narrower interference fringes could be achieved according to the de Broglie relationship with protons and neutrons accelerated to high speeds; however, the danger of destroying the sample or fluorophore by the incursion of these massive particles also increases. Thus, only dead matter such as semiconductor materials could be examined, but not sensitive organic samples.
Es existieren bereits ein paar STED-Verfahren, in denen das Anregungslicht durch Faseroptiken geleitet wird [10] (
Nur wenige STED-Verfahren besitzen eine Faseroptik für den Anregungs- oder Emissionslichtstrahl (
Auch Probenoberflächen, die beispielsweise untersuchungs- oder anwendungsbedingt mit einem Medium bedeckt sind, beispielsweise durch Wasser oder durch Pulver, Sand, Schaum oder Wasserdampf mit einer hohen Absorption gerade für die Anregungs- und/oder Emissionswellenlänge, oder die sich innerhalb fremder Laserstrahlung oder eines Mediums befinden, wie beispielsweise innerhalb von Gasen, Plasmen, Nebel, Dämpfe oder die sonst irgendwie verdreckt sind, sei es durch Rauch oder andere für die Messung schädliche oder aggressive Umgebungsbedingungen am Messarbeitsplatz (hohe Temperatur und/oder Drücke), die sich vor Ort (z.B. in einer Produktionsstätte in einer Fabrik) nicht ohne weiteres abstellen lassen, lassen sich nicht mittels Freiraumoptiken, sondern nur mittels Faseroptiken untersuchen.Also sample surfaces that are covered with a medium, for example due to the examination or application, for example by water or by powder, sand, foam or water vapor with a high absorption especially for the excitation and/or emission wavelength, or which are within foreign laser radiation or a medium are located, such as within gases, plasma, mist, vapors or that are otherwise contaminated in any way, be it through smoke or other environmental conditions at the measuring workplace that are harmful or aggressive for the measurement (high temperature and/or pressure), which can be found on site (e.g. in a production facility in a factory) cannot easily be parked, cannot be examined using free-space optics, but only using fiber optics.
Der Nachteil von Faseroptiken ist jedoch, dass erstens die Dämpfung besonders für UV-Licht, welches oft als energiereiches Anregungslicht verwendet wird, besonders hoch ist (es sei denn, man verwendet Faseroptiken aus reinstem Quarzglas, was sehr teuer ist, oder aus Calciumfluorid, welche schwer herstellbar und kaum kommerziell erwerbbar sind) und zweitens werden die optischen Eigenschaften des Anregungs- und/oder Emissionslichtstrahls wie Polarisation, Intensität, Gruppen- oder Phasengeschwindigkeit, Phase etc. durch die Faseroptiken aufgrund ihrer Materialeigenschaften (Materialdämpfung, Dispersion, Anisotropie, NLO, usw.) auf unerwünschte Weise verändert.The disadvantage of fiber optics, however, is that, firstly, the attenuation is particularly high, especially for UV light, which is often used as high-energy excitation light (unless you use fiber optics made of pure quartz glass, which is very expensive, or of calcium fluoride, which are difficult to produce and hardly commercially available) and secondly, the optical properties of the excitation and/or emission light beam such as polarization, intensity, group or phase velocity, phase, etc. are determined by the fiber optics due to their material properties (material attenuation, dispersion, anisotropy, NLO, etc .) changed in an undesired way.
Bisher ist kein hochauflösendes Mikroskopieverfahren bekannt, welches Probenoberflächen an schwer zu erreichenden Stellen, beispielsweise um die Ecke oder hinter Hinterschneidungen (sog. Zweieinhalb-dimensionale Strukturen in der Mikrotechnik) oder unter Wasser oder in einem fließenden fluiden Medium z.B. in einem Strömungsrohr oder einem Mikrokanal, oder in einer anderen feindlichen Umgebung (z.B. stark verraucht oder mit Wasserdampf vernebelt, wie es oft in Produktionsstätten auch in der Mikrotechnik (Ätzen, Sputtern, Spraying, Coating, Plasmabehandlung u.a.) anzutreffen ist) untersuchen kann, ohne dass das Anregungslicht (oft UV-Strahlung) oder das Emissionslicht (oft im Vis/IR-Bereich) stark absorbiert oder sonst irgendwie manipuliert wird.So far, no high-resolution microscopy method is known which examines sample surfaces in hard-to-reach places, for example around corners or behind undercuts (so-called two-and-a-half-dimensional structures in microtechnology) or under water or in a flowing fluid medium, e.g. in a flow tube or a microchannel. or in another hostile environment (e.g. heavily smoked or misted with water vapor, as is often found in production facilities also in microtechnology (etching, sputtering, spraying, coating, plasma treatment, etc.)) without the excitation light (often UV Radiation) or the emission light (often in the Vis/IR range) is strongly absorbed or otherwise manipulated.
Kapillarhohlstrukturen konnten sich als Kapillaroptiken für die Fokussierung von Röntgen- und Neutronenstrahlung etablieren (
Unter Kapillaroptiken / Hohlkapillaren / Hohlleiter werden hier Strukturen verstanden, die aus einem (Monokapillare oder Monokapillaroptik) oder aus mehreren (Polykapillare, Polykapillaroptiken oder Multikanalstruktur) zueinander räumlich in regelmäßigen Abständen angeordneten, durchgehenden und an den Enden offenen Kanal oder Kanälen bestehen.Capillary optics/hollow capillaries/waveguides are structures that consist of one (monocapillary or monocapillary optics) or several (polycapillary, polycapillary optics or multichannel structure) spatially arranged at regular distances from each other, continuous channels or channels that are open at the ends.
In den optischen Technologien erfolgt die Strahlführung häufig durch optische Komponenten bestehend aus Glas wie zum Beispiel Glasfasern. Kapillaroptiken stellen ähnliche Strahlführungssysteme oder Lichtleiter dar, deren Kanal hohlzylindrisch oder hohlelliptisch aus einer Wandung aus Glas bestehen. Dabei wird der (Röntgen-)Lichtstrahl an der Wandung im Innenkanal der Optik durch eine (äußere oder externe) Totalreflexion reflektiert: Für Röntgenstrahlung ist der Brechungsindex von Materie wenig kleiner als eins. Dies resultiert aus einer Phasengeschwindigkeit der Röntgenstrahlung im Material, die größer ist als die Lichtgeschwindigkeit [11]. Darauf wird weiter unten noch detailliert eingegangen. Im Gegensatz zur allgemein bekannten inneren oder internen Totalreflexion ist die äußere oder externe Totalreflexion meist nur Fachleuten aus der Röntgenoptik geläufig.In optical technologies, the beam is often guided by optical components made of glass, such as glass fibers. Capillary optics represent similar beam guidance systems or light guides, the channel of which consists of a hollow cylindrical or hollow elliptical wall made of glass. The (X-ray) light beam is reflected on the wall in the inner channel of the optics by (external or external) total reflection: For X-rays, the refractive index of matter is slightly less than one. This results from a phase velocity of the X-rays in the material that is greater than the speed of light [11]. This is discussed in more detail below. In contrast to the generally known internal or internal total reflection, the external or external total reflection is usually only known to experts in X-ray optics.
Durch eine ellipsoide Kanalformung kann bei einer Platzierung der Quelle im ersten Brennpunkt besonders hohe Strahlfokussierung im zweiten Brennpunkt erreicht werden. Die Herstellung von Kapillaroptiken erfolgt aus regulär angeordneten, unbeschichteten Glaskapillaren oder Glasstäbchen mit Hilfe verschiedener Zieh- und Sinterprozesse.With an ellipsoidal channel shape, a particularly high beam focusing can be achieved in the second focal point when the source is placed in the first focal point. Capillary optics are manufactured from regularly arranged, uncoated glass capillaries or glass rods using various drawing and sintering processes.
Dabei bestehen Kapillaroptiken zurzeit ausschließlich aus Glas, da Glas wegen seiner einzigartigen technisch-physikalischen und chemischen Eigenschaften (hohe Strahlungsresistenz, sehr gute Formbarkeit, optimale Fließeigenschaften und eine einfache Verarbeitbarkeit) der alleinige Werkstoff ist, der die hohen Anforderungen für die Herstellung von Polykapillarstrukturen uneingeschränkt erfüllt. Zudem weist Glas die erforderliche sehr geringeRauheit auf. Aus der Literatur ist bekannt, dass die Oberflächenrauheit für Flachglas mit rms = 0,2 nm sehr niedrig ist [12].At the same time, capillary optics are currently made exclusively of glass, since glass is the only material that fully meets the high requirements for the production of polycapillary structures due to its unique technical-physical and chemical properties (high radiation resistance, very good formability, optimal flow properties and easy processing). . In addition, glass has the required very low roughness. It is known from the literature that the surface roughness of flat glass is very low at rms = 0.2 nm [12].
Nachteilig bei den Kapillaroptiken ist ihre verhältnismäßig geringe Effizienz, weil der kritische Winkel bei der äußeren oder externen Totalreflexion sehr klein ist. Die Reflektivität von Oberflächen nimmt mit flacher werdendem Einfallswinkel zu. Wie bereits oben diskutiert besitzen sehr viele Festkörper für Röntgenstrahlung eine Brechzahl kleiner als eins; und im Falle einer Brechzahl, die kleiner als eins ist, kann es bei sehr flachen Einfallswinkeln sogar zu einer Totalreflexion kommen. Deshalb werden in der Röntgenoptik häufig Spiegel, aber auch Kapillaroptiken unter streifendem Einfall benutzt. Dadurch wird nur ein sehr geringer Anteil durch die Glaswandung transmittiert.A disadvantage of capillary optics is their relatively low efficiency, because the critical angle for external or total external reflection is very small. The reflectivity of surfaces increases as the angle of incidence becomes flatter. As already discussed above, very many solids have a refractive index of less than one for X-rays; and in the case of a refractive index less than one, total reflection can even occur at very shallow angles of incidence. For this reason, mirrors, but also capillary optics under grazing incidence, are often used in X-ray optics. As a result, only a very small proportion is transmitted through the glass wall.
Durch eine nachträgliche metallische Beschichtung der Kapillaroptik bestehend aus einem Hoch-Z-Material (Material, das aus Elementen mit einer hohen Ordnungszahl Z besteht High-Z-Element) kann der kritische Winkel der Totalreflexion und damit der Raumwinkel signifikant gesteigert werden. Durch eine solche Innenvergütungen konnten deutliche gesteigerte Reflektivität erfolgreich realisiert werden (siehe Liste in Anhang: „Eigene Patente (Jörn Wochnowski)“).Subsequent metallic coating of the capillary optics consisting of a high-Z material (material that consists of elements with a high atomic number Z high-Z element) can significantly increase the critical angle of total reflection and thus the solid angle. Significantly increased reflectivity could be successfully achieved with such an inner coating (see list in the appendix: “Own patents (Jörn Wochnowski)”).
Durch Unebenheiten in der Oberfläche (Oberflächenrauigkeit) entsteht unerwünschte diffuse Streuung. Wenn die Oberflächenrauigkeit deutlich kleiner als die Wellenlänge des zu reflektierenden Lichtes ist, tritt nur eine vernachlässigbare diffuse Streustrahlung im Verhältnis zum reflektierten Anteil auf, so dass Reflexionsbeschichtungen für Strahlung mit einer großen Wellenlänge verhältnismäßig geringe Anforderungen an die Planarität erfordern. Ist jedoch die Oberflächenrauigkeit gleich oder größer als die Wellenlänge des zu reflektierenden Lichtes, kommt es hauptsächlich zu einer diffusen Streustrahlung und nur zu einem sehr geringen Reflexionsanteil.Unevenness in the surface (surface roughness) causes undesired diffuse scattering. When the surface roughness is significantly smaller than the wavelength of the light to be reflected, there is negligible diffuse stray radiation in relation to the reflected fraction, so that reflective coatings for radiation with a long wavelength have relatively low planarity requirements. However, if the surface roughness is equal to or greater than the wavelength of the light to be reflected, there is mainly diffuse scattered radiation and only a very small proportion of reflection.
Unbeschichtete Kapillaroptiken werden bereits mit einer sehr hohen Verbreitung beispielsweise in analytischen Instrumenten, jedoch bisher nicht in STED-Verfahren eingesetzt. Wie bereits weiter oben angedeutet, lassen sich Kapillaroptiken durch geeignete Beschichtungsverfahren von innen nachträglich innenbeschichten / funktionalisieren und damit deutlich leistungssteigern (siehe Liste in Anhang: „Eigene Patente (Jörn Wochnowski)“), worauf im Folgenden detailliert eingegangen wird:
- Hierbei kommt der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) eine besondere Bedeutung zu. Bei der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) wird an der Oberfläche eines Substrates aus der Gasphase infolge einer chemischen Reaktion eine Feststoffkomponente abgeschieden. Dazu werden flüchtige Verbindungen (Precursoren) verwendet, aus denen sich bei bestimmten geeigneten Prozessparametern feste Schichten oder Partikel abscheiden. Im Gegensatz zur verallgemeinerten Definition nach Fischer wird hier aus pragmatischen Gründen eine Differenzierung der Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung nach den Precursorverbindungen in Organometall- (OMCVD), Metallorganische- (MOCVD), Elementorganische- (EOCVD) und Organischeelement- (OECVD) CVD-Verfahren vorgenommen.
- Chemical vapor deposition (CVD) is of particular importance here. In chemical vapor deposition (CVD), a solid component is deposited on the surface of a substrate from the gas phase as a result of a chemical reaction. For this purpose, volatile compounds (precursors) are used, from which solid layers or particles are deposited with certain suitable process parameters. Contrasted with the generalized defi According to Fischer, for pragmatic reasons, the chemical vapor deposition processes are differentiated according to the precursor compounds in organometallic (OMCVD), organometallic (MOCVD), element-organic (EOCVD) and organic element (OECVD) CVD processes.
Für die Substrate, wie beispielsweise Hohlfasern, Faserbündel oder Multikanalstrukturen wird anstelle des CVD-Prozesses das CVI-Verfahren (Chemical Vapour Infiltration) verwendet, dass im Gegensatz zum CVD-Verfahren eine gleichmäßigere Innenbeschichtung dieser Substrate ermöglicht.For the substrates, such as hollow fibers, fiber bundles or multi-channel structures, the CVI (Chemical Vapor Infiltration) process is used instead of the CVD process, which, in contrast to the CVD process, enables a more uniform internal coating of these substrates.
Das Schichtwachstum findet bei der chemischen Gasphasenabscheidung über mehrere komplexe chemische und physikalische Prozesse einhergehend mit einer chemischen Stoffumwandlung statt. Diese lassen sich durch mehrere Teilschritte beschreiben.In chemical vapor deposition, the layer growth takes place via several complex chemical and physical processes accompanied by a chemical conversion. These can be described by several sub-steps.
Im Schritt 1 kommt es zum Antransport der verdampften oder sublimierten gasförmigen Organometall-, Metallorganischen-, Elementorganischen- oder Komplexverbindung(en) infolge von Strömung oder Diffusion an das zu beschichtende Substrat. Die Abscheidung kann dann durch zwei alternative Wege erfolgen: Beim ersten Weg finden Reaktionen in der Gasphase durch Energieeinkopplung statt, wobei die Liganden des Precursors (partiell) abgespalten werden. Die Zwischenstufen des Precursors adsorbieren am Substrat und reagieren analog dem zweiten Weg weiter. Beim zweiten Weg wird der Precursor unzersetzt am Substrat adsorbiert. Die Liganden werden dann erst an der Oberfläche durch Energieeinkopplung in nachfolgenden Oberflächenreaktionen abgespalten. Die abgespaltenen leichtflüchtigen Liganden desorbieren von der Oberfläche und werden abtransportiert [13]. Die einzelnen abgeschiedenen Schicht- und Partikelsysteme können sich in einer Vielzahl von Kriterien wie beispielsweise hinsichtlich ihrer Schichtarten, Partikelgrößen, Partikelgrößenverteilung, Korngrenzen, Schichtdicken, Amorphität oder Kristallinität, Topographie, Dichte, Morphologie, Korrugation (Z beziehungsweise Höhe), Oberflächenrauigkeit, Interfacerauigkeit, mechanische Spannungen, Fehlordnung und Relaxation, Textur, Gitterfehlanpassung, Haftung, chemische Zusammensetzungen und Reinheiten sehr stark voneinander unterscheiden und variieren.In step 1, the evaporated or sublimated gaseous organometallic, organometallic, element-organic or complex compound(s) are transported to the substrate to be coated as a result of flow or diffusion. The deposition can then take place in two alternative ways: In the first way, reactions take place in the gas phase by coupling in energy, with the ligands of the precursor being (partially) split off. The intermediate stages of the precursor adsorb on the substrate and continue to react analogously to the second path. In the second way, the precursor is adsorbed on the substrate without being decomposed. The ligands are then split off only on the surface by coupling in energy in subsequent surface reactions. The volatile ligands that are split off desorb from the surface and are transported away [13]. The individual deposited layer and particle systems can differ in a variety of criteria, such as their layer types, particle sizes, particle size distribution, grain boundaries, layer thicknesses, amorphity or crystallinity, topography, density, morphology, corrugation (Z or height), surface roughness, interface roughness, mechanical Stresses, disorder and relaxation, texture, lattice mismatch, adhesion, chemical compositions, and purities differ and vary widely.
Die Art der abgeschiedenen Schichtstrukturen können durch eine geeignete Wahl der folgenden Prozessbedingungen wesentlich beeinflusst werden:
- • Substratwahl
- • Prozessdrücke
- • Substrattemperaturen
- • Wachstumsraten
- • Verunreinigungen
- • (Thermische) Nachbehandlung(en)
- • Precursor(en)auswahl
- • Choice of substrate
- • Process pressures
- • substrate temperatures
- • growth rates
- • Impurities
- • (Thermal) post-treatment(s)
- • Precursor(s) selection
Abhängig von den verwendeten Beschichtungssubstraten werden sogenannte „growth surfaces“ und „non-growth surfaces“ voneinander unterschieden. Dabei besteht eine enge Korrelation zwischen den jeweils verwendeten Substraten und den auf ihnen abgeschiedenen Schichtstrukturen, die sich teilweise fundamental hinsichtlich ihrer Morphologie, Topographie und ihrer physikalischen beziehungsweise chemischen Zusammensetzungen voneinander unterscheiden können.Depending on the coating substrates used, a distinction is made between so-called "growth surfaces" and "non-growth surfaces". There is a close correlation between the substrates used in each case and the layer structures deposited on them, some of which can fundamentally differ from one another with regard to their morphology, topography and their physical or chemical compositions.
Deswegen kommt der Kenntnis um die Art und die Auswahl des geeigneten Beschichtungssubstrates (Innenseite der Hohlkapillare) eine ebenso große Bedeutung für den Schichtaufbau zu wie der Auswahl der Precursoren, aber auch den Prozessbedingungen wie beispielsweise der Substrattemperatur.Therefore, knowledge of the type and selection of the suitable coating substrate (inside of the hollow capillary) is just as important for the layer structure as the selection of the precursors, but also the process conditions such as the substrate temperature.
Wie bereits weiter oben erwähnt, entsteht durch Unebenheiten in der Oberfläche (Oberflächenrauigkeit) unerwünschte diffuse Streuung. Wenn die Oberflächenrauigkeit deutlich kleiner als die Wellenlänge des zu reflektierenden Lichtes ist, tritt nur eine vernachlässigbare diffuse Streustrahlung im Gegensatz zum reflektierten Anteil auf, so dass Reflexionsbeschichtungen für Strahlung mit einer großen Wellenlänge verhältnismäßig geringe Anforderungen an die Planarität erfordern. Ist jedoch die Oberflächenrauigkeit gleich oder größer der Wellenlänge des zu reflektierenden Lichtes, kommt es hauptsächlich zu einer diffusen Streustrahlung und nur zu einem sehr geringen Reflexionsanteil.As already mentioned above, unevenness in the surface (surface roughness) causes undesired diffuse scattering. When the surface roughness is significantly smaller than the wavelength of the light to be reflected, there is only negligible diffuse stray radiation in contrast to the reflected portion, so that reflective coatings for radiation with a long wavelength have relatively low planarity requirements. However, if the surface roughness is equal to or greater than the wavelength of the light to be reflected, there is mainly diffuse scattered radiation and only a very small proportion of reflection.
Deswegen sind für das extrem kurzwellige Licht wie UV- oder Röntgenlicht Oberflächen, die im sichtbaren Licht absolut planar sind, in der Regel deutlich zu rau. Bei der harten Röntgenstrahlung ist beispielsweise deren Wellenlänge kleiner als der Abstand der Atome im Festkörper, wodurch die atomaren Strukturen der Beschichtung bedeutend werden. Nachträgliche Innenbeschichtungen für die Reflexion von harter Röntgenstrahlung müssen daher Oberflächenqualitäten und -güten aufweisen, die vergleichbar oder besser als die von unbeschichteten Glasoberflächen sind, um den verlustarmen Transport der Strahlung zu gewährleisten.For this reason, surfaces that are absolutely planar in visible light are usually far too rough for extremely short-wave light such as UV or X-ray light. In the case of hard X-rays, for example, the wavelength is smaller than the distance between the atoms in the solid body, which means that the atomic structures of the coating are important. Subsequent interior coatings for the reflection of hard X-rays must therefore have surface qualities and qualities that are comparable to or better than those of uncoated glass surfaces in order to ensure low-loss transport of the radiation.
Dabei stellten sich die Beschichtungsmaterialien Palladium, Wolfram und Platin und deren Verbindungen für die optische Veredelung von Kapillaroptiken (Beschichtung der Innenwandung) als für die STED-Mikroskopie besonders geeignet heraus:
- Beispielsweise ist für EUV-Strahlung mit der Wellenlänge λ= 13,5 nm an einer Grenzfläche aus Quarzglas bei einem typischen Einfallswinkel von 80° bezogen auf das Flächennormal von einem rechnerischen Reflexionsgrad von 30 % auszugehen. Der Reflexionsgrad kann sich auf beispielsweise ca. 75 % steigern lassen, wenn die Oberfläche mit einer idealisierten Metallschicht beispielsweise bestehend aus Palladium modifiziert wird. Unter idealen Bedingungen wird daher eine Steigerung der Effizienz bei der Abbildung eines EUV-Strahls in der STED-Mikroskopie um mehr als einen Faktor zwei in Aussicht gestellt.
- For example, for EUV radiation with a wavelength of λ= 13.5 nm at a quartz glass interface at a typical angle of incidence of 80° relative to the surface normal, a calculated degree of reflection of 30% can be assumed. The degree of reflection can be increased to about 75%, for example, if the surface is modified with an idealized metal layer consisting of palladium, for example. Under ideal conditions, an increase in the efficiency of imaging an EUV beam in STED microscopy by more than a factor of two is therefore promised.
Aufgabenstellung:Task:
Es ist daher Aufgabe dieser Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, welche die Vorteile der bereits bekannten hochauflösenden Mikroskopievorrichtungen und - verfahren wie beispielsweise STED (Auflösung jenseits der klassischen Auflösungsgrenze) mit denen von Faseroptiken, insbesondere Hohlleitern, kombiniert (ausreichend geeignete Strahlführung und -formung zur Erreichbarkeit von schwer zugänglichen Stellen auf der Probenoberfläche und/oder in messtechnisch schwieriger Umgebung), ohne allerdings die üblichen Nachteile von Faseroptiken (insbesondere hohe (Material-)Dämpfung für hochenergetische Strahlung und Dispersion sowie eventuell keine Polarisationserhaltung) in Kauf zu nehmen.It is therefore the object of this invention to provide a device and a method which combines the advantages of the already known high-resolution microscopy devices and methods such as STED (resolution beyond the classic resolution limit) with those of fiber optics, in particular waveguides (sufficiently suitable beam guidance and shaping to reach places on the sample surface that are difficult to access and/or in metrologically difficult surroundings), without however having to accept the usual disadvantages of fiber optics (in particular high (material) attenuation for high-energy radiation and dispersion and possibly no polarization maintenance).
Allgemeiner prinzipieller Lösungsweg:General principle solution:
Daher ist eine zur Faseroptik äquivalente Optik erforderlich, der die Vorteile der Vollkern-Faseroptiken (Anregung und Detektion an Stellen, die man sonst sehr schlecht erreichen kann oder in messtechnischer Hinsicht problematischer Umgebung) und die Vorteile einer freiraumoptischen Anordnung (keine negative Manipulation der Anregungs- und Emissionsstrahlung bezüglich ihrer optischen Eigenschaften, insbesondere Dämpfung, Dispersion und Polarisation) miteinander vereint.Therefore, optics that are equivalent to fiber optics are required, which combine the advantages of solid core fiber optics (excitation and detection in places that are otherwise very difficult to reach or in an environment that is problematic from a metrological point of view) and the advantages of a free-space optical arrangement (no negative manipulation of the excitation and emission radiation in terms of their optical properties, in particular attenuation, dispersion and polarization) are combined with one another.
Als Alternative zur Vollkern-Faseroptik bieten sich hierzu Hohllichtwellenleiter in Form von Kapillaroptiken, wie bspw. mit in optischer Qualität veredelten Innenseiten der (Mikro-)Hohlkapillaren, an, die hier als Hohllichtwellenleiter zur Strahlführung des Anregungs- und des emittierten Fluoreszenzlichts (Detektionslicht) der hochauflösenden Mikroskopievorrichtung und -verfahren eingesetzt werden sollen.As an alternative to solid-core fiber optics, there are hollow fiber optics in the form of capillary optics, such as the inner sides of the (micro) hollow capillaries that are finished in optical quality high-resolution microscopy device and method are to be used.
Dabei muss die Innenseite jedoch entsprechend modifiziert werden, damit das energiereiche UV-Licht oder die Röntgenstrahlung möglichst verlustarm geführt und geleitet (und eventuell geformt) werden kann, ohne dass die Eigenschaften der Strahlung in unerwünschter Weise beeinflusst wird (natürlich bis auf die erwünschte Strahlführung und -formung).However, the inside must be modified accordingly so that the high-energy UV light or X-rays can be guided and guided (and possibly shaped) with as little loss as possible without the properties of the radiation being adversely affected (of course, apart from the desired beam guidance and -forming).
Dazu muss allerdings die Innenseite des Hohlleiters mit einer passenden Beschichtung versehen werden, die erstens das energiereiche Anregungslicht möglichst verlustfrei und ohne negative Beeinflussung leiten kann und zweitens die auch biegsam genug ist, um auch weniger gut zugängliche Stellen zu erreichen und diese mit Anregungslicht zu beaufschlagen bzw. das Emissionslicht einzufangen.To do this, however, the inside of the waveguide must be provided with a suitable coating which, firstly, can conduct the high-energy excitation light with as little loss as possible and without any negative effects, and secondly, which is also flexible enough to reach less accessible areas and to apply excitation light to them or to cool them down to capture the emission light.
Im Folgenden wird dazu ein geeignetes Beschichtungsverfahren vorgestellt, mit denen die Innenseiten der Hohlleiter mittels eines (MO)CVD-Verfahrens beschichtet werden können. A suitable coating process is presented below, with which the inside of the waveguide can be coated using a (MO)CVD process.
Durch dieses (MO)CVD-Verfahren können die physikalisch-chemischen und/oder optischfunktionalen Eigenschaften der Schicht gezielt und in einer kontrollierten Art eingestellt werden. Dazu wird zunächst eine geeignete Kapillarhohlstruktur beispielsweise aus Quarzglas ausgewählt und bereitgestellt. Dabei kann es sich auch um preiswerte, kommerziell erwerbbare Massenware handeln. Diese Kapillarhohlstruktur wird dann zugeschnitten, gereinigt und sonstigen notwendigen Präparationsprozeduren unterworfen und letztendlich auf einer Substrathalterung in den Rezipienten einer (MO)CVD-Anlage eingeschoben.With this (MO)CVD method, the physical-chemical and/or optical-functional properties of the layer can be adjusted in a targeted and controlled manner. For this purpose, a suitable capillary hollow structure, for example made of quartz glass, is first selected and provided. These can also be inexpensive, commercially acquirable mass-produced goods. This capillary hollow structure is then cut to size, cleaned and subjected to other necessary preparation procedures and ultimately pushed into the recipient of a (MO)CVD system on a substrate holder.
Nach zuvor erfolgter Spülung und Evakuierung des Rezipienten werden die geeigneten metallorganischen Precursormaterialien in den Rezipienten unter den erforderlichen Prozessbedingungen eingeleitet. Es werden dann die gewünschten Prozessparameter (Temperatur, Druck, Durchfluss etc.) eingestellt. Da die metallorganischen Precursormaterialien thermodynamisch sehr instabil sind, zerfallen diese bereits unter Normalbedingungen (Raumtemperatur, Normaldruck), indem die metallorganischen Reste von dem metallischen Zentralteilchen (teilweise) abfallen, so dass das metallische Zentralteilchen in der Gasphase und/oder auf der Probenoberfläche (Innenwandung der Quarzkapillarhohlstruktur) freigesetzt werden. Es spielen sich dann die im Stand der Technik diskutierten Defragmentations- und Abscheidungsprozesse statt. Nach erfolgter Abscheidung einer Metallschicht in gewünschten Dicken, d.h. nach einer bestimmten Beschichtungszeit, wird der Abscheidungsprozess unterbrochen, indem die Precursormaterialien aus dem Rezipienten abgepumpt werden.After the recipient has been flushed and evacuated, the appropriate organometallic precursor materials are introduced into the recipient under the required process conditions. The desired process parameters (temperature, pressure, flow rate, etc.) are then set. Since the organometallic precursor materials are thermodynamically very unstable, they already decompose under normal conditions (room temperature, normal pressure) in that the organometallic residues (partly) fall off the metallic central particle, so that the metallic central particle in the gas phase and/or on the sample surface (inner wall of the Quartz capillary hollow structure) are released. The defragmentation and separation processes discussed in the prior art then take place. After a metal layer has been deposited in the desired thickness, i.e. after a certain coating time, the deposition process is interrupted by pumping the precursor materials out of the recipient.
Nach erfolgter Spülung mit einem Inertgas (z.B. hochreines Stickstoff oder Edelgas) kann der Rezipient geöffnet und die Probe entnommen werden. Eventuell schließt sich eine Qualitätsprüfung des so hergestellten innenbeschichteten Hohllichtwellenleiters an.After flushing with an inert gas (e.g. high-purity nitrogen or inert gas), the recipient can be opened and the sample taken. A quality check may be completed of the inner-coated hollow optical waveguide produced in this way.
Damit das Anregungslicht von einer Seite in den so hergestellten innenbeschichteten Hohllichtwellenleiter ein- und auf der anderen Seite wieder ausgekoppelt werden kann, müssen an den Enden des Hohlleiters für STED geeignete Optiken entwickelt werden, um eine möglichst verlustarme Ein- und Auskopplung der durch sie geführten Strahlung zu gewährleisten (siehe Liste in Anhang: „Eigene Patente (Jörn Wochnowski)“).So that the excitation light can be coupled into the inner-coated hollow fiber optic cable produced in this way from one side and out again on the other side, suitable optics must be developed at the ends of the hollow fiber for STED in order to ensure that the radiation guided through them is coupled in and out with as little loss as possible (see list in the appendix: "Own patents (Jörn Wochnowski)").
Außerdem besteht bei einer solchen lichtführenden Optik wie einem Hohlleiter die Möglichkeit einer Temperierung innen. Diese Temperierung kann zum Beispiel durch ein erhitzten oder abgekühlten Trägergasstrom erfolgen, um die Innenbeschichtungen und damit die Substratoberfläche (Hohllichtwellenleiter) auf die gewünschte Temperatur konstant einzustellen. Aus dem derzeitigen Kenntnisstand ist es nicht auszuschließen, dass eine (geringfügige) Abhängigkeit des Reflexionsverhaltens von der Temperatur existiert, welche hier erfindungsgemäß ausgenutzt werden kann.In addition, with such a light-guiding optics such as a waveguide, there is the possibility of temperature control on the inside. This temperature control can take place, for example, by means of a heated or cooled carrier gas flow, in order to keep the inner coatings and thus the substrate surface (hollow optical waveguide) constantly at the desired temperature. From the current state of knowledge, it cannot be ruled out that there is a (slight) dependence of the reflection behavior on the temperature, which can be exploited here according to the invention.
All das bisher Ausgeführte gilt nicht nur für die Vermessung / Charakterisierung einer Probenoberfläche, sondern auch für die „fluoreszenz-basierte“ Nanostrukturierung der Probenoberfläche, wie sie beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung
Dazu wird dann der Anregungsstrahl durch den Hohlleiter geschickt, um auf einer schwer zugänglichen Probenoberfläche die Emission von einem oder ein paar wenigen FluoreszenzPhotonen zu induzieren, die die unmittelbare atomare und/oder molekulare Umgebung strukturieren, modifizieren oder sonst wie verändern können, und zwar mit einer Auflösung, die weit unterhalb der klassischen Auflösungsgrenze nach Abbe liegt. Zwar kann man auch mit einer sogenannten Pendry-Linse bestehend aus einem Material mit einem negativen Brechungsindex theoretisch Probenoberflächen mit einer Auflösung bearbeiten, die jenseits der klassischen Auflösungsgrenze nach Abbe liegt, doch gilt dies nur für mittels Freiraumoptiken leicht zugängliche Stellen auf der Probenoberfläche.For this purpose, the excitation beam is then sent through the waveguide in order to induce the emission of one or a few fluorescence photons on a sample surface that is difficult to access, which can structure, modify or otherwise change the immediate atomic and/or molecular environment, with a Resolution that is far below the classical Abbe resolution limit. Although it is theoretically possible to process sample surfaces with a so-called Pendry lens consisting of a material with a negative refractive index with a resolution that is beyond the classic resolution limit according to Abbe, this only applies to points on the sample surface that are easily accessible using free-space optics.
Konkrete AusführungsbeispieleConcrete examples
Der für den erfindungsgemäßen Gegenstand notwendige STED-Aufbau ähnelt zunächst dem, wie er bereits im Stand der Technik beschrieben worden ist [1] - [9], insbesondere in der deutschen Patentanmeldung
- Die Vorrichtung umfasst eine Lichtquelle 1 mit einem Laser 2 zum Aussenden von Anregungslicht, um die damit zu beaufschlagenden Fluorophore auf der Probenoberfläche von dem fluoreszenten Zustand Z2 auf den fluoreszierenden Zustand Z3 zu bringen, und einem weiteren Laser 3 zum Aussenden von Stimulationslicht bzw. Abregungslicht (Fluoreszenzverhinderungslicht), um die Fluorophore auf der Probenoberfläche vom fluoreszierenden Zustand Z3 wieder zurück auf den fluoreszenten Zustand Z2 zu transferieren. Dabei kann der Stimulationslichtstrahl auch anders, beispielsweise mittels einer Vortex-Phasenplatte oder eines SPM (Spatial Phase Modulator) oder mittels anderer optischer Komponenten, erzeugt werden, wie beispielsweise in
DE 20 2009 007 250 U1 DE 10 2019 008 304 B3 DE 10 2011 055 367 A1 DE 10 2018 132 875 A1 DE 10 2009 056 250 A1 WO 2020/128106 A1
- The device comprises a light source 1 with a laser 2 for emitting excitation light in order to bring the fluorophores on the sample surface to which it is applied from the fluorescent state Z2 to the fluorescent state Z3, and a further laser 3 for emitting stimulation light or de-excitation light ( fluorescence preventing light) to transfer the fluorophores on the sample surface from the fluorescent state Z3 back to the fluorescent state Z2. The stimulation light beam can also be generated differently, for example by means of a vortex phase plate or an SPM (Spatial Phase Modulator) or by means of other optical components, such as in
DE 20 2009 007 250 U1 DE 10 2019 008 304 B3 DE 10 2011 055 367 A1 DE 10 2018 132 875 A1 DE 10 2009 056 250 A1 WO 2020/128106 A1
Ferner sind dichroitische Spiegel 4 und 5 und ein Objektiv 6 zur Strahlführung und -formung installiert, damit das von den Lasern 2 und 3 kommende Anregungslicht und Stimulationslicht auf einen Probenpunkt 7 der Probe 8 gelenkt und fokussiert werden kann. Furthermore, dichroic mirrors 4 and 5 and a lens 6 for beam guidance and shaping are installed, so that the excitation light and stimulation light coming from the lasers 2 and 3 can be directed onto a sample point 7 of the sample 8 and focused.
Die Linse 13 dient zur Anpassung der Divergenz des Anregungslichtstrahls und der Stimulationslichtstrahlen, damit sie in der gleichen Ebene mit Hilfe des Objektivs 6 fokussiert werden können. Als Blenden werden üblicherweise Lochblenden verwendet. Hinter dem Laser 3 sind ein Strahlteiler 23 und ein Spiegel 24 zum Aufteilen des von dem Laser 3 kommenden Strahls in zwei Stimulationslichtstrahlen 17 angeordnet. Die Anordnung ist so gewählt, daß der Anregungslichtstrahl und die Stimulationslichtstrahlen derart auf den Spiegel 4 auftreffen, daß sich die Intensitätsverteilungen der Strahlen nach Umlenken an dem Spiegel 5 und Durchlaufen des Objektivs 6 im Fokalbereich des Objektivs 6 teilweise decken. Die Probe 8 ist auf einem Positioniertisch 10 angeordnet. Der Probenpunkt 7 hat dabei eine Ortsausdehnung, welche hier eine Flächenausdehnung ist. Ein Detektor 9 ist zum Nachweis des von der Probe 8 emittierten Emissionslichts angeordnet, welches durch den dichroitischen Spiegel 5 hindurchtritt und somit vom Anregungslicht separiert wird. Zwischen der Lichtquelle 1 und dem Objektiv 6 ist eine Strahlrastereinrichtung 11 zum gesteuerten Abrastern der Probe 8 mit dem Anregungslicht und dem Stimulationslicht vorgesehen.The lens 13 serves to adjust the divergence of the excitation light beam and the stimulation light beams so that they can be focused in the same plane using the objective lens 6 . Pinhole diaphragms are usually used as diaphragms. A beam splitter 23 and a mirror 24 for dividing the beam coming from the laser 3 into two stimulation light beams 17 are arranged behind the laser 3 . The arrangement is chosen so that the excitation light beam and the stimulation light beams impinge on the mirror 4 in such a way that the intensity distributions of the beams after deflection at the mirror 5 and passing through the lens 6 in the focal area of the lens 6 partially coincide. The sample 8 is placed on a positioning table 10 . The sample point 7 has a spatial extent, which is an area extent here. A detector 9 is arranged to detect the emission light emitted by the sample 8, which passes through the dichroic mirror 5 and is thus separated from the excitation light. Between the light source 1 and the lens 6 is a beam raster device 11 for controlled abrasion tern of the sample 8 provided with the excitation light and the stimulation light.
Im Gegensatz zu der in der deutschen Patentanmeldung
Konkrete Beispiele für Abscheidungsprozesse:Concrete examples of deposition processes:
Konkrete Kapillarhohlstrukturen (Material: Quarzglas, Geometrie wie Durchmesser, Querschnittsgeometrie, Hersteller, Vorbehandlung), konkrete Precursormaterialien: welche MO-Verbindungen, damit welche Metalle abgeschieden werden sollen, Angaben zur Anlage wie Rezipienten (Material, Größe, keine Energieeinkopplung), Angaben zum Abscheidungsprozess wie Prozessparameter (Temperatur, Druck, Durchfluss, Beschichtungsdauer, wieviel Volumen an Precursormaterial muss eingeleitet werden).Specific capillary hollow structures (material: quartz glass, geometry such as diameter, cross-section geometry, manufacturer, pre-treatment), specific precursor materials: which MO compounds and which metals are to be deposited, information on the system such as recipients (material, size, no energy coupling), information on the deposition process such as process parameters (temperature, pressure, flow rate, coating time, how much volume of precursor material has to be introduced).
Bezüglich der konkreten Prozessparameter wird auch die Druckschriften in der Liste der eigenen Patentliteratur verwiesen.With regard to the specific process parameters, reference is also made to the publications in the list of our own patent literature.
Die Herausforderung dabei besteht darin, dass die Hohllichtwellenleiter (Hohlleiter) so ausgestaltet sind, dass die Nullstelle des Fluoreszenzverhinderungslichts erhalten bleibt oder zumindest bei Austritt aus dem Hohlleiter an der richtigen Stelle eine Nullstelle des Fluoreszenzverhinderungslichts entsteht, da diese für das STED/RESOLFT-Verfahren essentiell ist. Dies kann realisiert werden, indem man geeignete Mikrooptiken vorne und hinten an den Enden des Hohlleiters implementiert, so dass dadurch die Abregungs- oder Fluoreszenzverhinderungsstrahlung dermaßen geführt und geformt wird, dass am Austrittsende des Hohllichtwellenleiters beispielsweise durch Abbildung eben diese Nullstelle entsteht. Denkbar ist es auch, dass am Austrittsende des Hohlleiters eine Vortex-Phasenplatte implementiert wird.The challenge here is that the hollow light waveguides (waveguides) are designed in such a way that the zero point of the fluorescence prevention light is retained or at least a zero point of the fluorescence prevention light is created at the correct point when it exits the waveguide, as this is essential for the STED/RESOLFT process is. This can be achieved by implementing suitable micro-optics at the front and rear of the ends of the waveguide, so that the de-excitation or fluorescence-preventing radiation is guided and shaped in such a way that this zero point is created at the exit end of the waveguide, for example by imaging. It is also conceivable that a vortex phase plate is implemented at the exit end of the waveguide.
Der Hohleiter kann aber auch so ausgestaltet werden, dass sich in diesem Hohlleiter Modenfelder ausbilden können, die zentral in der Mitte ein Intensitätsminimum besitzen. Dazu muss der Hohlleiter eine geeignete Geometrie aufweisen. Voraussetzung ist aber, dass die Hohleiter für die Strahlführung und Strahlformung von UV-Licht geeignet ist, d.h. die Innenbeschichtung der Hohlleiter muss so ausgestaltet sein, dass erstens der Reflexionsgrad für diesen Wellenlängenbereich besonders gut ist, damit die Dämpfung nicht zu hoch wird, und zweitens dass andere Anforderungen wie Polarisationserhaltung u.a. gewährleistet werden, damit die Kohärenz des durch den Hohlleiter geführten Lichts aufrechterhalten und somit am Austrittsende der Hohlfaser das Licht interferenzfähig bleibt.However, the waveguide can also be designed in such a way that mode fields can form in this waveguide which have an intensity minimum in the center. For this purpose, the waveguide must have a suitable geometry. However, the prerequisite is that the waveguide is suitable for guiding and shaping the beam of UV light, i.e. the inner coating of the waveguide must be designed in such a way that, firstly, the degree of reflection is particularly good for this wavelength range so that the attenuation is not too high, and secondly that other requirements such as polarization maintenance, etc. are guaranteed so that the coherence of the light guided through the waveguide is maintained and the light thus remains capable of interference at the exit end of the hollow fiber.
Um den Reflexionsgrad zu erhöhen, kann die Innenbeschichtung auch in Form eines dielektrischen Spiegelschichtsystems aufgebaut werden. Dazu werden mehrere Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes und genau eingestellter Schichtdicke aufeinander abgeschieden, so dass ein Mehrschichtensystem aus übereinander abgelagerten Schichten entsteht, die Licht einer bestimmten Wellenlänge und für einen bestimmten Einfallswinkel (Mode) fast 100% reflektieren kann. Anstelle von oder ergänzend zu den Multischichtsystemen sind auch Gradientenschichten vorstellbar oder auch keine vollständigen Beschichtungen, die nicht die gesamte Oberfläche der Innenseite der Mikrokapillare bedeckt, sondern nur streifenweise oder gar punktuell, so dass an anderen Stellen auf der Innenseite der Kapillare andere Multischichtsysteme für andere Wellenlängen und/oder andere Moden (Einfallswinkel) implementiert werden können. Dadurch können dann mehrere Wellenlängen gleichzeitig durch den Hohllichtwellenleiter geleitet werden.In order to increase the degree of reflection, the inner coating can also be constructed in the form of a dielectric mirror layer system. For this purpose, several layers with different refractive indices and a precisely adjusted layer thickness are deposited one on top of the other, so that a multi-layer system of layers deposited one on top of the other is created, which can reflect light of a certain wavelength and for a certain angle of incidence (mode) almost 100%. Instead of or in addition to the multi-layer systems, gradient layers are also conceivable or no complete coatings that do not cover the entire surface of the inside of the microcapillary, but only in strips or even at certain points, so that other multi-layer systems for other wavelengths can be used at other points on the inside of the capillary and/or other modes (angles of incidence) can be implemented. As a result, several wavelengths can then be guided simultaneously through the hollow light waveguide.
Auch muss untersucht werden, inwiefern Krümmungen des Hohllichtwellenleiters Einfluss auf die Intensitätsverteilung innerhalb des geführten Lichtfeldes haben kann, insbesondere auf die Nullstelle am Austrittsende des Hohlleiters.It must also be investigated to what extent curvature of the waveguide can influence the intensity distribution within the guided light field, in particular the zero point at the exit end of the waveguide.
Der Hohllichtwellenleiter, insbesondere das Substratmaterial, sollte deswegen aus einem (hoch)flexiblen, (hoch)elastischen und mechanisch belastbaren Material hergestellt werden, um die Eigenschaft einer elastischen Verformung zu besitzen, damit es reversibel und flexibel gekrümmt werden kann, um erstens die eventuell unter einer Flüssigkeitsschicht begrabene Probenoberfläche einfacher abrastern zu können und um zweitens auch an verdeckte Oberflächen wie Hinterschneidungen gelangen zu können.The hollow light waveguide, in particular the substrate material, should therefore be made of a (highly) flexible, (highly) elastic and mechanically resilient material in order to have the property of elastic deformation, so that it can be bent reversibly and flexibly, firstly to possibly under to be able to scan the sample surface buried in a liquid layer more easily and, secondly, to be able to access hidden surfaces such as undercuts.
Dazu müssen die Schichten wie folgt hergestellt werden, damit sie die folgenden funktionaloptischen Eigenschaften besitzen:
- Zunächst ist ein exzellentes Reflexionsvermögen, abhängig von der Wellenlänge, bevorzugt im UV- oder kürzerwelligen Spektralbereich, erforderlich. Hierzu muss die Rauheit der Schichtoberfläche kleiner oder gleich der Wellenlänge der eingesetzten Strahlung sein, damit die Reflexion nicht diffus und ungerichtet wird. Vorzugsweise bestehen die Beschichtungen aus nicht oxidierbaren Edelmetallen, was eine hohe Langzeitbeständigkeit sicherstellt. Bevorzugt sind Innenbeschichtungen so auszugestalten, um die Dispersionen zu minimieren. Hierzu zählen u.a. auch die bereits oben genannten dielektrischen Schichten.
- First of all, excellent reflectivity is required, depending on the wavelength, preferably in the UV or shorter wavelength spectral range. For this purpose, the roughness of the Layer surface must be smaller than or equal to the wavelength of the radiation used, so that the reflection is not diffuse and undirected. The coatings are preferably made of non-oxidizable precious metals, which ensures high long-term durability. Inner coatings are preferably designed in such a way as to minimize dispersion. These include, inter alia, the dielectric layers already mentioned above.
In einer besonderen Ausführungsform werden die Hohlkapillaren bevorzugt bestehend aus (Quarz)Glas, welches eigentlich ein hochsprödes und mechanisch wenig beanspruchbares Material darstellt, da nicht sehr biegsam und damit unflexibel ist, durch eine Außenbeschichtung mittels eines sogenannten Claddings versehen, wobei es sich beim Cladding um ein von Glas verschiedenes Material wie bevorzugt ein metallhaltiges oder keramisches Material oder besonders bevorzugt ein polymeres Material handelt, um unter anderem die Ultrahochvakuumstabilität und damit die verlustfreie Licht- und Energieübertragung mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit auch bei (starker) Biegung zu gewährleisten. Der Vorteil dieser Ausführungsform einer solchen Hohlkapillare versehen mit der weiter oben beschriebenen Außenbeschichtung (Cladding) ist, dass dadurch die oben genannten Nachteile eliminiert werden und damit die für die Anwendungen in der STED-Mikroskopie erforderlichen hochflexiblen und hochbiegsamen sowie mechanisch sehr beanspruchbaren Hohllichtwellenleiter bereitgestellt werden können.In a particular embodiment, the hollow capillaries are preferably made of (quartz) glass, which is actually a highly brittle and mechanically less resilient material because it is not very flexible and therefore inflexible, provided with an outer coating by means of a so-called cladding a material other than glass, such as preferably a metal-containing or ceramic material or particularly preferably a polymeric material, in order to ensure, among other things, the ultra-high vacuum stability and thus the loss-free light and energy transmission at the vacuum light speed even with (strong) bending. The advantage of this embodiment of such a hollow capillary provided with the outer coating (cladding) described above is that it eliminates the above-mentioned disadvantages and thus the highly flexible and highly flexible and mechanically very resilient hollow optical waveguides required for applications in STED microscopy can be provided .
Ausblick:Outlook:
Ein weiterer Vorteil der Hohlleiter gegenüber der Vollkern-Faseroptik besteht auch darin, dass man mittels des Hohlleiters auch Partikelstrahlung wie bspw. Elektronen-, Protonen-, Ionen- oder Neutronenstrahlung transportieren kann. Wie bereits im Kapitel „Stand der Technik“ dargelegt, ist es auch denkbar, mittels Anregungsstrahlung und/oder STED-Strahlung (Fluoreszenzverhinderungs- oder Stimulationsstrahlung) in Form von Partikel- oder Korpuskelstrahlung (Elektronen-, Protonen-, Neutronen- oder lonenstrahlung etc.) die zu untersuchende Probenoberfläche zu beaufschlagen. Dies ist mit einer Vollkern-Faseroptik nicht möglich, unabhängig davon, ob diese aus Glas oder Polymer hergestellt wird. Desweiteren kann mittels des erfindungsgemäßen innenbeschichteten Hohlleiters die Partikelstrahlung nicht nur geleitet und geführt, sondern auch geformt und deren strahlungsoptischen Eigenschaften beeinflusst werden. Eventuell sind dazu extern angelegte (statische oder zeitlich veränderliche /dynamische, homogene oder inhomogene) elektrische, magnetische und / oder elektromagnetische Felder notwendig.Another advantage of the waveguide compared to solid-core fiber optics is that the waveguide can also be used to transport particle radiation such as electron, proton, ion or neutron radiation. As already explained in the "Prior art" chapter, it is also conceivable to use excitation radiation and/or STED radiation (fluorescence prevention or stimulation radiation) in the form of particle or corpuscular radiation (electron, proton, neutron or ion radiation, etc.) ) to act on the sample surface to be examined. This is not possible with solid core fiber optics, whether made of glass or polymer. Furthermore, by means of the internally coated waveguide according to the invention, the particle radiation can not only be directed and guided, but also shaped and its radiation-optical properties can be influenced. Externally applied (static or time-varying/dynamic, homogeneous or inhomogeneous) electrical, magnetic and/or electromagnetic fields may be necessary for this.
Literatur:Literature:
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1. Innenbeschichtete Hohllichtwellenleiter, Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung (Hollow waveguide used in medicine and in structural analysis comprises a channel structure having an inner coating with a specified thickness)
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2. Oberflächenmodifizierte Hohlraumstrukturen, Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung (Surface-modified structures, useful e.g. in optical or catalytic applications, comprise substrate, e.g. of glass, silicate primary coating and secondary coating, e.g. of metal)
Patente:
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3. Modifizierte Multikanalstrukturen und deren Verwendung (Modified multichannel structures and their production and use)
Patente:
WO 2008/135542 A1 EP55458 20080505 DE 10 2007 020 800 A1 DE 10 2007 020 800 A1 DE200710020800 20070503 DE10 2007 020 800 B4 EP 2 152 928 A1 WO 2008/135542 A1 EP55458 20080505 DE 10 2007 020 800 A1 DE 10 2007 020 800 A1 DE200710020800 20070503 DE10 2007 020 800 B4 EP 2 152 928 A1 -
4. Fabrication of microtips and nanotips for use in scanning field microscopy
Patente:
WO 2007/079975 A1 EP12588 20061228 WO 2007/079975 A8 DE200510063127 20051230 DE 10 2005 063 127 A1 DE 10 2005 063 127 B3 US 2009/138996 A1 EP 1 969 606 A1 WO 2007/079975 A1 EP12588 20061228 WO 2007/079975 A8 DE200510063127 20051230 DE 10 2005 063 127 A1 DE 10 2005 063 127 B3 U.S. 2009/138996 A1 EP 1 969 606 A1
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Stefan W. Hell: Toward fluorescence nanoscopy. In: Nature Biotechnology, Vol. 21, No. 11, Nov 2003, Seiten 1347 - 1355 |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117433456A (en) * | 2023-12-14 | 2024-01-23 | 深圳市天域方兴科技有限公司 | Capillary uniformity monitoring method and system |
CN117433456B (en) * | 2023-12-14 | 2024-02-23 | 深圳市天域方兴科技有限公司 | Capillary uniformity monitoring method and system |
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