Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Sanftes Abtasten mit einer Lichtpinzette

09.10.2015

Freiburger Forscher haben eine Methode entwickelt, die über Lichtkräfte weiche, strukturierte Oberflächen vermisst

Oberflächen trennen das Äußere vom Inneren, steuern chemische Reaktionen und regulieren den Austausch von Licht, Wärme und Feuchtigkeit. In der Natur und Technik spielen sie deshalb eine besondere Rolle.


Ein Laser-Fangstrahl (orange) fährt die Sonde (grüne Kugel) über die strukturierte Oberfläche (blaue Kugeln), wo die Sonde je nach Strukturhöhe ausgelenkt wird. Bild: AG Rohrbach.

In der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ stellt der Freiburger Physiker Prof. Dr. Alexander Rohrbach zusammen mit seinem ehemaligen Doktoranden Dr. Lars Friedrich eine ultra-sanfte Abtastmethode für Oberflächen vor, die auf einer optischen Pinzette und Lichtkräften basiert. Mit solchen Mikroskopiemethoden ist es möglich, besonders empfindliche und kleinste Strukturen zu vermessen, ohne sie zu zerstören.

Die Messapparatur basiert auf einem so genannten Photon-Kraftmikroskop (PFM) und zielt darauf ab, Höhenprofile von weichen Oberflächen wie Biofilmen oder Zellmembranen zu erstellen. Dabei ist die Abtastung bis zu 5.000-mal sanfter und empfindlicher als das in der Nanotechnologie etablierte Atom-Kraftmikroskop (AFM). Bei einem AFM tastet ein kleiner Federarm – eine Nadel mit einer ultra-dünnen Spitze – eine Oberfläche ab.

Das Mikroskop misst, wie stark die Spitze sich bewegt und erstellt so ein zweidimensionales Oberflächenprofil. Bei einem PFM ersetzt ein kleines Plastikkügelchen, das im Zentrum einer so genannten optischen Pinzette sitzt und die Oberfläche abfährt, den Federarm.

Eine optische Pinzette entsteht durch einen hochfokussierten Laserstrahl und hält kleinste Objekte fest oder verschiebt sie. Das Kügelchen ist keine 200 Nanometer groß und somit 500-mal dünner als ein Haar. Auch das PFM misst, wie stark Unebenheiten das Kügelchen auslenken, und erstellt so punktweise ein Höhenprofil der Oberfläche.

Ein PFM bildet zwar nicht ganz so feine Strukturen ab wie ein AFM, drückt aber sanfter auf die Oberfläche, zum Beispiel von einer Zelle, und verformt sie dadurch nicht. „Die prinzipielle Idee hierzu ist eigentlich schon über 20 Jahre alt“, erklärt Alexander Rohrbach. „Aber wir mussten viele konzeptionelle Probleme lösen, bis wir ein praktikables und zuverlässig laufendes Messsystem vorstellen konnten.“

Rohrbach und Friedrich nutzten Mechanismen aus, die Messtechnikerinnen und -techniker meist vermeiden wollen: Streulicht und thermisches Rauschen. Das kleine Plastikkügelchen, die Sonde, bewegt sich im Inneren der Lichtfalle aufgrund des so genannten thermischen Rauschens scheinbar chaotisch.

Die Lichtpinzette fährt die Sonde über die strukturierte Oberfläche, wo die Sonde je nach Strukturhöhe ausgelenkt wird. Diese Bewegung wird über das an der Sonde gestreute Laserlicht aufgezeichnet. Damit wird die dreidimensionale Position der Sonde eine Million Mal pro Sekunde bestimmt.

„Das Bemerkenswerte ist, dass man die zappelnde Sonde ständig kurz allein lässt, damit der Laserstrahl für jeweils eine Millisekunde einen Schritt nach vorne springen kann“, erklärt Rohrbach. „Dort zeichnet die Sonde störendes Streulicht von der Oberfläche auf und verrechnet dieses. Doch bevor die Sonde entkommen kann, hat sie der Laserstrahl wieder gefangen.“

Die Freiburger Forscher haben mit ihrer Technik beispielsweise Bakterien abgescannt, die an ihrer Oberfläche winzige Ausstülpungen haben. Diese so genannten Pili spielen vermutlich eine Rolle bei der Kommunikation zwischen Bakterien. Sie reagieren auf minimale Druckkräfte, weshalb die neue Technologie besonders geeignet ist, um sie zu untersuchen. „Wir wollen in den nächsten Jahren andere und verschiedene Oberflächen abtasten, indem wir einige Messprinzipien aus der AFM-Technologie übernehmen und anpassen“, so Rohrbach.

Alexander Rohrbach forscht am Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) und ist assoziiertes Mitglied des Exzellenzclusters BIOSS Centre for Biological Signalling Studies der Albert-Ludwigs-Universität.

Originalpublikation:
Lars Friedrich, Alexander Rohrbach (2015). Surface imaging beyond the diffraction limit with optically trapped spheres. In: Nature Nanotechnology. doi:10.1038/nnano.2015.202

Kontakt:
Prof. Dr. Alexander Rohrbach
Institut für Mikrosystemtechnik
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Tel.: 0761/203-7536
E-Mail: rohrbach@imtek.uni-freiburg.de

Weitere Informationen:

https://www.pr.uni-freiburg.de/pm/2015/pm.2015-10-09.141?set_language=de

Rudolf-Werner Dreier | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Verfahrenstechnologie:

nachricht 3D-Bilder von Krebszellen im Körper: Medizinphysiker aus Halle stellen neues Verfahren vor
16.05.2018 | Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg

nachricht Innovatives Verfahren zur umweltschonenden Gülleaufbereitung kommt auf den Markt
03.05.2018 | Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Verfahrenstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

Je mehr die Elektronik Autos lenkt, beschleunigt und bremst, desto wichtiger wird der Schutz vor Cyber-Angriffen. Deshalb erarbeiten 15 Partner aus Industrie und Wissenschaft in den kommenden drei Jahren neue Ansätze für die IT-Sicherheit im selbstfahrenden Auto. Das Verbundvorhaben unter dem Namen „Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 7,2 Millionen Euro gefördert. Infineon leitet das Projekt.

Bereits heute bieten Fahrzeuge vielfältige Kommunikationsschnittstellen und immer mehr automatisierte Fahrfunktionen, wie beispielsweise Abstands- und...

Im Focus: Powerful IT security for the car of the future – research alliance develops new approaches

The more electronics steer, accelerate and brake cars, the more important it is to protect them against cyber-attacks. That is why 15 partners from industry and academia will work together over the next three years on new approaches to IT security in self-driving cars. The joint project goes by the name Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) and has funding of €7.2 million from the German Federal Ministry of Education and Research. Infineon is leading the project.

Vehicles already offer diverse communication interfaces and more and more automated functions, such as distance and lane-keeping assist systems. At the same...

Im Focus: Mit Hilfe molekularer Schalter lassen sich künftig neuartige Bauelemente entwickeln

Einem Forscherteam unter Führung von Physikern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, spezielle Moleküle mit einer angelegten Spannung zwischen zwei strukturell unterschiedlichen Zuständen hin und her zu schalten. Derartige Nano-Schalter könnten Basis für neuartige Bauelemente sein, die auf Silizium basierende Komponenten durch organische Moleküle ersetzen.

Die Entwicklung neuer elektronischer Technologien fordert eine ständige Verkleinerung funktioneller Komponenten. Physikern der TU München ist es im Rahmen...

Im Focus: Molecular switch will facilitate the development of pioneering electro-optical devices

A research team led by physicists at the Technical University of Munich (TUM) has developed molecular nanoswitches that can be toggled between two structurally different states using an applied voltage. They can serve as the basis for a pioneering class of devices that could replace silicon-based components with organic molecules.

The development of new electronic technologies drives the incessant reduction of functional component sizes. In the context of an international collaborative...

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Im Fokus: Klimaangepasste Pflanzen

25.05.2018 | Veranstaltungen

Größter Astronomie-Kongress kommt nach Wien

24.05.2018 | Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Berufsausbildung mit Zukunft

25.05.2018 | Unternehmensmeldung

Untersuchung der Zellmembran: Forscher entwickeln Stoff, der wichtigen Membranbestandteil nachahmt

25.05.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

25.05.2018 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics