English China

MIKROSKOPIE SPECIAL Oberflächenanalytik mit der chemisch-sensitiven Kraftmikroskopie

Autor / Redakteur: DR. SABRI AKARI, HARALD KÜHN, MICHAEL KORTE* / Gerd Kielburger

Die gewaltigen Fortschritte in der Rasterkraft-Mikroskopie erlauben die Erschließung weiterer Einsatzgebiete, bspw. in der Elektronik oder bei der Medikamentenentwicklung.

Anbieter zum Thema

Dank gewaltiger Fortschritte in der Rasterkraftmikroskopie ist es seit einem Jahrzehnt möglich, die chemischen Endgruppen von beliebigen Oberflächen zu bestimmen und mit Hochauflösung abzubilden. Durch den Einsatz in anwendungsnaher Forschung und Entwicklung werden physikalische, chemische und biochemische Prozesse auf Oberflächen wesentlich besser beobachtet, verstanden und schneller optimiert. Erfolgreiche Anwendungen gab es schon bei plasmabehandelten Oberflächen, bei der Verbesserung von Lacken, bei Haarpflegemitteln, der Zellbiologie und in der Drucktechnologie. Weitere Einsatzgebiete erschließen sich in der Elektronik und bei der Entwicklung von Medikamenten.

Als Gerd Binnig und Heinrich Rohrer 1986 das erste Rastertunnelmikroskop vorstellten, war noch nicht absehbar, welche Vielfalt hoch entwickelter Rastersondenmikroskope diese Erfindung, die 1996 mit dem Nobelpreis honoriert wurde, zur Folge haben würde. Als überaus erfolgreich in Forschung und technischer Anwendung hat sich dabei das Rasterkraftmikroskop (AFM - Atomic Force Microscope) erwiesen. Bei dem AFM tastet ein Piezoscanner mit einer extrem scharfen, lithographisch hergestellten Spitze eine Oberfläche nanometergenau ab. Kurzreichweitige Kräfte zwischen Spitze und Oberfläche verursachen kleinste Auslenkungen des Hebelarms, an welchem die Spitze befestigt ist.

Diese feinsten Auslenkungen werden mit einem Laserstrahl berührungsfrei detektiert. Durch zeilenweites Abtasten der Oberfläche wird so eine Abbildung der Oberfläche erzeugt. Eine Bedampfung der zu untersuchenden Oberfläche mit Gold, oder das Anlegen eines Vakuums oder einer elektrischen Spannung, ist im Gegensatz zur Elektronenmikroskopie nicht erforderlich. Dadurch wird das AFM zu einem universell einsetzbaren Instrument zur Abbildung jeglicher Oberflächen bis hinunter in den molekularen Bereich. Das AFM ist nicht mehr auf metallisch leitende Oberflächen beschränkt, sondern auf alle Festkörper, selbst auf weiche biologische Oberflächen, anwendbar. Wichtigste Messgröße sind die extrem kleinen Kräfte zwischen einer hochfeinen Spitze und der abzubildenden Oberfläche.

CFM - Oberflächen abtasten

Die chemische Kraftmikroskopie (CFM) ermöglicht die nanometergenaue topographische und spezifische chemische Abbildung beliebiger Oberflächen. Von der klassischen Kraftmikroskopie ist eine unspezifische chemische Sensitivität im Tapping-Mode und Friction-Mode seit vielen Jahren bekannt. Die CFM verwendet jedoch ausschließlich chemisch einheitlich modifizierte Sondenspitzen (s. Abb. 1) und verschiedene liquide Abbildungsmedien, so dass immer nur eine spezifische Wechselwirkung mit der Oberfläche auftritt (s. Kasten „Chemische Kraftmikroskopie (CFM)“).

Große Anwendungsmöglichkeiten

Das riesige Anwendungsfeld der CFM ist bisher nur zu einem geringen Teil erschlossen und erstreckt sich auf allen Bereichen, in denen Oberflächen beschichtet, abgetragen oder modifiziert werden und wird genutzt, wenn die chemischen und topographischen Eigenschaften von Oberflächen entscheidend sind. Interessante Einsatzgebiete finden sich in der lackverarbeitenden Industrie (s. Abbildung 3), wo es darauf ankommt, Oberflächen für eine gute Haftung von Lack, z.B. durch Plasmabehandlung, vorzubereiten. Adhäsionseigenschaften, Homogenität und Behandlungsbreite von Plasmabehandlungen lassen sich mit der CFM gut bestimmen.

Weitere Felder sind die Kontrolle von Korrosion oder die Beschichtung von Oberflächen. Ein Beispiel für eine Anwendung der CFM an weichen Oberflächen in chemisch definiertem Medium ist die Zellbiologie (s. Abb. 2). Dabei wurde eine Zelle über einen Zeitraum von mehreren Stunden in-vivo abgebildet. Weitere Einsatzgebiete der CFM finden sich in der Druckindustrie und der Haarforschung (s. Abb. 4). In der Forschung an Haaren hilft die CFM, die für die Wirkung von Haarpflegemitteln entscheidenden komplexen chemischen Verhältnisse der Haaroberfläche besser zu verstehen.

Chemisches Mapping

Auch einzelne Wirkstoffmoleküle lassen sich auf der Haaroberfläche abbilden. Durch chemisches Mapping lassen sich weitergehende chemische Informationen mit bisher unerreichter Informationstiefe erhalten (s. Kasten „Chemical Mapping (CM)“). Die CFM ermöglicht so Herstellern von Haircare eine beschleunigte Entwicklung gezielt wirkender neuer Produkte. Die Grenzen der CFM liegen derzeit noch im sicheren Erkennen unbekannter chemischer Endgruppen und in der Abbildung sehr großer Areale. Die Handhabung der CFM-Technik und die Auswertung der Ergebnisse erfordern entsprechendes Wissen und Erfahrung.

Fazit

Sowohl die Anwendungsfelder als auch die technischen Entwicklungsmöglichkeiten der chemischen Kraftmikroskopie sind bisher aber längst nicht ausgeschöpft. Neben der Beschleunigung der Abbildungsgeschwindigkeit, welche momentan bei etwa fünfzehn Minuten pro Aufnahme liegt, werden die chemischen Sonden ständig weiterentwickelt. Hochinteressant für pharmazeutische Entwicklungen ist die Ankopplung von Proteinen an die Sondenspitze. Mit derartigen Proteinsonden lassen sich zum Beispiel durch quantitative in-vivo-Messungen an Zelloberflächen Wirkstoffmoleküle testen und gezielt weiterentwickeln. NanoCraft bietet die Anwendung der Chemischen Kraftmikroskopie im Rahmen ihrer Auftragsforschung bzw. ihres Mess- und Analytikservices an und entwickelt die Methodik und die Anwendungen ständig weiter.

Jetzt Newsletter abonnieren

Verpassen Sie nicht unsere besten Inhalte

Mit Klick auf „Newsletter abonnieren“ erkläre ich mich mit der Verarbeitung und Nutzung meiner Daten gemäß Einwilligungserklärung (bitte aufklappen für Details) einverstanden und akzeptiere die Nutzungsbedingungen. Weitere Informationen finde ich in unserer Datenschutzerklärung.

Aufklappen für Details zu Ihrer Einwilligung

HINTERGRUND: Chemische Kraftmikroskopie (CFM)

Eine speziell aufbereitete AFM-Sonde wird mittels Self-Assembly-Technik mit einer einzigen chemischen Endgruppe, wie zum Beispiel -OH, -CH3, -CF3, -NH2 oder -COOH dicht belegt. Durch die nun chemisch einheitliche Oberfläche der Sonde und durch die Verwendung von Wasser, gepufferten pH-Lösungen oder Lösungsmitteln wie Hexadekan als Abbildungsmedium wird erreicht, dass im Gegensatz zur AFM nur ganz spezifische Wechselwirkungen zwischen CFM-Sonde und der abzubildenden Oberfläche auftreten. Mit dieser Behandlungsmethode wird eine chemische Selektivität der CFM-Sonde erzielt. Die Stärke der an einem Ort der Oberfläche gemessenen spezifischen Wechselwirkung zwischen der Sonde und der Probenoberfläche erlaubt Rückschlüsse über die Dichte der spezifisch detektierten chemischen Endgruppen der Oberfläche. Beim zeilenweisen Abtasten der Oberfläche wird die chemische Sonde an jedem Messpunkt mit der Oberfläche in Kontakt gebracht und wieder getrennt (Digital-Pulsed-Force- Mode). Bei diesem physikalischen Vorgang werden simultan die Topographie, die Stärke/Energie der Wechselwirkung, die Steifigkeit der Oberfläche und einige weitere Größen bestimmt und jedem Bildpunkt zugeordnet.

HINTERGRUND: Chemical Mapping (CM)

Wiederholt man die chemische Abbildung eines bestimmten Oberflächenareales nacheinander mit verschiedenen chemischen Sonden, so erhält man zu jedem Messpunkt den Anteil der verschiedenen chemischen Wechselwirkungen. Mit diesen Daten lässt sich eine chemische Matrix erstellen, aus der man die Anteile der chemischen Endgruppen und somit eine chemische Karte des Oberflächenareales errechnen kann. Auf diese Weise erzielt man bisher unerreichte chemische und topographische Informationstiefen mit nm-Auflösung. Mithilfe des Nano-Finders lassen sich Oberflächenproben durch das Chemical Mapping charakterisieren, dem Mikroskop entnehmen, diversen Behandlungsschritten unterwerfen und erneut mithilfe des Chemical Mappings charakterisieren. Solche Vorher- Nachher-Abbildungen sind für das Verständnis und das Controlling von Oberflächen von immensem Wert.

*NanoCraft, 78234 Engen

(ID:155424)