Techniken

Helium Ionen Mikroskopie

Am Mads Clausen Institut steht ein Helium-Ionenmikroskop (Zeiss Orion Nanofab) zur Verfügung. Mit einer Auflösung von bis zu 0,5 nm kann das ORION NanoFab hochauflösende Bilder von Proben erzeugen, die neue Erkenntnisse liefern, da die Bilder im Vergleich zu FE-SEMs eine deutlich größere Schärfentiefe bieten.
Das ORION NanoFab He Ionenmikroskop deckt ein breites Spektrum an Anwendungen in Physik, Materialwissenschaft, Biologie und Medizin ab und kann sub 10 nm Nanofabrikations- und sub Nanometer Imaging-Lösungen für Industrie und akademische Forschungszentren anbieten.
Aufgrund des sehr hohen Oberflächenkontrastes, der deutlich reduzierten Probenschädigung und der effizienten Ladekompensation ist ORION ein besonders nützliches Werkzeug für Untersuchungen der niederdimensionalen Strukturen, der Life Science und der Biotechnologie.

ORION-Werkzeuge werden bereits erfolgreich zur Herstellung von überlegenen photonischen und plasmonischen Nanostrukturen und Nano-Pours in Graphen für die DNA-Sequenzierung eingesetzt.

 

Bildgebungstechnologie

Das Herzstück des ORION Helium-Ionenmikroskops ist die Gas-Feld-Ionenquelle (GFIS), eine Adaption des alten Konzeptes des Gasfeldmikroskops. Der von GIFS erzeugte Strahl wird durch elektrostatische Linsen geformt, ausgerichtet und über die Probenoberfläche gescannt, wo er die Bildsignale erzeugt, wie z.B. von Sekundärelektronen, rückgestreuten Ionen und anderen. Diese Signale werden von den entsprechenden Detektoren weiter erfasst und vom Bildaufnahmesystem verarbeitet.
Die überlegene Ortsauflösung und weitere Vorteile des ORION Helium-Ionenmikroskops ergeben sich aus einer Reihe von ionenstrahlspezifischen Faktoren, wie z.B:

  • Extrem hohe Helligkeit der Ionenquelle
  • Sehr geringes Wechselwirkungsvolumen und chromatische Energieausbreitung
  • Broglie-Wellenlänge und Strahlkonvergenz sind viel kleiner als im REM.

Die Probenaufladung elektrisch isolierender Proben in ORION kann durch die eingebaute Elektronenflutpistole effizient kompensiert werden, da die Probenaufladung in einem Ionenmikroskop positiv und aufgrund kleiner Sondenströme relativ klein ist. Dies vereinfacht die Probenvorbereitung, insbesondere bei biologischen sowie medizinischen Proben, was die Auflösung der Oberfläche erheblich verbessert.

 

Jenseits der Bildgebung: Möglichkeiten der Nanofabrikation

Zu den Nanofabrikationswerkzeugen von ORION gehören:

  • Von GFIS erzeugte He und Ne Strahlen, die zur Herstellung sehr feiner Strukturen durch Ionenzerstäubung (ion milling) verwendet werden.
  • Gallium-Ionenquelle zum Zerstäuben relativ großer Materiemengen
  • Nano-Patterning Visualization Engine (NPVE), ein Komplex aus Soft- und Hardware, der die Nanostrukturierung und Abbildung der Nanomuster in einem einzigen Prozess ermöglicht.
  • Durch die Kombination von Ga- und He-Ionenstrahlen in einem Gerät erhält ORION einzigartige Tomographiefunktionen, die durch eine Abfolge von Schicht- und Abbildungsschritten mit Ga- bzw. He-Ionenstrahlen realisiert werden.

 
 

Time-Encoced (TiCo) stimulierte Raman Mikroskopie

Am Medizinischen Laserzentrum Lübeck GmbH (MLL) wird in enger Kooperation mit dem Institut für Biomedizinische Optik (BMO) das nicht lineare Mikroskopieverfahren „Time encoded stimulated Raman scattering microscopy“ TiCo-SRS-Microscopy weiterentwickelt. Das Verfahren basiert auf der Messung von Raman-Spektren für jedes Pixel des Bildes, was eine chemische Aufschlüsselung der vorhandenen Moleküle für jeden Bildpixel darstellt. Der erzeugte Raman-Kontrast kommt ohne jegliche Aufarbeitung des Probenmaterials aus und ist hoch spezifisch.
 
TiCo-SRS-Microscopy ermöglicht somit den Nachweis einzelner Biomoleküle innerhalb einer Zelle ohne die Funktion oder das Verhalten der Zelle durch die Einbringung Zellfremder Moleküle zu beeinflussen. Dies erlaubt potentielle neue Einblicke und Anwendungen im Bereich der Tumordiagnostik und Krebsforschung. Besonders der spektrale Bereich der sogenannten „Fingerprintregion“ ermöglicht die gezielte Unterscheidung charakteristischer Biomoleküle und stellt einen chemischen Fingerabdruck dar, der sich durch krankhafte Veränderungen von gesunden Zellen unterscheidet. Die zu messenden Signale sind jedoch sehr klein und als Intensitätsänderungen im Bereich von eins zu einer Million gegeben, was eine sorgfältige technische Umsetzung und Messzeiten von einigen Minuten bedingt. Im Gegenzug können Raman-Signale am Quantenlimit gemessen werden und somit auch schwach Raman-aktive Moleküle oder Proben mit geringer Konzentration des abzutastenden Moleküls aufgelöst werden.
 
Außerhalb der biomedizinischen Optik kann stimulierte Raman-Mikroskopie zur Materialuntersuchung eingesetzt werden. Potentielle Anwendungen sind im Bereich der Lebensmittelkontrolle und der kontaktlosen Sortierung unterschiedlicher Stoffe im Bereich Recycling zu sehen. Der Vorteil im Vergleich zur spontanen Raman-Spektroskopie liegt in der höheren Signalintensität, der gezielten Abtastung spezieller Raman-Banden durch TiCo-SRS-Mikroskopie und das fluoreszenzfreie Raman-Signal. Limitierungen der Strahlungsintensität der verwendeten Lichtquellen, wie bei der biomedizinischen Anwendung, spielen nur eine untergeordnete Rolle und erlauben es potentielle Anwendungen in Industrieanlagen zu integrieren. Als Partner des Vision-Centers blickt das Medizinische Laserzentrum Lübeck GmbH auf 25 Jahre Erfahrung im Bereich Technologietransfer aus dem Universitären Umfeld und unterschiedliche Industriekooperationen.

Optische Kohärenztomografie (OCT)

In mehr als 20 Jahren hat das Institut für Biomedizinische Optik (BMO) die
Optische Kohärenztomografie (OCT) zu einem vielfältig einsetzbaren Bildgebungsverfahren entwickelt. Die OCT nutzt mit neuen Lichtquellen und Rekonstruktionsverfahren Infrarotlicht geringer Leistung, um ohne Farbstoffe Gewebestrukturen in bis zu Kubikmillimeter großen Volumina mit Mikrometerauflösung darzustellen. Zelluläre und subzelluläre Strukturen werden ohne Gewebepräparation sichtbar. Die hohe Bildgebungsgeschwindigkeit ermöglicht kurze Messzeiten und ein interaktives Arbeiten, womit OCT dazu prädestiniert ist, im Operationssaal die Tumorresektion präziser und schonender zu gestalten. Auch in der kontaktlosen Überwachung von Lebensmitteln kann OCT eingesetzt werden.