03-07-2003
Superschnelles Nahfeldmikroskop

Nahfeldmikroskope schlagen den Beugungsgesetzen ein Schnippchen und machen Details sichtbar, die kleiner sind als die Lichtwellenlänge. Jetzt können sie sogar mehr als 100 Bilder in der Sekunde erzeugen.

Alles was wesentlich kleiner ist als die Lichtwellenlänge, bleibt normalerweise unter dem Lichtmikroskop unsichtbar. Der Physiker Ernst Abbe hatte schon im 19. Jahrhundert herausgefunden, wie die Wellennatur des Lichtes das Auflösungsvermögen eines Mikroskops begrenzt. Demnach liegt die Auflösung bei etwa 500 Nanometern, wenn man sichtbares Licht benutzt.

So mag es zunächst verblüffend klingen, dass man unter einem Nahfeldmikroskop noch Objekte erkennen kann, die kleiner sind als 100 Nanometer. Zur Abbildung verwendet solch ein Mikroskop allerdings recht ungewöhnliches Licht, das sich nicht wellenförmig ausbreitet. Die Intensität dieses so genannten evaneszenten Lichtes fällt sehr schnell ab, je weiter man vom beleuchteten Objekt weggeht. Aus größerer Entfernung bleibt ein "submikroskopisches" Objekt deshalb normalerweise unsichtbar.
 

Tausendmal schneller: Um die Oberfläche von Polymerkügelchen auf weniger als 100 nm genau abzubilden, brauchte das neue Nahfeldmikroskop (b) knapp 10 Millisekunden, während ein herkömmliches Gerät (a) 20 Minuten benötigt. Balkenlänge: 1 Mikrometer. (Quelle: H.H. Wills Physics Laboratory, Bristol)

Mit einer zugespitzten Glasfaser kann man dieses ungewöhnliche Licht aus dem "Nahfeld" in unmittelbarer Umgebung des Objektes auffangen und zu einem weit entfernten Lichtdetektor leiten. Die extrem feine Spitze der Glasfaser muss dazu sehr nahe an das Objekt herangebracht werden. Das Nahfeldmikroskop kann deshalb ein Objekt auch nur punktweise abrastern und sichtbar machen - und das ist zeitaufwendig: Um eine Fläche von einigen Quadratmikrometern mit einer Genauigkeit von 100 Nanometern abzubilden, benötigt ein Scanning Near-field Optical Microscope (SNOM) einige Minuten.

Mit dem neuen Nahfeldmikroskop, das Andrew Humphris und seine Kollegen am H.H. Wills Physics Laboratory in Bristol entwickelt haben, dauert die Bildaufnahme nur noch Sekundenbruchteile. Zunächst wird der gläserne Objektträger, auf dem das Untersuchungsobjekt als dünner Film aufgetragen ist, schräg von unten mit grünem Laserlicht beschienen. Das Licht wird dabei vom Objektträger größtenteils total reflektiert. Ein Teil des Lichtes "tunnelt" jedoch nach oben aus dem Objekt heraus und in die Glasfaserspitze hinein, die sich 5 bis 10 Nanometer über der Probe befindet.

Die Oberfläche der Glasfaser ist mit Aluminium verspiegelt. Nur an ihrer Spitze hat die Glasfaser eine 50 Nanometer große Öffnung, durch die das Licht eindringen kann. Solch extrem feine Spitzen stellt man her, indem man das Ende einer Glasfaser kontrolliert anätzt. Die Spitze ist so angebracht, dass man sie über einen mehrere Mikrometer großen Bereich des Objektträgers bewegen kann. Bisher benutzte man Piezokristalle, um die Spitze mit der nötigen Präzision in beide Horizontalrichtungen zu verschieben. So konnte man ein Objekt Punkt für Punkt sichtbar machen, wenn auch nur mit mäßiger Geschwindigkeit.

Humphris und seine Kollegen benutzen ein wesentlich schnelleres Verfahren: Sie haben die Glasfaserspitze an einer "Stimmgabel" befestigt, die durch eine elektrische Spannung in Schwingungen versetzt wird. Die Spitze bewegt sich daraufhin rund 33.000 Mal in der Sekunde einige Mikrometer weit horizontal über den Objektträger hin und her. Gleichzeitig kann man die Stimmgabel mit Hilfe eines Piezokristalls langsam in die andere Horizontalrichtung verschieben, so dass die Spitze das Objekt zeilenweise "abtastet" und sichtbar macht. Allerdings kann die Spitze nur über sehr glatte Oberflächen geführt werden, da sich der Abstand zwischen Spitze und Objekt während der Aufnahme nicht schnell genug nachregeln lässt.

Das neue Nahfeldmikroskop ist tausendmal schneller als herkömmliche Geräte. Es kann mehr als 100 Bilder in der Sekunde machen, so dass submikroskopische Veränderungen in einem Untersuchungsobjekt jetzt im Videofilm verfolgt werden können. Das macht das Nahfeldmikroskop für Untersuchungen in der Bio- und die Nanotechnologie interessant.

Rainer Scharf

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