Methodische Entwicklungen auf dem Gebiet der Mikroskopie sind ein intensiv bearbeitetes
Forschungsgebiet. Zu den neuesten Entwicklungen auf dem Gebiet der optischen Methoden
gehört die Nahfeldmikroskopie (1). Außerdem sind hier die verschiedenen Methoden der
Kraft- bzw. Tunnelmikroskopie, mit z. T. atomarer Auflösung zu nennen. Motiviert sind die
hier aufgezählten Entwicklungen durch die in der Praxis sehr verschiedenartigen
Anforderungen, denen diese Methoden im einzelnen Rechnung tragen. Allgemein ist aber ein
Bedarf festzustellen, immer kleinere Strukturen aufzulösen. Dies resultiert aus den
zunehmend kleineren Strukturen der Mikroelektronik, sowie aus den in der Biologie bzw.
Biochemie sich verbreitenden Techniken der Manipulation auf der Ebene einzelner
Zellbestandteile bzw. Moleküle (2).
Die bekannteste Methode der Bilddarstellung und Mikroskopie in der magnetischen
Resonanz (MR), ist die vielfach in der medizinischen Diagnostik und Werkstoffprüfung
eingesetzte Kernspintomographie. Dieses Verfahren besteht darin, gezielt einen in seinem Ort
variablen Magnetfeldgradienten Bgrad einem statischen Magnetfeld B₀ zu überlagern. So wird
für einen bestimmten Teil des Untersuchungsgegenstandes die Kernspinresonanzbedingung
hν = gβB mit B = B₀+Bgrad
erfüllt (3), wobei h die Planck′sche Konstante und ν die Frequenz der eingestrahlten
Mikrowelle ist. Durch Variation des Magnetfeldgradienten mittels einer außerhalb des
Untersuchungsgegenstandes angebrachten Gradientenspule, kann ein bestimmter Teil des
Untersuchungsgegenstandes in Resonanz gebracht werden. Die am Mikrowellenempfänger
festgestellte Signalintensität ergibt den Meßwert dieses Punktes. Das Zusammensetzen dieser
Punkte ergibt das Bild. Das Verfahren erlaubt in der Regel eine Auflösung im Bereich von 0.1 mm
(3).
Eine andere in neuerer Zeit entwickelte Methode besteht darin, nicht wie beschrieben,
einen externen Magnetfeldgradienten zu variieren, sondern einen kleinen magnetischen
Körper über den zu untersuchenden Bereich der Probe zu verschieben (4). Gleichzeitig wird
ein zur konventionellen Tomographie alternatives Detektionsverfahren verwendet. Hierbei
wird die Kraftwirkung zwischen dem im Untersuchungsgegenstand vorhandenen
paramagnetischen Moment (der Kerne oder gegebenenfalls der Elektronen) und dem
Magnetfeldgradienten ausgenutzt. Diese Kraft wird mittels eines magnetischen
Kraftfeldmikroskops detektiert. Mit dieser Methode lassen sich Auflösungen im Bereich
einiger µm erzielen (4).
Kritik am Stand der Technik
Die oben beschriebenen Verfahren sind in ihrer Auflösung auf 100 bis 1 µm beschränkt. Für
die herkömmliche Kernspintomographie gilt dabei eine Auflösungsgrenze von 100 µm. Diese
Beschränkung resultiert letztendlich aus der geringen Empfindlichkeit der Methode. Es sind
ca. 10¹⁶-10¹⁸ Wasserstoffkernspins notwendig, um ein detektierbares MR-Signal zu erzeugen.
Die zweite beschriebene Methode erlaubt eine Empfindlichkeitsverbesserung auf ca. 10¹³-10¹⁴
Wasserstoffkernspins. Da auch hier die Empfindlichkeit das, die Auflösung bestimmende
Element ist, resultiert eine verbesserte, aber derzeit experimentell bestimmte
Auflösungsgrenze von 1 µm.
Problemstellung
Der in Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die oben genannte
Auflösungsgrenze durch eine Steigerung der Empfindlichkeit zu verbessern. Ziel ist es,
magnetische Resonanz-Bilddarstellung an einer einzelnen paramagnetischen Struktur
durchzuführen, wie z. B. an einem einzelnen Molekül.
Erzielbare Vorteile
Die Erfindung erlaubt eine Bilddarstellung mittels magnetischer Resonanz an einzelnen
paramagnetischen Strukturen, also beispielsweise ein Defektzentrum in einem ionischen
Kristall (z. B. Cr3+ in Al₂O₃) oder einzelnen Molekülen mit atomarer Auflösung. Wesentliches
Merkmal ist die Selektion und der Nachweis des einzelnen Moleküls mittels optischer
Methoden. Die Bilddarstellung geschieht, parallel zur erwähnten Kraftmikroskopie, mittels
Elektronenspinresonanz (ESR) und einer Gradientenmethode. Abweichend hiervon wird
jedoch das ESR-Signal optisch detektiert. Durch eine schmalbandige und stark fokussierte
optische Anregung bzw. durch Methoden der Nahfeldmikroskopie, werden einzelne
Chromophore in fester Matrix und bei tiefen Temperaturen (T ≈ 1.5 K) isoliert (5, 6). Das
magnetische Resonanzsignal eines einzelnen Moleküls kann aufgrund der zeitweiligen
Bevölkerung des paramagnetischen Triplettzustandes detektiert werden (7). Zur
Bilddarstellung wird ein magnetischer Feldgradient, erzeugt durch ein kleines magnetisiertes
Teilchen, räumlich verschoben. Ein Feldgradient von ca. 10⁷ T/m, erzeugt durch ein
magnetisiertes Eisenkügelchen mit einer Magnetisierung von 2.26 T, führt dabei zu einer
räumlichen Auflösung von ca. 0.2 Å. Gegenüber klassischen hochauflösenden
mikroskopischen Methoden wie der Tunnelmikroskopie (STM) bzw. Kraftfeldmikroskop
(AFM), hat die Methode den Vorteil, daß auch unter der Oberfläche des Substrates und auf
die jeweilige Kernspinart, d. h. chemisch selektiv untersucht werden kann. Zudem sind die
Wechselwirkungen bekannt, die für die Bilddarstellung verantwortlich sind. Probleme bei der
genauen Interpretation, wie bei den zuerst genannten Methoden, tauchen damit nicht auf.
Weiterhin ist eine atomare Auflösung unabhängig vom umgebenden Medium möglich.
Weitere Ausgestaltung der Erfindung Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung 1 dargestellt und wird im
Folgenden näher beschrieben.
Zeichnung 1 zeigt den wesentlichen Teil der Erfindung in Übersicht. Die Zeichnung
stellt den Probenkopf des Mikroskops selber dar. Anregungslaser und Nachweiseinrichtung
für die Fluoreszenz des Untersuchungsgegenstandes, sowie Steuerelektronik für die
Piezoelemente und Nachweiselektronik für die zu detektierenden Photonen sind nicht
angegeben. Um gezielt eine einzelne paramagnetische Struktur zu isolieren, wird dieses
mittels Laserlicht optisch angeregt, das vorzugsweise in eine Lichtleitfaser (s. Teil a1)
eingekoppelt wird. Die Lichtleitfaser kann dabei wie in (6) beschrieben zum Ende zugespitzt
werden, so daß eine Apertur von ca. 100 nm entsteht. Die Spitze kann über einer zu
untersuchenden paramagnetischen Struktur mittels eines Piezostellgliedes (s. Teil a2) plaziert
werden (6).
Bei genügend geringer Konzentration der zu untersuchenden Zentren, reicht dies zur Isolation
eines einzelnen aus. Alternativ zu dieser räumlichen Selektion, ist bei genügend tiefen
Temperaturen (T < 5 K) auch eine rein spektrale Selektion, mit entsprechend größeren
Aperturen möglich (5). Entscheidend für die Möglichkeit, magnetische Resonanz-
Bilddarstellung an einzelnen paramagnetischen Zentren durchzuführen, ist es, während der
Anregung eines einzelnen Zentrums, einen Magnetfeldgradienten in der Nähe (ca. 100 Å
Abstand) der Struktur zu verändern. Dies wird durch eine Piezoscanner (Teil b) ermöglicht,
an dessen Spitze beispielsweise eine kleine magnetisierte Eisenkugel (Teil c) der erwähnten
Größe und Magnetisierung befestigt ist. Magnetfeldgradienten der hier geforderten
Größenordnung sind in der Praxis nur in der Nähe kleiner magnetisierter Strukturen zu
erzeugen. Um also atomare Auflösung zu erhalten, muß die magnetisierte Struktur im
Abstand von ca. 100 Å in der Nähe des zu untersuchenden Zentrums bewegt werden. Das
Meßsignal soll nur die Verschiebung der ESR-Linie beinhaltet und nicht etwa eine
Veränderung der Fluoreszenzintensität aufgrund der Veränderung der Position der
magnetischen Struktur. Dies kann durch die Beschichtung des Untersuchungsgegenstandes
(Teil e) mit einer dünnen Metallschicht (Dicke ca. 3 nm) auf der Seite der magnetischen
Struktur geschehen (Teil d). Die Fluoreszenz des paramagnetischen Zentrums wird von einem
Parabolspiegel (Teil f) (numerische Apertur 1) aufgefangen, in dessen Brennpunkt sich die zu
untersuchende Probe befindet. Die Anordnung zur Zuführung des Laserlichtes bzw. zur
Positionierung der optischen Spitze (Teile a1 und a2) befindet sich auf der Vorderseite des
Spiegels, während der Piezo mit dem kleinen magnetisierten Teilchen von der Rückseite des
Spiegels her durch ein Loch zur Probe ragt. Nicht eingezeichnet die MW-Einkopplung, die in
Form einer Helmholtzspulen-Anordnung zu beiden Seiten des Parabolspiegels angebracht
werden kann.
Referenzen
- (1) D.W. Pohl in "Advances in optical and Electron Microscopy" Bd. 12 (1991) 243
Academic Press, London.
- (2) S.A. Soper, L.M. Davis, E.B. Shera, J. Opt. Soc. Am. B 9 (1992) 1761.
- (3) Signal, noise and contrast in nuclear magnatic resonance (NMR) imaging. J. Comput.
Assist. Tomogr. 7 (1993) 391.
- (4) D. Rugar, C.S. Yannoni, J.A. Sidles Nature 360 (1992) 563.
- (5) W.E. Moerner, T. Basch´, Angew. Chem. 105 (1993) 537.
- (6) E. Betzig, R. Chichester Sience 262 (1993) 1422.
- (7) J. Wrachtrup, C. von Borczyskowski, J. Bernard, M. Orrit, R. Brown Nature 363 (1993)
244.