DE102004048971B3 - Apparatus for scanning probe microscopy for examining biological systems and which automatically analyzes measurements from the device according to predetermined analysis parameters - Google Patents
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Abstract
Description
Gebiet der ErfindungTerritory of invention
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Vorrichtungen und Verfahren zur Untersuchung biologischer Systeme und insbesondere solche, die rastersondenmikroskopische und im Speziellen kraftspektroskopische Untersuchungen ermöglichen.The The present invention relates generally to devices and Method for studying biological systems and in particular those which are scanning probe microscopic and in particular force spectroscopic Allow investigations.
Hintergrund der Erfindungbackground the invention
Biologische Systeme und darin ablaufende Prozesse beruhen auf molekularen Wechselwirkungen. Molekulare Kräfte in biologischen Systemen unterscheiden sich von anderen Molekularsystemen, insbesondere hinsichtlich chemischer Reaktionen und physikalischer Änderungen eines Gesamtsystems. Aussagen über molekulare Wechselwirkungen in biologischen Systemen stellen aber die Voraussetzung dar, um derartige Systeme zu analysieren und weiterführende Aussagen machen zu können.biological Systems and their processes are based on molecular interactions. Molecular forces in biological systems differ from other molecular systems, in particular with regard to chemical reactions and physical changes of an overall system. Statements about However, molecular interactions in biological systems pose the prerequisite for analyzing such systems and further statements to be able to do.
Zur Messung molekularer Wechselwirkungen in biologischen Systemen werden unter anderem rastersondenmikroskopische Ansätze verwendet, um Oberflächentopografien mit hoher lateraler und vertikaler Auflösung zu bestimmen. Unter lateraler Auflösung ist hierbei die Auflösung in einer Ebene einer zu untersuchenden Oberfläche eines biologischen Systems zu verstehen, während die Auflösung senkrecht zu dieser Ebene als vertikale Auflösung bezeichnet wird.to Measuring molecular interactions in biological systems Among other scanning probe microscopic approaches used to surface topographies with high lateral and vertical resolution. Under lateral resolution Here is the resolution in a plane of a surface of a biological system to be examined to understand while the resolution perpendicular to this plane is called vertical resolution.
Beispiele für rastersondenmikroskopische Ansätze umfassen rasterkraftmikroskopische Ansätze, wie zum Beispiel die Rasterkraftmikroskopie (SFM, engl.: scanning force microscopy oder AFM, engl.: atomic force microscopy).Examples for scanning probe microscopic approaches atomic force microscopic approaches, such as atomic force microscopy (SFM) force microscopy or AFM, English: atomic force microscopy).
Mit solchen rasterkraftmikroskopischen Ansätzen können neben der Topologie einer Oberfläche einer biologischen Probe auch deren Elastizität oder dort wirkende Adhäsionskräfte erfasst werden. Die Rasterkraftmikroskopie, in diesem Falle üblicherweise als "Kraftspektroskopie" bezeichnet, ermittelt molekulare Kräfte einer Probe mittels einer Sonde, mit der die Probe abgetastet wird, um z.B. Wechselwirkungen zwischen einzelnen Molekülen quantitativ zu charakterisieren. Üblicherweise umfasst die Sonde eine an einem freitragenden Ausleger oder Messbalken, der auch als Cantilever bezeichnet wird, befestigte Spitze. Zur Untersuchung der Probe wird z.B. die Sonde über die Oberfläche der Probe gerastert, wobei die lateralen und vertikalen Positionen und/oder Auslenkungen der Sonde aufgezeichnet werden. Bewegungen der Sonde relativ zu der Probe sind aufgrund der elastischen Eigenschaften der Sonde und insbesondere des Cantilever möglich. Auf der Grundlage erfasster lateraler und vertikaler Positionen und/oder Auslenkungen der Probe werden molekulare Kräfte seitens der Probe und daraus deren Oberflächentopografie ermittelt.With Such atomic force microscopic approaches can be used in addition to the topology of a Surface of a also their elasticity or adhesion forces acting thereon become. Atomic force microscopy, in this case usually referred to as "force spectroscopy" determined molecular forces a sample by means of a probe, with which the sample is scanned, by e.g. Interactions between individual molecules quantitatively to characterize. Usually the probe comprises one on a cantilever or measuring beam, which is also referred to as cantilever, fortified tip. to Examination of the sample is e.g. the probe over the surface of the Rasterized sample, the lateral and vertical positions and / or Deflections of the probe are recorded. Movements of the probe relative to the sample are due to the elastic properties the probe and in particular the cantilever possible. On the basis of recorded lateral and vertical positions and / or deflections of the sample become molecular forces determined from the sample and from this the surface topography.
Üblicherweise werden Bewegungen der Probe mittels optischer Messeinrichtungen ermittelt, die Auflösungen im Bereich von 0,1 nm haben und eine Detektion von Kräften von einigen pN ermöglichen.Usually are movements of the sample by means of optical measuring devices determines the resolutions in the range of 0.1 nm and have a detection of forces of allow some pN.
Um die Oberflächentopografie einer biologischen Probe zu ermitteln, werden die Oberflächen der Probe und die Sonde eines Rasterkraftmikroskops derart miteinander in Kontakt gebracht, dass eine zwischen diesen wirkende Kraft auf einen vorbestimmten Wert (z.B. 50–100 pN) festgelegt wird. Danach werden die Probe die Sonde relativ zu einander lateral so bewegt, dass eine gerasterte Abtastung der Oberflächenprobe durch die Sonde erfolgt. Dabei werden die Probe und/oder die Sonde auch vertikal bewegt, um die zwischen wirkende Kraft auf dem vorgegebenen Wert zu halten. Bewegungen der Probe und der Sonde relativ zu einander können durch eine Piezokeramik umfassende Anordnung bewirkt.Around the surface topography To determine a biological sample, the surfaces of the Sample and the probe of an atomic force microscope with each other in such a way brought into contact with a force acting between them a predetermined value (e.g., 50-100 pN) is set. After that the probe will move the probe laterally relative to each other, that a raster scanning of the surface sample by the probe takes place. The sample and / or the probe are also moved vertically, to keep the acting force at the given value. Movements of the sample and the probe relative to each other can be accomplished a piezoceramic comprehensive arrangement causes.
Ein Vorteil der Rasterkraftmikroskopie besteht darin, dass biologische Proben in Pufferlösungen bei physiologisch relevanten Temperaturen (z.B. zwischen 4°C und 60°C) untersucht werden können.One The advantage of atomic force microscopy is that biological Samples in buffer solutions at physiologically relevant temperatures (e.g., between 4 ° C and 60 ° C) can be.
Die
nachfolgenden Veröffentlichungen
behandeln verschiedene Aspekte und Anwendungen der Rastersondenmikroskopie:
C.S.
Coo et al.: "Automated
analysis of data mark microstructure of various media in the optical
disk industry",
in Optical Data Storage 2000, Proceedings of SPIE Vol. 4090, pp.
16–25
(2000), behandelt eine automatisierte Analyse von Mikrostrukturen
von optischen Datenträgern,
speziell die rastersondenmikroskopische Messung der Vertiefungsgeometrien,
Spurabstand, Jitter und Axialschlag von CD's und DVD's. Die Methode verwendet eine direkte
Betrachtung mit einem Rastersondenmikroskop. Die Bilder werden mittels
eines automatisierten Verfahrens ausgewertet.The following publications deal with various aspects and applications of Scanning Probe Microscopy:
CS Coo et al .: "Automated analysis of data mark microstructure of various media in the optical disk industry" in Optical Data Storage 2000, Proceedings of SPIE Vol. 4090, pp. 16-25 (2000), deals with an automated analysis of microstructures of optical media, especially the scanning probe microscopic measurement of pit geometries, track pitch, jitter and axial impact of CD's and DVD's. The method uses direct viewing with a scanning probe microscope. The images are evaluated by means of an automated process.
J.P. Bearinger et al.: "Direct observation of hydration of TiO2 on Ti using electrochemical AFM: freely corroding versus potentiostatically held", Surface Science 491, pp. 370–387 (2001), beschreiben die Untersuchung von Hydratation von TiO2 auf Ti unter Verwendung eines elektrochemischen Rastersondensikroskops. Im Gegensatz zu konventionellen Hochvakuumtechni ken ermöglicht hier die Rastersondenmikroskopie die Messung der morphologischen Oberflächenstruktur im hydratisierten Zustand.JP Bearinger et al .: "Direct observation of hydrogenation of TiO 2 on Ti using electrochemical AFM: freely corroding versus potentiostatically held", Surface Science 491, p. 370-387 (2001) describe the study of hydration of TiO 2 on Ti using a scanning probe electrochemical microscope. In contrast to conventional high-vacuum techniques, scanning probe microscopy enables the measurement of the morphological surface structure in the hydrated state.
T.S. Spisz et al.: "Automated sizing of DNA fragments in atomic force microscope images", Medical & Biological Engineering & Computing 36, pp. 667–672 (1998), befassen sich mit der Größenbestimmung von DNA Fragmenten auf Rastersondenmikroskopbildern. Es wird ein Algorithmus vorgeschlagen, welcher eine automatisierte Methode zur Längenmessung von DNA Fragmenten auf AFM Bildern ohne Interaktion mit dem Anwender (z.B. Selektionen mittels Cursor oder Mausklicks) vorsieht. Dieser Ansatz verwendet Bildverarbeitungstechniken, die auf die Charakteristiken der AFM-Bilder speziell von DNA Fragmenten zugeschnitten sind.T. S. Spisz et al .: "Automated sizing of DNA fragments in atomic force microscope images ", Medical & Biological Engineering & Computing 36, pp. 667-672 (1998), deal with sizing of DNA fragments on scanning probe microscope images. It will be a Algorithm proposed, which is an automated method for length measurement of DNA fragments on AFM images without interaction with the user (e.g., selections by cursor or mouse clicks). This Approach uses image processing techniques based on the characteristics the AFM images are specially tailored for DNA fragments.
M. Kuehn et al.: "Automated Confocal Laser Scanning Microscopy and Semiautomated Image Processing for Analysis of Biofilms", Applied and Environmental Microbiology 64, pp. 4115–4127 (1998), behandeln eine automatisierte Laserscanmikroskopie und halbautomatische Bildverarbeitung zur Analyse von Biofilmen. Zweck dieser Studie war eine quantitative optische Methode zu entwickeln und anzuwenden, die für routinemäßige Messungen von Biofilmstrukturen unter in situ Bedingungen geeignet ist.M. Kuehn et al .: "Automated Confocal Laser Scanning Microscopy and Semiautomated Image Processing for Analysis of Biofilms ", Applied and Environmental Microbiology 64, pp. 4115-4127 (1998) an automated laser scanning microscopy and semi-automatic image processing for the analysis of biofilms. The purpose of this study was a quantitative to develop and apply optical method for routine measurements of biofilm structures under in situ conditions.
T. Wade et al: "A simple modification of a commercial atomic force microscopy liquid cell for in situ imaging in organic, reactive, or air sensitive environments", Review of Scientific Instruments 70, pp. 121–124 (1999), beschreiben Modifikationen einer kommerziellen Flüssigkeitsmesszelle für Rastersondenmikroskopie (AFM) zur Realisierung von Messungen in organischer und reaktiver Umgebung.T. Wade et al: "A simple modification of a commercial atomic force microscopy for in situ imaging in organic, reactive, or air sensitive environments ", Review of Scientific Instruments 70, pp. 121-124 (1999), describe modifications to a commercial liquid measuring cell for scanning probe microscopy (AFM) for the realization of measurements in organic and reactive Surroundings.
S. Zepeda et al.: Atomic force microscope chamber for in situ studies of ice, Review of Scientific Instruments 72, pp. 4159–4163 (2001) behandeln rastersondenmikroskopische Messungen für in situ Studien an Eis. Es wurde eine doppelwandige Umgebungskammer speziell für ein Nanoscope-IIIa (Digital Instruments, Santa Barbara, CA) Rastersondenmikroskop entwickelt sowie ein temperaturgesteuerter Probenhalter unter Verwendung von thermolektrischen Komponenten zur Feinregulierung der Temperatur.S. Zepeda et al .: Atomic force microscope chamber for in situ studies of ice, Review of Scientific Instruments 72, pp. 4159-4163 (2001) treat scanning probe microscopic measurements for in situ studies on ice. It became a double-walled environmental chamber designed specifically for a Nanoscope IIIa (Digital Instruments, Santa Barbara, CA) scanning probe microscope developed and a temperature controlled sample holder using thermoelectric components for fine regulation of temperature.
US 5,834,644 A offenbart ein Rastersondenmikroskop, das eine automatische Verstellung eines fokussierenden Lasersstrahls auf einen Rastersondenmikroskop-Federbalken aufweist und sicher stellt, dass der Laser-Strahl der vom Federbalken reflektiert und auf einen Detektor gelenkt wird.US No. 5,834,644 A discloses a scanning probe microscope which has an automatic scanning Adjustment of a focusing laser beam on a scanning probe microscope cantilever and ensures that the laser beam from the spring bar reflected and directed to a detector.
Derzeit stellt aber die Rastersondenmikroskopie immer noch ein zeitaufwändiges und personalintensives Vorgehen dar. Angesichts der hohen Anzahl von Messungen, die für eine fundierte Analyse, vor allem bei biologischen Systemen, erforderlich sind, stellen derzeitige Ansätze zur Rastersondenmikroskopie aufgrund der geringen Anzahl von Messungen pro Zeiteinheit (z.B. 1 Tag) keine befriedigende Vorgehensweise dar. Auch die eingeschränkten Möglichkeiten der Analyse, Auswertung und Weiterverwendung der Messdaten stellen bedeutsame Nachteile dar.Currently However, Scanning Probe Microscopy still requires a lot of time and effort labor intensive procedure. Given the high number of Measurements for a sound analysis, especially in biological systems, is required, present current approaches for scanning probe microscopy due to the small number of measurements per unit time (e.g., 1 day) is not a satisfactory approach dar. The limited possibilities the analysis, evaluation and further use of the measured data Significant disadvantages.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Mittel bereit zu stellen, um die Nachteile bekannter rastersondenmikroskopischer Ansätze, insbesondere hinsichtlich Personalaufwand und Zeitaufwand, zu beseitigen und vor allem die für eine fundierte Untersuchung biologischer Proben erforderlichen Messungen bereitzustellen. Des Weiteren soll es die vorliegende Erfindung ermöglichen, bei rastersondenmikroskopischen Messungen erhaltene Daten verglichen mit dem Stand der Technik in verbesserter Weise nutzen zu können.task The present invention is to provide means to the disadvantages of known scanning probe microscopic approaches, in particular in terms of manpower and time, eliminate and especially the for a sound analysis of biological samples required measurements provide. Furthermore, it is the present invention enable, compared data obtained with scanning probe microscopic measurements be able to use the prior art in an improved way.
Zur Lösung der obigen Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zu Rastersondenmikroskopie sowie ein Verfahren zur Durchführung einer rastersondenmikroskopischen Messung gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1 bzw. 31 bereit. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den anhängigen Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen.to solution In the above object, the present invention provides a device to scanning probe microscopy and a method for performing a scanning probe microscopic measurement according to the independent claims 1 and 31 ready. Preferred embodiments emerge from the pending claims, the following description and the drawings.
Danach umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Rastersondenmikroskopie eine rastersondenmikroskopische Messeinrichtung die eine Messsonde für rastersondenmikroskopische Messungen und einen Probenträger zur Anordnung einer rastersondenmikroskopisch zu vermessenden Probe umfasst. Ferner ist eine Steuereinrichtung und eine Auswerteeinrichtung vorgesehen. After that includes the device according to the invention for scanning probe microscopy a scanning probe microscopic measuring device the one measuring probe for scanning probe microscopic measurements and a sample carrier for Arrangement of a scanning probe microscopy to be measured sample comprises. Furthermore, a control device and an evaluation device is provided.
Die Steuereinrichtung ist systemintegriert, d.h. als integraler Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der rastersondenmikroskopischen Messeinrichtung verbunden, und eingerichtet, die Messeinrichtung zur Durchführung einer rastersondenmikroskopischen Messung gemäß vorgegebener Steuerungsparameter automatisch zu steuern.The Controller is system integrated, i. as an integral part the device according to the invention connected to the scanning probe microscopic measuring device, and set up the measuring device to perform a scanning probe microscopy Measurement according to specified Control parameters automatically.
Die Auswerteeinrichtung ist ebenfalls systemintegriert mit der rastersondenmikroskopischen Messeinrichtung verbunden, bildet also einen integralen Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und ist eingerichtet, Messungen mittels der rastersondenmikroskopischen Messeinrichtung gemäß vorgegebner Auswertungsparameter automatisch auszuwerten.The evaluation device is also system-integrated with the scanning probe microscopic Connected measuring device, thus forming an integral part of the device according to the invention, and is adapted to automatically evaluate measurements by means of the scanning probe microscopic measuring device according to predetermined evaluation parameters.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine Plattform bereitgestellt, Untersuchungen biologischer Proben mittels Rastersondenmikroskopie automatisiert durchzuführen und zu analysieren. Des Weiteren ermöglicht es die erfindungsgemäße Vorrichtung, Messungen auf die jeweils zu untersuchende biolo gische Probe bzw. deren System anzupassen, indem entsprechende Steuerungsparameter und/oder Auswertungsparameter verwendet werden. Ein Vorteil besteht beispielsweise darauf basierend darin, dass derartige Messungen im Wesentlichen ohne Personal ganztägig durchgeführt und gleichzeitig analysiert werden können.With the device according to the invention a platform is provided, investigations of biological Automatically perform samples using scanning probe microscopy and analyze. Furthermore, it allows it the device according to the invention, Measurements on the respective biological sample to be examined or adjust their system by providing appropriate control parameters and / or Evaluation parameters are used. An advantage, for example based on that such measurements are essentially without Staff all day carried out and can be analyzed at the same time.
Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung und/oder die Auswerteeinrichtung eingerichtet, Messungen der Mess- und/oder Auswerteeinrichtung angebende Daten zur Bestimmung von Eingangsparametern oder Parametersätzen der Messung zu identifizieren. Dieses Merkmal kann auch als Rückführung von Messungen der Mess- und/oder Auswerteeinrichtung angebenden Daten als Steuerungs- und/oder Auswertungsparameter bezeichnet werden. Die Identifikation von Parametern bzw. Parametersätzen kann unter Verwendung iterativer Suchalgorithmen ausgeführt werden. Des Weiteren ist es möglich, dass wenigstens hinsichtlich dieses Merkmals die Steuereinrichtung und die Auswerteeinrichtung logisch miteinander verbunden sind. Bei einem Ausführungsbeispiel analysiert die Auswerteeinrichtung die kraftspektroskopischen Daten während eines Experiments. Bei Erreichen einer signifikanten Anzahl von Daten werden die nächsten experimentellen Parameter eingestellt und das Experiment fortgeführt. Die experimentellen Parameter können dabei so verändert werden, dass beispielsweise bestimmte Veränderungen der gemessenen Kräfte (und die daraus bestimmten Energien und Bindungskonstanten) genauer untersucht werden. So wird es z.B. möglich, automatisch die für den Benutzer interessanten Bereiche molekularer Interaktionen zu untersuchen.Preferably if the control device and / or the evaluation device is set up, Measurements indicating the measuring and / or evaluation device data for determining input parameters or parameter sets of To identify measurement. This feature can also be used as feedback from Measurements of the measuring and / or evaluation device indicating data be referred to as control and / or evaluation parameters. The identification of parameters or parameter sets can using iterative search algorithms. Furthermore, it is possible that at least with regard to this feature, the control device and the evaluation are logically connected. In one embodiment the evaluation unit analyzes the force spectroscopic data while an experiment. Upon reaching a significant number of Data will be the next set experimental parameters and continued the experiment. The experimental parameters can so changed that, for example, certain changes in the measured forces (and the from these determined energies and binding constants) become. So it becomes e.g. possible, automatically the for the user of interesting areas of molecular interactions investigate.
Diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht es, wie im Folgenden näher ausgeführt, Messungen und Proben zu klassifizieren, Messungen an einer Probe miteinander zu vergleichen, optimierte Messstrategien zu entwickeln und/oder zu verwenden sowie verwendete Messstrategien zu optimieren.These embodiment the device according to the invention allows it, as in the following closer executed To classify measurements and samples, measurements on a sample compare, develop optimized measurement strategies and / or to use and optimize measurement strategies used.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung eine Datenspeichereinrichtung zur Speicherung der von der Auswerteeinrichtung erzeugten Daten, die aus einer Auswertung von Messungen mittels der rastersondenmikroskopischen Messeinrichtung resultieren. Diese Ausführungsform ermöglicht beispielsweise den Aufbau einer Datenbank mit Informationen über Messungen an rastersondenmikroskopisch zu vermessenden Proben, auf die vor, während und nach einer laufenden Messung zurückgegriffen werden können. Die Datenspeichereinrichtung kann auch für zurückgeführte Messergebnisse verwendet werden, wobei auch Vergleiche mit bereits in der Datenspeichereinrichtung vorhandenen Informationen vorgesehen ist.Preferably the device comprises a data storage device for storage the data generated by the evaluation, the from an evaluation measurements by means of the scanning probe microscopic measuring device result. This embodiment allows for example, the construction of a database with information about measurements at samples to be measured by scanning probe microscopy, to which while and can be used after an ongoing measurement. The Data storage device can also be used for recirculated measurement results being also comparisons with already in the data storage device existing information is provided.
Vorzugsweise ist die Datenspeichereinrichtung ausgelegt, die vorgegebenen Steuerungsparameter und/oder die vorgegebenen Auswertungsparameter und/oder bei der jeweiligen Messung vorliegenden Messbedingungen so zu speichern, dass eine eindeutige Zuordnung zu den entsprechenden, von der Auswerteeinrichtung erzeugten Daten erreicht wird.Preferably the data storage device is designed, the predetermined control parameters and / or the predetermined evaluation parameters and / or at the to store the respective measurement conditions that a clear assignment to the corresponding, from the evaluation generated data is achieved.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Messsonde eine federelastische Einheit.at a preferred embodiment The measuring probe includes a spring-elastic unit.
Die federelastische Einheit kann insgesamt federelastisch ausgestaltet sein oder einen federelastischen Bereich aufweisen. Als federelastische Einheit kann beispielsweise ein (freitragender) Ausleger oder Messbalken (Cantilever) verwendet werden. Bei dieser Ausführungsform ist es ferner vorgesehen, dass die Messeinrichtung Kräfte, die auf die Messsonde wirken, auszuwerten vermag.The spring-elastic unit can be designed overall resilient be or have a resilient area. As a resilient unit may for example be a (self-supporting) boom or measuring beam (Cantilever) can be used. In this embodiment, it is further provided that the measuring device forces, which can act on the probe, able to evaluate.
Bei einer Weiterbildung der Ausführungsform mit federelastischer Einheit ist es vorgesehen, dass die Messeinrichtung Wechselwirkungen der Messsonde mit der Probe und daraus resultierende, auf die Messsonde wirkende Kräfte unter Verwendung eines optischen Messsystems (z.B. Laser-Beam-Deflection-System, Beam Bouncing) und/oder über piezoelektrische Effekte und/oder über magnetische Wechselwirkungen zu erfassen vermag.at a development of the embodiment with spring-elastic unit it is provided that the measuring device Interactions of the probe with the sample and resulting, on the probe acting forces using an optical measuring system (e.g., laser beam deflection system, Beam Bouncing) and / or over piezoelectric effects and / or magnetic interactions to capture.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch eine Einheit zur Erzeugung eines auf die Messsonde wirkenden Lichtfeldes und/oder elektrischen Feldes und/oder magnetischen Feldes umfassen. Das bzw. die Felder können statische oder dynamische Felder sein, wobei auch ein wechselweiser Betrieb zwischen statisch und dynamisch vorgesehen ist.The inventive device may also be a unit for generating a force acting on the probe Light field and / or electric field and / or magnetic field include. The or the fields can being static or dynamic fields, being also an alternate one Operation is provided between static and dynamic.
Vorzugsweise ist als federelastisches Element eine Feder, die vorzugsweise eine Länge im Bereich zwischen 1 und 400 Mikrometer aufweist, und/oder ein elastischer Ausleger (Cantilever) vorgesehen.Preferably is as a resilient element, a spring, preferably a Length in the range between 1 and 400 microns, and / or a more elastic Boom (cantilever) provided.
Des Weiteren ist es vorgesehen, dass die Steuereinrichtung die federelastische Einheit so zu steuern vermag, dass die Messsonde mit einer vorgegebenen Amplitude in Schwingung versetzt wird. Beispielsweise sind Amplituden im Bereich zwischen 0,1 und 2000 Nanometern vorgesehen.Of Furthermore, it is provided that the control device, the resilient Unit is able to control that the measuring probe with a given Amplitude is vibrated. For example, amplitudes in the range between 0.1 and 2000 nanometers.
Ferner kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Krafterzeugungseinheit umfassen, die der Messeinrichtung und/oder der Steuereinrichtung zugeordnet sein kann.Further can the device of the invention comprise a force generating unit, the measuring device and / or may be associated with the control device.
Dabei ist es vorgesehen, dass die Steuereinrichtung die Krafterzeugungseinheit automatisch so zu steuern vermag, dass Änderungen eines für die Messsonde wirksamen Qualitätsfaktors (Q-Faktors) erreicht werden können, indem entsprechende Kräfte an das federelastische Element angelegt werden.there it is provided that the control device, the force generating unit Automatically to control such changes that one for the probe effective quality factor (Q factors) can be achieved by corresponding forces the elastic element are created.
Die Verwendung der Krafterzeugungseinheit ist insbesondere dann bevorzugt, wenn die Messsonde in Schwingung versetzt werden soll. Zur Erfassung von Schwingungsänderungen der Messsonde, kann die Auswerteeinrichtung eingerichtet sein, solche Änderungen in Form von Resonanzverschiebungen und/oder Amplitudenänderungen und/oder Phasenänderungen zu detektieren.The Use of the force generating unit is particularly preferred when the probe is to be vibrated. To capture of vibration changes the measuring probe, the evaluation can be set up such changes in the form of resonance shifts and / or amplitude changes and / or phase changes to detect.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Messeinrichtung eine Sondenpositioniereinheit, um die Messsonde in allen Translations- und/oder Rotationsachsen des Raums zu positionieren. Dabei ist es vorgesehen, dass die Steuereinrichtung die Messsonde durch Steuerung der Positioniereinheit gemäß vorgegebener Sondenpositionierungsparameter automatisch zu positionieren und/oder zu bewegen vermag.at a further embodiment the measuring device comprises a probe positioning unit to the Measuring probe in all translational and / or rotational axes of the room to position. It is provided that the control device the measuring probe by controlling the positioning unit according to predetermined Automatically position and / or position probe positioning parameters to be able to move.
Bei Verwendung einer Sondenpositioniereinheit ist es vorgesehen, Sondenpositionierungsparameter zu verwenden, die umfassen:
- – Bewegungen der Messsonde zur gerasterten Abtastung einer auf dem Probenträger anzuordnenden Probe, wobei derartige Bewegungen laterale Bewegungen und/oder Bewegungen im Bereich zwischen 0,1 Nanometern und einige Millimeter, vorzugsweise im Bereich zwischen 0,1 Nanometern und 500 Mikrometern, umfassen,
- – Bewegungen der Messsonde in vertikaler Richtung, wobei es vorgesehen ist, dass derartige Bewegungen im Bereich zwischen 0,01 Nanometer und 50 Mikrometer liegen können,
- – Bewegungen der Messsonde in vertikaler Richtung in Abhängigkeit von einem vorgegebenen minimalen Abstand zwischen der Messsonde und der Probe, wobei es möglich ist, eine Abstandsregelung, beispielsweise einen PID und/oder eine Phase-Logic-Regelung, zur Bewegungssteuerung zu verwenden,
- – eine maximale Zeitdauer für einen Kontakt der Messsonde mit einer auf dem Probenträger anzuordnenden Probe,
- – eine maximale Kontakthäufigkeit von Kontakten der Messsonde mit einer auf dem Probenträger anzuordnenden Probe,
- – eine maximale und/oder eine minimale Messsondengeschwindigkeit für Bewegungen der Messsonde relativ zu einer auf dem Probenträger anzuordnenden Probe,
- – ein maximaler und/oder ein minimaler Abstand zwischen der Messsonde und einer auf dem Probenträger anzuordnenden Probe,
- – eine vorgegebene, zwischen der Messsonde und einer auf dem Probenträger anzuordnenden Proben konstant zu haltenden Kraft, die beispielsweise im Bereich zwischen 0,1 und 3000 pN liegen kann,
- – eine maximale und/oder eine minimale Zugkraft der Messson de auf eine auf dem Probenträger anzuordnende Probe,
- – eine maximale und/oder eine minimale Druckkraft der Messsonde auf eine auf dem Probenträger anzuordnende Probe,
- – eine maximale und/oder eine minimale Zugkraftänderungsrate für von der Messsonde auf eine auf dem Probenträger anzuordnenden Probe wirkende Zugkräfte,
- – eine maximale und/oder eine minimale Druckkraftänderungsrate für von der Messsonde auf eine auf dem Probenträger anzuordnenden Probe wirkende Druckkräfte,
- – eine maximale und/oder eine minimale Scherkraft der Messsonde auf eine auf dem Probenträger anzuordnende Probe, und/oder
- – eine maximale und/oder eine minimale Scherkraftänderungsrate für von der Messsonde auf eine auf dem Probenträger anzuordnenden Probe wirkende Scherkräfte.
- Movements of the probe for the scanned scanning of a sample to be arranged on the sample carrier, such movements lateral movements and / or movements in the range between 0.1 nanometers and a few millimeters, preferably in the range between 0.1 nanometers and 500 micrometers,
- Movements of the measuring probe in the vertical direction, it being provided that such movements may be in the range between 0.01 nanometers and 50 micrometers,
- Movements of the measuring probe in the vertical direction as a function of a predetermined minimum distance between the measuring probe and the sample, it being possible to use a distance control, for example a PID and / or a phase-logic control, for the motion control,
- A maximum period of time for a contact of the measuring probe with a sample to be arranged on the sample carrier,
- A maximum contact frequency of contacts of the measuring probe with a sample to be arranged on the sample carrier,
- A maximum and / or a minimum measuring probe speed for movements of the measuring probe relative to a sample to be arranged on the sample holder,
- A maximum and / or a minimum distance between the measuring probe and a sample to be arranged on the sample carrier,
- A predetermined force to be held constant between the measuring probe and a sample to be arranged on the sample carrier, which may be, for example, in the range between 0.1 and 3000 pN,
- A maximum and / or a minimum tensile force of the probe on a sample to be arranged on the sample carrier,
- A maximum and / or a minimum pressure force of the measuring probe on a sample to be arranged on the sample carrier,
- A maximum and / or a minimum tensile force change rate for tensile forces acting on a sample to be arranged on the sample carrier by the measuring probe,
- A maximum and / or a minimum pressure force change rate for pressure forces acting from the measuring probe on a sample to be arranged on the sample carrier,
- A maximum and / or a minimum shearing force of the measuring probe on a sample to be arranged on the sample carrier, and / or
- A maximum and / or a minimum shearing force change rate for shearing forces acting on a sample to be placed on the sample carrier by the measuring probe.
Bei einer Ausführungsform ist eine erste Detektoreinheit vorgesehen, die Positionen der Messsonde und/oder Bewegungen der Messsonde, bevorzugt auch deren Auslenkung, und/oder auf die Messsonde wirkende Kräfte regelmäßig, z.B. repetitiv mit einer Frequenz von einigen zehn oder einigen hundert kHz, zu erfassen vermag. Dabei ist die Steuereinrichtung vorzugsweise eingerichtet, die erste Detektoreinheit gemäß vorgegebener Detektionsparameter automatisch zu steuern.at an embodiment a first detector unit is provided, the positions of the probe and / or movements of the measuring probe, preferably also their deflection, and / or forces acting on the probe regularly, e.g. repetitive with one Frequency of tens or hundreds of kHz can. In this case, the control device is preferably set up, the first detector unit according to predetermined To automatically control detection parameters.
Vorzugsweise umfasst die erste Detektoreinheit Positionssensoren zur Positions- und/oder Bewegungsdetektion der Messsonde. Beispielsweise können LVDT-Sensoren, Dehnungsmessstreifen, optische Sensoren, interferometrische Sensoren, kapazitive Sensoren hierfür verwendet werden. Besonders bevorzugt ist ein optischer Strahlablenkungsdetektor zum Erfassen der Auslenkung der Messsonde vorgesehen.Preferably the first detector unit comprises position sensors for position and / or motion detection of the probe. For example, LVDT sensors, Strain gauges, optical sensors, interferometric sensors, capacitive sensors for this be used. Particularly preferred is an optical beam deflection detector provided for detecting the deflection of the probe.
Ferner ist es bevorzugt, dass auf der Grundlage von der ersten Detektoreinheit bereitgestellter Daten die Positionssteuerung und/oder die Bewegungssteuerung der Messsonde und/oder der Probe unter Verwendung eines oder mehrerer geschlossener Re gelkreise erfolgt. Hierfür ist es vorgesehen, dass die erste Detektoreinheit wenigstens in dieser Hinsicht mit der Steuereinrichtung verbunden ist.Further it is preferred that on the basis of the first detector unit Data provided the position control and / or the motion control the probe and / or the sample using one or more Closed loop circles takes place. For this it is envisaged that the first detector unit at least in this respect with the control device connected is.
Des Weiteren ist es vorgesehen, dass die Steuereinrichtung die erste Detektoreinheit gemäß vorgegebener Detektionsparameter zu steuern vermag, die umfassen,
- – eine vorgegebene Detektionsrate hinsichtlich einzelner, mehrerer und/oder aller zu erfassender Größen, und/oder
- – eine Häufigkeit, mit der die erste Detektoreinheit Positions-, Bewegungs- und/oder Kraftmessungen durchführen soll.
- A predetermined detection rate with regard to individual, several and / or all variables to be detected, and / or
- A frequency with which the first detector unit is to perform position, movement and / or force measurements.
Vorzugsweise vermag die Auswerteeinrichtung von der ersten Detektoreinheit erfasste Größen automatisch auszuwerten. Dies kann analytisch und/oder statistisch erfolgen.Preferably the evaluation device can detect from the first detector unit Sizes automatically evaluate. This can be done analytically and / or statistically.
Die Auswerteeinrichtung kann so eingerichtet sein, dass von der ersten Detektoreinheit erfasste Größen klassifiziert werden. Dabei ist bevorzugt, dass klassifizierte Größen bzw. diese angebende Daten der Auswerteeinrichtung, wie oben ausgeführt, in den Messprozess zurück geführt werden, beispielsweise um spezielle Parametersätze der Messung zu identifizieren.The Evaluation device can be set up so that from the first Detector unit detected sizes classified become. It is preferred that classified sizes or this indicating data of the evaluation, as stated above, in the Measuring process back guided For example, to identify special parameter sets of the measurement.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Messeinrichtung eine Probenträgerpositioniereinheit, um Positionierungen des Probenträgers zu ermöglichen. Dabei kann die Steuereinrichtung so ausgeführt sein, dass der Probenträger mittels Steuerung der Probenträgerpositioniereinheit gemäß vorgegebener Probenträgerpositionierungsparameter automatisch positioniert und/oder bewegt werden kann.at a further embodiment the measuring device comprises a sample carrier positioning unit for positioning of the sample carrier to enable. In this case, the control device can be designed so that the sample carrier means Control of the sample carrier positioning unit according to specified Sample carrier positioning parameters automatically can be positioned and / or moved.
Vorzugsweise werden als Probenträgerpositionierungsparameter solche verwendet, die umfassen:
- – Bewegung des Probenträgers zur gerasterten Abtastung einer auf dem Probenträger anzuordnenden Probe durch die Messsonde, wobei Bewegungen lateral erfolgen können und/oder im Bereich zwischen 0,1 und 500 Mikrometer liegen können,
- – eine maximale Zeitdauer für einen Kontakt einer auf dem Probenträger anzuordnenden Probe mit der Messsonde,
- – eine maximale Kontakthäufigkeit von Kontakten einer auf dem Probenträger anzuordnenden Probe mit der Messsonde,
- – eine maximale und/oder eine minimale Probenträgergeschwindigkeit für Bewegungen des Probenträgers relativ zu der Messsonde,
- – ein maximaler und/oder ein minimaler Abstand zwischen einer auf dem Probenträger anzuordnenden Probe und der Messsonde,
- – eine vorgegebene, zwischen einer auf dem Probenträger anzuordnenden Probe und der Messsonde konstant zu haltende Kraft, die beispielsweise im Bereich zwischen 0,1 und 3000 pN liegen kann,
- – eine maximale und/oder eine minimale Zugkraft auf eine auf dem Probenträger anzuordnende Probe durch die Messsonde,
- – eine maximale und/oder eine minimale Druckkraft auf eine auf dem Probenträger anzuordnende Probe durch die Messsonde,
- – eine maximale und/oder eine minimale Zugkraftänderungsrate für auf eine auf dem Probenträger anzuordnenden Probe wirkende Zugkräfte durch die Messsonde,
- – eine maximale und/oder eine minimale Druckkraftänderungsrate für auf eine auf dem Probenträger anzuordnenden Probe wirkende Druckkräfte durch die Messsonde,
- – eine maximale und/oder eine minimale Scherkraft für auf eine auf dem Probenträger anzuordnenden Probe wirkende Zugkräfte durch die Messsonde, und/oder
- – eine maximale und/oder eine minimale Scherkraftänderungsrate für auf eine auf dem Probenträger anzuordnenden Probe wirkende Scherkräfte durch die Messsonde.
- Movement of the sample carrier for the screened scanning of a sample to be arranged on the sample carrier by the measuring probe, whereby movements can take place laterally and / or lie in the range between 0.1 and 500 micrometers,
- A maximum time for contact of a sample to be arranged on the sample carrier with the measuring probe,
- A maximum contact frequency of contacts of a sample to be arranged on the sample carrier with the measuring probe,
- A maximum and / or a minimum sample carrier speed for movements of the sample carrier relative to the measuring probe,
- A maximum and / or a minimum distance between a sample to be arranged on the sample carrier and the measuring probe,
- A predetermined force to be kept constant between a sample to be arranged on the sample carrier and the probe to be held constant, which may for example be in the range between 0.1 and 3000 pN,
- A maximum and / or a minimum tensile force on a sample to be arranged on the sample carrier by the measuring probe,
- A maximum and / or a minimum pressure force on a sample to be arranged on the sample carrier by the measuring probe,
- A maximum and / or a minimum tensile force change rate for tensile forces acting on a sample to be arranged on the sample carrier by the measuring probe,
- A maximum and / or a minimum pressure force change rate for pressure forces acting on a sample to be arranged on the sample carrier by the measuring probe,
- A maximum and / or a minimum shearing force for tensile forces acting on a sample to be arranged on the sample carrier by the measuring probe, and / or
- A maximum and / or a minimum shearing force change rate for shearing forces acting on a sample to be arranged on the sample carrier by the measuring probe.
Vorzugsweise umfasst die Probenträgerpositioniereinheit einen piezoelektrischen Aktuator und/oder einen Linearantrieb, der beispielsweise ein Voice-Coil-Antrieb (Schwingspulenantrieb) sein kann.Preferably includes the sample carrier positioning unit a piezoelectric actuator and / or a linear drive, the For example, a voice coil drive (voice coil drive) can be.
Die oben genannten Ausführungsformen der Probenträgerpositioniereinheit sorgen für eine sehr exakte Positionierung und/oder Bewegungen des Probenträgers. Die Probenträgerpositioniereinheit kann zusätzlich so ausgeführt sein, dass "grobe" Positionierungen und/oder -bewegungen des Probenträgers ermöglicht werden, beispielsweise im Bereich zwischen 100 nm und 30 cm. Der Vorteil einer solchen Probenträgerpositioniereinheit mit Grobpositionierung besteht darin, dass Vorabpositionierungen und größere Bewegungen schnell durchgeführt werden können. Exakte Positionierungen und Bewegungen können sich dann anschließen.The above embodiments the sample carrier positioning unit take care of a very exact positioning and / or movements of the sample carrier. The Sample carrier positioning unit can additionally so executed be that "rough" positioning and / or movements of the sample carrier are made possible, for example in the range between 100 nm and 30 cm. The advantage of such sample- with rough positioning is that prepositions and bigger movements done quickly can be. Exact positioning and movements can then join.
Vorzugsweise sind der Probenträgerpositioniereinheit Positions- und/oder Bewegungserfassungssensoren zugeordnet, die, beispielsweise unter Verwendung eines geschlossenen Regelkreises, Informationen zur Steuerung der Probenträgerpositioniereinheit bereitstellen. Dabei können die oben genannten Positionssensoren und/oder weitere Sensoren verwendet werden.Preferably, the sample carrier positioning unit is associated with position and / or movement detection sensors which provide information for controlling the sample carrier positioning unit, for example using a closed control loop. In this case, the above-mentioned position sensors and / or other Senso be used.
Erfindungsgemäß umfasst die Messeinrichtung eine Probenkammer, in der ein Fluid aufgenommen werden kann, mit dem eine auf dem Probenträger anzuordnende Probe umgeben werden soll. Hierbei ist unter "umgeben" zu verstehen, dass wenigstens der Bereich der Probe, der untersucht werden soll, von Fluid umgeben ist, beispielsweise eine bestimmte Oberfläche der Probe. Dabei kann die Steuereinrichtung ausgeführt sein, für das jeweilig verwendete Fluid vorgegebene Fluidparameter zu überwachen und, falls erforderlich, einzustellen.According to the invention the measuring device a sample chamber in which received a fluid be surrounded with a sample to be arranged on the sample carrier sample shall be. Here, by "surrounded" to understand that at least the area of the sample to be examined from Fluid is surrounded, for example, a certain surface of the Sample. In this case, the control device can be designed for the respective fluid used monitor predetermined fluid parameters and, if necessary, adjust.
Als Fluidparameter sind beispielsweise solche vorgesehen, die umfassen:
- – eine vorgegebene Temperatur,
- – einen vorgegebenen Temperaturverlauf,
- – einen vorgegebenen pH-Wert,
- – einen vorgegebenen pH-Wertverlauf
- – einen vorgegebenen Elektrolytgehalt,
- – einen vorgegebenen Elektrolytgehaltverlauf,
- – einen vorgegebenen Volumenstrom,
- – eine vorgegebene Volumenstromänderung,
- – einen vorgegebenen Fluidpegel, und/oder
- – eine vorgegebene Menge an biologischen und/oder chemischen Markern.
- A predetermined temperature,
- A predetermined temperature profile,
- A predetermined pH,
- - a given pH curve
- A predetermined electrolyte content,
- A predetermined electrolyte content profile,
- A given volume flow,
- A predetermined volume flow change,
- A given fluid level, and / or
- A predetermined amount of biological and / or chemical markers.
Bei Verwendung einer vorgegebenen Menge an biologischen und/oder chemischen Markern als Fluidparameter können Mengen für Fluoreszenzmarker und/oder radioaktive Marker vorgegeben sein. Vorzugsweise werden Marker eingesetzt, die chemisch und/oder biologisch funktionalisiert sind, also hinsichtlich der jeweils zu untersuchenden Probe selektive Eigenschaften aufweisen.at Use of a predetermined amount of biological and / or chemical Markers as fluid parameters can Quantities for Fluorescent marker and / or radioactive marker be given. Preferably markers are used which are functionalized chemically and / or biologically are so selective with respect to each sample to be examined Have properties.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist eine Zufuhreinheit vorgesehen, mit der der Probenkammer zuzuführendes Fluid (z.B. Pufferlösung(en), Reagenz(ien)) bereitgestellt werden kann. Hierbei kann die Steuereinrichtung derart ausgelegt sein, dass die Zufuhreinheit überwacht und gegebenenfalls so gesteuert wird, dass für das jeweilige Fluid vorgegebene Randbedingungen, vorzugsweise auch deren Zusammensetzung, in der Probenkammer eingehalten werden. Beispielsweise werden automatisch bestimmte Reagenzien miteinander vermischt, um Fluidparameter wie ph-Wert, etc. einzustellen.at a further embodiment a supply unit is provided, with which the sample chamber to be supplied Fluid (e.g., buffer solution (s), Reagent (s)) can be provided. In this case, the control device be designed so that the supply unit monitors and optionally so controlled that for the respective fluid predetermined boundary conditions, preferably also their composition, are observed in the sample chamber. For example automatically mix certain reagents together to Fluid parameters such as ph value, etc. to adjust.
Vorzugsweise erlaubt die Zufuhreinheit eine Zufuhr von Fluid zu dem Probenträger in den Bereich, in dem bei Messungen Proben anzuordnen sind. Ferner ist bevorzugt, dass die Zufuhreinheit von der Steuereinrichtung automatisch gesteuert wird.Preferably the supply unit allows a supply of fluid to the sample carrier in the Area where samples are to be located during measurements. Further is preferred that the supply unit of the control device automatically is controlled.
Die Zufuhreinheit kann eine Pumpe und/oder eine Multikanalpumpe umfassen.The Supply unit may include a pump and / or a multi-channel pump.
Zur Überwachung von Fluid in der Probenkammer und/oder für das jeweilige Fluid vorgegebenen Randbedingungen eine zweite Detektoreinheit vorgesehen sein, die einen aktuellen Fluidpegel in der Probenkammer zu erfassen vermag. Dabei kann die Steuereinrichtung so ausgeführt sein, dass in Antwort auf von der zweiten Detektoreinheit erfasste Fluidpegel die erste Zufuhreinheit automatisch gesteuert wird.For monitoring of fluid in the sample chamber and / or predetermined for the respective fluid Boundary conditions may be provided a second detector unit, the be able to detect a current fluid level in the sample chamber. In this case, the control device can be designed so that in response to detected by the second detector unit fluid level, the first supply unit is controlled automatically.
Vorzugsweise ist eine Temperaturkammer vorgesehen, die wenigstens die Messsonde und den Probenträger umgibt. Ferner ist vorgesehen, dass die Temperaturkammer auch weitere Bestandteil der Messeinrichtung umgibt, wie zum Beispiel, sofern vorhanden, die Krafterzeugungseinheit, die Sondenpositioniereinheit, die Probenträgerpositioniereinheit, die Probenkammer, die erste Zufuhreinheit und/oder die im Folgenden genannte zweite Zufuhreinheit. Hierbei ist es bevorzugt, dass die Steuerung der Temperaturkammer durch die Steuereinrichtung gemäß vorgegebener Temperaturparameter erfolgt.Preferably a temperature chamber is provided which is at least the measuring probe and the sample carrier surrounds. It is further provided that the temperature chamber also more Part of the measuring device, such as, if available, the force generation unit, the probe positioning unit, the sample carrier positioning unit, the Sample chamber, the first supply unit and / or the following said second supply unit. It is preferred that the Control of the temperature chamber by the control device according to predetermined Temperature parameter takes place.
Vorzugsweise ist es dabei vorgesehen, dass die Steuereinrichtung die Temperaturkammer so zu steuern vermag, dass eine vorgegebene Temperatur beibehalten wird und/oder wenigstens ein vorgegebener Temperaturverlauf erreicht wird. Beispielsweise ist es möglich, dass die Steuerung der Temperaturkammer so erfolgt, dass sich konstante Temperaturzeiträume mit Zeiträumen abwechseln, in denen Temperaturänderungen erfolgen.Preferably it is provided that the control device, the temperature chamber so that it is able to control a given temperature is achieved and / or at least a predetermined temperature profile becomes. For example, it is possible that the control of the temperature chamber is such that is constant Temperature periods with periods alternate in which temperature changes respectively.
Insbesondere ist es bevorzugt, dass die rastermikroskopische Messeinrichtung eine kraftmikroskopische Messeinrichtung ist, vorzugsweise zum Erfassen von Kraftabstandskurven. Hieraus lassen sich Erkenntnisse über Wechselwirkungen und Bindungskräfte von einzelnen Molekülen gewinnen.Especially it is preferred that the scanning microscopic measuring device a force microscopic measuring device is, preferably for detecting of force distance curves. From this information about interactions can be obtained and bonding forces of individual molecules win.
Des Weiteren ist bevorzugt, dass die Messeinrichtung außerdem eine optische Detektionseinheit, vorzugsweise eine auf Fluoreszenz- und/oder Durchlichtmikroskopietechnik (z.B. DIC und/oder Phasenkontrast, Hellfeld und/oder Dunkelfeld) basierende Einheit umfasst.Of Furthermore, it is preferred that the measuring device also has a optical detection unit, preferably a fluorescence and / or transmitted light microscopy technique (e.g., DIC and / or phase contrast, brightfield, and / or darkfield) comprising unit.
Die obige Aufgabe wird auch durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Durchführung einer rastersondenmikroskopischen Messung gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren sowie bevorzugte Aus führungsformen derselben sind in den Verfahrensansprüchen definiert.The The above object is also achieved by the inventive method for carrying out a resolved by scanning probe microscopy. The inventive method and preferred embodiments the same are defined in the method claims.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenSummary the drawings
In der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, von denen zeigen:In The following description of preferred embodiments is made to the accompanying drawings Referenced, of which show:
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformendescription preferred embodiments
Wie
in
Die
Messsonde
Insbesondere
kann die Messeinrichtung
In
Abhängigkeit
von einer zu analysierenden Probe und in Abhängigkeit der jeweiligen Analyse kann
es erforderlich sein, die Messsonde
Ferner
weist die Messeinrichtung eine Sondenpositioniereinheit (nicht gezeigt)
auf, um die Messsonde
Mittels
einer ersten Detektoreinheit
Die
Messeinrichtung
Die
hier vorgesehene Probenträgerpositioniereinheit
Eine
Probenkammer
Mittels
einer zweiten Detektoreinheit
Die
Probenkammer
Die
Zufuhrleitung
Die
Messeinrichtung
Die
Ausführungsform
1 weist ferner eine Steuereinrichtung
Die
Steuereinrichtung
Die
Auswerteeinrichtung
Des
Weiteren umfasst die Ausführungsform 1
eine Datenspeichereinrichtung
Insbesondere
ist die Datenspeichereinrichtung
Bei
Durchführung
einer rastersondenmikroskopischen Messung steuert die Steuereinrichtung
Die
Auswerteeinrichtung
Während der
Messung wird die Messsonde
Während der
Messung steuert die Steuereinrichtung
Dabei
ist es möglich,
Messungen durchzuführen,
bei denen einzelne, mehrere oder alle experimentellen Bedingungen
konstant gehalten und/oder systematisch und/oder chaotisch verändert werden. So
ist es beispielsweise möglich,
eine Messung durch zuführen,
bei der abgesehen von der Zuggeschwindigkeit der Messsonde
Sobald beispielsweise eine vorgegebne Anzahl (z.B. tausend) an Messungen an einer einzelnen Probe aufgenommen sind, können die erhaltenen Daten einem Datensatz zugeordnet werden. weitere Datensätze können dann bei geänderten experimentellen Bedingungen erstellt und miteinander verglichen werden. Dies ermöglicht es, unterschiedliche biologische und/oder medizinisch relevante experimentelle Bedingungen hinsichtlich ihres Einflusses auf molekulare Wechselwirkungen zu analysieren.As soon as for example, a predetermined number (e.g., a thousand) of measurements are recorded on a single sample, the data obtained a Record can be assigned. other records can then be changed created experimental conditions and compared become. this makes possible it, different biological and / or medically relevant experimental conditions regarding their influence on molecular To analyze interactions.
Eine
Größe, die
Analysen von biologischen Proben beeinflussen können, sind thermische Änderungen.
Um insbesondere die thermische Drift bei Änderungen experimenteller Bedingungen,
wie zum Beispiel Änderungen
hinsichtlich mit der Probe
Biomolekulare
Wechselwirkungen hängen
in der Regel stark von den vorherrschenden physiologischen Umgebungsbedingungen
ab. Diese sollten daher während
einer Messung kontrolliert und so gesteuert werden, dass gewünschte Umgebungsbedingungen
eingehalten bzw. native Zustände
der Probe
Bei
der Steuerung von in der Probenkammer
Die
Geschwindigkeit, mit der eine Messung durchgeführt werden kann, spielt eine
wesentliche Rolle. Allerdings können
schnellere Messungen deren Qualität beeinflussen. Um eine hohe
Messqualität
bei hoher Messgeschwindigkeit zu erreichen, erlaubt die Erfindung,
die Messsonde
Eine
weitere Möglichkeit
besteht darin, die Ziehgeschwindigkeiten der Messsonde, zu erhöhen. Hohe
Geschwindigkeiten können
insbesondere hydrodynamische Strömungen
und daraus resultierende unerwünschte
Bewegungen der Messsonde
Um
neben statischen auch dynamische rastersondenmikroskopische Messungen
durchzuführen,
wird die Messsonde
Für eine automatisierte
Analyse von Messergebnissen ist es vorgesehen, während einer Messung einzelne
Kraftkurven unter Verwendung der Auswerteeinrichtung
Danach kann die gesamte Messung statistisch analysiert werden, um beispielsweise bei gefalteten Proteinen Einblick in die Wahrscheinlichkeitsverteilung einzelner Entfaltungsvorgänge und für Entfaltungen erforderliche Kräfte zu erhalten.After that For example, the entire measurement can be analyzed statistically with folded proteins insight into the probability distribution individual unfolding processes and for developments required forces to obtain.
Ferner können die Kraftkurven klassifiziert, einander zu überlagert und gemittelt werden. Zur Klassifizierung von Kraftkurven kann beispielsweise die Länge der jeweiligen Kraftkurve und die Anzahl und Position dort vorhandener Kraftmaxima herangezogen werden. Die Länge einer Kraftkurve gibt an, über welchen Bereich Wechselwirkungen auftreten. Die Anzahl und Position von Kraftmaxima erlaubt Aussagen über kollektive und/oder singuläre Wechselwirkungsvorgänge. Über eine Klassifizierung von Kraftkurven können Informationen, insbesondere grafisch visualisierbare Informationen, über unterschiedliche Wechselwirkungsprozesse erhalten werden.Further can the force curves are classified, superimposed and averaged. For the classification of force curves, for example, the length of the respective force curve and the number and position there existing Force maxima are used. The length of a force curve indicates over which Area interactions occur. The number and position of Force maxima allows statements about collective and / or singular Interactive procedures. Over a Classification of force curves can be information, especially graphically visualizable information, about different interaction processes are obtained.
Durch Mittelung von einer Klasse zugeordneten Kraftspektren wird das Rauschen der einzelnen Kraftkurven reduziert. Dadurch werden die eigentlichen Wechselwirkungsvorgänge, die durch die Kraftkurven jeweils für sich betrachtet beschrieben werden, ersichtlich. Ferner können Aussagen über mögliche Variationen der Wechselwirkungsvorgänge auf der Grundlage von Standardabweichungen gemittelter Kraftspektren gemacht werden.By Averaging force spectra associated with a class will be the noise the individual force curves reduced. This will be the actual Interactive procedures, which are described individually by the force curves, seen. Furthermore, can Statements about possible variations the interaction processes on the basis of standard deviations of averaged force spectra be made.
Eine Klassifikation von Kraftkurven, die Mittelung von Kraftkurven einer gemeinsamen Klasse und damit von einander verwandten oder untereinander vergleichbaren Wechselwirkungsvorgängen sowie eine nachfolgende statistische Analyse erlauben Vergleiche von Wechselwirkungsvorgängen verschiedener Proben bei gleichen experimentellen Bedingungen und gleichen oder vergleichbaren Proben bei gleichen experimentellen Bedingungen. So können mit der Ausführungsform 1 beispielsweise drei Mutanten desselben Rezeptors, die sich in einer Punktmutation unterscheiden, anhand ihrer Wechselwirkungsspektren identifiziert und mit einander verglichen werden. Auch können Aussagen über den Einfluss von Mutationen auf lokale Wechselwirkungen eines Proteins sowie des Proteins mit anderen Molekülen gemacht werden.A Classification of force curves, the averaging of force curves common class and thus of one another or one another comparable interaction processes and a subsequent statistical analysis allow comparisons of interaction processes of different Samples under the same experimental conditions and same or comparable samples under the same experimental conditions. So can with the embodiment 1, for example, three mutants of the same receptor, located in a point mutation, based on their interaction spectra be identified and compared with each other. Also, statements about the influence from mutations to local interactions of a protein as well of the protein with other molecules be made.
Mittels
der Datenspeichereinrichtung
Des Weiteren ist es vorgesehen, Datenbankzugriffe in Abhängigkeit von Kräften, physiologischen Abhängigkeiten, Wechselwirkungsspektren und experimentellen Bedingungen zu ermöglichen.Of Furthermore, it is provided, database accesses in dependence of forces, physiological dependencies, To enable interaction spectra and experimental conditions.
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2004
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