Multifunktionelle Rastersondenmikroskopie

Neue Wege zur multiparametrischen Oberflächenanalytik

  • Abb. 1: (rechts) Topographie einer mikrostrukturierten Siliziumnitrid-Gold Oberfläche (linkes Bild) und simultan aufgenommenes Wechselstrombild (rechtes Bild) bei 14.92 kHz und 110 mVpp überlagert mit einem an der integrierten Elektrode angelegtem Gleichstrompotential (100 mV DC) in 1 mM KCl (Referenz 6).Abb. 1: (rechts) Topographie einer mikrostrukturierten Siliziumnitrid-Gold Oberfläche (linkes Bild) und simultan aufgenommenes Wechselstrombild (rechtes Bild) bei 14.92 kHz und 110 mVpp überlagert mit einem an der integrierten Elektrode angelegtem Gleichstrompotential (100 mV DC) in 1 mM KCl (Referenz 6).
  • Abb. 1: (rechts) Topographie einer mikrostrukturierten Siliziumnitrid-Gold Oberfläche (linkes Bild) und simultan aufgenommenes Wechselstrombild (rechtes Bild) bei 14.92 kHz und 110 mVpp überlagert mit einem an der integrierten Elektrode angelegtem Gleichstrompotential (100 mV DC) in 1 mM KCl (Referenz 6).
  • Abb. 1: (links) Kombination AFM-SECM.
  • Abb. 2: Kombination AFM-IR-ATR.
  • Abb. 3: (links) Kombination SECM-IR-ATR.
  • Abb. 3:(rechts) Strukturierte Polymerisation von Dithiophenylpyrrol mit simultan aufgenommenen IR Spektren.

Konventionelle analytische Verfahren erfassen zumeist sequentiell analytspezifische Information an einer Probenoberfläche. Das heißt, zunächst wird beispielsweise die Topographie der Probe mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie (atomic force microscopy; AFM) erfasst und anschließend die elektrochemische Aktivität durch die elektrochemische Rastersondenmikroskopie (scanning electrochemical microscopy; SECM), zumeist in einem anderen Gerät, abgebildet.

Für eine Vielzahl an Untersuchungen und insbesondere von in situ ablaufenden chemischen oder biologischen Prozessen, die meist mit einer zeitlichen Veränderung der Probe bzw. Probenoberfläche einhergehen, ist es daher schwierig, sequentiell erhaltene Daten zeitlich und/oder räumlich zu korrelieren.

Daher ist die Kombination oder sogar Integration komplementärer analytischer Messverfahren, die erlauben synchronisiert mehrere Messparameter idealerweise orts- und zeitaufgelöst zu erhalten, im Bereich der Lebenswissenschaften, der biomedizinischen Analytik, aber auch den Materialwissenschaften, der Korrosionsforschung oder der Energieforschung wie beispielsweise zur Entwicklung verbesserter Energiespeichermaterialien zur Unterstützung der Elektromobilität, von großer Bedeutung.

Daher stellt dieser Artikel innovative analytische Verfahren vor, die, basierend auf der Rastersondenmikroskopie, Kombinationen mit elektrochemischen und spektroskopischen analytischen Messmethoden zusätzlich zur topographischen Information entweder Daten über die elektrochemische Eigenschaften der Probe liefern, oder molekülspezifische schwingungsspektroskopische Informationen bereitstellen.

Einsatzgebiete

Die Rasterkraftmikroskopie hat sich seit ihrer Einführung im Jahr 1986 [1] zu einer der meistangewandten Routinemethoden in der (Oberflächen) analytik entwickelt. Der Erfolg dieser Methode lässt sich mit ihren äußerst vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten begründen, da Probenoberflächen sowohl in Lösung (in gepufferter Lösung z. B. für bioanalytische Fragestellungen zur Untersuchung von Zellen oder Geweben), an Luft (z. B. zur Untersuchung der Topologie nach Korrosionsvorgängen), aber auch im Hochvakuum (z.

B. zur Analyse von der Oberflächen von Halbleitern oder Halbleiterbauteilen) untersucht werden können, ohne dass an der zu untersuchenden Probe spezifische Eigenschaften, wie z.B. Leitfähigkeit, vorliegen müssen.

Gleichwohl in der Literatur bahnbrechende neue Anwendungen der Rasterkraftmikroskopie im Vakuum gezeigt werden, wie die strukturelle Identifizierung einzelner Moleküle zeigt [2], wird die Rasterkraftmikroskopie häufig nur zur Darstellung der Topographie der Probeoberfläche eingesetzt. Für komplexere Anwendungen im Bereich von analytischen (v. a. chemischen oder biochemischen) Fragestellungen ist aber eine Erweiterung des Informationsgehaltes derartiger Messungen essentiell.

Ein exzellentes Beispiel hierfür ist die Kombination bzw. Integration von AFM mit einer weiteren Rastersondenmethode, dem elektrochemischem Rastersondenmikroskop (SECM). SECM beruht auf der ortsaufgelösten Abbildung von elektrochemischen Prozessen, die mit Hilfe von Mikro- bzw. Nanoelektroden erfasst werden können.

Bei diesem Messverfahren wird eine miniaturisierte Elektrode nahe (d. h. etwa im Abstand einiger Elektrodenradien) über die Probenoberfläche gerastert und das elektrochemische Signal an der Mikroelektrode in Abhängigkeit der Probenposition und des Einflusses der Probenoberfläche erfasst und lateral aufgelöst dargestellt.

Diese Methode hat in den letzten Jahren besonders an Bedeutung gewonnen, da sie für in situ Untersuchen im biomedizinischen Bereich (z. B. Zellaktivität), der Korrosionsforschung (z. B. Identifizierung der elektrochemischen Vorgänge bei Mikro- oder Nanolochfraß) und zur Charakterisierung von Materialien in Brennstoffzellen (z. B. Transporteigenschaften von Membranen die Elektrolyträume separieren) geeignet ist.

Zu bedenken ist hierbei, dass das Signal vom Abstand der Elektrode zur Probe abhängig ist und daher bei unbekannten Proben ein überlagertes Signal aus topographischer und elektrochemischer Information entstehen kann.

Durch die Integration von Mikro- und Nanoelektroden in die Rasterkraftmikroskopie- Spitze kann dieses Problem gelöst werden, da nunmehr die Topographie unabhängig von der elektrochemischen Information, jedoch zeit- und ortskorreliert bzw. hochaufgelöst erfasst werden kann [3].

AFM-SECM

Durch entsprechende Mikrofabrikationsverfahren kann in die AFM-Sonde relativ einfach eine miniaturisierte Elektrode, wie sie in Abbildung 1a) gezeigt ist, integriert werden, wobei es von Vorteil ist, die Elektrode rückversetzt zu integrieren, sodass (a) die Elektrodenoberfläche nicht in direkten Kontakt mit der Probenoberfläche ist und (b) der optimale Arbeitsabstand für die Elektrode zur Probenoberfläche gewährleistet wird.

Somit wird simultan zum Signal der rückversetzten Elektrode das topographische Signal von der nichtleitenden AFM-Spitze erhalten. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Möglichkeit, diese Elektrode sowohl potentiometrisch als auch amperometrisch zu betreiben, sowie die Möglichkeit die rückversetzte Elektrode an ihrer Oberfläche zu modifizieren.

So können beispielweise enzymatische molekulare Erkennungsschichten auf diesen integrierten Elektroden immobilisiert werden [4], womit selektiv und sensitiv Analytmoleküle ortsaufgelöst abgebildet werden können, die nicht durch direkte elektrochemische Umsetzung an der Elektrodenoberfläche zugänglich sind [5]. Ein weiterer Vorteil der Kombination AFM-SECM ist darin begründet, dass alle Arten von elektroanalytischen Messverfahren mit Hilfe von AFM-SECM Sonden abbildend angewandt werden können.

So konnte beispielsweise gezeigt werden, dass mit Hilfe von angelegten Wechselspannungen, lokale Impedanzmessungen in Lösung ermöglicht werden [6]. Die Kombination AFM-SECM wird derzeit in Zusammenarbeit zwischen dem Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie der Universität Ulm, sowie Agilent Technologies Inc. kommerzialisiert.

AFM-IR-ATR

Als weiteres vielversprechendes Kombinationsverfahren konnte in den letzten Jahren die Rasterkraftmikroskopie mit der Infrarotspektroskopie verknüpft werden (AFM-IR). In der Infrarotspektroskopie spielt das Verfahren der abgeschwächten Totalreflexionsspektroskopie (attenuated total reflection; IR-ATR) zur Oberflächenuntersuchung eine bedeutende Rolle.

Generell werden in der IR Spektroskopie im Spektralbereich von 3 – 20 μm fundamentale Molekülschwingungen angeregt, die für jedes Molekül eine charakteristische Abfolge von Absorptionsbanden (IR-Spektrum) liefern, womit Moleküle eindeutig identifiziert und quantifiziert werden können.

Um das Prinzip der abgeschwächten Totalreflexion zu nutzen, muss die IR Strahlung in einen Lichtwellenleiter (üblicherweise ein ATR-Kristall z. B. aus ZnSe, Ge oder Si) eingekoppelt werden.

An der Grenzfläche des Lichtwellenleiters (mit Brechungsindex n1) zu einem optisch dünneren Medium (z. B. eine flüssige Probe mit Brechungsindex n2) entsteht ein sogenanntes evaneszentes Feld, d. h. die IR Strahlung dringt mit exponentiell abfallender Intensität in das angrenzende Medium ein. Diese Eindringtiefe hängt neben anderen Parametern vor allem von der Wellenlänge des Lichtes ab und beträgt im mittleren Infrarot einige Mikrometer.

Befindet sich nun eine absorbierende Probe bzw. absorbierende Moleküle in einer Probenmatrix nahe der Lichtwellenleiteroberfläche bzw. innerhalb der Eindringtiefe des evaneszenten Feldes, so können diese IR Strahlung selektiv absorbieren, abschwächen und ein molekülspezifisches Infrarotspektrum erzeugen.

Wenngleich AFM-IR zunächst keine ortsaufgelöste Information bereitstellt, so können IR Spektren jedoch zeitgleich und simultan mit topographischen Änderungen an der Probenoberfläche im Kombinationsverfahren AFM-IR-ATR erhalten werden [7]. Neben der Identifikation von nahezu allen organischen Molekülen, können auch Summenspektren von komplexen Proben, wie beispielsweise lebenden Zellen bzw. deren Veränderungen zur Untersuchung herangezogen werden.

Zum Beispiel kann mittels AFM-IR-ATR die Entstehung von bakteriellen Biofilmen untersucht werden, deren Bildung noch nicht vollständig erforscht ist, da diese nicht nur von der Struktur der Oberfläche, sondern auch von der Oberflächenchemie bzw. der Entstehung bakterieller Ausscheidungsprodukte (z. B. Adhäsionsproteine) abhängen [8].

Die Integration der IR spektroskopischen Funktion in das AFM erfolgt hierbei durch den Einbau eines ATR-Kristalls in die Probenhalterung des Rasterkraftmikroskops, wie schematisch in Abbildung 2 dargestellt, in den unterhalb der AFM-Probenplattform über entsprechende Optiken die IR Strahlung eingekoppelt werden kann.

Neueste Entwicklungen in unserer Forschungsgruppe ermöglichen in Zukunft spektroelektrochemische Untersuchungen im Spektralbereich des mittleren Infrarot durch die Modifikation des ATR-Kristalls mit einer IR-transparenten Elektrode (z.B. Bor-dotierter Diamant).

SECM-IR-ATR

Ein weiteres Beispiel ist die Kombination der ATR Infrarotspektroskopie mit der bereits beschriebenen elektrochemischen Rastersondenmikroskopie (SECM) [9,10]. Analog zur Kombination mit dem Rasterkraftmikroskop wird der ATR Lichtwellenleiter im Boden der SECM Messzelle integriert, die mit der abbildenden Mikroelektrode, der Referenzelektrode und der Gegenelektrode zu einer elektrochemischen Messzelle vervollständigt wird.

Somit können in situ Studien von elektrochemisch induzierten lokalen Oberflächenprozessen am ATR Lichtwellenleiter mittels IR Spektroskopie zeitgleich untersucht werden. Als Beispiel sei hierfür die strukturierte Abscheidung von Polymeren angeführt, wobei simultan über die IR Spektren der Polymerisationsgrad erfasst werden kann.

Fazit

Das relative junge Forschungsgebiet der multifunktionellen Rastersondentechniken eröffnet eine Vielzahl an Anwendungsgebieten, die von der biomedizinischen Forschung bis zur Zellphysiologie und zur Untersuchung von Mikro- und Nanokorrosionsphänomenen reichen.

Die Erweiterung hin zu multifunktionellen analytischen Plattformen ist absehbar und lässt die Integration weiterer makro-, mikro- und nanoskaliger Messverfahren zur zeit- und ortskorrelierten Erfassung komplexer molekularer Prozesse erwarten.

Referenzen

[1] Binnig G. et al.: Phys. Rev. Lett. 56, 930 (1986)

[2] Gross, L.: Nature Chem. 3, 273 (2011)

[3] Kranz C. et al.: Anal. Chem. 73, 2491 (2001)

[4] Kueng A. et al.: Angew. Chem. Int. Ed. 44, 3419 (2005)

[5] Kranz C. et al.: Ultramicroscopy 100, 127 (2004)

[6] Eckhard K. et al.: Electrochem. Commun. 9, 1311 (2007)

[7] Brucherseifer M.; Kranz C.; Mizaikoff B.; Anal. Chem. 79, 8803 (2007)

[8] Lorite G. S. et al.: J. Colloid and Interface Sci. 359, 289 (2011)

[9] Wang L.Kranz C.; Mizaikoff B.; Anal. Chem. 82, 3132 (2010)

[10] Wang L. et al.: Anal. Chem. 82, 3139 (2010)

▶ ▶Kontakt

Prof. Dr. Boris Mizaikoff

Dr. Christine Kranz

Universität Ulm

Institut für Analytische und Bioanalytische Chemie

 

Autor(en)

Kontaktieren

University of Ulm
Albert-Einstein-Allee 11
89081 Ulm
Germany

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