WO2011051449A1 - Verfahren zur messung magnetischer informationen, insbesondere der magnetischen ac-suszeptibilität, von magnetischen nanopartikeln (markern) - Google Patents

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Stephan Block
Christiane Helm
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Ernst-Moritz-Arndt-Universität
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Definitions

  • the present invention relates to a method in which magnetic information of individual isolated magnetic markers in the nm range can be measured by atomic force microscopy, and the use of the method for the spatial separation of labeled and unlabelled areas, for measuring the magnetic susceptibility of the markers and for determination the geometry of the markers.
  • AFM atomic force microscope
  • MFM magnetic force microscopy
  • MRFM English magnetic resonance microscopy
  • the MFM measures static magnetic information, i. One measures the interaction of different, stably magnetized domains with the magnetic AFM tip. This interaction creates a force that alters the vibration characteristics of the AFM tip.
  • Patent DE 698 23 578 T2 discloses a probe for a magnetic force microscope in which an alternating magnetic field can be concentrated at the probe tip without stray fields of the coil being able to influence the magnetic probe.
  • the probe is mounted on the free end of a cantilever arm and has a pair of magnetic poles which are part of a magnetic yoke and an electrically conductive coil wound around the yoke. By locating the coil near the probe tip, one can concentrate the magnetic field at the probe tip and prevent the formation of stray magnetic fields that could interact with the magnetic fields of the probe.
  • the AFM tip is excited to oscillate by the interaction with the magnetic field to be measured. This method represents a "miniaturization" of the NMR technique on the nm scale.
  • the sample is introduced into a magnetic flux density of typically 2T, which causes a splitting of energy levels due to the interaction of the magnetic field with the spins.
  • This splitting can be detected by exciting the sample by an electromagnetic field and measuring the electromagnetic response of the sample perpendicular to the plane of excitation.
  • this is done by a coil, in MRFM technology by a magnetic AFM tip, which is excited by the electromagnetic response to vibrate.
  • the resonant frequency at which the sample is excited in the MRFM thus depends on the external magnetic flux density and is typically in the GHz range.
  • the MRFM modulates the exciting electromagnetic field with the resonance frequency of the AFM tip to allow the AFM tip to be coupled to the electromagnetic response of the sample. Since the interactions to be measured are very small, in the MRFM the sensor arm is only slightly deflected by the magnetic excitation. Nevertheless, a measurement signal with respect to the background MRFM measurements generally have to be performed in vacuum and at very low temperatures.
  • the object of the present invention is to provide a method which overcomes the disadvantages mentioned above, for example, does not require low temperatures.
  • the object is achieved by a method with an atomic force microscope for the spatial determination of nanoparticles in the region of the surface of a sample and measurement of their magnetic information, in particular the magnetic AC susceptibility, wherein the largest extension of the nanoparticles in the range of 1 nm to 100 nm and these have a magnetic moment, wherein the method is characterized in that the sample and the nanoparticles are excited with an alternating magnetic field having a frequency corresponding to one of the resonance frequencies of a magnetic peak of the atomic force microscope in the range of 1 kHz to 100 MHz and a field strength from 50A / m to 100kA / m, so that the total magnetic flux density in the area of the nanoparticles is changed and the magnetic peak of the atomic force microscope determines the total magnetic flux density under the influence of the alternating magnetic field on the sample, by the vertical deflection of the magnetic tip is measured.
  • a further advantageous embodiment of the method is that the magnetic tip of the atomic force microscope rasterizes the sample along its surface and thereby has a distance in the range of 0.1 nm to 100 nm, preferably 0.1 nm to 20 nm, to the sample surface, so that a non-contact measurement is possible but still the tip is in a region of the sample where it can detect the magnetic flux density of the nanoparticles.
  • a further advantageous embodiment of the method provides that the magnetic alternating field with an electromagnet, preferably a coil, is generated, but also the magnetic component of an electromagnetic radiation can be used, which is emitted by an antenna.
  • the excitation with the coil is harmonious at one of the resonance frequencies of the magnetic peak, although more complicated pulse shapes are suitable for the excitation, which according to the Fourier transformation frequency components of the resonance frequencies. Also not only amplitude modulated modulation formats can be used but also phase or frequency modulated signals.
  • the excitation at several resonance frequencies is simultaneously possible to measure the magnetic information, in particular the AC susceptibility, in one step.
  • a further advantageous embodiment of the method is that the sample is introduced in addition to the alternating magnetic field in a static magnetic field with a field strength in the range of 50A / m to 100kA / m, so that the magnetic hysteresis of the nanoparticles can be influenced.
  • a further advantageous embodiment of the method provides that the measured signal is compared in a carrier frequency amplifier with the excitation signal of the alternating magnetic field and the amplitude and the phase of the measured signal are determined.
  • a signal from the alternating magnetic field can also be recovered by means of a detector and compared with the measured signal.
  • the amplitude of the measured signal may be determined by squaring or autocorrelating.
  • Nanoparticles should be investigated with regard to their magnetic properties.
  • Two major applications are the localization and differentiation of magnetic markers of biological cells with resolutions in the nm range, as well as materials science studies, especially the measurement of the cut-off frequency of individual magnetic markers for basic research, such as. for optimizing magnetic markers, measuring dynamic magnetic information for data storage and single magnetic domain data storage:
  • data storage typically relies on thin film technologies, i. the data is stored on magnetic layers.
  • nanotechnology has developed strongly and allows significantly finer lateral structuring through the use of single magnetic domains.
  • the present invention makes use of the fact that dipole moments can induce changes in the magnetic field in turn cause excitations of the magnetized AFM tip. That is, here the property is exploited that a magnetic response of the variable dipole moments can directly excite an AFM tip to vibrate. In contrast, in the MFM, the AFM tip is always excited by the AFM itself to vibrate. Even without interaction, the AFM tip oscillates, so that the induced changes in the oscillation can "go under" during the weak interactions in the excitation. According to the invention, the oscillation of the AFM tip is already the measurement information. Consequently, significantly smaller interactions can be measured compared to the MFM.
  • the present invention does not detect energy splits but measures the magnetic information of single magnetic domains, which often have a continuous frequency spectrum. Since there is no energy splitting without external magnetic flux density, which enables the detection of a resonance, the MRFM can not work without a static external magnetic field in contrast to the present invention.
  • Another advantage resides in the fact that the present invention is functional under normal conditions, in air or liquid and at room temperature, allowing use under biological conditions. It is thus possible to set a temperature range from 250K to 400K with one temperature unit and to monitor the actual temperature.
  • a possible embodiment of the temperature unit may be a Peltier element.
  • All of these methods can also be used to determine the distribution of magnetic properties along a sample, that is, to create a map of magnetic properties. While in the MRFM the contrast of this image is due to the different density of spins in the sample, in the present invention the contrast is caused by different magnetic properties. Even if the strength of the magnetic response of the markers is the same, one can distinguish the markers because of their different frequency-dependent magnetic susceptibility. Due to the technological fact that the MRFM does not measure the interaction directly below the peak, MRFM images always come from a superposition of two laterally shifted images. The reconstruction of the "original image" requires special computation, while in the present invention, the image is measured directly and requires no further signal processing.
  • the invention is a measurement method for atomic force microscopes with which magnetic information, e.g. the AC susceptibility, measured by single, isolated magnetic markers, with the lateral resolution in the range of a few nanometers.
  • Magnetic markers here are all nanoparticles with diameters in the range of 1 to 100 nm, preferably 5 nm to 25 nm, which can increase or decrease an external magnetic flux density. If the markers are fixed in any way on a biological structure, cells or parts of cells, this is called magnetic labein.
  • the terms magnetic information or geometry of a marker include all magnetic properties of the magnetic markers, such as frequency dependence of the susceptibility, diamagnetism vs. diamagnetism. Paramagnetism, and to understand the spatial dimensions of the marker.
  • the material of the markers is selected from diamagnetic, paramagnetic and ferromagnetic / ferromagnetic materials.
  • the diamagnetic substances which attenuate the flux density are preferably gold, silver and copper clusters, which preferably have diameters greater than 1 nm.
  • Paramagnetic substances which weakly increase the flux density are preferably titanium, tungsten or platinum.
  • Magnetic AC susceptibility indicates whether the marker amplifies or attenuates externally applied magnetic fields. If the ferromagnetic / ferrimagnetic markers fall below a certain size (for maghemite clusters, for example for
  • Diameter smaller than 25 nm they often show superparamagnetism, ie the amplification of the magnetic flux density then becomes frequency-dependent: below a certain cut-off frequency, these markers show a magnetic ac- Susceptibility, which is significantly higher than that of paramagnets, while above the cutoff frequency no or hardly any increase in the flux density takes place.
  • This cutoff frequency depends strongly on the material, the volume and the geometry of the markers, so that the magnetic AC susceptibilities of different markers can differ greatly in frequency dependence.
  • the markers are excited by an alternating magnetic field of field strength H and frequency f, and an atomic force microscope is used to locally measure the magnetic response of the marker by means of an AFM tip.
  • the exciting alternating magnetic field has a field strength H of 0.08 kA / m to 40 kA / m (corresponding to a magnetic vacuum flux density of 0.1 mT to 50 mT) and a frequency / of 10 kHz to 100 MHz, preferably 50 kHz to 20 MHz.
  • a comparison of excitation and magnetic response of the marker provides the susceptibility measured by the invention at different excitation frequencies. Thus, individual markers are resolved laterally, their susceptibility is measured and thus differentiated between different markers.
  • the advantages of the invention are based on the fact that the magnetic flux density B c i generated by the marker is locally measured by a magnetic AFM tip.
  • the AFM tip is fixed to a spring (AFM cantilever) so that the deflection of the AFM tip is measured via the deflection of the AFM cantilever.
  • AFM cantilever By introducing the magnetic AFM tip into B, a force acts on it which causes a displacement proportional to the magnitude of B. Due to the magnetic interaction between coil and AFM tip, the latter is excited to oscillations with the frequency f and an amplitude proportional to B.
  • This signal is fed into a carrier-frequency amplifier (lock-in amplifier), which compares the induced peak oscillation with the excitation.
  • a carrier-frequency amplifier lock-in amplifier
  • the phase shift is a measure of the time lag. between magnetic excitation and induced AFM peak oscillation and allows to determine the cutoff frequency of the single marker.
  • a lateral excitation of the markers reduces unwanted direct excitation of the tip.
  • the magnetic excitation of the marker is performed by a coil oriented in close proximity to the sample at an angle of 0.1 to 15 degrees with respect to the sample surface.
  • the excitation can also be independent of angle.
  • the method further exploits that, although the markers are excited from the side, the magnetic response ⁇ c / the marker produces a flux density which also acts perpendicular to the sample surface and thus is detected by the AFM tip.
  • the flux density ß in the direction of the AFM tip is thus given to a large extent by and measurable.
  • the magnetic flux density B is measured by means of the vibration at which the AFM tip is excited by the magnetic interaction.
  • the AFM peak is deflected in proportion to the strength of the marker-stimulating ⁇ -field into which it is placed.
  • the magnetic AC susceptibility is determined by determining the magnitude and phase of the flux density both in the immediate vicinity and at a greater distance from the markers. The change in the two sizes near the marker compared to areas on the sample surface which are not marked, allows to determine the influence of the markers on the magnetic flux density.
  • the measured signal is fed into a carrier frequency amplifier which compares the induced signal with the excitation, the frequency f of the exciting alternating magnetic field H, which is in the range of 1 kHz to 100 MHz, preferably 50 kHz to 20 MHz, with a Resonant frequency of the AFM tip and the AFM cantilever, respectively.
  • the sample to be examined is in a medium from the group of vacuum, inert gas, room air or liquid.
  • “Protective gas” are gases such as CO 2 , but also to understand the inert gases, ie nitrogen and the noble gases (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn).
  • Liquids are here aqueous solutions (with a pH value of 3 to 10, preferably a pH value of 6 to 9) or organic solvents. According to the invention, these have a dynamic viscosity of between 0.1 and 100 mPa * s, preferably between 0.2 and 10 mPa * s. The viscosity is of relevance, as a sufficient oscillation of the AFM tip must be ensured, ie the friction at the AFM tip may not be too large.
  • the liquids may be used alone or in mixture, mixtures of different aqueous solutions, of aqueous solutions with organic solvents, and mixtures of various organic solvents are included.
  • aqueous solutions of salts such as NaCl and KCl, of buffers such as Na 2 HPO 4 buffer systems, and nutrient media such as aqueous glucose solutions.
  • the aqueous salt solutions are preferably those having a salt concentration (I) of between 0.1 mM and 4 M, preferably between 0.1 and 0.3 M.
  • Common salt (NaCl) is preferred, in particular one isotonic Saline solution is used.
  • an alternating magnetic field H (4) is radiated in a defined angle to the sample surface and amplified or attenuated by the magnetic markers (5) (generally frequency-dependent).
  • the resulting magnetic see flux density B is thus composed of two parts: the proportion ⁇ H, which is generated by the magnetic alternating field H, and the flux density ß c i, which is generated by the marker.
  • the resulting magnetic flux density ⁇ can interact with the magnetic dipole moment (2) of the AFM tip (1) and therefore generate a force that deflects the AFM tip (1).
  • the frequency of the magnetic fields H and S corresponds to a resonance frequency of the AFM cantilever on which the AFM tip (1) is fixed
  • the magnetic interaction leads to a periodic oscillation of the AFM tip (1), which points to the AFM cantilever.
  • the amplitude of the oscillation is a measure of the amount of the component of B, which is perpendicular to the sample surface.
  • the AFM can now be used to measure spatially resolved vibration amplitude of the tip and thus the magnetic response of the markers to the external excitation. This is demonstrated in FIGS. 2 and 3.
  • the elevation profile was shown on the left side, with bright colors always meaning higher objects.
  • the markers are clearly distinguishable as relatively circular, bright objects from the background.
  • the change in the amplitude of the AFM tip (1) (raw data) is shown, and it is immediately apparent that the two markers differ significantly from one another: while above the iron oxide clusters, the oscillation amplitude increases (dark areas), it is reduced over the gold clusters (light areas).
  • iron oxide clusters we mean maghemite clusters, ie gamma-Fe2O3, which corresponds to the expected behavior: Gold behaves diamagnetically, ie it weakens magnetic fields of iron oxide clusters with a diameter ⁇ 20 nm however, they are known to exhibit superparamagnetic behavior, that is, they may have a magnetic dipole moment, which may align parallel to an external magnetic field and thus amplify the external magnetic field, thus leading to different markers of interaction with the magnetic field A weakening of the magnetic field is measured as follows: The exciting coil will never be aligned completely parallel to the sample surface. ne component of the magnetic field, which acts perpendicular to the surface and thus the AFM tip (1) to vibrate. The invention thus locally measures a deviation from this "background” vibration, which is amplified or attenuated by the markers.
  • both markers differ in their effect on the AFM tip (1) and thus cause a different contrast in the amplitude, the markers in a single sample can be distinguished from one another by means of this behavior (see FIG. 4).
  • a sample with a mixture of gold and iron oxide clusters is used.
  • iron oxide clusters are adsorbed from a charge whose clusters are significantly smaller than the gold clusters.
  • the markers can also be distinguished from each other on the basis of their geometry.
  • some gold clusters are highlighted and show the expected weakening of the magnetic field.
  • an iron oxide cluster is marked, which has led to an increase in the magnetic field.
  • the invention is therefore demonstrably able to distinguish different markers from each other on the basis of their magnetic properties.
  • the use of the invention is not limited to the fundamental resonance frequency of the AFM tip.
  • FIG. 6 it is quite possible to investigate the magnetic properties at higher frequencies. According to FIG. 6, the contrast decreases with the size of the markers since, as the marker volume is reduced, its magnetic dipole moment is also reduced.
  • the phase shift between the alternating magnetic field H and the magnetic flux density B can also be determined (compare FIGS. 7 and 8).
  • the invention capable of distinguishing different markers, but rather it can measure the total AC susceptibility (magnitude and phase shift) of individual nanoscopic markers.
  • the measured effects are not due to crosstalk of the geometric properties. to lead.
  • silicon steps with a height of approximately 25 nm were imaged with the developed method and the amplitude and phase were measured (compare Figures 9 and 10).
  • the crosstalk of the geometry to the magnetic information is negligible compared to the measured values in the markers (see Figures 3 and 6 to 8).
  • the contrast in amplitude and phase when using the markers may not have been caused by their geometry. He must therefore have a magnetic origin. This is also underpinned by the measurements in which the excitation was switched off for a short time, as a result of which no oscillation of the AFM tip and thus also no contrast was measurable (compare FIGS. 3 and 5).
  • Fig. 11 is a schematized on a molecular level representation of a measurement at a fixed distance probe-sample
  • Fig. 12 is a detail view of a magnetic tip with typical technical

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit einem Rasterkraftmikroskop zur räumlichen Bestimmung von Nanopartikeln im Bereich der Oberfläche einer Probe und Messung derer magnetischen Informationen, insbesondere der magnetischen AC-Suszeptibilität, wobei die größte Ausdehnung der Nanopartikel im Bereich von 1 nm bis 100 nm liegt und diese ein magnetisches Moment aufweisen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Probe und die Nanopartikel mit einem magnetischen Wechselfeld angeregt werden, welches eine Frequenz entsprechend einer der Resonanzfrequenzen einer magnetischen Spitze des Rasterkraftmikroskops im Bereich von1 kHz bis 100 MHz und eine Feldstärke von 50 A/m bis 100 kA/m hat, so dass die gesamte magnetische Flussdichte im Bereich der Nanopartikel verändert wird und mit der magnetischen Spitze des Rasterkraftmikroskops die gesamte magnetische Flussdichte unter Einfluss des magnetischen Wechselfeldes auf die Probe bestimmt wird, indem die vertikale Auslenkung der magnetischen Spitze gemessen wird.

Description

Verfahren zur Messung magnetischer Informationen, insbesondere der magnetischen AC-Suszeptibilität,
von magnetischen Nanopartikeln (Markern)
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem mittels Rasterkraftmikroskopie magnetische Informationen von einzelnen isolierten magnetischen Markern im nm-Bereich gemessen werden können, sowie die Verwendung des Verfahrens zur räumlichen Trennung von markierten und unmarkierten Bereichen, zur Messung der magnetischen Suszeptibilität der Marker und zur Bestimmung der Geometrie der Marker. Um magnetische Wechselwirkungen mit dem Atomkraftmikroskop, englisch atomic force microscope (AFM) zu messen, existieren bisher zwei typische Ansätze: Magnetkraft-Mikroskopie, in Englisch magnetic force microscopy (MFM) wie in EP 0 924 529 B1 beschrieben und Rasterkraftmagnet-Mikroskopie, in Englisch magnetic resonance force microscopy (MRFM) gemäß US Patent 5,166,615.
Bei der MFM werden statische magnetische Informationen vermessen, d.h. man misst die Wechselwirkung von unterschiedlichen, stabil aufmagnetisierten Domänen mit der magnetischen AFM-Spitze. Diese Wechselwirkung erzeugt eine Kraft, welche die Schwingungseigenschaften der AFM-Spitze verändert.
Die Messung erfolgt dadurch, daß man die AFM-Spitze zu Schwingungen anregt und in Abhängigkeit von der Position der AFM-Spitze über der Probe Veränderungen in der erzwungenen Spitzen-Schwingung mißt. Dadurch können magnetische Dipolmomente mit lateralen Auflösungen um 40 nm gemessen werden. Hierzu muss das Dipolmoment jedoch stabil sein, da sich sonst die Wechselwirkungen während der Messung herausmitteln würden. Dieses oben beschriebenen Verfahren zur Messung magnetischer Wechselwirkungen mit dem AFM haben einige Nachteile: Die MFM nutzt ausschließlich statische, zumindest während der Messung stabile Dipolmomente. Aus Patentschrift DE 698 23 578 T2 ist eine Sonde für ein Magnetkraftmikroskop bekannt, bei der ein magnetisches Wechselfeld an der Sondenspitze konzentriert werden kann, ohne dass Streufelder der Spule die magnetische Probe beeinflussen können. Die Sonde ist am freien Ende eines Auslegerarmes angebracht und hat ein Paar Magnetpole, die Bestandteil eines magnetischen Jochs und einer um das Joch gewundenen elektrisch leitenden Spule sind. Durch die Anordnung der Spule in der Nähe der Sondenspitze kann man das Magnetfeld an der Sondenspitze konzentrieren und die Entstehung von magnetischen Streufeldern verhindern, die mit den Magnetfeldern der Probe wechselwirken könnten. Bei der MRFM wird die AFM-Spitze zu Schwingungen durch die Wechselwirkung mit dem zu messenden Magnetfeld angeregt. Dieses Verfahren stellt eine "Verkleinerung" der NMR-Technik auf die nm-Skala dar. Wie bei der NMR wird die Probe in eine magnetische Flussdichte von typischerweise 2T eingebracht, was eine Aufspaltung von Energieniveaus aufgrund der Wechselwirkung des Magnetfeldes mit den Spins verursacht. Diese Aufspaltung kann detektiert werden, indem die Probe durch ein elektromagnetisches Feld angeregt wird und senkrecht zur Anregungsebene die elektromagnetische Antwort der Probe gemessen wird. Bei der NMR erfolgt dies durch eine Spule, bei der MRFM-Technologie durch eine magnetische AFM-Spitze, die durch die elektromagnetische Antwort zu Schwingungen angeregt wird.
Die Resonanzfrequenz, mit der die Probe im MRFM angeregt wird, hängt somit von der externen magnetischen Flussdichte ab und liegt typischerweise im GHz-Bereich. Da die Resonanzfrequenz der AFM-Spitze jedoch im kHz-Bereich liegt, wird bei der MRFM das anregende elektromagnetische Feld mit der Resonanzfrequenz der AFM- Spitze moduliert, um eine Ankopplung der AFM-Spitze an die elektromagnetische Antwort der Probe zu ermöglichen. Da die zu messenden Wechselwirkungen sehr klein sind, wird bei der MRFM der Sensorkraftarm nur gering durch die magnetische Anregung ausgelenkt. Um dennoch ein Messsignal gegenüber dem Hintergrundrau- sehen erhalten zu können, müssen MRFM-Messungen im Allgemeinen im Vakuum und bei sehr tiefen Temperaturen durchgeführt werden.
Derartige, oben beschriebene Verfahren, sowie Verfahrensvarianten sind dem
Fachmann geläufig und in der Literatur beschrieben. Sie werden als übliche Nachweisverfahren zusammengefasst.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens, welches die oben genannten Nachteile überwindet, beispielsweise keine tiefen Temperaturen erfordert.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 . Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. In anderen Worten wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren mit einem Rasterkraftmikroskop zur räumlichen Bestimmung von Nanopartikeln im Bereich der Oberfläche einer Probe und Messung derer magnetischen Informationen, insbesondere der magnetischen AC-Suszeptibilität, wobei die größte Ausdehnung der Nanopartikel im Bereich von 1 nm bis 100nm liegt und diese ein magnetisches Moment aufweisen, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die Probe und die Nanopartikel mit einem magnetischen Wechselfeld angeregt werden, welches eine Frequenz entsprechend einer der Resonanzfrequenzen einer magnetischen Spitze des Rasterkraftmikroskops im Bereich von 1 kHz bis 100MHz und eine Feldstärke von 50A/m bis 100kA/m hat, so dass die gesamte magnetische Flussdichte im Bereich der Nano- partikel verändert wird und mit der magnetischen Spitze des Rasterkraftmikroskops die gesamte magnetische Flussdichte unter Einfluss des magnetischen Wechselfeldes auf die Probe bestimmt wird, indem die vertikale Auslenkung der magnetischen Spitze gemessen wird. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass die magnetische Spitze des Rasterkraftmikroskops die Probe entlang ihrer Oberfläche rastert und dabei einen Abstand im Bereich von 0,1 nm bis 100nm, vorzugweise 0,1 nm bis 20nm, zur Probenoberfläche hat, so dass eine kontaktfreie Messung möglich ist, aber dennoch die Spitze in einem Bereich der Probe ist, in dem sie die magnetische Flussdichte der Nanopartikel detektieren kann. Eine Messung mit konstantem Abstand zwischen Spitze und Probe, wobei von einer Abstandsänderung der Spitze aufgrund ihrer Schwingungen abgesehen wird, ist ebenfalls denkbar, wenn in einem vorherigen Messschritt der Abstand zwischen Oberfläche und der magnetischen Spitze beispielsweise im„Tapping"-Modus bestimmt wird. So kann die magnetische Spitze für die Messung der magnetischen Information in den entsprechenden Abstand gebracht werden. Für die Abstandsbestimmung muss die Spitze noch zusätzlich zu der Anregung durch das magnetische Wechselfeld über den Cantilever ange- regt werden. Eine simultane Messung des Abstands zwischen Probe und magnetischer Spitze sowie der magnetischen Information ist ebenfalls möglich, wenn die Spitze über den Cantilever mit einer Resonanzfrequenz, vorzugsweise der Grundresonanzfrequenz, angeregt wird, wobei das magnetische Wechselfeld eine andere Resonanzfrequenz, vorzugsweise eine Resonanzfrequenz höherer Ordnung, hat. So lassen sich die beiden physikalischen Gründe, die die Änderung der Schwingung der magnetischen Spitze verursachen, aufgrund der unterschiedlichen Frequenzen bei der Auswertung voneinander trennen. Um mit dem Cantilever eine zusätzliche Schwingung an der magnetischen Spitze zu erzeugen, wird dieser zum Beispiel elektrisch mit einem Piezoelement angeregt. Anderer Varianten der Anregung des Cantilevers sind beispielsweise kapazitiver Art.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass das magnetische Wechselfeld mit einem Elektromagneten, vorzugweise einer Spule, erzeugt wird, wobei aber auch die magnetische Komponente einer elektromagnetischen Strahlung verwendet werden kann, die von einer Antenne emittiert wird. Im einfachsten Fall ist die Anregung mit der Spule harmonisch bei einer der Resonanzfrequenz der magnetischen Spitze, wobei auch kompliziertere Pulsformen sich für die Anregung eignen, die gemäß der Fourier-Transformation Frequenzanteile der Resonanzfrequenzen enthalten. Ebenfalls können nicht nur amplitudenmodulierte Modulations- formate verwendet werden sondern auch phasen- oder frequenzmodulierte Signale. Desweiteren ist die Anregung bei mehreren Resonanzfrequenzen gleichzeitig möglich um die magnetische Information, insbesondere die AC-Suszeptibilität, in einem Arbeitsschritt zu messen. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass die Probe zusätzlich zu dem magnetischen Wechselfeld in ein statisches Magnetfeld mit einer Feldstärke im Bereich von 50A/m bis 100kA/m eingebracht wird, so dass die magne- tische Hysterese der Nanopartikel beeinflusst werden kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass das gemessene Signal in einem Trägerfrequenzverstärker mit dem Anregungssignal des magnetischen Wechselfeldes verglichen wird und die Amplitude und die Phase des ge- messenen Signals bestimmt werden. Wahlweise kann auch mittels Detektor ein Signal aus dem magnetischen Wechselfeld rückgewonnen werden und mit dem gemessenen Signal verglichen werden. Alternativ kann die Amplitude des gemessenen Signals durch Quadrieren oder Autokorrelieren ermittelt werden. Des Weiteren ist es vorteilhaft, die magnetische Information in einem Abstand, der kleiner gleich der größten Ausdehnung der Nanopartikel ist, zu messen, um so die Auflösung der magnetischen Eigenschaften jedes Nanopartikels zu gewährleisten.
Es sollen Nanopartikel hinsichtlich ihrer magnetischen Eigenschaften untersucht werden. Zwei Hauptanwendungen sind hierbei die Lokalisation und Differenzierung von magnetischen Markern biologischer Zellen mit Auflösungen im nm-Bereich, sowie materialwissenschaftliche Untersuchungen, speziell das Messen der Grenzfrequenz von einzelnen magnetischen Markern für die Grundlagenforschung, wie z.B. für die Optimierung von magnetischen Markern, das Messen von dynamischen mag- netischen Informationen für die Datenspeicherung und die Datenspeicherung mittels magnetischer Einzeldomänen: Gemäß dem Stand der Technik wird für die Datenspeicherung normalerweise auf Dünnschichttechnologien zurückgegriffen, d.h. die Daten werden auf magnetischen Schichten gespeichert. Mittlerweile hat sich die Nanotechnologie aber stark weiterentwickelt und erlaubt durch den Einsatz von magne- tischen Einzeldomänen deutlich feinere laterale Strukturierungen.
Zur Überwindung der oben genannten Nachteile nutzt die vorliegende Erfindung gerade aus, dass Dipolmomente Veränderungen im Magnetfeld induzieren können, die ihrerseits Anregungen der magnetisierten AFM-Spitze hervorrufen. Das heißt, hier wird die Eigenschaft ausgenutzt, dass eine magnetische Antwort der veränderlichen Dipolmomente eine AFM-Spitze direkt zu Schwingen anregen kann. Im Gegensatz dazu wird bei der MFM die AFM-Spitze stets durch das AFM selbst zu Schwingungen angeregt. Auch ohne Wechselwirkung schwingt die AFM-Spitze, so dass die induzierten Veränderungen der Schwingung bei schwachen Wechselwirkungen in der Anregung "untergehen" können. Erfindungsgemäß ist die Schwingung der AFM- Spitze bereits die Messinformation. Folglich können im Vergleich zur MFM deutlich kleinere Wechselwirkungen gemessen werden.
Im Gegensatz zur MRFM detektiert die vorliegende Erfindung keine Energieaufspaltungen sondern misst die magnetische Information von magnetischen Einzeldomänen, die oft ein kontinuierliches Frequenzspektrum aufweisen. Da ohne externe magnetische Flussdichte keine Energieaufspaltung vorhanden ist, welche die Detek- tion einer Resonanz ermöglicht, kann die MRFM im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung nicht ohne statisches externes Magnetfeld arbeiten. Ein weiterer Vorteil liegt in der Tatsache, dass die vorliegende Erfindung unter Normalbedingungen, in Luft oder Flüssigkeit und bei Raumtemperatur funktionsfähig ist, was den Einsatz unter biologischen Bedingungen ermöglicht. So besteht die Möglichkeit einen Temperatur- bereich von 250K bis 400K mit einer Temperatureinheit einzustellen und die tatsächliche Temperatur zu überwachen. Eine mögliche Ausgestaltung der Temperatureinheit kann ein Peltierelement sein.
Alle genannten Verfahren können ebenfalls eingesetzt werden, um die Verteilung von magnetischen Eigenschaften entlang einer Probe zu ermitteln, das heißt eine Abbildung von magnetischen Eigenschaften zu erstellen. Während bei der MRFM der Kontrast dieser Abbildung durch die unterschiedliche Dichte der Spins in der Probe hervorgerufen wird, wird bei der vorliegenden Erfindung der Kontrast durch unterschiedliche magnetische Eigenschaften verursacht. Selbst wenn die Stärke der magnetischen Antwort der Marker gleich ist, so kann man die Marker aufgrund ihrer unterschiedlichen frequenzabhängigen magnetischen Suszeptibilität unterscheiden. Aufgrund der technologisch bedingten Tatsache, dass bei der MRFM die Wechselwirkung nicht direkt unter der Spitze gemessen wird, setzen sich die mit MRFM ge- wonnenen Bilder stets aus einer Überlagerung zweier lateral gegeneinander verschobener Bilder zusammen. Die Rekonstruktion des "ursprünglichen Bildes" bedarf spezieller Rechenverfahren, während bei der vorliegenden Erfindung das Bild direkt gemessen wird und keiner weiteren signaltechnischen Bearbeitung bedarf.
Bei der Erfindung handelt es sich um ein Messverfahren für Rasterkraftmikroskope, mit der magnetische Informationen, wie z.B. die AC-Suszeptibilität, von einzelnen, isolierten magnetischen Markern gemessen werden, wobei die laterale Auflösung im Bereich von einigen Nanometern liegt. Magnetische Marker sind hier alle Nanoparti- kel mit Durchmessern im Bereich von 1 bis 100 nm, vorzugsweise 5nm bis 25 nm, die eine externe magnetische Flussdichte verstärken bzw. abschwächen können. Werden die Marker in irgendeiner Form an einer biologischen Struktur, Zellen oder Teile von Zellen, fixiert, so bezeichnet man dies als magnetisches Labein. Unter den Begriffen magnetische Information bzw. Geometrie eines Markers sind hier alle mag- netischen Eigenschaften der magnetischen Marker, wie Frequenzabhängigkeit der Suszeptibilität, Diamagnetismus vs. Paramagnetismus, und die räumlichen Abmaße des Markers zu verstehen.
Das Material der Marker wird ausgewählt aus diamagnetischen, paramagnetischen und ferro-/ferri-magnetischen Stoffen. Die diamagnetischen Stoffe, welche die Flussdichte abschwächen, sind vorzugsweise Gold, Silber und Kupfer-Cluster, welche vorzugsweise Durchmesser größer 1 nm aufweisen. Paramagnetische Stoffe, welche die Flussdichte schwach verstärken, sind vorzugsweise Titan, Wolfram oder Platin. Als ferro-/ferrimagnetische Stoffe, welche die Flussdichte verstärken, werden Materi- alien aus der Gruppe von Eisen, Eisenoxid-Clustern (Maghemit = gamma-Fe203; Magnetit = Fe304) Kobalt und Nickel ausgewählt.
Die magnetische AC-Suszeptibilität gibt an, ob der Marker extern angelegte magnetische Felder verstärkt oder abschwächt. Wenn die ferro-/ferrimagnetischen Marker eine gewisse Größe unterschreiten (bei Maghemit-Clustern beispielsweise für
Durchmesser kleiner als 25 nm), so zeigen sie häufig Superparamagnetismus, d.h. die Verstärkung der magnetischen Flussdichte wird dann frequenzabhängig: unterhalb einer gewissen Grenzfrequenz zeigen diese Marker eine magnetische AC- Suszeptibilität, die deutlich über der von Paramagneten liegt, während oberhalb der Grenzfrequenz keine bzw. kaum eine Verstärkung der Flussdichte stattfindet. Diese Grenzfrequenz hängt stark vom Material, vom Volumen und der Geometrie der Marker ab, so dass sich die magnetischen AC-Suszeptibilitäten unterschiedlicher Marker stark in der Frequenzabhängigkeit unterscheiden können.
Erfindungsgemäß werden die Marker durch ein magnetisches Wechselfeld der Feldstärke H und Frequenz f angeregt und ein Rasterkraftmikroskop wird eingesetzt, um die magnetische Antwort des Markers lokal mittels einer AFM-Spitze zu messen. In einer speziellen Ausgestaltungsform weistdas anregende magnetische Wechselfeld eine Feldstärke H von 0,08 kA/m bis 40 kA/m (entspricht einer magnetischen Vakuumflussdichte von 0,1 mT bis 50 mT) und eine Frequenz /von 10 kHz bis 100 MHz, vorzugsweise 50 kHz bis 20 MHz auf. Ein Vergleich von Anregung und magnetischer Antwort des Markers liefert die Suszeptibilität, die durch die Erfindung bei unter- schiedlichen Anregungsfrequenzen gemessen wird. Somit werden einzelne Marker lateral aufgelöst, es wird deren Suszeptibilität gemessen und somit zwischen unterschiedlichen Markern unterschieden.
Die Vorteile der Erfindung basieren darauf, dass die vom Marker erzeugte magneti- sehe Flussdichte Bci lokal durch eine magnetische AFM-Spitze gemessen wird. Diese Flussdichte addiert sich vektoriell zur bereits bestehenden den Marker anregenden Flussdichte gemäß B = μ0 H + Bcl hinzu. Die AFM-Spitze ist derart an einer Feder (AFM-Cantilever) befestigt, dass die Auslenkung der AFM-Spitze über die Auslenkung des AFM-Cantilevers gemessen wird. Durch Einbringen der magnetischen AFM-Spitze in B wirkt eine Kraft auf dieselbe, die eine Auslenkung proportional zur Stärke von B bewirkt. Durch die magnetische Wechselwirkung zwischen Spule und AFM-Spitze wird letztere zu Schwingungen mit der Frequenz f und einer zu B proportionalen Amplitude angeregt. Dieses Signal wird in einen Trägerfrequenzverstärker (Lock-In-Verstärker) geleitet, der die induzierte Spitzenschwingung mit der Anregung vergleicht. Hierbei werden die Flussdichte an der AFM-Spitze und die Phasenverschiebung der Schwingung der AFM-Spitze bezüglich des anregenden Wechselfeldes H gemessen. Dabei ist die Phasenverschiebung ein Maß für die zeitliche Verzö- gerung zwischen magnetischer Anregung und induzierter AFM-Spitzen-Schwingung und erlaubt es, die Grenzfrequenz des einzelnen Markers zu bestimmen.
Eine seitliche, nahezu parallel zur Oberfläche der Probe ausgerichtete Anregung der Marker verringert eine unerwünschte direkte Anregung der Spitze. Vorzugsweise erfolgt die magnetische Anregung des Markers durch eine in direkter Nähe zur Probe unter einem Winkel von 0,1 bis 15 Grad bezüglich der Probenoberfläche ausgerichtete Spule. Prinzipiell kann die Anregung auch winkelunabhängig geschehen. Das Verfahren nutzt ferner aus, dass obwohl die Marker von der Seite angeregt werden, die magnetische Antwort ßc/ der Marker eine Flussdichte erzeugt, die auch senkrecht zur Proben-Oberfläche wirkt und somit durch die AFM-Spitze detektiert wird. Die Flussdichte ß in Richtung der AFM-Spitze ist somit zu einem großen Teil durch Bei gegeben und messbar. Vorzugsweise wird senkrecht zur Oberfläche der Probe die magnetische Flussdichte B mit Hilfe der Schwingung, zu der die AFM- Spitze durch die magnetische Wechselwirkung angeregt wird, gemessen. Die AFM- Spitze wird proportional zur Stärke des den Marker anregenden ß-Feldes, in welches sie gebracht wird, ausgelenkt. Die magnetische AC-Suszeptibilität wird durch das Ermitteln des Betrages und der Phase der Flussdichte sowohl in direkter Nähe als auch in größerer Entfernung zu den Markern bestimmt. Die Veränderung der beiden Größen in Markernähe im Vergleich zu Bereichen auf der Probenoberfläche, die nicht markiert sind, erlaubt es den Einfluss der Marker auf die magnetische Flussdichte zu ermitteln. Vorzugsweise wird das gemessene Signal in einen Trägerfrequenzverstärker geleitet, der das induzierte Signal mit der Anregung vergleicht, wobei die Frequenz f des anregenden magnetischen Wechselfeldes H, die im Bereich von 1 kHz bis 100 MHz, vorzugsweise 50 kHz bis 20 MHz, liegt, mit einer Resonanzfrequenz der AFM-Spitze bzw. des AFM- Cantilevers übereinstimmt. Die zu untersuchende Probe befindet sich in einem Medi- um aus der Gruppe von Vakuum, Schutzgas, Raumluft oder Flüssigkeit. Unter
„Schutzgas" sind Gase wie CO2, aber auch die Inertgase zu verstehen, d.h. Stickstoff sowie die Edelgase (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn). Flüssigkeiten sind hier wässrige Lösungen (mit einem pH-Wert von 3 bis 10, vorzugsweise einem pH-Wert von 6 bis 9) oder organische Lösungsmittel. Diese weisen erfindungsgemäß eine dynamische Viskosität zwischen 0,1 und 100 mPa*s, vorzugsweise zwischen 0,2 und 10 mPa*s auf. Die Viskosität ist von Relevanz, da eine ausreichende Schwingung der AFM-Spitze gewährleistet sein muss, d.h. die Reibung an der AFM-Spitze darf nicht zu groß sein.
Die Flüssigkeiten können allein oder in Mischung eingesetzt werden, wobei Mischungen von verschiedenen wässrigen Lösungen, von wässrigen Lösungen mit or- ganischen Lösungsmitteln, sowie Mischungen verschiedener organischer Lösungsmittel umfasst sind.
Wenn die zu untersuchende Probe eine biologischen Struktur, Zellen oder Teile von Zellen ist/sind, in oder auf welcher die Marker fixiert werden, so werden vorwiegend wässrige Lösungen eingesetzt. Mischungen verschiedener wässriger Lösungen sind davon umfasst. Die Grenzen der einsetzbaren Lösungen richten sich dabei lediglich - neben den oben genannten Angaben - nach den Anforderungen der Probe. Für biologische Materialien wird alles verwendet, was nicht toxisch für die Zellen ist. Bevorzugte Ausführungsformen betreffen dabei wässrige Lösungen von Salzen wie NaCI und KCl, von Puffern wie Na2HP04-Puffersysteme, sowie Nährmedien wie wässrige Glucoselösungen. Bevorzugt handelt es sich bei den wässrigen Salzlösungen um solche mit einer Salzkonzentration (I) zwischen 0,1 mM und 4 M, vorzugs- weise zwischen 0,1 und 0,3 M. Kochsalz (NaCI) wird dabei bevorzugt, wobei insbesondere eine isotone Kochsalzlösung eingesetzt wird.
Das folgende Beispiel soll den Erfindungsgedanken näher erläutern; es stellt keine Einschränkung des Erfindungsumfanges dar.
Gemäss Fig. 1 wird ein magnetisches Wechselfeld H (4) in einem definierten Winkel zur Probenoberfläche eingestrahlt und durch die magnetischen Marker (5) (im Allgemeinen frequenzabhängig) verstärkt oder abgeschwächt. Die resultierende magneti- sehe Flussdichte B setzt sich somit aus zwei Anteilen zusammen: den Anteil μο H, der durch das magnetische Wechselfeld H erzeugt wird, sowie der Flussdichte ßci, welche durch die Marker erzeugt wird. Die resultierende magnetische Flussdichte ß kann mit dem magnetischen Dipolmoment (2) der AFM-Spitze (1 ) wechselwirken und daher eine Kraft erzeugen, welche die AFM-Spitze (1 ) auslenkt. Entspricht die Frequenz der magnetischen Felder H und S einer Resonanzfrequenz des AFM-Cantilevers, auf dem die AFM-Spitze (1 ) befestigt ist, so führt die magnetische Wechselwirkung zu einer periodischen Schwingung der AFM-Spitze (1 ), welche auf den AFM-Cantilever übertragen und durch Resonanz verstärkt wird. Dabei ist die Amplitude der Schwingung ein Maß für den Betrag der Komponente von B, welche senkrecht zur Probenoberfläche steht.
Das AFM kann nun verwendet werden, um räumlich aufgelöst die Schwingungsamp- litude der Spitze und somit die magnetische Antwort der Marker auf die externe Anregung zu messen. Dies wird in Fig. 2 und Fig. 3 demonstriert. In beiden Abbildungen wurde auf der linken Seite das Höhenprofil dargestellt, wobei helle Farben stets höhere Objekte bedeuten. Die Marker sind als relativ kreisförmige, helle Objekte deutlich vom Hintergrund unterscheidbar. Auf der rechten Seite ist die Veränderung der Amplitude der AFM-Spitze (1 ) (Rohdaten) dargestellt, und es wird sofort erkennbar, dass sich die beiden Marker signifikant voneinander unterscheiden: während oberhalb der Eisenoxid-Cluster die Schwingungsamplitude zunimmt (dunkle Bereiche), wird sie über den Gold-Clustern verringert (helle Bereiche). Unter„Eisenoxid- Cluster" sind hier Maghemit-Cluster, d.h. gamma-Fe2O3, zu verstehen. Dies ent- spricht dem erwarteten Verhalten: Gold verhält sich diamagnetisch, d.h. es schwächt magnetische Felder ab. Von Eisenoxid-Clustern mit Durchmesser < 20 nm ist jedoch bekannt, dass sie super-paramagnetisches Verhalten aufweisen können, d.h. dass sie ein magnetisches Dipolmoment besitzen, welches sich unter Umständen parallel zu einem externen Magnetfeld ausrichten kann und somit das externe Magnetfeld verstärkt. Die unterschiedlichen Wechselwirkungsmechanismen mit dem Magnetfeld führen somit für beide Marker zu einem unterschiedlichen Kontrast. Eine Abschwä- chung des Magnetfeldes wird wie folgt gemessen: Die anregende Spule wird nie gänzlich parallel zur Probenoberfläche ausgerichtet sein. Dadurch wird es immer ei- ne Komponente des Magnetfeldes geben, welches senkrecht zur Oberfläche wirkt und somit die AFM-Spitze (1 ) zum Schwingen anregt. Die Erfindung misst somit lokal eine Abweichung von dieser„Hintergrund"-Schwingung, welche durch die Marker verstärkt oder abgeschwächt wird.
Da sich beide Marker in ihrer Wirkung auf die AFM-Spitze (1 ) unterscheiden und somit einen unterschiedlichen Kontrast in der Amplitude verursachen, können die Marker in einer einzigen Probe anhand dieses Verhaltens voneinander unterschieden werden (siehe Fig. 4).
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Experiment wird eine Probe mit einer Mischung aus Gold- und Eisenoxid-Clustern verwendet. Um beide Marker eindeutig unterscheiden zu können, werden Eisenoxid-Cluster aus einer Charge adsorbiert, deren Cluster deutlich kleiner als die Gold-Cluster sind. Somit können die Marker auch anhand ih- rer Geometrie voneinander unterschieden werden. In Fig. 4 sind einige Gold-Cluster hervorgehoben und zeigen die erwartete Abschwächung des Magnetfeldes. Analog ist ein Eisenoxid-Cluster markiert, der zu einer Erhöhung des Magnetfeldes geführt hat. Die Erfindung ist somit nachweislich in der Lage, verschiedene Marker anhand ihrer magnetischen Eigenschaften voneinander zu unterscheiden. Der Einsatz der Erfindung ist dabei nicht auf die fundamentale Resonanzfrequenz der AFM-Spitze limitiert. Wie aus Fig. 5 und Fig. 6 zu entnehmen, ist es durchaus möglich, die magnetischen Eigenschaften auch bei höheren Frequenzen zu untersuchen. Gemäss Fig.6 nimmt der Kontrast mit der Größe der Marker ab, da sich bei Verkleinerung des Marker-Volumens auch dessen magnetisches Dipolmoment verringert.
Des Weiteren können durch Einsatz des Lock-In- Verfahrens neben der Schwingungsamplitude auch die Phasenverschiebung zwischen dem magnetischen Wechselfeld H und der magnetischen Flussdichte B bestimmt werden (vgl. Fig. 7 und 8). Die Erfindung ist somit nicht nur in der Lage, verschiedene Marker voneinander zu unterscheiden, sondern kann vielmehr die gesamte AC-Suszeptibiltät (Betrag und Phasenverschiebung) von einzelnen, nanoskopischen Markern messen. Die gemessenen Effekte sind nicht auf Crosstalk der geometrischen Eigenschaften zurückzu- führen. Dazu wurden Silizium-Stufen mit einer Höhe von ca. 25 nm mit dem entwickelten Verfahren abgebildet und Amplitude und Phase gemessen (vgl. Fig. 9 und 10). Trotz vergleichbarer geometrischer Dimension ist das Übersprechen der Geometrie auf die magnetischen Information vernachlässigbar im Vergleich zu den gemessenen Werten bei den Markern (vgl. Fig. 3 und 6 bis 8). Somit kann der Kontrast in Amplitude und Phase bei Verwendung der Marker nicht durch deren Geometrie verursacht worden sein. Er muss somit einen magnetischen Ursprung haben. Dies wird auch durch die Messungen untermauert, bei denen die Anregung kurzzeitig abgeschaltet wurde, wodurch keine Schwingung der AFM-Spitze und somit auch kein Kontrast mehr messbar war (vgl. Fig. 3 und 5).
Beschreibung der Figuren
den Aufbau des Messverfahrens, speziell den rasterkraftmikroskopi- schen Teil
Marker = Eisenoxid-Cluster mit einem Durchmesser von ca. 12.5 nm; angeregt bei f= 82,6 kHz; Bildgröße: 1 x1 μιτι2; links: Höhenprofil;
rechts: Änderung der Schwingungsamplitude der AFM-Spitze.
Marker = Gold-Cluster (Au) mit einem Durchmesser von ca. 15 nm; angeregt bei f = 81 ,9 kHz; Bildgröße: 1 x1 μιη2; links: Höhenprofil; rechts: Änderung der Schwingungsamplitude der AFM-Spitze.
Marker = Au-Cluster und Eisenoxid-Cluster; angeregt bei f = 81 ,9 kHz; Bildgröße: 1 x 0.4 μιτι2; oben: Höhenprofil; Mitte: Änderung der Schwingungsamplitude der AFM-Spitze; unten: Änderung der Schwingungsamplitude der AFM-Spitze nach digitaler Tiefpass-Filterung.
Marker = Eisenoxid-Cluster mit einem Durchmesser von ca. 12.5 nm; angeregt bei f= 518 kHz; Bildgröße: 1 x1 μιη2; links: Höhenprofil; rechts: Änderung der Schwingungsamplitude der AFM-Spitze.
Marker = Eisenoxid-Cluster mit einem Durchmesser zwischen 8 und 10 nm; angeregt bei f = 518 kHz; Bildgröße: 1 x 0,5 μιτι2; oben: Höhenprofil; unten: Änderung der Schwingungsamplitude der AFM-Spitze nach digitaler Tiefpass-Filterung.
Marker = Eisenoxid-Cluster mit einem Durchmesser von ca. 12.5 nm; angeregt bei f= 562 kHz; Bildgröße: 1 x 0,5 μηι2; oben: Höhenprofil; unten: Phasenverschiebung in bei. Einheiten (a.u. englisch arbitrary units). Marker = Eisenoxid-Cluster mit einem Durchmesser von ca. 12.5 nm; angeregt bei = 1566 kHz; Bildgröße: 1 x 0,5 μιτι2; oben: Höhenprofil; unten: Phasenverschiebung in bei. Einheiten nach digitaler Tiefpass- Filterung.
25 nm Silizium-Stufen; angeregt bei f = 81 ,9 kHz; Bildgröße: 4 x 4 μητι2 links: Höhenprofil; rechts: Änderung der Schwingungsamplitude der AFM-Spitze. Hier wurde die gleiche AFM-Spitze wie in Fig. 3 und 6 verwendet.
25 nm Silizium-Stufen; angeregt bei f = 562 kHz; Bildgröße: 2 x 1 μητι2 oben: Höhenprofil; unten: Phasenverschiebung in bei. Einheiten. Hier wurde die gleiche AFM-Spitze wie in Fig. 7 und 8 verwendet.
Fig. 11 eine auf molekularer Ebene schematisierte Darstellung einer Messung bei festem Abstand Sonde-Probe
Fig. 12 eine Detailansicht einer magnetischen Spitze mit typischen technischen
Parametern
Bezugszeichenliste magnetische AFM Spitze
magnetisches Dipolmoment
Anregerspule
Anregendes elektromagnetisches Wechselfeld Magnetischer Marker

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren mit einem Rasterkraftmikroskop zur räumlichen Bestimmung von Na- nopartikeln im Bereich der Oberfläche einer Probe und Messung derer magnetischen Informationen, wobei die größte Ausdehnung der Nanopartikel im Bereich von 1 nm bis 100nm liegt und diese ein magnetisches Moment aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass
die Probe und die Nanopartikel mit einem magnetischen Wechselfeld angeregt werden, welches eine Frequenz entsprechend einer der Resonanzfrequenzen einer magnetischen Spitze des Rasterkraftmikroskops im Bereich von 1 kHz bis 100MHz und eine Feldstärke von 50A/m bis 100kA/m hat, so dass die gesamte magnetische Flussdichte im Bereich der Nanopartikel verändert wird und mit der magnetischen Spitze des Rasterkraftmikroskops die gesamte magnetische Flussdichte unter Einfluss des magnetischen Wechselfeldes auf die Probe bestimmt wird, indem die Auslenkung der magnetischen Spitze gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Cantilever die magnetische Spitze des Rasterkraftmikroskops zusätzlich zu dem magnetischen Wechselfeld anregt und die Auslenkung der magnetischen Spitze gemessen wird, um den Abstand zwischen der magnetischen Spitze und der Probe zu bestimmen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregung des Cantilevers mit einem Piezoelement geschieht und einer der Resonanzfrequenzen der magnetischen Spitze des Rasterkraftmikroskops entspricht.
4. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Spitze des Rasterkraftmikroskops die Probe entlang ihrer Oberfläche rastert und dabei einen Abstand im Bereich von 0,1 nm bis 100nm, vorzugweise 0,1 nm bis 20nm, zur Probenoberfläche hat.
5. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rasterung entlang der Probeoberfläche mit der magnetischen Spitze des Rasterkraftmikroskops in definierten Abständen vorge- nommen wird, welche kleiner gleich der größten Ausdehnung der Nanopartikel sind.
6. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Wechselfeld mit mindestens einem Elektromagneten erzeugt wird.
7. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das von dem Elektromagnet erzeugte magnetische Wechselfeld ein harmonisch in der Amplitude moduliertes statisches Magnetfeld ist.
8. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem magnetischen Wechselfeld die Probe einem statischen Magnetfeld mit einer Feldstärke im Bereich von 50A/m bis
10OkA/m ausgesetzt wird.
9. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gemessene Signal in einem Trägerfrequenzverstärker mit dem Anregungssignal des magnetischen Wechselfeldes verglichen wird und die Amplitude und die Phase des gemessenen Signals bestimmt werden.
10. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Probe kontrolliert und beeinflusst wird.
1 1 . Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der zu untersuchenden Probe im Bereich von 250K bis 400K liegt.
12. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die zu untersuchende Probe in einem Medium aus der Gruppe von Vakuum, Schutzgas, Raumluft und Flüssigkeit befindet.
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