EP2067016A1 - Einrichtung zum abtasten einer von einer flüssigkeit bedeckten probenoberfläche - Google Patents

Einrichtung zum abtasten einer von einer flüssigkeit bedeckten probenoberfläche

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EP2067016A1
EP2067016A1 EP07802320A EP07802320A EP2067016A1 EP 2067016 A1 EP2067016 A1 EP 2067016A1 EP 07802320 A EP07802320 A EP 07802320A EP 07802320 A EP07802320 A EP 07802320A EP 2067016 A1 EP2067016 A1 EP 2067016A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tip
light
probe
liquid
sample
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07802320A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tilman SCHÄFFER
Matthias BÖCKER
Boris Anczykowski
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NANOANALYTICS GMBH
Westfaelische Wilhelms Universitaet Muenster
Original Assignee
NanoAnalytics
Westfaelische Wilhelms Universitaet Muenster
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NanoAnalytics, Westfaelische Wilhelms Universitaet Muenster filed Critical NanoAnalytics
Publication of EP2067016A1 publication Critical patent/EP2067016A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q30/00—Auxiliary means serving to assist or improve the scanning probe techniques or apparatus, e.g. display or data processing devices
    • G01Q30/08—Means for establishing or regulating a desired environmental condition within a sample chamber
    • G01Q30/12—Fluid environment
    • G01Q30/14—Liquid environment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y35/00—Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q20/00—Monitoring the movement or position of the probe
    • G01Q20/02—Monitoring the movement or position of the probe by optical means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/18—SNOM [Scanning Near-Field Optical Microscopy] or apparatus therefor, e.g. SNOM probes
    • G01Q60/22—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/44—SICM [Scanning Ion-Conductance Microscopy] or apparatus therefor, e.g. SICM probes

Definitions

  • the present invention relates to a device for scanning the surface of a sample covered by a liquid.
  • a device for scanning the surface of a sample covered by a liquid Such devices are described, for example, in L cafet, P., M. Pfeffer, A. Sayah and F. Marquis-Weible (1998), "Reduction of tip-sample interaction forces for scanning near-field optical microscopy in a liquid environment.”
  • Sample Microsc. 1 187-200; and Schffer, T.E., B. Anczykowski and H. Fuchs (2006), Scanning Ion Conductance Microscopy, Applied Scanning Probe Methods, B. Bhushan and H. Fuchs. Berlin, Heidelberg, New York, Springer publishing house. 2: 91-119.
  • a known device 10 according to the preamble of claim 1 is shown schematically.
  • the device comprises a probe which is formed by a pipette 12, which tapers at its lower end in the illustration of FIG. 1 into a fine tip 14.
  • the pipette 12 is also in contact with a piezo element 16, by means of which the tip 14 of the pipette 12 can be set in vibration.
  • a sample container 18 is shown in FIG. 1, in which a sample 20 shown schematically is located.
  • the sample container 18 is filled with a liquid 22 which completely covers the sample 20.
  • the sample 20 could be living cells that can only exist in one fluid.
  • Another reason to cover the sample 20 with a liquid, more specifically, with an electrolyte, is the ability to perform ion conductivity measurements, which are described in more detail below.
  • the sample container 18 is arranged on an XYZ scanner 24, so that the sample container with the sample 20 can be moved relative to the pipette 12. By this relative movement, the surface of the sample 20 can be scanned with the tip 14 of the pipette 12.
  • the device 10 of Fig. 1 further comprises a laser 26, whose beam 28 is focused by a focusing device, not shown, on the tip 14 in the stationary state.
  • the laser 26 and the pipette 12 are fixed to each other, for example, in that both are mounted on the same experimental table.
  • the distance between the laser 26 and the tip 14 of the pipette 12 does not change during scanning, so that the laser beam should always be focused on it during the relative movement between the sample and the pipette tip 14.
  • a detector 30 is provided which receives the laser beam 28 after it has been reflected at the tip 14.
  • the vibration generated by the piezoelectric element 16 of the tip 14 the reflected laser light 28 is modulated.
  • the vibrations of the pipette tip 14 can be detected via these modulations.
  • the interaction of the laser beam with the tip 14 is generally referred to herein as “scattering.”
  • scattering is meant, in particular, reflection from the tip and transmission, e.g. results when the tip swings out of the light path of the laser beam.
  • the pipette tip 14 When the pipette tip 14 is brought very close to the surface of the sample 20, shear forces occur which affect the amplitude, phase and / or frequency of vibration of the tip 14, e.g. is dampened. The attenuation of the vibration is in turn detected by means of the detector 30. Thereby, the distance between the tip 14 and the sample 20 can be determined.
  • the XYZ scanner 24 can be controlled so that the damping of the oscillations and thus the distance between the tip 14 and the sample 20 when scanning the sample 20 are kept constant.
  • the movements of the XYZ scanner performed in scanning the surface of the sample 20 may be recorded by a computer (not shown) and from them a topographical image of the surface may be generated.
  • the device of Fig. 1 is therefore also referred to as a shear force microscope.
  • the present invention has for its object to improve a device of the type mentioned so that it allows a reliable focusing of the light on the tip of the probe.
  • the invention is based on the finding that in the known device of FIG. 1, the optical path length between the laser 26 (or a focusing device, not shown) on the one hand and the tip 14 of the pipette 12 on the other hand changes when the sample container 18 during scanning the sample 20 is moved relative to the pipette 12 and the laser 26.
  • the optical path length between the focusing device (not shown) and the pipette tip changes 14, and by this change in the optical path length, the focus on the pipette tip 14 may be lost.
  • the detector and the probe are also stationary relative to each other.
  • the device has in an advantageous development on the path of the light between the tip and the detector on another interface at which the light exits the liquid and which is also stationary with respect to the probe.
  • first deflection means such as mirrors or deflection prisms
  • second deflection means and / or a collimator device are preferably provided, which direct light which has been scattered by the vibrating tip onto the detector.
  • the optical path between the light source, the tip and the detector can be set up according to the desired geometry of the structure.
  • the collimator device is stationary with respect to the probe.
  • a Licht Installationsvorrich- device which is fixed to the probe and at least partially immersed in the liquid and having an interior, by the interface between the light source and the tip and / or the interface between the tip and the detector is separated from the liquid.
  • a light guiding device can be fastened in a simple manner together with the probe to a common holder, so that the stationary relationship Hung between the interface and the probe can be easily made, as will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments.
  • such a light-guiding device is provided for the light path between the light source and the probe tip, and a further light-guiding device for the light path between the probe tip and the detector.
  • a further light-guiding device for the light path between the probe tip and the detector.
  • detectors each having a light guiding device, one of which is arranged to collect light transmitted by the vibrating tip and to collect the other light reflected from the tip.
  • the device comprises a probe holder in which the probe is releasably secured by an elastic element which presses the probe against supports of the probe holder.
  • the probe holder thus allows a fast and reliable replacement of the probe. This is advantageous because the probes wear out quite quickly and must be replaced frequently.
  • the stability of the probe can be increased by the probe holder.
  • the probe holder has at least two and in particular four individual pads, each having a convex, e.g. hemispherical bearing surface. The hemispherical bearing surfaces allow a well-defined and reproducible position of the probe in the probe holder, so that the adjustment after changing a probe significantly simplified.
  • the probe holder is in turn releasably held on a holding device.
  • the holding device comprises a holding plate and an adjusting device, wherein the probe holder is adjustable relative to the holding plate via the adjusting device.
  • the modular design of the probe holder and holding device facilitates changing the probe because it can be removed together with the probe holder from the apparatus and changing the probe on the probe holder alone, ie, outside the apparatus, is much more convenient than when the probe holder in the Apparatus remains.
  • the device can be extended by the function of a scanning ion conductance microscope (SICM).
  • SICM scanning ion conductance microscope
  • the probe is formed by a pipette having at one end the elongate tip, in which an opening is arranged, via which an inner cavity of the pipette communicates with the outer environment of the tip.
  • an electrode is arranged both in the liquid with which the sample is covered and in the cavity of the pipette.
  • an electrolyte is also used for the liquid.
  • the device thus has a dual functionality to detect the distance to a sample, namely on the one hand by the shearing force and on the other hand by the ionic conductivity.
  • the device of the invention may also be combined with a near-field scanning optical microscopy (NSOM) functionality in which the probe is drawn not by a pipette but by an elongated tip at one end thereof Glass fiber is provided and an aperture is provided at the top, with which an optical near field can be generated or detected over the sample.
  • NOM near-field scanning optical microscopy
  • Fig. 1 is a perspective view of a device for scanning the surface of a sample of the prior art
  • Fig. 2 is a cross-sectional view of a device for scanning the surface of a
  • FIG. 3 shows a device as in FIG. 2, but with an interchangeable arrangement of the lenses and the mirrors
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view of a device according to an alternative development of the invention without imaging optics between tip and detector
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a device according to an alternative embodiment of the invention, in which the interface between the light source and the tip and the interface between the tip and the detector are formed by the inner wall of an annular cylinder
  • FIG. 5 a is a top view of the device of FIG. 5,
  • 6a and 6b schematically show the possibilities of detecting the oscillation of the tip with laser light
  • FIG. 7a is a perspective view of a device in the detection in transmission according to Fig. 6a,
  • FIG. 7b is a perspective view of a device in the detection in reflection corresponding to Fig. 6b,
  • FIG. 10 is a perspective view of a probe holder with a pipette attached therein and
  • FIG. 11 shows a holding device with holding plate, adjusting device and probe holder.
  • a means 32 for scanning the surface of a sample 20 is shown, which is covered with a liquid 22.
  • the device 32 comprises a probe, which is formed in the embodiment shown by a pipette 12 having an elongated tip 14. Similar to the prior art of FIG. 1, the sample 20 is located in a sample container 18 which is disposed on an XYZ scanner 24 and thus can be moved relative to the probe 12.
  • the device 32 further comprises a schematically illustrated holding device 34 to which the probe 12, a first light-guiding device 36 and a second light-guiding device 38 are attached. Furthermore, a laser 26 and a detector 30 are arranged on the holding device 34.
  • the first and second light guide devices 36, 38 each include a tube portion 40 and 42, respectively, which is immersed in the liquid 22. At the lower end of the tube section is in each case a mirror 44 or 46 and a convex lens 48 and 50, respectively.
  • the light guide devices 36 and 38 each have an inner space 52 or 54, which is separated from the liquid 22. In the following, the function of the device of Fig. 2 will be described.
  • the laser 26 sends a laser beam 28 through the interior 52 of the first light guide device 36, which is deflected at the mirror 44 and focused by the lens 48 on the tip 14 of the probe 12.
  • the lens 48 forms both a siervo ⁇ chtung and the interface 56 at which the light 28 enters the liquid 22.
  • the tip 14 of the probe 12 is vibrated by a piezocrystal 16 so that the tip 14 oscillates transversely, thereby modulating the light signal.
  • the light signal 28 modulated by the tip 14 exits the liquid 22 at the collimator lens 50 of the second light guide device 38 and is collimated, deflected by the mirror 46, and directed to the detector 30 where it is detected.
  • the piezocrystal 16 is not essential in all cases, for example, the thermal movement of the tip 14 could be sufficient for a measurable modulation of the light signal.
  • the light guide devices 36 and 38 have a periscope-like structure, and these light guide devices or periscopes are fixed with respect to the probe 12, since they are attached to the same holder 34.
  • the optical path length not only the geometric path length of the light between the laser 26 and the tip 14 is kept constant, but also the optical path length, because the distance between the interface 56 and the sample 14 and thus the proportion of the optical path in the optically denser medium Scanning does not change. This ensures that, unlike the prior art of Fig. 1, the focusing of the laser light 28 on the tip 14 of the scanning movement of the XYZ scanner 24 is unaffected.
  • an interface 58 at which the light 28 exits the liquid 22 is formed by the surface 14 of the lens 50 facing the tip 14, and also this is stationary with respect to the probe 12.
  • FIG. 3 shows a further embodiment 60, which is very similar to the device 32 of FIG.
  • the difference between the devices 32 and 60 is that the order of the lenses 48, 50 and the mirrors 44, 46 is reversed.
  • the device 60 of FIG. 3 is located in a lower portion of the pipe sections 40 and 42 respectively an opening 62, 64 through which the liquid 22 can enter the pipe sections 40, 42 and penetrate into these up to the respective lenses 48, 50, which, as in FIG. 2, form the respective boundary surfaces 56 and 58, respectively.
  • the openings 62 and 64 could be closed with a transparent material, such as a glass plate, which in turn would form the interfaces.
  • FIGS. 2 and 3 with the periscope-like Licht Installationsvorrich- lines 36 and 38 are extremely compact.
  • the compact design allows the entire fixture 34, including probe 12, laser 26, detector 30, and light guide devices 36 and 38, to be opposed by an XYZ scanner (not shown) the container 18 to move, which could then be placed stationary relative to the experimental table.
  • This is particularly advantageous for samples that can not easily be moved, for example samples that must be kept at a certain temperature and therefore to be placed on a heater, or when the samples are particularly large and therefore difficult to move.
  • FIG. 4 shows a device 61 in which the holding device 34 can be adjusted via an XYZ scanner 24.
  • the device 61 comprises a first light guide device 36 similar to that of FIG. 3, except that it is inclined by about 10 to 20 degrees with respect to the longitudinal axis of the probe 12.
  • the device 61 does not include a second light guide device 38.
  • the detector 30 is rigidly connected to the light guide device 36 via a support member 65 and in the immediate vicinity of the tip 14 in the light path of the laser beam 28 arranged. This further simplifies the structure. This simplification is possible because the requirements for the accuracy of the imaging of the laser light on the detector 30 with regard to the quality of the measurement are less high than those on the focusing of the laser light 28 on the tip 14.
  • a further principlesforrn 66 is shown according to a development of the invention.
  • Fig. 5 shows a longitudinal section through the device 66 and Fig. 5 a shows a cross section along the line A-A '.
  • the device 66 is similar in function to the device 60 of FIG. The main difference is that instead of the two separate periscope-like Licht Installationsvorrich- lines 36 and 38 at the device 66 only a light guide device 68 is provided.
  • the light guide device 68 consists of an annular cylinder or double cylinder with an inner cylinder 70 directly surrounding the probe 12 and an outer cylinder 72.
  • the inner cylinder 70 and the outer cylinder 72 are connected by an annular bottom surface 74 so that one of the liquid 22 separate interior 75 results.
  • the invention is not limited to a device with periscope-like light guide devices, but a variety of designs is possible as long as at least the interface at which the light enters the liquid 22, is stationary with respect to the probe 12.
  • Fig. 6a and 6b the two basic optical detection modes of the vibration of the tip 14 are shown.
  • the transverse direction of vibration of the tip 14 is schematically indicated by the dashed arrow.
  • the light beam 28 is directed and focused to a location of the tip 14 in a vibration free state, as described above with respect to FIGS. 2-5.
  • a first detection mode the light transmitted due to the vibration of the tip 14 can be detected.
  • the transmitted light is modulated differently.
  • the light reflected from the tip 14 can be detected, as shown schematically in Fig. 6b.
  • at least the portion of the tip 14 to be focused on is vapor-deposited with a metal to produce a reflective surface.
  • FIGS. 7a and 7b corresponding structures to the detection modes shown in FIGS. 6a and 6b are shown in a spatial representation.
  • a first and a second periscope-like light guide device 36, 38 similar to those of the device 32 of Fig. 2 are used.
  • the laser beam 28 is transmitted from the first light guide device 36, similar to that described in connection with FIGS. 2 and 3. directed to a location on the tip 14 of the probe 12 and focused.
  • the transmitted light beam 28 modulated by the vibration of the tip 14 is collected by the second light guide device 38 and imaged onto a detector (not shown in Fig. 7a).
  • the first light guide device 36, the second light guide device 38 and the probe 12 are fixed to a common holding device and thus fixed to each other.
  • Fig. 7b shows the corresponding structure in the case where the laser light 28 is reflected at the tip 14.
  • the liquid 22 is an electrolyte.
  • the tip 14 of the pipette 12 is formed an opening through which the inner space of the pipette 12 communicates with the external environment, i.e., the electrolyte 22 in the sample container 18.
  • an electrode may be arranged in each case (not shown in the figures), between which a voltage can be applied. Due to the voltage, an ion current flows through the opening in the tip 14 of the pipette 12, which can be measured to perform distance measurements according to the SICM method.
  • FIG. 8 is a waveform showing the oscillation amplitude of the tip 14 excited to vibrate transversally by the piezoelectric element 16 as a function of the driving frequency of the piezoelectric element 16. As can be seen in Fig. 8, there are clearly pronounced resonant frequencies. With one or more of these resonant frequencies, the piezoelectric element 16 is driven during operation of the device.
  • FIG. 9 shows the dependence of the oscillation amplitude of the tip 14 on the left ordinate as a function of the z position of the XYZ scanner 24 and thus of the distance between the tip 14 and the surface of the sample 20.
  • a probe holder 76 is shown in perspective.
  • the probe holder 76 has an elongated holding portion 78 which defines a longitudinal axis and a flange portion 80 arranged at right angles thereto.
  • the holding portion 78 has a longitudinal groove 82 on the bottom of which two pairs of hemispherical pads 84 are disposed (hidden in the illustration ).
  • two leaf springs 86 are further attached, through which the probe 12 is pressed against the pads 84, so that the probe 12 is held in a predetermined and reproducible position.
  • the groove 82 in the holding portion 78 continues here through the flange portion 80 through to an opening on the holding portion 78 opposite side of the flange portion 80 on, so that the probe 12 can be inserted through this opening in the groove 82.
  • a holding device 34 is shown in perspective.
  • the holding device 34 comprises a holding plate 88 to which an adjustment table 90 is adjustably mounted.
  • the adjustment table 90 includes a conventional XY adjuster or tilting device which can be positioned relative to the support plate 88 by suitable adjustment screws (not shown).
  • the holding portion 78 of the probe holder 76 is inserted, wherein the flange portion 80 rests on Verstellisch 90.
  • the probe holder 76 can be pulled as a whole from the opening in the adjustment table 90 and thus removed from the device.
  • the probe 12 in the probe holder 76 can then be exchanged outside the device and the probe holder with the new probe can be reinserted into the opening in the adjustment table 90.
  • Probe Tip of probe 12 Piezo element
  • Sample container Sample Liquid XYZ scanner Laser Laser beam detector Device for scanning the surface of a sample Holding device first light-guiding device second light-guiding device, 42 tube section, 46 mirror, 50 lens, 54 Interior of the light guide device 36, 38, 58 Interface, 61 Device for scanning the surface of a sample, 64 Opening Carrying device Device for scanning the surface of a sample Light guide device Inner cylinder Outer cylinder Bottom Interior Probe holder Holding section Flange section Longitudinal groove Support Leaf spring Retainer plate Adjustment table

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Abstract

Gezeigt wird eine Einrichtung (32) zum Abtasten der Oberfläche einer Probe (20), die mit einer Flüssigkeit (22) bedeckt ist. Die Einrichtung umfaßt eine Sonde (12), die an einem Ende eine Spitze (14) aufweist, Mittel (24) zum Bewegen der Sonde (12) und der Probe (20) relativ zueinander, eine Lichtquelle (26), eine Fokussiervorrichtung (48), die Licht von der Lichtquelle (26) auf eine in der Flüssigkeit (22) befindliche Stelle der Spitze (14) fokussiert, und einen Detektor (30) zum Detektieren von Licht, welches von der Spitze (14) gestreut wird. Auf dem Weg des Lichtes zwischen der Lichtquelle (26) und der Spitze (14) befindet sich eine Grenzfläche (56), an der das Licht in die Flüssigkeit (22) eintritt, wobei die Grenzfläche ortsfest bezüglich der Sonde (12) ist.

Description

Einrichtung zum Abtasten einer von einer Flüssigkeit bedeckten Probenoberfläche
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Abtasten der Oberfläche einer von einer Flüssigkeit bedeckten Probe. Derartige Einrichtungen sind beispielsweise in Lambelet, P., M. Pfeffer, A. Sayah and F. Marquis- Weible (1998), "Reduction of tip-sample interaction forces for scanning near-field optical microscopy in a liquid environment." Ultramicroscopy 71(1-4): 117-121; Nitz, H., J. Kamp and H. Fuchs (1998). "A combined scanning ion- conductance and shear-force microscope." Probe Microsc. 1: 187-200; und Schäffer, T. E., B. Anczykowski and H. Fuchs (2006), Scanning Ion Conductance Microscopy, Applied Scanning Probe Methods, B. Bhushan and H. Fuchs. Berlin, Heidelberg, New York, Springer Verlag. 2: 91-119 offenbart.
In Fig. 1 ist eine bekannte Einrichtung 10 nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 schematisch dargestellt. Die Einrichtung umfaßt eine Sonde, die durch eine Pipette 12 gebildet ist, die sich an ihrem in der Darstellung von Fig. 1 unteren Ende in eine feine Spitze 14 verjüngt. Die Pipette 12 ist ferner mit einem Piezoelement 16 in Kontakt, durch das die Spitze 14 der Pipette 12 in Schwingungen versetzt werden kann.
Ferner ist in Fig. 1 ein Probenbehälter 18 gezeigt, in dem sich eine schematisch dargestellte Probe 20 befindet. Der Probenbehälter 18 ist mit einer Flüssigkeit 22 gefüllt, die die Probe 20 vollständig bedeckt. Bei der Probe 20 könnte es sich beispielsweise um lebende Zellen handeln, die nur in einer Flüssigkeit existieren können. Ein weiterer Grund, die Probe 20 mit einer Flüssigkeit, genauer gesagt, mit einem Elektrolyten zu bedecken, besteht in der Möglichkeit, Ionenleitfähigkeitsmessungen durchzuführen, die unten näher beschrieben werden.
Der Probenbehälter 18 ist auf einem XYZ-Scanner 24 angeordnet, so daß der Probenbehälter mit der Probe 20 relativ zur Pipette 12 bewegt werden kann. Durch diese Relativbewegung kann die Oberfläche der Probe 20 mit der Spitze 14 der Pipette 12 abgerastert werden. Die Einrichtung 10 von Fig. 1 umfaßt ferner einen Laser 26, dessen Strahl 28 durch eine nicht gezeigte Fokussiereinrichtung auf die Spitze 14 im ruhenden Zustand fokussiert ist. Der Laser 26 und die Pipette 12 sind ortsfest zueinander, beispielsweise dadurch, daß beide auf demselben Experimentiertisch montiert sind. Somit ändert sich der Abstand zwischen dem Laser 26 und der Spitze 14 der Pipette 12 während des Scannens nicht, so daß der Laserstrahl auch während der Relativbewegung zwischen der Probe und der Pipettenspitze 14 stets auf diese fokussiert sein sollte.
Schließlich ist ein Detektor 30 vorgesehen, der den Laserstrahl 28 empfängt, nachdem dieser an der Spitze 14 reflektiert wurde. Durch die von dem Piezoelement 16 erzeugte Vibration der Spitze 14 wird das reflektierte Laserlicht 28 moduliert. Mit Hilfe des Detektors 30 können über diese Modulationen die Vibrationen der Pipettenspitze 14 detektiert werden. Die Wechselwirkung des Laserstrahls mit der Spitze 14 wird in der vorliegenden Schrift allgemein als „Streuung" bezeichnet. Unter den Begriff „Streuung" fällt insbesondere eine Reflektion von der Spitze und eine Transmission, die sich z.B. ergibt, wenn die Spitze aus dem Lichtweg des Laserstrahls herausschwingt.
Wenn die Pipettenspitze 14 sehr nahe an die Oberfläche der Probe 20 herangeführt wird, treten Scherkräfte auf, durch welche die Amplitude, Phase und/oder Frequenz Vibration der Spitze 14 beeinflußt z.B. gedämpft wird. Die Dämpfung der Vibration wird wiederum mit Hilfe des Detektors 30 detektiert. Dadurch kann der Abstand zwischen der Spitze 14 und der Probe 20 bestimmt werden. Beispielsweise kann der XYZ-Scanner 24 so angesteuert werden, daß die Dämpfung der Oszillationen und damit der Abstand zwischen der Spitze 14 und der Probe 20 beim Abrastern der Probe 20 konstant gehalten werden. Die beim Abtasten der Oberfläche der Probe 20 durchgeführten Bewegungen des XYZ-Scanners können von einem Computer (nicht gezeigt) aufgezeichnet werden, und aus ihnen kann ein topographisches Bild der Oberfläche erzeugt werden. Die Einrichtung von Fig. 1 wird daher auch als Scherkraftmikroskop bezeichnet.
Allerdings treten bei der bekannten Vorrichtung von Fig. 1 häufiger Probleme mit der Zuverlässigkeit der Signale auf. Offenbar ist es schwierig, den Laserstrahl 28 auf die Spitze 14 der Pipette fokussiert zu halten, wenn diese von der Flüssigkeit 22 umgeben ist. Um diese Probleme zu umgehen, hat man versucht, den Füllstand der Flüssigkeit 22 so niedrig zu wählen, daß ein oberer Abschnitt der Spitze 14 über den Flüssigkeitspegel ragt, und den Laserstrahl 28 auf diesen oberen Abschnitt zu fokussieren, ohne daß er die Flüssigkeit durchlaufen müßte. Dies hat sich jedoch in der Praxis als schwierig erwiesen, da sich ein ausreichend niedriger Flüssigkeitsstand über der Probe nur schwer herstellen und während der Untersuchung kaum aufrechterhalten läßt, weil stets ein Teil der Flüssigkeit verdunstet. Selbst wenn es gelingt, die Probe stets von Flüssigkeit bedeckt zu halten, treten die folgenden Probleme auf: für den Fall, daß der Flüssigkeitspegel niedrig gehalten wird und dadurch an einem Abschnitt vorliegt, an dem die Spitze mit vergleichsweise großer Amplitude schwingt, werden die erhaltenen optischen Signale durch kleine Änderungen des Flüssigkeitspegels in Folge von Verdunstung spürbar verändert und dadurch verfälscht. Falls ein höherer Flüssigkeitspegel verwendet wird, der an einem Abschnitt der Spitze vorliegt, an dem die Spitze nur mit vergleichsweise geringer Amplitude schwingt, sind die Signale zwar stabiler, aber dafür deutlich schwächer.
Um diese Probleme zu umgehen, wird in Koopman, M., B. I. de Bakker, M. F. Garcia-Parajo and N. F. van Hülst (2003), "Shear force imaging of soft samples in liquid using a diving bell concept." Appl. Phys. Lett. 83(24): 5083-85 ein Aufbau mit einer „Tauchglocke" verwendet, der jedoch verhältnismäßig kompliziert ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß sie eine zuverlässige Fokussierung des Lichtes auf die Spitze der Sonde ermöglicht.
Diese Aufgabe wird bei der Einrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß sich auf dem Weg des Lichtes zwischen der Lichtquelle und der Spitze der Sonde eine Grenzfläche befindet, an der das Licht in die Flüssigkeit eintritt, wobei die Grenzfläche ortsfest bezüglich der Sonde ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich bei der bekannten Vorrichtung von Fig. 1 die optische Weglänge zwischen dem Laser 26 (oder einer nicht gezeigten Fokussiervor- richtung) einerseits und der Spitze 14 der Pipette 12 andererseits ändert, wenn der Probenbehälter 18 beim Scannen der Probe 20 relativ zur Pipette 12 und dem Laser 26 bewegt wird. Denn obwohl bei dieser Relativbewegung der Abstand zwischen dem Laser 26 und der Pipette 12 unverändert bleibt, ändern sich die Anteile des Weges, die der Laserstrahl 28 in der Luft bzw. in der optisch dichteren Flüssigkeit 22 zurücklegt. Daher ändert sich beim Scannen die optische Weglänge zwischen der Fokussiervorrichtung (nicht gezeigt) und der Pipettenspitze 14, und durch diese Änderung der optischen Weglänge kann die Fokussierung an der Pipettenspitze 14 verlorengehen.
Bei der Einrichtung gemäß der Erfindung befindet sich hingegen auf dem Weg des Lichtes zwischen der Lichtquelle und der Spitze eine Grenzfläche, an der das Licht in die Flüssigkeit eintritt, und diese Grenzfläche ist ortsfest bezüglich der Sonde. Das bedeutet, daß sich die Weglänge des Lichts durch die optisch dichtere Flüssigkeit während des Scannens nicht ändert und dadurch die Fokussierung beibehalten werden kann. Im Gegensatz hierzu wird beim Stand der Technik von Fig. 1 die besagte Grenzfläche durch die Wand des Probenbehälters 18 gebildet, und diese wird beim Scannen der Probe 20 relativ zur Sonde 12 bewegt, ist also nicht ortsfest zu dieser.
Zum Verbessern der Qualität des optischen Signals sind vorzugsweise auch der Detektor und die Sonde ortsfest relativ zueinander. Um auch die optische Weglänge zwischen der Spitze und dem Detektor während des Rastervorgangs konstant zu halten, weist die Einrichtung in einer vorteilhaften Weiterbildung auf dem Weg des Lichtes zwischen der Spitze und dem Detektor eine weitere Grenzfläche auf, an der das Licht aus der Flüssigkeit austritt und die ebenfalls ortsfest bezüglich der Sonde ist.
Vorzugsweise sind erste Umlenkmittel, wie zum Beispiel Spiegel oder Umlenkprismen, vorgesehen, um das Licht auf dem Weg von der Lichtquelle in Richtung auf die Sondenspitze umzulenken. Außerdem sind vorzugsweise zweite Umlenkmittel und/oder eine Kollimatorvorrichtung vorgesehen, welche Licht, welches von der vibrierenden Spitze gestreut wurde, auf den Detektor lenken. Mit Hilfe der Umlenkmittel kann der optische Pfad zwischen der Lichtquelle, der Spitze und dem Detektor je nach gewünschter Geometrie des Aufbaus eingerichtet werden. Vorteilhafterweise ist auch die Kollimatorvorrichtung ortsfest bezüglich der Sonde.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine Lichtführungsvorrich- tung vorgesehen, die ortsfest zur Sonde und zumindest teilweise in die Flüssigkeit eintauchbar ist und die einen Innenraum aufweist, der durch die Grenzfläche zwischen der Lichtquelle und der Spitze und/oder die Grenzfläche zwischen der Spitze und dem Detektor von der Flüssigkeit getrennt ist. Eine derartige Lichtführungsvorrichtung kann auf einfache Weise zusammen mit der Sonde an einer gemeinsamen Halterung befestigt werden, so daß die ortsfeste Bezie- hung zwischen der Grenzfläche und der Sonde einfach hergestellt werden kann, wie unten anhand von Ausfuhrungsbeispielen näher erläutert wird.
Aus der DE 195 46 860 C2 sind Lichtführungsvorrichtungen für Rastersondenmikroskope an sich bekannt, jedoch sind sie nicht im Zusammenhang mit Proben offenbart, die von einer Flüssigkeit bedeckt sind, und sie weisen daher auch keine Grenzfläche auf, an der das Licht in eine Flüssigkeit ein- oder aus einer Flüssigkeit austritt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine derartige Lichtführungsvorrichtung für den Lichtweg zwischen der Lichtquelle und der Sondenspitze und eine weitere Lichtführungsvorrichtung für den Lichtweg zwischen der Sondenspitze und dem Detektor vorgesehen. Es können auch zwei Detektoren mit jeweils einer Lichtführungsvorrichtung vorgesehen sein, von denen die eine so angeordnet ist, daß sie Licht sammelt, welches von der vibrierenden Spitze durchgelassen wird, und die andere Licht sammelt, welches von der Spitze reflektiert wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfaßt die Einrichtung einen Sondenhalter, in dem die Sonde durch ein elastisches Element, welches die Sonde gegen Auflagen des Sondenhalters drückt, lösbar befestigt ist. Der Sondenhalter gestattet somit ein schnelles und zuverlässiges Austauschen der Sonde. Dies ist vorteilhaft, weil die Sonden recht schnell verschleißen und häufig ersetzt werden müssen. Außerdem kann durch den Sondenhalter die Stabilität der Sonde erhöht werden. Vorzugsweise weist der Sondenhalter wenigstens zwei und insbesondere vier einzelne Auflagen mit jeweils konvexer, z.B. halbkugelförmiger Auflagefläche auf. Die halbkugelförmigen Auflageflächen gestatten eine genau definierte und reproduzierbare Position der Sonde in dem Sondenhalter, so daß sich die Justage nach dem Wechseln einer Sonde deutlich vereinfacht.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Sondenhalter seinerseits an einer Haltevorrichtung lösbar gehalten. Vorzugsweise umfaßt die Haltevorrichtung eine Halteplatte und eine Verstellvorrichtung, wobei der Sondenhalter über die Verstellvorrichtung relativ zur Halteplatte verstellbar ist. Der modulare Aufbau aus Sondenhalter und Haltevorrichtung erleichtert das Wechseln der Sonde, weil diese zusammen mit dem Sondenhalter aus der Apparatur entnommen werden kann und das Wechseln der Sonde am Sondenhalter allein, d.h., außerhalb der Apparatur, deutlich bequemer ist, als wenn der Sondenhalter in der Apparatur verbleibt. In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung kann die Einrichtung um die Funktion eines Raster-Ionenleitfähigkeit-Mikroskops ("scanning ion conductance microscope", SICM) erweitert werden. Dazu wird die Sonde durch eine Pipette gebildet, welche an einem Ende die längliche Spitze aufweist, in der eine Öffnung angeordnet ist, über die ein innerer Hohlraum der Pipette mit der äußeren Umgebung der Spitze kommuniziert. Außerdem ist sowohl in der Flüssigkeit, mit der die Probe bedeckt ist, als auch in dem Hohlraum der Pipette jeweils eine Elektrode angeordnet. In dieser Weiterbildung wird zudem für die Flüssigkeit ein Elektrolyt verwendet. Wenn zwischen den beiden Elektroden eine Spannung angelegt wird, fließt ein meßbarer Ionenstrom durch die Öffnung an der Spitze. Wenn die Spitze jedoch nahe genug an die Probe angenähert wird, wird der Ionenstrom "abgeschnürt", was durch einen Abfall des Ionenstroms detektiert werden kann. Gemäß dieser Weiterbildung erhält die Einrichtung somit eine zweifache Funktionalität, den Abstand zu einer Probe zu detektieren, nämlich einerseits durch die Scherkraft und andererseits durch die Ionenleitfähigkeit. Alternativ kann die Einrichtung der Erfindung auch mit einer Funktionalität einer ortsauflösenden optischen Nahfeldmikroskopie ("near-field scanning optical microscopy", NSOM) kombiniert werden, bei der die Sonde nicht durch eine Pipette, sondern durch eine an ihrem einen Ende zu einer länglichen Spitze ausgezogenen Glasfaser besteht und eine Apertur an der Spitze vorgesehen ist, mit der ein optisches Nahfeld über der Probe erzeugt oder detektiert werden kann.
Weitere Vorteile, Eigenschaften und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben wird. Darin zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Einrichtung zum Abtasten der Oberfläche einer Probe aus dem Stand der Technik, Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer Einrichtung zum Abtasten der Oberfläche einer
Probe nach einer Weiterbildung der Erfindung, Fig. 3 eine Einrichtung wie in Fig. 2, jedoch mit vertauschter Anordnung der Linsen und der Spiegel, Fig. 4 eine Querschnittsansicht einer Einrichtung nach einer alternativen Weiterbildung der Erfindung ohne Abbildungsoptik zwischen Spitze und Detektor, Fig. 5 eine Querschnittsansicht einer Einrichtung nach einer alternativen Weiterbildung der Erfindung, bei der die Grenzfläche zwischen der Lichtquelle und der Spitze und die Grenzfläche zwischen der Spitze und dem Detektor durch die Innenwand eines Ringzylinders gebildet werden,
Fig. 5 a eine Draufsicht auf die Einrichtung von Fig. 5,
Fig. 6a und 6b schematisch die Möglichkeiten, die Schwingung der Spitze mit Laserlicht zu detektieren,
Fig. 7a eine perspektivische Darstellung einer Einrichtung bei der Detektion in Transmission entsprechend Fig. 6a,
Fig. 7b eine perspektivische Darstellung einer Einrichtung bei der Detektion in Reflexion entsprechen Fig. 6b,
Fig. 8 das Resonanzspektrum der Vibration der Spitze einer Pipette,
Fig. 9 ein Diagramm der Schwingungsamplitude und des Ionenstroms durch eine Öffnung in der Spitze der Pipette in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen der Probenoberfläche und der Spitze,
Fig. 10 eine perspektivische Darstellung eines Sondenhalters mit einer darin befestigten Pipette und
Fig. 11 eine Haltevorrichtung mit Halteplatte, Verstellvorrichtung und Sondenhalter.
In Fig. 2 ist eine Einrichtung 32 zum Abtasten der Oberfläche einer Probe 20 gezeigt, die mit einer Flüssigkeit 22 bedeckt ist. In sämtlichen Zeichnungen werden identische oder einander entsprechende Komponenten mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Die Einrichtung 32 umfaßt eine Sonde, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch eine Pipette 12 mit einer länglichen Spitze 14 gebildet wird. Ähnlich wie beim Stand der Technik von Fig. 1 befindet sich die Probe 20 in einem Probenbehälter 18, der auf einem XYZ-Scanner 24 angeordnet ist und somit relativ zur Sonde 12 bewegt werden kann.
Die Einrichtung 32 umfaßt ferner eine schematisch dargestellte Haltevorrichtung 34, an der die Sonde 12, eine erste Lichtführungsvorrichtung 36 und eine zweite Lichtführungsvorrichtung 38 befestigt sind. Ferner sind an der Haltevorrichtung 34 ein Laser 26 und ein Detektor 30 angeordnet. Die erste und die zweite Lichtführungsvorrichtung 36, 38 umfassen jeweils einen Rohrabschnitt 40 bzw. 42, der in die Flüssigkeit 22 eingetaucht ist. Am unteren Ende des Rohrabschnittes befindet sich jeweils ein Spiegel 44 bzw. 46 und eine Konvexlinse 48 bzw. 50. Die Lichtführungsvorrichtungen 36 und 38 haben jeweils einen Innenraum 52 bzw. 54, der von der Flüssigkeit 22 getrennt ist. Im folgenden wird die Funktion der Einrichtung von Fig. 2 beschrieben. Der Laser 26 schickt einen Laserstrahl 28 durch den Innenraum 52 der ersten Lichtführungsvorrichtung 36, der am Spiegel 44 umgelenkt und durch die Linse 48 auf die Spitze 14 der Sonde 12 fokussiert wird. Dabei bildet die Linse 48 sowohl eine Fokussiervoπϊchtung als auch die Grenzfläche 56, an der das Licht 28 in die Flüssigkeit 22 eintritt.
Die Spitze 14 der Sonde 12 wird durch einen Piezokristall 16 in Vibrationen versetzt, so daß die Spitze 14 transversal schwingt und dadurch das Lichtsignal moduliert. Das durch die Spitze 14 modulierte Lichtsignal 28 tritt an der Kollimatorlinse 50 der zweiten Lichtführungsvorrichtung 38 aus der Flüssigkeit 22 aus und wird kollimiert, vom Spiegel 46 umgelenkt und auf den Detektor 30 gerichtet, an dem es detektiert wird. Der Piezokristall 16 ist nicht in allen Fällen unerläßlich, beispielsweise könnte die thermische Bewegung der Spitze 14 für eine meßbare Modulation des Lichtsignals ausreichen.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, haben die Lichtführungsvorrichtungen 36 und 38 einen periskopähnlichen Aufbau, und diese Lichtführungsvorrichtungen bzw. Periskope sind ortsfest bezüglich der Sonde 12, da sie an derselben Haltevorrichtung 34 befestigt sind. Dies bedeutet insbesondere, daß die Grenzfläche 56, an der das Licht 28 in die Flüssigkeit 22 eintritt und die im gezeigten Ausführungsbeispiel durch die der Spitze 14 zugewandte Fläche der Linse 48 gebildet wird, ortsfest relativ zur Sonde 12 ist. Somit wird nicht nur die geometrische Weglänge des Lichtes zwischen dem Laser 26 und der Spitze 14 konstant gehalten, sondern auch die optische Weglänge, weil sich der Abstand zwischen der Grenzfläche 56 und der Probe 14 und somit der Anteil des Lichtweges im optisch dichteren Medium während des Scannens nicht ändert. Dadurch wird erreicht, daß, anders als beim Stand der Technik von Fig. 1, die Fokussierung des Laserlichtes 28 auf die Spitze 14 von der Scannbewegung des XYZ-Scanners 24 unbeeinflußt bleibt.
Auf ähnliche Weise wird eine Grenzfläche 58, an der das Licht 28 aus der Flüssigkeit 22 austritt, durch die der Spitze 14 zugewandte Fläche der Linse 50 gebildet, und auch diese ist ortsfest bezüglich der Sonde 12.
hi Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform 60 gezeigt, die der Einrichtung 32 von Fig. 2 sehr ähnlich ist. Der Unterschied zwischen den Einrichtungen 32 und 60 besteht darin, daß bei ihr die Reihenfolge der Linsen 48, 50 und der Spiegel 44, 46 vertauscht ist. Bei der Einrichtung 60 von Fig. 3 befindet sich in einem unteren Abschnitt der Rohrabschnitte 40 bzw. 42 jeweils eine Öffnung 62, 64, durch welche die Flüssigkeit 22 in die Rohrabschnitte 40, 42 eintreten und in diesen bis zu den jeweiligen Linsen 48, 50 vordringen kann, die wie in Fig. 2 die jeweiligen Grenzflächen 56 bzw. 58 bilden. Alternativ könnten die Öffnungen 62 und 64 jedoch auch mit einem lichtdurchlässigen Material, z.B. einem Glasplättchen, verschlossen sein, welches dann seinerseits die Grenzflächen bilden würde.
Die in Fig. 2 und 3 gezeigten Einrichtungen mit den periskopartigen Lichtführungsvorrich- tungen 36 und 38 sind äußerst kompakt. Tatsächlich gestattet der kompakte Aufbau es, anstatt den Probenbehälter 18 mit einem XYZ-Scanner 24 zu bewegen, die gesamte Haltevorrichtung 34, inklusive Sonde 12, Laser 26, Detektor 30 und Lichtführungsvorrichtungen 36 und 38, mit einem (nicht gezeigten) XYZ-Scanner gegenüber dem Behältnis 18 zu bewegen, welches dann ortsfest bezüglich des Experimentiertisches angeordnet werden könnte. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei Proben, die nicht leicht bewegt werden können, beispielsweise Proben, die auf einer bestimmten Temperatur gehalten werden müssen und daher auf einer Heizvorrichtung anzuordnen sind, oder wenn die Proben besonders groß und daher schwer zu bewegen sind.
In Fig. 4 ist eine Einrichtung 61 gezeigt, bei der die Haltevorrichtung 34 über einen XYZ- Scanner 24 verstellt werden kann. Die Einrichtung 61 umfaßt eine erste Lichtführungsvorrich- tung 36, die derjenigen von Fig. 3 ähnlich ist, außer daß sie um etwa 10 bis 20 Grad gegenüber der Längsachse der Sonde 12 geneigt ist. Anders als die Einrichtungen 32 und 60 von Fig. 2 und 3 umfaßt die Einrichtung 61 jedoch keine zweite Lichtführungseinrichtung 38. Statt dessen ist der Detektor 30 über ein Trageelement 65 starr mit der Lichtführungsvorrichtung 36 verbunden und in unmittelbarer Nähe der Spitze 14 im Lichtweg des Laserstrahls 28 angeordnet. Dadurch wird der Aufbau weiter vereinfacht. Diese Vereinfachung ist möglich, weil die Anforderungen an die Genauigkeit der Abbildung des Laserlichts auf den Detektor 30 im Hinblick auf die Qualität der Messung weniger hoch sind als diejenigen an die Fokus- sierung des Laserlichts 28 auf die Spitze 14.
In Fig. 5 und 5 a ist eine weitere Ausführungsforrn 66 nach einer Weiterbildung der Erfindung gezeigt. Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch die Einrichtung 66 und Fig. 5 a einen Querschnitt entlang der Line A-A'. Die Einrichtung 66 ist in ihrer Funktion der Einrichtung 60 von Fig. 3 ähnlich. Der Hauptunterschied besteht darin, daß anstelle der zwei separaten periskopartigen Lichtführungsvorrich- tungen 36 und 38 bei der Einrichtung 66 lediglich eine Lichtführungsvorrichtung 68 vorgesehen ist. Die Lichtführungsvorrichtung 68 besteht aus einem Ringzylinder oder Doppelzylinder mit einem inneren Zylinder 70, der die Sonde 12 direkt umgibt, und einem äußeren Zylinder 72. Der Innenzylinder 70 und der Außenzylinder 72 sind durch eine ringförmige Bodenfläche 74 verbunden, so daß sich ein von der Flüssigkeit 22 getrennter Innenraum 75 ergibt. In dem Innenraum 75 sind, ähnlich wie bei der Einrichtung 60 von Fig. 3, Linsen 48, 50 und Spiegel 44, 46 angeordnet. Die Grenzflächen 56 bzw. 58, an denen das Laserlicht 28 in die Flüssigkeit 22 ein- bzw. aus dieser austritt, sind bei der Einrichtung 66 durch transparente Abschnitte im Innenzylinder 70 gebildet. Die gesamte Lichtführungsvorrichtung 68 ist ortsfest relativ zur Sonde 12, beispielsweise indem beide wiederum an einer gemeinsamen Haltevorrichtung (nicht gezeigt) befestigt sind. Die Erfindung ist also nicht auf eine Einrichtung mit periskopartigen Lichtführungsvorrichtungen beschränkt, sondern es ist eine Vielzahl von Ausführungen möglich, solange zumindest die Grenzfläche, an der das Licht in die Flüssigkeit 22 eintritt, ortsfest bezüglich der Sonde 12 ist.
In Fig. 6a und 6b sind die zwei grundlegenden optischen Detektionsmodi der Schwingung der Spitze 14 dargestellt. Die transversale Schwingungsrichtung der Spitze 14 ist durch den gestrichelten Pfeil schematisch angedeutet. Der Lichtstrahl 28 wird auf eine Stelle der Spitze 14 im schwingungsfreien Zustand gelenkt und fokussiert, wie oben unter Bezugnahme auf Fig. 2 bis 5 beschrieben wurde. Gemäß einem ersten Detektionsmodus kann das Licht detektiert werden, das aufgrund der Schwingung der Spitze 14 durchgelassen wird. Je nach Schwingungszustand der Spitze 14 wird das durchgelassene Licht unterschiedlich moduliert. Dieser Fall ist in Fig. 6a schematisch dargestellt. Alternativ kann das Licht detektiert werden, das von der Spitze 14 reflektiert wird, wie schematisch in Fig. 6b dargestellt ist. In diesem Fall ist vorzugsweise zumindest der Teil der Spitze 14, auf den fokussiert wird, mit einem Metall bedampft, um eine reflektierende Fläche zu erzeugen.
In den Fig. 7a und 7b sind in räumlicher Darstellung entsprechende Aufbauten zu den in Fig. 6a und 6b gezeigten Detektionsmodi gezeigt. In der Ausfuhrungsform von Fig. 7a werden eine erste und eine zweite periskopartige Lichtführungsvorrichtung 36, 38 verwendet, die denjenigen der Einrichtung 32 von Fig. 2 ähnlich sind. Der Laserstrahl 28 wird von der ersten Lichtführungsvorrichtung 36, ähnlich wie im Zusammenhang mit Fig. 2 und 3 beschrieben, auf eine Stelle auf der Spitze 14 der Sonde 12 gerichtet und fokussiert. Der durch die Vibration der Spitze 14 modulierte, durchgelassene Lichtstrahl 28 wird von der zweiten Lichtführungsvorrichtung 38 gesammelt und auf einen Detektor (in Fig. 7a nicht gezeigt) abgebildet. Obwohl dies in Fig. 7a nicht gezeigt ist, sind die erste Lichtführungsvorrichtung 36, die zweite Lichtführungsvorrichtung 38 und die Sonde 12 an einer gemeinsamen Haltevorrichtung befestigt und somit ortsfest zueinander.
Fig. 7b zeigt den entsprechenden Aufbau für den Fall, daß das Laserlicht 28 an der Spitze 14 reflektiert wird.
In Fig. 7a und 7b ist die Flüssigkeit 22 ein Elektrolyt. In der Spitze 14 der Pipette 12 ist eine Öffnung ausgebildet, über die der Innenraum der Pipette 12 mit der äußeren Umgebung, d.h., dem Elektrolyten 22 im Probenbehälter 18 kommuniziert. In dem Probenbehälter 18 und dem Innenraum der Pipette 12 kann jeweils eine Elektrode angeordnet sein (in den Figuren nicht gezeigt), zwischen denen eine Spannung angelegt werden kann. Aufgrund der Spannung fließt ein Ionenstrom durch die Öffnung in der Spitze 14 der Pipette 12, der gemessen werden kann, um Abstandsmessungen nach der SICM-Methode durchzuführen.
hi Fig. 8 ist eine Meßkurve der Oszillationsamplitude der von dem piezoelektrischen Element 16 zu Transversalschwingungen angeregten Spitze 14 in Abhängigkeit von der Treiberfrequenz des piezoelektrischen Elements 16 dargestellt. Wie in Fig. 8 zu sehen ist, gibt es klar ausgeprägte Resonanzfrequenzen. Mit einer oder mehrerer dieser Resonanzfrequenzen wird das piezoelektrische Element 16 während des Betriebs der Einrichtung angetrieben.
In Fig. 9 ist die Abhängigkeit der Schwingungsamplitude der Spitze 14 auf der linken Ordinate in Abhängigkeit von der z-Position des XYZ-Scanners 24 und damit des Abstandes zwischen der Spitze 14 und der Oberfläche der Probe 20 dargestellt. Beim Annähern der Probe 20 an die Spitze 14 (d.h., auf der Abszisse von rechts nach links schauend) erkennt man einen deutlichen Sprung bei einer Position von etwa 1,4 μm in der Oszillationsamplitude der Spitze 14. Dieser Effekt entspricht der oben beschriebenen Dämpfung, die durch Scherkräfte bewirkt wird, wenn die Spitze 14 sehr nahe an die Probenoberfläche kommt. Ferner ist auf der rechten Ordinate der Ionenstrom dargestellt, der, wie oben beschrieben, durch die Öffnung in der Spitze 14 der Pipette 12 fließt. Wie in Fig. 9 zu erkennen ist, fällt ungefähr bei dem gleichen Abstand, bei dem die Oszillationsdämpfung aufgrund der Scherkräfte einsetzt, auch der Io- nenstrom ab, weil er bei der sehr dichten Annäherung an die Probenoberfläche abgeschnürt wird.
In Fig. 10 ist ein Sondenhalter 76 perspektivisch dargestellt. Der Sondenhalter 76 weist einen länglichen Halteabschnitt 78 auf, der eine Längsachse definiert, und einen dazu im rechten Winkel angeordneten Flanschabschnitt 80. Im Halteabschnitt 78 ist eine Längsnut 82 ausgebildet, auf deren Boden zwei Paare von halbkugelförmigen Auflagen 84 angeordnet sind (in der Darstellung verdeckt). An dem Halteabschnitt 78 sind ferner zwei Blattfedern 86 befestigt, durch welche die Sonde 12 gegen die Auflagen 84 gedrückt wird, so daß die Sonde 12 in einer vorbestimmten und reproduzierbaren Position gehalten wird. Die Nut 82 im Halteabschnitt 78 setzt sich hierbei durch den Flanschabschnitt 80 hindurch bis zu einer Öffnung auf der dem Halteabschnitt 78 gegenüberliegenden Seite des Flanschabschnitts 80 fort, so daß die Sonde 12 durch diese Öffnung in die Nut 82 eingeschoben werden kann.
In Fig. 11 ist eine Haltevorrichtung 34 perspektivisch dargestellt. Die Haltevorrichtung 34 umfaßt eine Halteplatte 88, an der ein Verstelltisch 90 verstellbar befestigt ist. Der Verstelltisch 90 umfaßt eine übliche XY-Verstellvorrichtung oder Verkippvorrichtung, die mit geeigneten Stellschrauben (nicht gezeigt) relativ zur Halteplatte 88 positioniert werden kann. In einer Ausnehmung in dem Verstelltisch 90 ist der Halteabschnitt 78 des Sondenhalters 76 eingeführt, wobei der Flanschabschnitt 80 am Verstelltisch 90 aufliegt. Zum Wechseln der Sonde kann der Sondenhalter 76 als Ganzes aus der Öffnung im Verstelltisch 90 gezogen und somit aus der Einrichtung entnommen werden. Dann kann außerhalb der Einrichtung die Sonde 12 im Sondenhalter 76 ausgewechselt werden und der Sondenhalter mit der neuen Sonde wieder in die Öffnung im Verstelltisch 90 eingeführt werden. Durch diesen modularen Aufbau wird das Austauschen der Sonde 12 deutlich vereinfacht.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Ausführung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein. Bezugszeichenliste
Einrichtung zum Abtasten der Oberfläche einer Probe nach dem Stand der Technik Sonde Spitze der Sonde 12 Piezoelement Probenbehälter Probe Flüssigkeit XYZ-Scanner Laser Laserstrahl Detektor Einrichtung zum Abtasten der Oberfläche einer Probe Haltevorrichtung erste Lichtführungsvorrichtung zweite Lichtführungsvorrichtung , 42 Rohrabschnitt , 46 Spiegel , 50 Linse , 54 Innenraum der Lichtführungsvorrichtung 36, 38 , 58 Grenzfläche , 61 Einrichtung zum Abtasten der Oberfläche einer Probe , 64 Öffnung Trageelement Einrichtung zum Abtasten der Oberfläche einer Probe Lichtführungsvorrichtung Innenzylinder Außenzylinder Boden Innenraum Sondenhalter Halteabschnitt Flanschabschnitt Längsnut Auflage Blattfeder Halteplatte Verstelltisch

Claims

AnsprücheEinrichtung zum Abtasten einer von einer Flüssigkeit bedeckten Probenoberfläche
1. Einrichtung (32, 60, 61, 66) zum Abtasten der Oberfläche einer Probe (20), die mit einer Flüssigkeit (22) bedeckt ist, mit einer Sonde (12), die an einem Ende eine Spitze (14) aufweist;
Mitteln (24) zum Bewegen der Sonde (12) und der Probe (20) relativ zueinander; einer Lichtquelle (26); einer Fokussiervorrichtung (48), die Licht (28) von der Lichtquelle (26) auf eine in der Flüssigkeit befindliche Stelle im Bereich der Spitze (14) fokussiert; und einem Detektor (30) zum Detektieren von Licht (28), welches an der Spitze (14) gestreut wurde, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf dem Weg des Lichtes (28) zwischen der Lichtquelle (26) und der Spitze (14) eine Grenzfläche (56) befindet, an der das Licht in die Flüssigkeit (22) eintritt, wobei die Grenzfläche (56) ortsfest bezüglich der Sonde (12) ist.
2. Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (30) und die Sonde (12) ortsfest relativ zueinander sind.
3. Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (26) und die Sonde (12) ortsfest relativ zueinander sind.
4. Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf dem Weg des Lichtes (28) zwischen der Spitze (14) und dem Detektor (30) eine weitere Grenzfläche (58), an der das Licht aus der Flüssigkeit (22) austritt, befindet, welche ortsfest bezüglich der Sonde (12) ist.
5. Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß erste Umlenkmittel (44) vorgesehen sind, welche von der Lichtquelle (26) ausgehendes Licht auf die Spitze lenken.
6. Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zweite Umlenkmittel (46) und/oder eine Kollimatorvorrichtung (50) vorgesehen sind, welche von der Spitze (14) gestreutes Licht auf den Detektor (30) lenken.
7. Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollimatorvorrichtung (50) und die Sonde (12) ortsfest relativ zueinander sind.
8. Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtführungsvorrichtung (36, 38, 68) vorgesehen ist, die ortsfest zur Sonde (12) ist, zumindest teilweise in die Flüssigkeit eintauchbar ist und einen Innenraum (52, 54, 75) aufweist, der durch die Grenzfläche (56) auf dem Lichtweg zwischen der Lichtquelle und der Spitze (14) und/oder die Grenzfläche (58) auf dem Lichtweg zwischen der Spitze (14) und dem Detektor (30) von der Flüssigkeit (22) getrennt ist.
9. Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinrichtung (48), die ersten Umlenkmittel (44), die Kollimatorvorrichtung (50) und/oder die zweiten Umlenkmittel (46) an der Lichtführungsvorrichtung (36, 38, 68) befestigt oder einstückig damit ausgebildet ist bzw. sind.
10. Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinrichtung (48), die ersten Umlenkmittel (44), die Kollimatorvorrichtung (50) oder die zweiten Umlenkmittel (46) die Grenzfläche (56) auf dem Lichtweg zwischen der Lichtquelle (26) und der Spitze (14) oder die Grenzfläche (58) auf dem Lichtweg zwischen der Spitze (14) und dem Detektor (30) bildet bzw. bilden.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei der Lichtführungsvorrichtungen (36, 38) vorgesehen sind, die relativ zur Sonde (12) so angeordnet sind, daß die eine Lichtführungsvorrichtung von der Spitze (14) transmittiertes Licht sammelt und die andere Lichtführungsvorrichtung von der Spitze (14) reflektiertes Licht sammelt.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß drei der Lichtführungsvorrichtungen (36, 38) vorgesehen sind, die relativ zur Sonde so angeordnet sind, daß die eine Lichtführungsvorrichtung (36) Licht von der Lichtquelle (26) auf die Spitze (14) führt, die zweite Lichtführungsvorrichtung (38) von der Spitze (14) transmittiertes Licht sammelt und die dritte Lichtführungsvorrichtung von der Spitze (14) reflektiertes Licht sammelt.
13. Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (12) in einem Sondenhalter (76) durch ein elastisches Element (86), welches die Sonde (12) gegen Auflagen (84) des Sondenhalters (76) drückt, lösbar befestigt ist.
14. Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Sondenhalter (76) wenigstens zwei und insbesondere vier einzelne Auflagen (84) mit jeweils konvexer, insbesondere halbkugelförmiger Auflagefläche aufweist.
15. Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Sondenhalter (76) an einer Haltevorrichtung (34) lösbar gehalten ist.
16. Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung (34) eine Halteplatte (88) und eine Verstellvorrichtung (90) umfaßt, wobei der Sondenhalter (76) über die Verstellvorrichtung (90) relativ zu der Halteplatte (88) verstellbar ist.
17. Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (12) durch eine Pipette gebildet ist, welche an einem Ende die Spitze (14) aufweist, wobei an der Spitze eine Öffnung angeordnet ist, über die ein innerer Hohlraum der Pipette (12) mit der äußeren Umgebung der Spitze (14) kommuniziert.
18. Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß in der Flüssigkeit (22), mit der die Probe bedeckt ist, und in dem Hohlraum der Pipette jeweils eine Elektrode angeordnet ist.
19. Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (26) eine kohärente Lichtquelle ist.
20. Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel (16) zum Erzeugen von Schwingungen der Spitze (14), insbesondere ein piezoelektrisches Element (16) umfaßt.
21. Einrichtung (32, 60, 61, 66) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (24) zum Bewegen der Sonde (12) und der Probe (20) relativ zueinander ein piezoelektrisches Element umfassen.
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