Измерительный прибор основан на так называемом фотонном силовом микроскопе (PFM) и предназначен для создания профилей высоты мягких поверхностей, таких как биопленки или клеточные мембраны. Он исследует образец до 5000 раз мягче и чувствительнее, чем атомно-силовой микроскоп (АСМ), который хорошо зарекомендовал себя в нанотехнологиях.
АСМ использует небольшой пружинный рычаг — иглу с ультратонким наконечником — для сканирования поверхности. Микроскоп измеряет скорость, с которой движется зонд, и использует эту информацию для создания двухмерного профиля поверхности.
В PFM пружинный рычаг заменен небольшой пластиковой сферой, которая находится в центре так называемой оптической ловушки и движется по поверхности. Оптическая ловушка создается сильно сфокусированным лазерным лучом и может использоваться для удержания или перемещения крохотных объектов.Сфера имеет диаметр менее 200 нанометров, что в 500 раз тоньше человеческого волоса. PFM также измеряет изменения высоты поверхности, которые смещают сферу от ее курса, создавая таким образом профиль высоты точка за точкой.
Хотя PFM не способен отображать такие тонкие структуры, как AFM, он оказывает меньшее давление на поверхность, например, на поверхность клетки, и, таким образом, не деформирует ее. «Основной идее этой техники на самом деле почти 20 лет, — объясняет Александр Рорбах, — но нам пришлось решить множество концептуальных проблем, прежде чем мы смогли представить практичную и надежную систему измерения».Рорбах и Фридрих использовали механизмы, которых инженеры по измерениям обычно стараются избегать: рассеянный свет и тепловой шум. Крошечная пластиковая сфера, зонд, кажется, хаотично перемещается внутри световой ловушки из-за так называемого теплового шума. Оптическая ловушка перемещает зонд по структурированной поверхности, где зонд перемещается в зависимости от высоты конструкции.
Это смещение регистрируется лазерным лучом, рассеянным на зонде. Таким образом, трехмерное положение зонда измеряется один миллион раз в секунду. «Самым замечательным является то, что дрожащий зонд постоянно ненадолго оставляют в покое, так что лазерный луч может сделать шаг вперед на миллисекунду», — объясняет Рорбах. «Оказавшись там, зонд регистрирует рассеянный свет от поверхности и вычитает его. Но прежде, чем зонд успевает убежать, лазерный луч снова захватил его».Среди прочего, исследователи из Фрайбурга использовали свою технику для сканирования бактерий, у которых есть крошечные выступы на поверхности.
Эти так называемые пили, вероятно, играют роль в коммуникации между бактериями. Они реагируют на самое мягкое давление, и это делает новую технологию особенно подходящей для их изучения. «В ближайшие годы мы хотим сканировать другие и разные поверхности, перенимая и адаптируя несколько принципов измерения из технологии AFM», — говорит Рорбах.
Александр Рорбах проводит исследования в Департаменте инженерии микросистем (IMTEK) и является ассоциированным членом Центра передового опыта BIOSS по исследованиям биологической сигнализации Университета Фрайбурга.