Rasterkraftmikroskop

Das Rasterkraftmikroskop ist mit dem RAMAN-Spektrometer kombiniert. (© Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, K. Matthes)
Das Rasterkraftmikroskop ist mit dem RAMAN-Spektrometer kombiniert. (© Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, K. Matthes)

Was ist ein Rasterkraftmikroskop?

Bei dem sogenannten Rasterkraftmikroskop, auch atomares Kraftmikroskop oder Atomkraftmikroskop (atomic force microscope, AFM) handelt es sich um ein Rastersondenmikroskop. Es wurde 1985 von Gerd Binning, Calvin Quate und Christoph Gerber entwickelt.

Jedes feste Material in Luft oder Flüssigkeiten kann mittels der Rasterkraftmikroskopie untersucht werden. Im Wasser oder Puffer ist dies ein großer Vorteil für biologische Proben, da diese nicht austrocknen und ihre Form erhalten bleibt. Informationen zur Oberflächenstruktur können im Nanometerbereich ermittelt werden.

Neben der Oberflächentopografie lassen sich physikalische Eigenschaften wie Festigkeit, Elastizität oder Magnetstärken einer Probe ermitteln.

Wie funktioniert ein Rasterkraftmikroskop?

Das Elektronenmikroskop-Bild zeigt einen Tip (Spitze), der unter einem Metallhalter sitzt (Cantelever). Der Tip ist etwa 15 Mikrometer lang, der Halter misst ca. 40 Mikrometer. Es gibt aber verschiedene Größen und Ausführungen. Die geringe Größe macht indes deutlich, wie klein das spitze Ende des Tips ist. (© Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, Sten Littmann)
Das Elektronenmikroskop-Bild zeigt einen Tip (Spitze), der unter einem Metallhalter sitzt (Cantelever). Der Tip ist etwa 15 Mikrometer lang, der Halter misst ca. 40 Mikrometer. Es gibt aber verschiedene Größen und Ausführungen. Die geringe Größe macht indes deutlich, wie klein das spitze Ende des Tips ist. (© Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, Sten Littmann)
Funktionsprinzip des Rasterkraftmikroskops. (© Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, D. Tienken)
Funktionsprinzip des Rasterkraftmikroskops. (© Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, D. Tienken)

Bei der Messung wird eine Feder (Cantelever), an der eine sehr kleine Nadel befindet, über eine Probenoberfläche bewegt. Die ermittelte Verbiegung der Feder wird durch einen Laser aufgenommen und in ein dreidimensionales, mikroskopisches Bild umgewandelt.

Der Cantelever verbiegt sich während des Scannens über der Oberfläche unterschiedlich stark. Diese Unterschiede sind ein Maß für zwischen der Spitze und der Oberfläche wirkende atomare Kräfte.

Diese Bewegung erfolgt Punkt für Punkt und Linie für Linie über einen Bereich von ca. 1 x 1 Mikrometer bis 100x100 Mikrometer (Scan). Die Feder wird dabei von sogenannten Piezoelementen geführt.

Das Rasterkraftmikroskop kann in verschiedenen Modi betrieben werden. Dazu gehören:

Kontakt-Modus

Die Messspitze steht in direktem Kontakt mit der zu analysierenden Probenoberfläche.  Dabei kann sie geregelt oder ungeregelt sein.

Beim geregelten Kontakt-Modus dem sogennanten constant force mode wird die Feder mit einem Piezoelement so gelenkt, dass die Kraft zwischen der Spitze und der Probe gleich bleibt. Die Positionsänderung  des Piezoelementes beinhaltet Informationen der Oberflächenstruktur der Probe.

Der ungeregelte Mode ist der constant height mode, der sehr gut für glatte, harte Oberflächen geeignet ist. Die Kräfte des Abtastens der Oberfläche werden größer je größer die Unebenheiten auf der Oberfläche sind.

Intermittierender Modus (Tapping-Mode)

Dieser Modus wird vor allem für empfindliche oder instabile Proben benutzt wie biologische Proben. Auch können Proben in einer Flüssigkeit untersucht werden. Beim Intermettierenden oder Tapping-Modus wird die Anregung außerhalb bei einer festen Frequenz nahe der Resonanzfrequenz der Feder festgelegt. Die Resonanzfrequenz der zwischen der Spitze der Feder und der zu untersuchenden Probenoberfläche verändert sich durch Wechselwirkungskräfte.

Dieser Modus berührt die Probe nicht und ist damit eine schonende Methode für empfindliche Proben. Viele Scans mit derselben Feder sind möglich.

Das Rasterkraftmikroskop im Einsatz

Die folgenden Bilder zeigen verschiedene Bakterien, die mit dem AFM abgescannt wurden. Die Auflösung ist sehr hoch und man kann sehr schön die Oberflächenstruktur erkennen und Unterschiede feststellen.

Hier liegen die Schwerpunkte der Messungen.

Durch ein Interface dem HD-Mode ist es zusätzlich möglich bei jeder einzelnen Punktmessung weitere Informationen während des Scannes zu erhalten.

Eines davon ist zB das Young´s Modules, das Elastizitätzmodul, welches Auskunft über die Festigkeit der Bakterien geben kann.

Crenothrix Filament, Lake Zug 2014 (links) und AFM-Bild einer Chromatium Okenii Zelle aus dem Lago di Cadagno, Schweiz, Crytical Point dryer behandelt (©Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, D. Tienken)
Ein AFM Bild von zwei Crenothrix Zellen aus dem Zugersee (links) und ein AFM Bild einer Chromatium okenii Zelle aus dem Lago di Cadagno. Beide Proben wurden mit dem Kritisch-Punkt-Trockner behandelt. (©Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie, D. Tienken)

Wer nutzt das Rasterkraftmikroskop?

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, Doktorandinnen und Doktoranden, Technikerinnen und Techniker der Abteilung BiogeochemieMarmic-Studierende während der Lab-Rotation oder auch Gaststudierende.

Kontakt

Gruppenleiterin

Forschungsgruppe Treibhausgase

Dr. Jana Milucka

MPI für Marine Mikrobiologie
Celsiusstr. 1
D-28359 Bremen
Deutschland

Raum: 

3128

Telefon: 

+49 421 2028-6340

Dr. Jana Milucka

Technikerin

Forschungsgruppe Biogeochemie

Daniela Tienken

MPI for Marine Microbiology
Celsiusstr. 1
D-28359 Bremen
Germany

Raum: 

3131

Telefon: 

+49 421 2028-6402

Daniela Tienken
 
Back to Top