Mikromechanische Sensoren für intrazelluläre Messungen
Herkömmliche AFM arbeiten mit einer mikroskopischen Blattfeder (Cantilever), die das zu untersuchende Material abtastet. Das vom Cantilever reflektierte Licht wird anhand von Abweichungen des Lichtstrahls gemessen, Interferometrie wiederum misst die Interaktion zwischen Sonde und Material. Das EU-finanzierte Projekt UTMOST (Ultra-stable molecular force spectroscopy with micromachined transducers) untersuchte die thermische Drift des Cantilevers, die durch veränderliche Umgebungstemperaturen entsteht. Zusammen mit Abweichungen bei mechanischen Schwingungen und Oberflächenspannung kann dies die Messergebnisse verfälschen. Bislang wird die thermische Drift über Korrelationsverfahren und Kalman-Filter korrigiert. Spektroskopische Messungen an Einzelmolekülen, mit denen die Faltung und Entfaltung von Proteinen bestimmt werden soll, erfordern allerdings andere Ansätze, da diese Art der Kompensation für die Analyse von Biomolekülen ungeeignet ist. Bei biomolekularen Experimenten sind die Proben so empfindlich, dass Kräfte und Abstände zwischen Spitze und Probe genauestens kontrolliert werden müssen. Die Projektforscher entwickelten daher ein neues Kompensationsverfahren für thermische Drift, indem die auf den Cantilever wirkende unerwünschte Kraft reduziert oder ganz weggenommen wird. Entwickelt wurden mikromechanische Sensoren, die die thermische Drift bei Mikrocantilevern abbrechen. Sie bestehen aus einer Mikrophase, die auf dem Substrat mit Bimetall- und Isolationsstreifen verankert ist, deren thermomechanische Eigenschaften auf den Cantilever abgestimmt sind. Die Bimetallstreifen bestehen aus zwei Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Wegen der unterschiedlichen Ausdehnung biegen sich die Streben bei thermischen Fluktuationen und halten so den Abstand zwischen Spitze und Sensor konstant. Damit liegt an den Biomolekülen immer die gleiche Kraft an. Die Isolationsstreifen wiederum optimieren die Wärmeübertragungsrate. Sie bestimmen auch die Steifigkeit der Wandler, was garantiert, dass jegliche Auslenkung der Mikrophase allein auf thermische Schwankungen, nicht aber auf biomolekulare Interaktionen zurückgeht. Bei dem neuen Verfahren wird mit optischen Methoden gleichzeitig die Auslegung von Sensoren und Cantilevern gemessen, um die auf Biomoleküle wirkenden Kräfte genau bestimmen zu können. Veränderungen der Umgebungstemperatur werden sofort kompensiert, was Langzeitmessungen möglich macht. Das unter UTMOST entwickelte System und Verfahren besitzt enormes Marktpotenzial. So wurde bereits im August 2012 ein Patent der Vereinigten Staaten genehmigt. Für die Ergebnisse einer Studie zu AFM-Verfahren wurde ein Patentantrag in der Türkei gestellt.
Schlüsselbegriffe
Mikromechanische Sensoren, biomolekular, Rasterkraftmikroskop, Cantilever, thermische Drift
