DE112018002120T5

DE112018002120T5 - Hochempfindliche messeinheit mit einem fallensystem mit parallelen dipolleitungen

Info

Publication number: DE112018002120T5
Application number: DE112018002120.3T
Authority: DE
Inventors: Oki Gunawan
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2017-07-12
Filing date: 2018-07-05
Publication date: 2020-01-02
Anticipated expiration: 2038-07-06
Also published as: DE112018002120B4; CN110914664B; GB2579291B; CN110914664A; JP2020527701A; US10222350B2; GB202001281D0; GB2579291A; WO2019012386A1; US20190017965A1; JP7015903B2

Abstract

Es wird eine hochempfindliche Kraftmesseinheit unter Verwendung eines magnetischen PDL-Fallensystems bereitgestellt. Gemäß einem Aspekt enthält die Kraftmesseinheit: eine PDL-Falle mit einem Paar Dipolleitungsmagnete und einem oberhalb der Dipolleitungsmagnete schwebenden diamagnetischen Stab; ein Betätigungselement mit einer Verlängerungsstange nahe der PDL-Falle; ein an dem diamagnetischen Stab angebrachtes erstes Untersuchungsobjekt; und ein an der Verlängerungsstange angebrachtes zweites Untersuchungsobjekt, wobei das Betätigungselement dazu dient, das zweite Untersuchungsobjekt mittels der Verlängerungsstange zu der PDL-Falle oder von dieser weg zu bewegen. Auch ein Verfahren zur Kraftmessung unter Verwendung der vorliegenden Kraftmesseinheit wird bereitgestellt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft magnetische Fallensysteme mit parallelen Dipolleitungen (Parallel Dipole Line, PDL) und insbesondere eine hochempfindliche Kraftmesseinheit unter Verwendung eines PDL-Fallensystems.
Hintergrund der Erfindung
Oft besteht ein Bedarf, Messungen sehr schwacher Kräfte an verschiedenen Objekten mit schwachen Wechselwirkungen durchzuführen, zum Beispiel van-der-Waals-Kräfte, chemische Bindungskräfte und Casimir-Kräfte. Siehe zum Beispiel Leckband et al., „Forces controlling protein interactions: theory and experiment", Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 14 (August 1999), Seiten 83 bis 97. Herkömmliche Messtechniken in diesem System sind jedoch komplex und kostspielig.
Deshalb wäre eine verbesserte hochempfindliche Kraftmesseinheit wünschenswert.
Kurzdarstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt eine hochempfindliches Kraftmesseinheit bereit, in der ein magnetisches Fallensystem mit parallelen Dipolleitungen (PDL) verwendet wird. Die Kraftmesseinheit enthält: eine PDL-Falle mit einem Paar Dipolleitungsmagneten und einen diamagnetischen Stab, der oberhalb der Dipolleitungsmagnete schwebt; ein Betätigungselement mit einer Verlängerungsstange nahe der PDL-Falle; ein an dem diamagnetischen Stab angebrachtes erstes Untersuchungsobjekt; und ein an der Verlängerungsstange angebrachtes zweites Untersuchungsobjekt, wobei das Betätigungselement dazu dient, das zweite Untersuchungsobjekt durch die Verlängerungsstange zur PDL-Falle hin oder von dieser weg zu verschieben.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Kraftmessung bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet: Bereitstellen einer Kraftmesseinheit mit einem Paar Dipolleitungsmagnete, einen oberhalb der Dipolleitungsmagnete schwebenden diamagnetischen Stab und ein Betätigungselement mit einer Verlängerungsstange nahe der PDL-Falle; Anbringen eines ersten Untersuchungsobjekts an dem diamagnetischen Stab; Anbringen eines zweiten Untersuchungsobjekts an der Verlängerungsstange; Verschieben des zweiten Untersuchungsobjekt mittels der Verlängerungsstange zur PDL-Falle hin oder von dieser weg; und Messen einer Verschiebung des diamagnetischen Stabes in der PDL-Falle als Funktion einer Position des zweiten Untersuchungsobjekts.
Ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung sowie weiterer Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen gewonnen.
Figurenliste

1 ist ein Schaubild einer Vorderansicht, das eine beispielhafte Kraftmesseinheit auf der Grundlage einer Falle mit parallelen Dipolleitungen (PDL) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
2 ist ein Schaubild einer Draufsicht, das die Kraftmesseinheit auf der Grundlage einer PDL-Falle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
3 ist ein Schaubild, das die Grundgedanken der Funktionsweise der vorliegenden Kraftmesseinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
4 ist ein Schaubild einer Draufsicht, das eine beispielhafte Verfahrensweise zum Betreiben der vorliegenden Kraftmesseinheit gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung für den Fall veranschaulicht, dass Anziehungskräfte zwischen Objekten vorliegen;
5 ist ein Schaubild einer Draufsicht einer beispielhaften Verfahrensweise zum Betreiben der vorliegenden Kraftmesseinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für den Fall veranschaulicht, dass Abstoßungskräfte zwischen Objekten vorliegen;
6 ist ein Schaubild einer Seitenansicht, das ein Verwenden einer Lichtquelle und von Fotodetektoren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Ermitteln einer Position eines Stabes in der PDL-Falle veranschaulicht;
7 ist ein Schaubild, das eine Seitenansicht eines kapazitiven Sensorsystems mit einer Elektrode gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Ermitteln einer Position eines Stabes in der PDL-Falle veranschaulicht; und
8 ist ein Schaubild, das eine beispielhafte Verfahrensweise zur Kraftmessung unter Verwendung der vorliegenden Kraftmesseinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Hierin wird eine hochempfindliche Kraftmesseinheit unter Verwendung eines Fallensystems mit parallelen Dipolleitungen (PDL) bereitgestellt, das aus einem Paar transversaler zylindrischer Magnete (TCM) besteht. Ein diamagnetischer zylindrischer Stab wie beispielsweise ein diamagnetischer Stab (z.B. aus Grafit) ist in der Mitte der Falle festgehalten. Der diamagnetische zylindrische Stab ist in einer schwachen eindimensionalen magnetischen Potenzialmulde (Camelback-Potenzial) entlang der Achse der Falle eingeschlossen, die stabiles Festhalten garantiert. Siehe zum Beispiel Gunawan et al., „A parallel dipole line system", Applied Physics Letters 106, Seiten 062407-1 bis 5 (Februar 2015) (im Folgenden „Gunawan"); und US-Patentschrift 8 895 355 , US-Patentschrift 9 093 377 und US-Patentschrift 9 236 293 , sämtlich erteilt an Cao et al., mit dem Titel „Magnetic Trap for Cylindrical Diamagnetic Materials“.
Der diamagnetische Stab wird an einem ersten Untersuchungsobjekt (einem Objekt, dessen Wechselwirkungskraft gemessen werden soll) angebracht. Ein zweites Untersuchungsobjekt wird an einem Betätigungsmechanismus angebracht, der Justieren der Position des zweiten Objekts (in Bezug auf das erste Objekt) ermöglicht. Gemäß einer im Folgenden ausführlich beschriebenen beispielhaften Ausführungsform enthält der Betätigungsmechanismus eine Verlängerungsstange, die durch ein piezokeramisches Betätigungselement (das lineares Bewegen der Verlängerungsstange auf der Grundlage einer angelegten Spannung bewirkt) angetrieben wird.
Durch den Betätigungsmechanismus wird das zweite Objekt auf der Verlängerungsstange zu dem an dem diamagnetischen Stab angebrachten ersten Objekt hin oder von diesem weg bewegt. Wenn das zweite Objekt auf der Verlängerungsstange dem ersten Objekt angenähert wird, bewirkt eine Wechselwirkungskraft zwischen den Objekten, dass das erste Objekt (und der diamagnetische Stab, an dem es angebracht ist) durch das zweite Objekt angezogen oder abgestoßen wird. Durch Analysieren dieser Verschiebung als Funktion der Position des (zweiten) Objekts kann die Wechselwirkungskraft zwischen den Objekten als Funktion des Abstands ermittelt werden.
Die Einzelheiten eines PDL-Fallensystems, die auf die vorliegenden Techniken zutreffen, werden aus der im Folgenden bereitgestellten Beschreibung ersichtlich. Allgemein besteht eine PDL-Falle jedoch aus einem magnetischen System mit parallelen Dipolleitungen, die aus einem Paar transversal (auch als quer bezeichnet) magnetisierter zylindrischer Magnete hergestellt sind, die natürlich miteinander verbunden sind. Die Magnete haben eine längliche Form wie beispielsweise ein Zylinder, eine Stange oder ein Streifen, deren Magnetisierung in der Querrichtung (senkrecht zur Längsachse) verläuft. Diese Magnete werden hierin als „Dipolleitung“ oder als „Quer“-Magnete bezeichnet. Ein diamagnetisches zylindrisches Objekt wie beispielsweise ein Grafitstab kann in der Mitte in der Falle festgehalten werden und schwebt oberhalb des Paars Quermagnete. Die entscheidende Entdeckung und das Hauptmerkmal der PDL-Falle besteht im Vorliegen einer „magnetischen Potenzialmulde“ (camelback magnetic potential) entlang der Längsachse (z-Achse), d.h. stärkerer Magnetfelder am Rand der Dipolleitung, die bei Quermagneten mit einer Länge auftreten, die die kritische Länge L_C überschreitet, wobei L_C ≈2,5α für ein Paar des zylindrischen quermagnetisierten Systems gilt, wobei α gleich dem Radius des Magneten ist.
Die zylindrischen Magnete einer PDL-Falle brauchen jedoch einander nicht zu berühren. Zum Beispiel kann zwischen den Magneten ein Spalt g offen bleiben, und die Feldverteilung bleibt identisch und ist nur um einen konstanten Faktor schwächer. Solange der Spalt kleiner als ein kritischer Spalt g_c ist (d.h., wenn der Stab durch die Falle fällt), bleibt der diamagnetische Stab im Schwebezustand oberhalb der Magnete. Ein bemerkenswerter Vorteil des Öffnens eines Spalts zwischen den Magneten besteht darin, dass dadurch Platz zwischen den Magneten geschaffen wird, der für verschiedene Vorrichtungen oder Experimente geeignet ist, z.B. kann ein Lichtstrahl senkrecht (zwischen den Magneten) verlaufen, um ein Objekt zu detektieren. Ein weiterer bemerkenswerter Vorteil besteht darin, dass Untersuchungsobjekte besser in den Zwischenraum zwischen den Magneten passen und sich während der Messung frei hin und zurück bewegen können.
Um einen Spalt zwischen den Magneten in einer PDL-Falle zu öffnen, gibt es eine Anzahl verschiedener Techniken. Zum Beispiel kann ein Abstandhalter fester Größe zwischen den Magneten angeordnet werden, wobei die Größe des Abstandhalters gleich der Spaltbreite ist. Zwar können zum Wechseln der Spaltbreite Abstandhalter verschiedener Größe ausgewechselt werden, jedoch hat jeder Abstandhalter eine feste Abmessung. Für ein besser abstimmbares System kann eine Vorrichtung mit veränderlicher Spaltbreite verwendet werden, bei der die Magnete jeweils auf getrennten Halterungen angebracht sind und die Halterungen enger zusammen oder weiter auseinander bewegt werden können (z.B. unter Verwendung eines verstellbaren Schraubenmechanismus). Zwar wird in der folgenden Beschreibung eine Vorrichtung mit veränderlicher Spaltbreite verwendet, jedoch stellt dies lediglich ein Beispiel dar, und ein fester Abstandhalter kann in derselben Weise wie beschrieben eingesetzt werden.
Nunmehr wird eine beispielhafte Kraftmesseinheit 100 gemäß den vorliegenden Techniken unter Bezugnahme auf die 1 (Vorderansicht) und 2 (Draufsicht) ausführlich beschrieben. 1 zeigt eine Kraftmesseinheit 100, die eine PDL-Falle mit einem Paar zylindrischer Magnete (als „PDL-Magnete“ bezeichnet), die auf einer Vorrichtung (als „Haltevorrichtung“ bezeichnet) befestigt sind, und einen diamagnetischen Stab (z.B. einen Grafitstab) enthält, der oberhalb der Magnete schwebt. 1 zeigt, dass durch die Haltevorrichtung ein Spalt g zwischen den Magneten erzeugt wird. Oben wurde bereits beschrieben, dass aufgrund eines Spaltes zwischen den Magneten optische Sensoren zum Erfassen einer Position des diamagnetischen Stabes in der PDL-Falle verwendet werden können (z.B., wenn eine Lichtquelle und Lichtsensoren an einer Oberseite/Unterseite der PDL-Falle so angeordnet werden, dass der diamagnetische Stab dazwischen passt - siehe unten).
Mittels der Haltevorrichtung kann ein ,fester‘ Spalt zwischen den Magneten erzeugt werden (siehe 1), oder die Haltevorrichtung kann wie oben beschrieben einen Schraubenmechanismus enthalten, der die (getrennt an den Magneten angebrachten) Haltevorrichtungen enger zusammen oder weiter auseinander bewegt, um den Spalt zu verändern. Ferner kann stattdessen wie oben beschrieben ein fester Abstandhalter zwischen den Magneten verwendet werden, um den Spalt zu erzeugen.
Der Betätigungsmechanismus ist sichtbar, wenn die Kraftmesseinheit 100 von oben betrachtet wird. Siehe 2. 2 zeigt, dass der Betätigungsmechanismus auf einer Seite der PDL-Falle angeordnet ist und ein Betätigungselement enthält, das die Bewegung einer Verlängerungsstange zur PDL-Falle hin oder von dieser weg steuert - siehe unten).
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform handelt es sich bei dem Betätigungselement um ein piezokeramisches Betätigungselement, das auf der Grundlage einer angelegten Spannung eine lineare Bewegung der Verlängerungsstange erzeugt. Piezokeramische Betätigungselemente sind im Handel verfügbar, zum Beispiel von PI (Physik Instrumente) LP, Auburn, Massachusetts. Die Verlängerungsstange ist vorzugsweise aus einem nichtferromagnetischen Material wie beispielsweise Kunststoff, Acrylharz oder einem nichtmagnetischen Metall wie Kupfer und/oder Messing gebildet.
2 zeigt, dass ein erstes Untersuchungsobjekt an dem diamagnetischen Stab und ein zweites Untersuchungsobjekt an der Verlängerungsstange angebracht sind. Dabei ist zu beachten, dass das erste Objekt an einem Ende des diamagnetischen Stabes nahe/gegenüber der Verlängerungsstange und das zweite Objekt an einem Ende der Verlängerungsstange nahe/gegenüber dem diamagnetischen Stab angebracht sind. Allgemein können zwei beliebige Objekte angebracht werden, zwischen denen eine Wechselwirkungskraft unter Verwendung der Kraftmesseinheit 100 gemessen werden soll. Lediglich beispielhaft kann es sich bei Objekt 1 und Objekt 2 um ein beliebiges Testmaterial wie Metalle oder synthetische Materialien und/oder Biomaterialien wie Proteine, genetisches Material (beispielsweise Desoxyribonucleinsäure (DNA) oder Ribonucleinsäure (RNA) oder anorganische Materialien wie Moleküle und/oder Verbindungen, Metalle usw. handeln. Die zu testenden Objekte können an der Spitze des Grafitstabes und am Ende der Verlängerungsstange (siehe z.B. 2) zum Beispiel unter Verwendung eines Klebstoffs wie beispielsweise Epoxidharz angebracht werden. Lediglich beispielhaft kann es sich bei den zu messenden Wechselwirkungen zwischen den Objekten um elektrostatische Kräfte, van-der-Waalssche Kräfte oder Casimir-Kräfte handeln. Die Größe der zu testenden Objekte ist dadurch begrenzt, dass der als Halterung dienende diamagnetische Stab schweben bleiben muss. Genauer gesagt, wenn das an dem Stab angebrachte Objekt zu groß ist, bleibt dieser nicht mehr schweben.
Nunmehr werden die Grundgedanken des Betriebs der vorliegenden Kraftmesseinheit ausführlich unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Gemäß der obigen Beschreibung wird das erste Untersuchungsobjekt an dem diamagnetischen Stab angebracht (der oberhalb der PDL-Falle schwebt), und das zweite Untersuchungsobjekt wird an der durch das Betätigungselement gesteuerten Verlängerungsstange angebracht. Wenn das zweite Objekt auf der Verlängerungsstange näher an das erste Objekt herangeführt wird, bewirkt eine Wechselwirkungskraft zwischen den Objekten, dass das erste Objekt (und der diamagnetische Stab, an dem dieses angebracht ist) zu dem zweiten Objekt gezogen (oder, je nach der Kraft, von diesem abgestoßen) wird. Durch Analysieren dieser Verschiebung als Funktion der Position des (zweiten) Objekts können die Wechselwirkungskräfte zwischen den Objekten als Funktion des Abstands ermittelt werden. Siehe 3.
Genauer gesagt, der diamagnetische Stab liegt auf der magnetischen PDL-Potenzialmulde mit einer Federkonstanten k_z Diese Federkonstante kann aus der Resonanzfrequenz der Falle nach der Formel k_z = ω² m ermittelt werden, wobei ω=2πf und f gleich der Kreisfrequenz der Falle sind. Wie oben erwähnt erstreckt sich die magnetische Potenzialmulde entlang der Längsachse (z-Achse) der PDL-Falle. Wenn die Verlängerungsstange (durch das Betätigungselement) betätigt und das zweite Objekt näher an das erste Objekt herangeführt wird, bewegt sich das erste Objekt/der diamagnetische Stab aufgrund der Wechselwirkungskraft innerhalb der Falle um eine Strecke Δz. Wenn zum Beispiel zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt eine Anziehungskraft wirkt und das zweite Objekt näher an das erste Objekt herangeführt wird, bewegt sich das erste Objekt/der diamagnetische Stab auf das zweite Objekt zu (in diesem Fall zur rechten Seite der PDL-Falle). Wenn jedoch zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt eine Abstoßungskraft wirkt und das zweite Objekt näher an das erste Objekt herangeführt wird, bewegt sich das erste Objekt/der diamagnetische Stab von dem zweiten Objekt weg (in diesem zur rechten Seite der PDL-Falle). Zwar ist in 3 der erstere Fall (Anziehungskraft) veranschaulicht, jedoch gelten in beiden Fällen dieselben Grundgedanken. Das Verschieben des diamagnetischen Stabes um eine Strecke Δz wird als Funktion F(r) des Abstandes (r) zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt gemessen: $F (r) = k_{z} Δ z .$
Vorzugsweise wird die Verlängerungsstange verschoben, um einen anderen Wert von r zu erhalten, und die auf der Änderung der Verschiebung Δz des Stabes beruhende Messung wird ein weiteres Mal oder mehrmals wiederholt. Dadurch können Gesetzmäßigkeiten für die Abhängigkeit vom Abstand ermittelt werden (d.h., wie die Kraft vom Abstand zwischen den Objekten abhängt).
Nunmehr wird ein beispielhaftes Verfahren zum Betreiben der vorliegenden Kraftmesseinheit unter Bezugnahme auf den Verfahrensablauf 400 von 4 beschrieben, der in Form von Draufsichten auf die Kraftmesseinheit dargestellt wird. In Schritt 402 wird die oben beschriebene PDL-Kraftmesseinheit bereitgestellt, die ein Paar auf einer Halterung (die einen Spalt g zwischen den Magneten erzeugt) befestigter zylindrischer Magnete, einen oberhalb der Magnete schwebenden diamagnetischen Stab (z.B. einen Grafitstab) und ein Betätigungselement (z.B. ein piezokeramisches Betätigungselement) mit einer Verlängerungsstange nahe einer Seite der PDL-Falle hat. Ein erstes Untersuchungsobjekt ist an dem diamagnetischen Stab und ein zweites Untersuchungsobjekt an der Verlängerungsstange angebracht. Siehe Schritt 402 in 4). Die PDL-Kraftmesseinheit dient zum Messen der (Anziehungs- oder Abstoßungs-) -Kräfte zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt.
In Schritt 404 wird das Betätigungselement dazu verwendet, das zweite Objekt mittels der Verlängerungsstange zu einer ersten Position zu verschieben. Bei dem in 4 gezeigten Beispiel liegt die erste Position näher an dem ersten Objekt als bei der ursprünglichen Anordnung in Schritt 402. In diesem Fall wirken zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt Anziehungskräfte, und durch Verschieben des zweiten Objekts näher zu dem ersten Objekt werden das erste Objekt, und zusammen mit diesem der diamagnetische Stab, in Richtung des zweiten Objekts (d.h. auf dieses zu) verschoben. Bei diesem Beispiel, das nicht als Einschränkung zu verstehen ist, ist das Betätigungselement auf der rechten Seite der PDL-Falle angeordnet. Wenn das zweite Objekt näher zur rechten Seite der PDL-Falle herangeführt wird, wird somit auch das erste Objekt (und mit diesem der diamagnetische Stab) zur rechten Seite der PDL-Falle angezogen. Die Strecke, um die das erste Objekt/der diamagnetische Stab innerhalb der Falle verschoben wird, ist proportional der Kraft (in diesem Fall der Anziehungskraft) zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt und der Position des zweiten Objekts. Die Position des zweiten Objekts ist ein bestimmender Faktor, da die Kräfte zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt umso größer sind, je näher das erste und das zweite Objekt einander sind. Gemäß einem nicht als Einschränkung zu verstehenden Beispiel sind das erste und das zweite Objekt in der ursprünglichen Anordnung (siehe zum Beispiel Schritt 402) möglicherweise weit genug voneinander entfernt, sodass das erste Objekt/der diamagnetische Stab in der PDL-Falle nicht verschoben wird und der diamagnetische Stab (aufgrund der magnetischen Potenzialmulde) in der Mitte der PDL-Falle ruht (d.h. Δz = 0). In der ersten Position ist der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt verringert, und die Wirkung der Anziehungskräfte zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt reicht aus, das erste Objekt/den diamagnetischen Stab in der PDL-Falle zu verschieben. Dann kann das zweite Objekt zu einer oder mehreren weiteren Positionen entweder näher zur PDL-Falle oder weiter von dieser weg verschoben werden, um zu sehen, wie sich Verringern oder Vergrößern des Abstands zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt auf das Verschieben auswirken. Dann kann die Gesetzmäßigkeit für die Abhängigkeit der Kraft vom Abstand für das Objekt ermittelt werden. Zum Veranschaulichen dieser Idee in einem einfachen Beispiel kann das zweite Objekt schrittweise näher an die PDL-Falle herangeführt werden, bis es zu einer höchstmöglichen Verschiebung des ersten Objekts/des diamagnetischen Stabes in der PDL-Falle kommt. Dann wird das zweite Objekt schrittweise weiter von der PDL-Falle entfernt, bis das erste Objekt/der diamagnetische Stab wieder in der Mitte der PDL-Falle liegt. Das Ausmaß des Verschiebens des ersten Objekts/des diamagnetischen Stabes in der PDL-Falle hängt von der Differenz zwischen dem geringstmöglichen beziehungsweise dem höchstmöglichen Abstand ab.
In Schritt 404 wird das (allfällige) Verschieben des ersten Objekts/des diamagnetischen Stabes von der Mitte der PDL-Falle gemessen. Im Folgenden wird ausführlich beschrieben, dass eine Anzahl verschiedener Techniken zum Messen der Position des ersten Objekts/des diamagnetischen Stabes in der PDL-Falle und somit möglicher Verschiebungen in Erwägung gezogen werden. Zum Beispiel können Techniken zum optischen Abtasten (beispielsweise durch digitale Videoerfassung oder Fotodetektoren) oder kapazitive Abtasttechniken verwendet werden.
In Schritt 406 wird das Betätigungselement dazu verwendet, das zweite Objekt mittels der Verlängerungsstange zu einer zweiten Position zu verschieben, und wiederum wird die (allfällige) Verschiebung des ersten Objekts/des diamagnetischen Stabes in der PDL-Falle gemessen. Dabei wird wie oben davon ausgegangen, dass das Ausmaß der Verschiebung des ersten Objekts/des diamagnetischen Stabes in der PDL-Falle als Funktion des Abstandes zwischen den Objekten (der auf der Grundlage der Position des zweiten Objekts gesteuert wird) analysiert wird, sodass durch Bewegen des zweiten Objekts zu einer anderen Position in Bezug auf die PDL-Falle (z.B. in Bezug auf die erste Position näher an der PDL-Falle oder weiter von dieser entfernt) dieser Einflussfaktor der Abhängigkeit der Kraft vom Abstand abgeleitet werden kann. Zum Beispiel kann bei dem in 4 gezeigten Beispiel die zweite Position der PDL-Falle näher liegen als die erste Position. In diesem Fall wird durch Annähern der Objekte in Schritt 406 die Verschiebung des Objekts/des diamagnetischen Stabes in der PDL-Falle vergrößert. Das ist jedoch nicht immer der Fall. Zum Beispiel kann die erste Position aufgrund der Anziehungskräfte zwischen den Objekten zu einer höchstmöglich erreichbaren Verschiebung führen. In diesem Fall wird die Verschiebung durch Annähern der Objekte nicht größer. Außerdem stellen die in 4 gezeigten Schritte zwischen den Positionen nur Beispiele zum Veranschaulichen der vorliegenden Techniken dar. Es sollte klar sein, dass bei Bedarf viele andere Positionen näher an der PDL-Falle oder weiter von ihr entfernt in der oben beschriebenen Weise untersucht werden können.
Diese Abhängigkeit der Kraft vom Abstand kann auch durch Bewegen des zweiten Objekts von der PDL-Falle weg zu einer dritten Position ermittelt werden. Siehe zum Beispiel Schritt 408. Wie bei diesem Beispiel kann nach dem Aufzeichnen der Verschiebung des ersten Objekts/des diamagnetischen Stabes (z.B. an der Position 1 und/oder der Position 2) das zweite Objekt wieder von der PDL-Falle weg bewegt werden, um die Abhängigkeit der Kraft vom Abstand zu ermitteln. Dies kann wiederum schrittweise über eine oder mehrere andere in der Figur nicht gezeigte Positionen erfolgen. Grundsätzlich nimmt der Einfluss der Anziehungskraft in Bezug auf die magnetische Potenzialmulde mit größerer Entfernung der Objekte voneinander ab. Infolge der verringerten Anziehungskraft kehrt das erste Objekt/der diamagnetische Stab wieder zurück zur Mitte der PDL-Falle, was in Schritt 408 gezeigt ist. 4 zeigt wie oben beschrieben, dass der Prozess an einer Vielfalt verschiedener Positionen wiederholt werden kann, um die Abhängigkeit der Kraft vom Abstand zu ermitteln.
Der Vollständigkeit halber zeigt 5 einen beispielsweisen Verfahrensablauf 500 (der in Form von Draufsichten der Kraftmesseinheit gezeigt wird) zum Betreiben der vorliegenden Kraftmesseinheit für den Fall von Abstoßungskräften zwischen den Objekten. Ebenso wie oben beschrieben wird in Schritt 502 die vorliegende PDL-Kraftmesseinheit bereitgestellt, die ein Paar auf einer Halterung ( die einen Spalt g zwischen den Magneten erzeugt) befestigter zylindrischer Magnete, einen oberhalb der Magnete schwebenden diamagnetischen Stab (z.B. einen Grafitstab) und ein Betätigungselement (z.B. ein piezokeramisches Betätigungselement) mit einer Verlängerungsstange an einer Seite der PDL-Falle hat. Ein erstes Untersuchungsobjekt ist an dem diamagnetischen Stab und ein zweites Untersuchungsobjekt an der Verlängerungsstange angebracht. Siehe Schritt 402 in 4.
In Schritt 504 wird das Betätigungselement dazu verwendet, das zweite Objekt mittels der Verlängerungsstange zu einer ersten Position zu verschieben. Bei dem in 5 gezeigten Beispiel liegt die erste Position näher an der PDL-Falle als bei der ursprünglichen Anordnung in Schritt 502. In diesem Fall wirken zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt Abstoßungskräfte, und durch Verschieben des zweiten Objekts näher zu dem ersten Objekt werden das erste Objekt und der diamagnetische Stab von dem zweiten Objekt weg verschoben. Bei diesem Beispiel ist das Betätigungselement auf der rechten Seite der PDL-Falle angeordnet. Somit wird aufgrund der Abstoßungskräfte das erste Objekt (und zusammen mit diesem der diamagnetische Stab) zur linken Seite der PDL-Falle hin abgestoßen, wenn das zweite Objekt näher zur rechten Seite der PDL-Falle verschoben wird. Die Strecke, um die das erste Objekt/der diamagnetische Stab innerhalb der Falle verschoben wird, ist proportional der Kraft (in diesem Fall der Abstoßungskraft) zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt und der Position des zweiten Objekts.
Somit wird das zweite Objekt in der ersten Position näher an die PDL-Falle herangeführt, und die Auswirkungen der Abstoßungskräfte zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt erweisen sich als ausreichend, das erste Objekt/den diamagnetischen Stab in der PDL-Falle zu verschieben (ebenso wie oben wird davon ausgegangen, dass die Objekte bei der in Schritt 502 gezeigten ursprünglichen Anordnung weit genug voneinander entfernt sind, sodass die Kraft zwischen den Objekte nicht zu einem Verschieben des ersten Objekts/des diamagnetischen Stabes in der PDL-Falle führt). Dann kann das zweite Objekt zu einer oder mehreren weiteren Positionen entweder näher zur PDL-Falle oder von dieser weg verschoben werden, um zu sehen, wie sich Verringern oder Vergrößern des Abstands zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt auf die Verschiebung auswirken. Dann kann die Gesetzmäßigkeit für die Abhängigkeit der Kraft vom Abstand für das Objekt ermittelt werden.
In Schritt 504 wird die (allfällige) Verschiebung des ersten Objekts/des diamagnetischen Stabes (an der ersten Position) gemessen und in Schritt 506 das Betätigungselement verwendet, das zweite Objekt mittels der Verlängerungsstange (die bei diesem Beispiel der PDL-Falle immer noch näher ist) zu einer zweiten Position zu verschieben, und die (allfällige) Verschiebung des ersten Objekts/des diamagnetischen Stabes in der PDL-Falle wird erneut gemessen. Die in 5 gezeigten schrittweisen Veränderungen der Position dienen lediglich als Beispiele, um die vorliegenden Techniken zu veranschaulichen, und es ist klar, dass bei Bedarf viele andere Positionen näher an der PDL-Falle und/oder weiter von dieser entfernt in der oben beschriebenen Weise untersucht werden können. Dabei wird davon ausgegangen, dass das Ausmaß der Verschiebung des ersten Objekts/des diamagnetischen Stabes in der PDL-Falle als Funktion des Abstandes zwischen den Objekten (der auf der Grundlage der Position des zweiten Objekts gesteuert wird) analysiert wird, sodass durch Bewegen des zweiten Objekts zu einer anderen Position in Bezug auf die PDL-Falle (z.B. in Bezug auf die erste Position näher zur PDL-Falle oder weiter von dieser entfernt) dieser Einflussfaktor der Abhängigkeit der Kraft vom Abstand abgeleitet werden kann. Je nach der Stärke der Kraft zwischen den Objekten kann es einen Punkt geben, jenseits dessen Bewegen des zweiten Objekts näher zur PFL-Falle zu einem weiteren Verschieben des ersten Objekts/des diamagnetischen Stabes in der PDL-Falle führt.
Die Abhängigkeit der Kraft vom Abstand kann durch Bewegen des zweiten Objekts wieder zurück zur PDL-Falle ermittelt werden. Siehe zum Beispiel Schritt 508, wo das zweite Objekt zu einer dritten Position verschoben wird. Zum Beispiel kann nach dem Aufzeichnen der Verschiebung des ersten Objekts/des diamagnetischen Stabes (z.B. an der Position 1 oder der Position 2) das zweite Objekt wieder von der PDL-Falle weg bewegt werden, um die Abhängigkeit der Kraft vom Abstand zu untersuchen. Dies kann wiederum schrittweise über eine oder mehrere in der Figur nicht gezeigte Positionen erfolgen. Mit zunehmender Entfernung der Objekte voneinander nimmt der Einfluss der Anziehungskraft in Bezug auf die magnetische Potenzialmulde ab, und das erste Objekt/der diamagnetische Stab kehrt wieder zurück zur Mitte der PDL-Falle, was in Schritt 508 gezeigt ist. 5 zeigt, dass der Prozess an einer Vielfalt verschiedener Positionen wiederholt werden kann, um die Abhängigkeit der Kraft vom Abstand zu ermitteln.
Hierin werden mehrere verschiedene Optionen zum Untersuchen/Messen der Position des Stabes in der PDL-Falle dargestellt. Gemäß einer in 6 gezeigten ersten beispielhaften Ausführungsform werden zum Detektieren der Position des Stabes in der PDL-Falle eine Vielzahl Fotodetektoren und eine Lichtquelle verwendet. Genauer gesagt, 6 zeigt eine oberhalb der PDL-Falle angeordnete Lichtquelle unterhalb der PDL-Falle angeordnete Fotodetektoren (FD). Diese FD sind mit einem Fotodetektor-Differenzverstärker verbunden, der Fotostromsignale von beiden FD empfängt, diese verstärkt und das Verschiebungssignal des festgehaltenen Objekts ausgibt. Als geeignete Lichtquellen kommen infrage, ohne darauf beschränkt zu sein, Glühlampen, Leuchtdioden und/oder Laser, und als geeignete Fotodetektoren kommen infrage, ohne darauf beschränkt zu sein, Halbleiter-Fotodioden und/oder Fotowiderstände (Light-Dependent Resistor, LDR).
Die Lichtquelle und die Fotodetektoren dienen dann zum Ermitteln der Position des Stabes in der PDL-Falle. 6 zeigt, dass der Stab während seiner Bewegung innerhalb der PDL-Falle zwischen die Lichtquelle und die Fotodetektoren gelangt. In diesem Beispiel sind zweite Fotodetektoren gezeigt. Dies dient aber nur zur Veranschaulichung, und bei Bedarf können mehr (oder weniger) Fotodetektoren verwendet werden. Wenn sich der Stab zur linken Seite der Falle hin bewegt, verhindert er, dass Licht von der Lichtquelle den Fotodetektor auf der linken Seite erreicht. Das Licht von der Lichtquelle erreicht jedoch den Fotodetektor auf der rechten Seite. Wenn sich der Stab zur rechten Seite der PDL-Falle hin bewegt, verhindert er, dass Licht von der Lichtquelle den Fotodetektor auf der rechten Seite erreicht. Hingegen erreicht Licht von der Lichtquelle den Fotodetektor auf der linken Seite.
Gemäß einer anderen beispielhaften Ausführungsform wird die Position des Stabes der PDL-Falle unter Verwendung kapazitiver Abtasttechniken detektiert. Siehe zum Beispiel 7. Allgemein beinhaltet kapazitives Abtasten Anordnen mindestens eines Elektrodenpaars oberhalb der Dipolleitungsmagnete der PDL-Falle (sodass sich der Stab frei in das Elektrodenpaar und wieder aus diesem heraus bewegen kann, ohne die Elektroden zu berühren, und dabei in einem Schwebezustand verbleibt). Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform enthält jedes Elektrodenpaar ein Paar Hüllelektroden (siehe Querschnittsansicht in 7), die den (schwebenden) Stab umschließen und so einen Kondensator bilden, dessen Kapazität von der Position des Stabes abhängt. Ein Kapazitätsmesser dient zum Messen der Kapazität der Hüllelektroden. Wenn sich der Stab in der PDL-Falle bewegt, ändert sich die Kapazität. Auf diese Weise kann durch Messen der Kapazität die Position des Stabes in der PDL-Falle ermittelt werden.
7 zeigt, dass das Elektrodenpaar oberhalb der PDL-Falle (von einer Seite der PDL-Falle entfernt) angeordnet ist, und ein Kapazitätsmesser ist mit den Elektroden verbunden und dient wie oben erläutert zum Messen der Kapazität. 7 zeigt, dass sich die Kapazität des Stabes im Bereich -1/2 < z < l ändert, wenn sich die Position des Stabes in der PDL-Falle ändert, wobei z gleich der Position der Stabmitte und l gleich der Stablänge ist.
In der US-Patentanmeldung 15/131443 wird beschrieben, dass die Kapazität eines Systems wie des in 7 gezeigten wie folgt angegeben werden kann: $C (z) = {\begin{matrix} C_{0} + Δ C & z < - l / 2 \\ C_{0} - Δ C (z + l / 2) / l & - l / 2 < z < l / 2 \\ C_{0} & z > l / 2 \end{matrix}$
wobei C₀ gleich der Ausgangskapazität ohne Stab und ΔC gleich der größtmöglichen Änderung der Kapazität ist, wenn sich der Stab vollständig innerhalb der Elektroden befindet. Somit kann die Position der Stabmitte z aus der gemessenen Kapazität für -1/2 < z < l/2 ermittelt werden. Somit kann bei Kenntnis der Stabverschiebung (Δz) und der Bewegung des Betätigungselements der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt (r) ermittelt werden.
Im Hinblick auf die obige Beschreibung stellt 8 einen beispielhaften Verfahrensablauf zum Messen der Kraft zwischen zwei Untersuchungsobjekten (d.h. einem ersten Objekt und einem zweiten Objekt) unter Verwendung der vorliegenden Kraftmesseinheit bereit. In Schritt 802 werden das erste Untersuchungsobjekt an dem Stab und das zweite Untersuchungsobjekt an der Verlängerungsstange angebracht. Bei den Objekten kann es sich wie oben beschrieben um zwei beliebige Objekte handeln, zwischen denen eine Kraft (z.B. Anziehungskraft oder Abstoßungskraft) gemessen werden soll. Lediglich beispielhaft kann es sich bei den Objekten um Biomaterialien wie Proteine, genetisches Material wie Desoxyribonucleinsäure (DNS) oder Ribonucleinsäure (RNS) oder anorganisches Material wie Moleküle und/oder Verbindungen, Metalle usw. handeln.
In Schritt 804 dient die Verlängerungsstange zum Betätigen des zweiten Objekts, um das zweite Objekt zu einer ersten Position (Position 1) in Bezug auf die PDL-Falle zu bewegen. Während das zweite Objekt in Schritt 804 auf die PDL-Falle zu oder von dieser weg bewegt werden kann, liegt bei diesem Beispiel die erste Position näher an der PDL-Falle. Oben wurde beschrieben, dass sich aufgrund der Kraft zwischen den Objekten durch diese Bewegung des zweiten Objekts zu der ersten Position die Position des ersten Objekts und des Stabes in der PDL-Falle verändert. Zum Beispiel bewirkt eine Anziehungskraft, dass sich das erste Objekt und der Stab in der PDL-Falle näher zu dem zweiten Objekt bewegen, wohingegen eine Abstoßungskraft bewirkt, dass sich das erste Objekt und der Stab in der PDL-Falle von dem zweiten Objekt weg bewegen. In Schritt 806 wird die Verschiebung des Stabes als Funktion des Abstandes (r) zwischen den Objekten gemessen, d.h. des Abstandes zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt. Somit kann die Kraft F als Funktion des Abstandes r, d.h. F(r), zwischen dem ersten Objekt und dem zweiten Objekt ermittelt werden.
Zum Ermitteln der Abhängigkeit vom Abstand bei der Kraftmessung siehe oben; sodann wird in Schritt 808 das zweite Objekt (durch Bewegen der Verlängerungsstange um eine bekannte Strecke) zu mindestens einer zweiten Position (Position 2) verschoben, die entweder näher zur PDL-Falle oder weiter weg von dieser liegt als die erste Position (Position 1), und erneut wird die Position des Stabes in der PDL-Falle gemessen, d.h., während sich das zweite Objekt an der Position 2 befindet. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird das zweite Objekt zum Beispiel schrittweise näher zu der PDL-Falle und/oder von dieser weg bewegt und nach jeder Bewegung die Position des Stabes in der Falle gemessen.
Zwar sind hierin anschauliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden, jedoch sollte klar sein, dass die Erfindung nicht auf diese genauen Ausführungsformen beschränkt ist und dass ein Fachmann verschiedene andere Änderungen und Modifikationen vornehmen kann, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8895355 [0007]
US 9093377 [0007]
US 9236293 [0007]
US 15131443 [0034]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

van-der-Waals-Kräfte, chemische Bindungskräfte und Casimir-Kräfte. Siehe zum Beispiel Leckband et al., „Forces controlling protein interactions: theory and experiment“, Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 14 (August 1999), Seiten 83 bis 97 [0002]
Gunawan et al., „A parallel dipole line system“, Applied Physics Letters 106, Seiten 062407-1 bis 5 (Februar 2015) (im Folgenden „Gunawan“) [0007]

Claims

Kraftmesseinheit, die aufweist: eine Falle mit parallelen Dipolleitungen (PDL) mit einem Paar Dipolleitungsmagnete und einem oberhalb der Dipolleitungsmagnete schwebenden diamagnetischen Stab; ein Betätigungselement mit einer Verlängerungsstange nahe der PDL-Falle; ein an dem diamagnetischen Stab angebrachtes erstes Untersuchungsobjekt; und ein an der Verlängerungsstange angebrachtes zweites Untersuchungsobjekt, wobei das Betätigungselement dazu dient, das zweite Objekt mittels der Verlängerungsstange zur PDL-Falle hin oder von dieser weg zu bewegen.
Kraftmesseinheit nach Anspruch 1, wobei das Paar Dipolleitungsmagnete durch einen Spalt g voneinander getrennt ist.
Kraftmesseinheit nach Anspruch 1, wobei das erste Untersuchungsobjekt und das zweite Untersuchungsobjekt jeweils aus der Gruppe ausgewählt werden, die besteht aus: Proteinen, genetischem Material, Desoxyribonucleinsäure, Ribonucleinsäure, Molekülen, Verbindungen, Metallen und deren Kombinationen.
Kraftmesseinheit nach Anspruch 1, wobei das Betätigungselement dazu dient, auf der Grundlage einer angelegten Spannung eine lineare Bewegung der Verlängerungsstange zu erzeugen.
Kraftmesseinheit nach Anspruch 1, wobei das Betätigungselement ein piezokeramisches Betätigungselement aufweist.
Kraftmesseinheit nach Anspruch 1, die ferner aufweist: eine Lichtquelle oberhalb der PDL-Falle; und mindestens einen Fotodetektor unterhalb der PDL-Falle gegenüber der Lichtquelle, der dazu dient, eine Position des diamagnetischen Stabes in der PDL-Falle zu detektieren, während der diamagnetische Stab zwischen die Lichtquelle und den mindestens einen Fotodetektor tritt.
Kraftmesseinheit nach Anspruch 6, wobei die Lichtquelle aus der Gruppe ausgewählt wird, die besteht aus: einer Glühlampe, einer Leuchtdiode, einem Laser und Kombinationen derselben.
Kraftmesseinheit nach Anspruch 6, wobei der mindestens eine Fotodetektor aus der Gruppe ausgewählt wird, die besteht aus: einer Halbleiter-Fotodiode, einem Fotowiderstand und Kombinationen derselben.
Kraftmesseinheit nach Anspruch 1, die ferner aufweist: mindestens ein Paar Elektroden oberhalb der PDL-Falle, sodass der diamagnetische Stab zwischen das mindestens eine Paar Elektroden und das Paar Dipolleitungsmagnete treten kann.
Kraftmesseinheit nach Anspruch 9, die ferner aufweist: einen Kapazitätsmesser, der mit dem mindestens einen Paar Elektroden verbunden ist.
Verfahren zur Kraftmessung, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen einer Kraftmesseinheit, die eine PDL-Falle mit einem Paar Dipolleitungsmagnete, einem oberhalb der Dipolleitungsmagnete schwebenden diamagnetischen Stab und eine Verlängerungsstange nahe der PDL-Falle aufweist; Anbringen eines ersten Untersuchungsobjekts an dem diamagnetischen Stab; Anbringen eines zweiten Untersuchungsobjekts an der Verlängerungsstange; Bewegen des zweiten Untersuchungsobjekts mittels der Verlängerungsstange zu der PDL-Falle hin oder von dieser weg; und Messen einer Verschiebung des diamagnetischen Stabes in der PDL-Falle als Funktion einer Position des zweiten Untersuchungsobjekts.
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner aufweist: Bewegen des ersten Objekts zu einer ersten Position; Messen der Verschiebung des diamagnetischen Stabes in der PDL-Falle, wenn sich das zweite Objekt an der ersten Position befindet; Bewegen des zweiten Objekts zu einer zweiten Position; und Messen der Verschiebung des diamagnetischen Stabes in der PDL-Falle, wenn sich das zweite Objekt an der zweiten Position befindet.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei Bewegen des zweiten Objekts zu der ersten Position aufweist: Bewegen des zweiten Objekts zu der PDL-Falle hin.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die zweite Position näher an der PDL-Falle liegt als die erste Position.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die zweite Position weiter von der PDL-Falle entfernt ist als die erste Position.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Kraftmesseinheit ferner eine Lichtquelle oberhalb der PDL-Falle und mindestens einen Fotodetektor unterhalb der PDL-Falle gegenüber der Lichtquelle aufweist, und wobei Messen der Verschiebung des diamagnetischen Stabes in der PDL-Falle ferner aufweist. Detektieren einer Position des diamagnetischen Stabes in der PDL-Falle, während der diamagnetische Stab zwischen die Lichtquelle und den mindestens einen Fotodetektor tritt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Kraftmesseinheit ferner mindestens ein Paar Elektroden oberhalb der PDL-Falle aufweist, und wobei Messen der Verschiebung des diamagnetischen Stabes in der PDL-Falle ferner aufweist: Detektieren einer Position des diamagnetischen Stabes in der PDL-Falle auf der Grundlage einer Änderung der Kapazität zwischen dem mindestens einen Paar Elektroden, während der diamagnetische Stab zwischen das mindestens eine Paar Elektroden tritt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Paar Dipolleitungsmagnete durch einen Spalt g voneinander getrennt ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das erste Untersuchungsobjekt und das zweite Untersuchungsobjekt jeweils aus der Gruppe ausgewählt werden, die besteht aus: Proteinen, genetischem Material, Desoxyribonucleinsäure, Ribonucleinsäure, Metallen und deren Kombinationen.
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner aufweist: Anlegen einer Spannung an das Betätigungselement, um lineare Bewegung der Verlängerungsstange zu erzeugen.