Rasterkraftmikroskopische Untersuchungen an nativen biologischen ...

GRUNDLAGEN UND METHODEN
1 Rasterkraftmikroskopie
Für die Detektion der Sensor-Auslenkung hat sich bei kommerziellen Kraftmikroskopen das Lichtzeigerprinzip
durchgesetzt, das auf der Messung eines auf der Rückseite des Federbalkens reflektierten
Lichtstrahls mittels einer Photodiode beruht (eine ausführlichere Behandlung ist zu finden
in: Colchero in Colton et al., 1998). Handelsübliche Siliziumnitridbalken sind zur Verbesserung
der Reflexivität daher auf der Rückseite mit Gold beschichtet. Wird der Balken ausgelenkt, so
ändert sich die Richtung des Normalenvektors relativ zum einfallenden Strahl und der reflektierte
Strahl bewegt sich auf der Photodiode. Für die Messung dieses Versatzes wird das Differenzsignal
zweier Photodiodensegmente aufgezeichnet. Man erreicht mit dieser Methode eine für hochauflösende
Messungen ausreichend große geometrische Verstärkung der Auslenkung. Hohe Auflösung
ist daneben bei den verwendeten Laserdioden mit einer Leistung der Größenordnung 1 mW dadurch
gewährleistet, dass unter diesen Bedingungen das Schrotrauschen des Lasers niedriger ist
als thermisches Rauschen des Federbalkens und Rauschen aufgrund technischer Störungsquellen.
Höhere Laser-Leistungen führen unter Umständen zu erhöhtem thermischen Rauschen. Durch
Verwendung einer Viersegment-Photodiode können überdies auch die Torsion des Federbalkens
und damit Lateralkräfte aufgezeichnet werden.
Die Amplitude thermischen Rauschens der Sensoreinheit als prinzipielle Begrenzung der Messgenauigkeit
beträgt beispielsweise für einen Sensorbalken der Federkonstanten 0,1 N unter typischen
m
Bedingungen in Luft 16 pm, für den aufliegenden Balken 3 pm (Colchero, 1993; s. auch Butt und
Jaschke, 1995). Bei Messung in Flüssigkeit und mit etwas weicheren Balken kommt man jedoch
leicht zu Werten der Größenordnung 100 pm für den aufliegenden Balken. In Flüssigkeit ist die
Resonanzgüte des Balkens bedeutend geringer (das Rauschen verteilt sich auf ein breiteres Frequenzband),
außerdem ist die Resonanzfrequenz niedriger (Butt et al., 1993).
1.1.3 Sensorgeometrie und Abbildungscharakteristik
Da die Sensorspitze eine endliche Größe besitzt und die Messung im Nahfeld stattfindet, ist die
Wechselwirkungslänge und damit der Abstand Sensor-Objekt klein gegen die Abmessungen der
Spitze. Damit ist die Geometrie der Sensorspitze von entscheidender Bedeutung für die Übertragungscharakteristik
des Abbildungsprozesses. Die Abbildung ist, vereinfacht ausgedrückt, eine
Faltung der mit der Spitze erreichbaren Bereiche der Objektoberfläche und der Oberfläche der
Spitze, wenn man elastische Eigenschaften mancher Objekte, lokal unterschiedliche Oberflächenladungsdichten
etc. vernachlässigt. Ein einfaches geometrisches Modell der rastersondenmikroskopischen
Abbildung macht qualitativ deutlich, dass es sich um einen nichtlinearen Prozess handelt:
eine Protrusion erscheint im Bild breiter, eine Vertiefung schmaler als das tatsächliche Objekt
(Abb. 1 A). Die Höhen der Korrugationen werden in diesem Fall dagegen richtig wiedergegeben.
In Abb. 1 B erscheint außerdem die kleine Kugel neben der großen überhaupt nicht im Bild, da sie
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