DE202014103041U1 - Probenhalter für die Untersuchung kleiner, in einer Suspension vorliegender Proben - Google Patents

Abstract

Probenhalter für die Untersuchung kleiner, in einer Suspension enthaltener Partikel mit Röntgen- oder Elektronenstrahlen,
wobei der Probenhalter (1, 1') ein sich in einer Ebene erstreckendes einkristallines Substrat (3) aufweist, dessen Abmessungen in der Ebene die Abmessungen (d) senkrecht zu der Ebene um ein Vielfaches überschreiten,
wobei das Substrat (3) eine erste und eine zweite Oberfläche (5, 7) aufweist, die parallel zu der Ebene verlaufen, und
wobei das Substrat (3) sich senkrecht zur der Ebene erstreckende, von der ersten zur zweiten Oberfläche (5, 7) verlaufende Durchgangslöcher (9) aufweist.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Probenhalter für die Untersuchung kleiner, in einer Suspension vorliegender Partikel insbesondere mit Röntgen- oder Elektronenstrahlen.
• Streuexperimente insbesondere mit Röntgenstrahlung eröffnen exzellente Möglichkeiten zur Untersuchung der Struktur von beispielweise kristallinen Proben. Allgemein werden dabei die auf ihre Struktur zu untersuchenden Proben oder Partikel in einen Röntgenstrahl gebracht und die gestreute Strahlung detektiert. Daraus lassen sich dann Informationen bezüglich der Struktur gewinnen. Derartige Methoden sind hinlänglich aus dem Stand der Technik bekannt, haben aber durch die Entwicklung von Freie-Elektronen-Lasern in jüngster Zeit erneut einen Schub bekommen.
• In diesem Zusammenhang sind unter dem Begriff Partikel im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere Proben mit Abmessung im Bereich von wenigen Mikrometern zu verstehen. Hierbei kann es sich beispielweise um Mikrokristalle von Makromolekülen, sonstige organische oder anorganische Feststoffe sowie biologische Proben wie Zellen handeln.
• Wenn sehr kleine Proben wie die zuvor genannten Partikel mit Röntgenstrahlung untersucht werden sollen, ergibt sich zunächst das Problem, dass vorzugsweise nur die Proben und nicht auch ein Probenhalter mit bestrahlt werden sollte, um zu vermeiden, dass auch von dem Probenhalter gestreute Strahlung mit detektiert wird. Daher ist es aus dem Stand der Technik bekannt, derartige kleine Proben, deren Abmessungen im Bereich von mehreren 10 µm liegen, mittels einer mikroskopischen Schlinge zu befestigen ("loop mounting method").
• In vielen Fällen, insbesondere im Falle von Makromolekülen, lassen sich aber nur deutlich kleinere Partikel in der Größe von einigen Mikrometern oder noch darunter züchten. Um dennoch auch derart kleine Partikel untersuchen zu können, wurden bereits einige alternative Ansätze entwickelt. So wird beispielsweise in einem Ansatz auf einen Probenhalter verzichtet und die Partikel werden in Form eines Suspensionsstroms bestehend aus einer Lösung mit Partikeln in den Bereich des Röntgenstrahls gespritzt, wobei aber eine hohe Dichte von Partikeln im Suspensionsstrom vorhanden sein muss, von denen aber wiederum nur ein kleiner Bruchteil tatsächlich bestrahlt wird und zum Messergebnis beiträgt.
• Als andere Möglichkeit werden oft Substratgitter ("Micromesh") verwendet, die eine Maschengröße von etwa 10 bis 100 µm aufweisen. Im Bereich der Elektronenstrahlbeugung wird als Material für diese Gitter meist Kupfer verwendet. Auf diese Netze wird eine Suspension mit den zu untersuchenden Partikeln aufgebracht. Um nun die überschüssige Lösung zu entfernen, wird diese mittels Filterpapier abgesaugt. Dabei wird aber auch ein Großteil der Mikrokristalle wieder entfernt.
• Eine weitere Alternative ist ein Trägersubstrat, das Vertiefungen aufweist, in denen sich die Partikel verfangen sollen. Aber auch in diesem Fall ordnen sich zum einen nicht in nahezu jeder Vertiefung Partikel an und zum anderen werden durch die Entfernung der überschüssigen Lösung auch hier ein Teil der Partikel wieder mit entfernt.
• Aus der U.S. 2013/0112610 A1 ist schließlich bekannt, dass das Trägersubstrat, das ebenfalls durchgängige gleichförmige Poren aufweist, durch ein Geflecht vertikal angeordneter Kohlenstoff-Nanoröhrchen gebildet ist.
• Hier ist zwar eine Verbesserung im Hinblick auf die Entfernung überschüssigen Lösungsmittels und damit verbunden eine Verminderung des Abtrags bereits an der richtigen Stelle angeordneter Makromoleküle zu erwarten. Allerdings verursachen sowohl die bekannten Substratgitter als auch das Trägersubstrat, dadurch, dass die einfallende Strahlung auch darauf auftrifft, einen hohen Streuuntergrund. Bei Kohlenstoffnanoröhrchen besteht außerdem das Problem der geringen thermischen Leitfähigkeit, sodass die durch die Bestrahlung eingebrachte Energie nur schlecht abgeführt werden kann.
• Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Probenhalter für die Untersuchung sehr kleiner, in einer Suspension enthaltener Partikel mit Röntgen- oder Elektronenstrahlung bereitzustellen, mit dem die Störung des eigentlichen Messsignals durch Streuung der einfallenden Strahlung am Probenhalter vermindert wird.
• Diese Aufgabe wird durch einen Probenhalter gelöst, der ein sich in einer Ebene erstreckendes einkristallines Substrat aufweist, dessen Abmessungen in der Ebene die Abmessungen senkrecht dazu um ein Vielfaches überschreiten, das Substrat also als ein flaches scheibenförmiges Gebilde ausgebildet ist, wobei das Substrat eine erste und eine zweite Oberfläche aufweist, die parallel zu der Ebene verlaufen, und wobei das Substrat sich senkrecht zu der Ebene erstreckende, von der ersten zur zweiten Oberfläche verlaufende Durchgangslöcher aufweist.
• Der Probenhalter ist damit aus einkristallinem Material aufgebaut, in das Durchgangslöcher eingebracht sind, wobei die Durchgangslöcher vorzugsweise Abmessungen in der Ebene, in der das Substrat verläuft, haben, die kleiner als 10 µm sind.
• Dadurch werden die in der Regel festen Partikel, insbesondere am Eingangsbereich der Durchgangslöcher unmittelbar benachbart zu einer der Oberflächen, gehalten, während die Flüssigkeit der Suspension durch die Durchgangslöcher abfließen kann. Dies ermöglicht, feste Partikel, wie z.B. Mikrokristalle oder biologischen Makromoleküle in einfacher Weise auf dem Probenhalter anzuordnen.
• Darüber hinaus wird durch das einkristalline Material des Probenhalters erreicht, dass Röntgenstrahlung, die auf den Probenhalter auftrifft und nicht an den Partikel gestreut wird, vorzugsweise in die Richtungen der Bragg-Reflexe des einkristallinen Substrates abgelenkt wird. Dies wiederum ist mit dem Vorteil verbunden, dass dann, wenn monochromatische Röntgenstrahlung verwendet wird, die Streustrahlung, die aufgrund des Probenhalters zustande kommt, sich entlang klar definierter Richtungen ausbreitet, was bei der Auswertung des Messsignals ohne Weiteres berücksichtigt werden kann. Insbesondere ist es dann möglich, die Streustrahlung aus dem Messergebnis herauszurechnen. Dies bedeutet, dass es mit dem erfindungsgemäßen Probenhalter möglich ist, das vergleichsweise geringe Streusignal, das sich durch Streuung der einfallenden Strahlen an den Partikeln ergibt, aus der gesamten Signal gestreuter Strahlung herauszuextrahieren.
• Darüber hinaus ermöglicht der erfindungsgemäße Probenhalter, dass die Partikel wie z.B. Mikrokristalle, die zunächst als Suspension in einer Lösung vorliegen, in einfacher Weise auf den Probenhalter aufgebracht werden können. Dazu muss die Suspension mit den Partikeln lediglich auf eine Seite des Substrats aufgebracht werden. Anschließend wird die Flüssigkeit der Suspension von der gegenüberliegenden her Seite durch die Durchgangslöcher abgesaugt, wobei sich die Partikel im Bereich der Eingänge Durchgangslöcher anlagern.
• Schließlich ergibt sich aufgrund der Verwendung von einkristallinem Material für den Probenhalter der weitere Vorteil, dass dieses Material wie beispielsweise im Fall von Silizium eine hohe Reinheit aufweist, sodass die Wahrscheinlichkeit sehr gering ist, dass es zu einer Wechselwirkung der einfallenden Strahlung mit einer Verschmutzung kommt, die wiederum zu Störungen des Messsignals, wie z.B. durch Röntgenfluoreszenz, führen würden.
• In einer bevorzugten Ausführungsform liegen die Abmessungen der Durchgangslöcher gemessen in der Ebene, die durch das Substrat definiert wird, im Bereich unterhalb von 10 µm. Weiterhin können die Abmessungen unterhalb von 4 µm, bevorzugt unterhalb von 2 µm und besonders bevorzugt unterhalb von 1 µm, liegen. Durch derartige Abmessungen können gerade die für Untersuchungen mit Röntgenstrahlung relevanten Kategorien von Partikeln wie Mikrokristallen, z.B. von biologischen Makromolekülen, in einer periodischen Struktur angeordnet werden.
• Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Durchgangslöcher auch einen dreieckigen, rechteckigen, quadratischen Querschnitt oder allgemein verschiedene Formen und Querschnitte haben.
• Um ein Abscannen eines Probenhalters zu vereinfachen, ist es ferner vorteilhaft, die Durchgangslöcher in einem rechtwinkligen Raster anzuordnen, wobei benachbarte Durchgangslöcher einen Abstand zwischen 2 und 40 µm haben.
• Weiterhin ist es bevorzugt, wenn der Probenhalter derart ausgestaltet ist, dass die Durchgangslöcher entlang von deren Erstreckungsrichtung einen ersten und einen zweiten Abschnitt haben, wobei die Abmessungen der Durchgangslöcher parallel zu der Ebene in dem ersten Abschnitt größer sind als in dem zweiten Abschnitt. Durch diese gestufte Ausbildung der Durchgangslöcher wird erreicht, dass sich die Partikel zuverlässig im Bereich der Stufen anlagern, während die die Flüssigkeit der Suspension beim Aufbringen abfließen kann.
• Schließlich hat sich insbesondere einkristallines Silizium als besonders vorteilhaftes Material für die Herstellung der erfindungsgemäßen Probenhalters erwiesen. Einerseits ist einkristallines Silizium kostengünstig herstellbar, und andererseits hat es eine hohe Wärmeleitfähigkeit, sodass die bei der Bestrahlung auftretende Wärme gut abgeleitet werden kann. Dies gilt auch dann, wenn der Probenhalter eine geringe Dicke aufweist. Zudem ist einkristallines Silizium in sehr guter Kristallqualität verfügbar, wodurch das Material fast ausschließlich zur Bragg-Streuung beiträgt.
• Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand einer bevorzugte Ausführungsbeispiele zeigenden Zeichnung erläutert, wobei
• 1 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Probenhalters ist,
• 2 eine Draufsicht auf einen Bereich mit Durchgangslöchern des ersten Ausführungsbeispiels ist,
• 3 eine Draufsicht auf einen Bereich mit Durchgangslöchern von einem zweiten Ausführungsbeispiel ist,
• 4 den Bereich des ersten Ausführungsbeispiels aus 2 im Querschnitt zeigt und
• 5 die Schritte eines Verfahrens zum Aufbringen von in einer Suspension enthaltenen Partikeln auf ein Ausführungsbeispiel eines Probenhalters zeigt.
• Das erste Ausführungsbeispiel eines Probenhalters 1, das in 1, 2 und 4 gezeigt ist, ist aus einem Substrat 3 aus einkristallinem Silizium aufgebaut, wobei die Dicke d des Siliziumeinkristalls zwischen 3–30 µm beträgt. Das gesamte Substrat 3 erstreckt sich in einer Ebene und weist in der Ebene in diesem Fall Abmessungen von 2 mm mal 4 mm auf. Diese Abmessungen liegen deutlich über der Dicke d und damit den Abmessungen senkrecht zu der Ebene.
• Das Substrat 3 weist eine erste Oberfläche 5 und eine zweite Oberfläche 7 auf, die parallel zueinander verlaufen und sich entlang der Ebene erstrecken, in der sich auch das Substrat 3 erstreckt. In einem Bereich 2 des Substrats 3, der in den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen Abmessungen von 1,5 mm mal 1,5 mm hat, sind in einem rechteckigen Raster eine Vielzahl von Durchgangslöchern 9 vorgesehen, die sich von der ersten Oberfläche 5 zu der zweiten Oberfläche 7 durch das Substrat 3 hindurch erstrecken.
• Wie des Weiteren aus 4 zu erkennen ist, sind die Durchgangslöcher 9 derart ausgebildet, dass sie einen ersten Abschnitt 11 benachbart zu der ersten Oberfläche 5 und einen zweiten Abschnitt 13 benachbart zu der zweiten Oberfläche 7 haben. Dabei sind die Abmessungen in der Ebene in dem ersten Abschnitt 11 größer als in dem zweiten Abschnitt 13. Dies bedeutet, dass die Durchgangslöcher 9 gestuft ausgebildet sind, sodass die Partikel beispielsweise in Form von Makromolekülen, die dann, wenn eine diese enthaltende Suspension von der ersten Oberfläche 5 zur zweiten Oberfläche 7 durch die Durchgangslöcher 9 strömt, vorzugsweise in dem ersten Abschnitt 11 verbleiben. Wie außerdem 2 zu entnehmen ist, hat der erste Abschnitt 11 der Durchgangslöcher 9 bei dem ersten Ausführungsbeispiel eines Probenhalters 1 einen rechteckigen Querschnitt, während der zweite Abschnitt 13 einen kreisförmigen Querschnitt hat.
• Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel können, wie in 3 für das zweite Ausführungsbeispiel eines Probenhalters 1' dargestellt, die ersten Abschnitte 11 der Durchgangsbohrungen 9 in dem Bereich 2 einen rechteckigen oder dreieckigen Querschnitt haben, während die zweiten Abschnitte 13 auch hier einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Es ist grundsätzlich aber auch denkbar, dass die Querschnitte der gesamten Durchgangsbohrung 9 oder zumindest eines Abschnitts davon allgemein polygonförmig ausfallen.
• In 5 sind die Schritte eines Verfahrens dargestellt, mit dem in einer Suspension 15 enthaltene Partikel 17 für eine Untersuchung beispielsweise mit Röntgenstrahlung auf die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Probenhaltern 1, 1‘ aufgebracht werden können.
• Dies erfolgt in der Weise, dass die Suspension 15 mit den Partikeln 17 zunächst im Bereich 2 auf die erste Oberfläche 5 des Probenhalters 1 aufgebracht wird (Schritt A). Die Flüssigkeit 19 der Suspension 15 wird dann von der zweiten Oberfläche 7 aus durch die Durchgangsbohrungen 9 mit Hilfe von saugfähigem Papier abgezogen (Schritte B und C). Wenn die Flüssigkeit vollständig abgezogen ist (Schritt D), verbleiben auf der ersten Oberfläche 5 im Bereich der ersten Abschnitte 11 der Durchgangslöcher 9 lediglich die Partikel 17 (Schritt E).
• Während der Schritte A bis E kann der Probenhalter 1 mit einem Luftstrom mit definierter Luftfeuchtigkeit oder einem Schutzgas wie z.B. Stickstoff oder Argon beaufschlagt werden um ein Austrocknen bzw. Reaktionen der Partikel mit der Umgebungsluft zu unterbinden.
• Anschließend wird der Probenhalter 1 derart in einer Messanordnung angeordnet, dass die erste Oberfläche 5 zu einer Röntgenstrahlungsquelle weist, sodass der Probenhalter 1 mit der Röntgenstrahlung abgescannt werden kann, wobei nur die Bereiche, in denen Durchgangslöcher 9 vorhanden sind, mit Röntgenstrahlung bestrahlt werden. Dies wird dadurch erleichtert, dass die Durchgangslöcher 9 in einem rechteckigen Raster angeordnet sind. Während des Scanvorgangs ist zudem eine Drehung des Probenhalters 1 möglich.
• Während der Bestrahlung wird die Streustrahlung detektiert, wobei allerdings aufgrund der einkristallinen Struktur des Probenhalters 1 daran gestreute Strahlung in die Richtungen der Bragg-Reflexe des Probenhalters 1 gestreut wird. Die von dem Probenhalter 1 gestreute Strahlung kann in einfacher Weise simuliert werden kann und aus dem gesamten Streustrahlungsbild herausgerechnet werden. Zusätzlich ist es durch gezielte Wahl der Orientierung des Substrates möglich, dass sich in einem Streuexperiment die Bragg-Reflexe nicht in Beugungsposition befinden und damit keine Bragg-Reflexe des Substrates auftreten.
• Dies ermöglicht, dass die allein durch Streuung an den Partikeln 17 gestreute Strahlung bestimmt werden kann. Damit kann die Störung des Messergebnisses aufgrund des Probenhalters 1 bei der Auswertung leicht berücksichtigt werden. Darüber hinaus wird durch die vergleichsweise hohe thermische Leitfähigkeit von einkristallinem Silizium ermöglicht, die beim Auftreffen der Röntgenstrahlung auf den Probenhalter 1 entstehende Wärme schnell abzuleiten.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• US 2013/0112610 A1 [0008]

Claims (7)

1. Probenhalter für die Untersuchung kleiner, in einer Suspension enthaltener Partikel mit Röntgen- oder Elektronenstrahlen, wobei der Probenhalter (1, 1') ein sich in einer Ebene erstreckendes einkristallines Substrat (3) aufweist, dessen Abmessungen in der Ebene die Abmessungen (d) senkrecht zu der Ebene um ein Vielfaches überschreiten, wobei das Substrat (3) eine erste und eine zweite Oberfläche (5, 7) aufweist, die parallel zu der Ebene verlaufen, und wobei das Substrat (3) sich senkrecht zur der Ebene erstreckende, von der ersten zur zweiten Oberfläche (5, 7) verlaufende Durchgangslöcher (9) aufweist.
2. Probenhalter nach Anspruch 1, wobei die Durchgangslöcher (9) Abmessungen in der Ebene haben, die kleiner als 10 µm sind.
3. Probenhalter nach Anspruch 2, wobei die Abmessungen unterhalb von 4 µm, bevorzugt unterhalb von 2 µm und besonders bevorzugt unterhalb von 1 µm, liegen.
4. Probenhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Durchgangslöcher (9) einen runden, dreieckigen, rechteckigen oder quadratischen Querschnitt haben.
5. Probenhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Durchgangslöcher (9) in einem rechtwinkligen Raster angeordnet sind, wobei benachbarte Durchgangslöcher (9) einen Abstand zwischen 2 und 40 µm haben.
6. Probenhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Durchgangslöcher (9) einen ersten und einen zweiten Abschnitt (11, 13) haben und wobei die Abmessungen der Durchgangslöcher (9) parallel zu der Ebene in dem ersten Abschnitt (11) größer sind als in dem zweiten Abschnitt (13).
7. Probenhalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Substrat (3) aus einkristallinem Silizium ausgebildet ist.

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