ZHAW-Forschende entwickeln Chip für ultrahochauflösendes Mikroskop
ZHAW-Forschende entwickelten im Rahmen eines Innosuisse-Projekts einen Chip für ein neues Messverfahren für Rasterkraftmikroskope (AFM). Die neue Methode erlaubt eine viel schnellere und schonendere Abtastung der Oberfläche, die auch für biologische Proben und Zellkulturen von wenigen Nanometern geeignet ist. Mit diesem Messverfahren ausgestattete Mikroskope werden nun vom Herstellers Nanosurf mit Sitz in Liestal, Baselland, kommerzialisiert.
Die neu entwickelte Messmodus WaveMode für das Rasterkraftmikroskop DriveAFM der Firma Nanosurf ist eine Neuerung, mit der sich zahlreiche unterschiedliche Materialien, darunter auch Biosubstrate wie Zellkulturen, DNA-Moleküle und sogar Viren, schnell und vor allem schonend untersuchen lassen. Die ursprüngliche Technik hinter dem Rasterkraftmikroskop (Atomic Force Microscopy, AFM), ein ultrahochauflösender Typ der Rastersondenmikroskopie, wurde ursprünglich 1985 in der Schweiz von den IBM-Wissenschaftlern Gerd Binnig und Heinrich Rohrer erfunden. Für ihre Forschung erhielten die beiden 1986 den Physik-Nobelpreis.
Bei dem bisherigen Messverfahren des AFM «kratzte» dafür der sogenannte Cantilever (der Hebelarm, vorstellbar als Nadel) die Oberfläche der untersuchten Oberfläche ab, wodurch diese oft beschädigt wurde und nur eine entsprechend niedrigere Auflösung realisierbar war. Bei dem neuen Verfahren, das an der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) entwickelt wurde, wird der Cantilever durch einen Heizlaser in Schwingungen versetzt, wodurch das Material lediglich abgetastet und damit um ein Vielfaches schneller und schonender untersucht wird (Photothermal Off-Resonance Tapping). Dadurch wird die Bildrate erhöht und die Ergebnisse verbessert, sodass Strukturen im Nanometer Bereich sichtbar gemacht werden können.
Schnelle Datenerfassung
Für die Kommerzialisierung der neuen Technologie von DriveAFM fragte Nanosurf die ZHAW School of Engineering und die Erfindergruppe bei der EPFL um Unterstützung an. Finanziell gefördert wurde das gemeinsame Projekt des Unternehmens mit den beiden Hochschulen von der Innosuisse. Um das neue Rasterkraftmikroskop in grossen Stückzahlen produzieren zu können, braucht es einen leistungsstarken Chip, der die Anregung und die Messung der Bewegung des Cantilevers schnell und effizient verarbeiten kann. Der Chip auf Basis eines programmierbaren Logikbausteins (FPGA) wurde vom Team des Schwerpunktes Realtime-Platforms um Matthias Rosenthal am Institute for Embedded Systems (InES) der ZHAW School of Engineering entwickelt. Als erstes Rasterkraftmikroskop der Welt verfügt es zudem über Algorithmen der künstlichen Intelligenz, welche an der ZHAW speziell für diesen Zweck erforscht wurden. «Eine der größten Herausforderungen ist die Verarbeitung der Daten in Echtzeit. Algorithmen für maschinelles Lernen müssen eine riesige Datenmenge innerhalb weniger Mikrosekunden berechnen», erklärt Matthias Rosenthal.