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Rasterkraft-Mikroskopie

Die Rasterkraftmikroskopie (engl. Atomic Force Microscopy, AFM) ist eine Methode, eine Oberfläche im Bereich von Mikrometern bis zu Nanometern aufzulösen. In unserem Institut ist das AFM mit einem inversen Lichtmikroskop kombiniert und ist daher neben klassischen Oberflächen auch für biologische und biomimetische Proben, z.B. lebende Zellen und Vesikel unter physiologischen Bedingungen geeignet. Voraussetzung, gleichzeitig sowohl AFM wie auch Lichtmikroskopie zu betreiben, ist eine transparente Probe. Durch eine spezielle Probenkammer (sog. Biocell) kann für Lebendzellanalysen sowohl Gasaustausch erfolgen als auch eine konstante Temperatur von 37°C gehalten werden.

Beim AFM wird auf der Rückseite eines Cantilevers (Prinzip Biegebalken) ein Laserstrahl fokussiert. Dieser Strahl wird reflektiert und trifft über einen Spiegel auf eine Fotodiode. Durch die Fotodiode sind kleinste Verbiegungen des Cantilevers detektierbar. An dem Cantilever befindet sich eine sehr scharfe Spitze. Fährt man nun mit dem Cantilever über eine Probe, verbiegt sich dieser je nach Höhenunterschied auf der Probe unterschiedlich stark. Die Höhenunterschiede des Cantilevers führen zu einer Signaländerung in der Fotodiode, wodurch man ein dreidimensionales Höhenprofil der abgerasterten Oberfläche erhält.

AFM Abb.01Abbildung 01

Verschiedene Betriebsmoden

Contact Mode

Bei dieser Methode wird ein bestimmter Sollwert für die Kraft vorgegeben, mit der die Spitze über die Probe fahren soll (Constant Force Mode). Um den Sollwert einzuhalten, wird der Cantilever durch Regelungstechnik senkrecht zur Probe bewegt. Diese Höhenbewegung wird in ein Höhenprofil der Probe umgesetzt. Es ist auch möglich, die Höhe konstant zu halten und die Verbiegung des Cantilevers zu messen (Constant Height Mode).

Abb. 02 AFMAbbildung 02

Non Contact Mode

Bei diesem Modus wird der Cantilever in eine Schwingung mit vorgegebener Amplitude versetzt. Nähert sich die Spitze der Oberfläche an, wird die Schwingung gedämpft. Die Änderung der Amplitude ist abhängig vom Abstand der Oberfläche und wird in ein Höhenprofil umgesetzt.

Abb. 03 AFMAbbildung 03


Weg-Kraft-Kurve

Wird die Probe nicht in x- und y-Richtung abgerastert, sondern nähert sich der Cantilever nur in einem Punkt der Probe an, erhält man eine Weg-Kraft-Kurve. Diese beinhaltet spezielle Eigenschaften der Wechselwirkung zwischen Spitze und Probe. Je nach Form der Weg-Kraft-Kurve kann man Aussagen über die Elastizität der Probe, Stärke der Adhäsion oder Repulsion machen. Bei unterschiedlichen Positionen auf der Oberfläche, kann man ortsaufgelöst auf unterschiedliche Eigenschaften innerhalb der Probe schließen.

Abb. 04 AFMAbbildung 4

Mittels dieses Vorgehens können mechanische Eigenschaften, wie z.B. Biegesteifigkeit, Elastizität und effektive Federkonstante von proteinbeschichteten Vesikeln bestimmt werden. Hierzu verwendet man einen speziellen Cantilever ohne Spitze, der auf die Vesikel gedrückt wird (1).

Abb. 05 AFMAbbildung 5

Ansprechpartner: Dr. S. Dieluweit

  1. Mechanical Properties of Bare and Protein-Coated Giant Unilamellar Phospholipid Vesicles. A Comparative Study of Micropipet Aspiration and Atomic Force Microscopy, Dieluweit, S, Csiszar, A, Rubner, W, Fleischhauer, J, Houben, S, Merkel, R, LANGMUIR, 26, 13, 11041-11049, 2010

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