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Title:
METHOD AND DEVICE FOR EXAMINING A SURFACE-ACTIVE SUBSTANCE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2002/095367
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method and a device for examining the properties, especially physical properties, of a surface-active substance. A fluid is introduced in the form of a test volume into another fluid which cannot be mixed therewith, whereby at least one boundary layer is formed in a partial area of a surface of the test volume between the first fluid and the second fluid. The test volume is embodied in an axially symmetric manner around a given defining axis, whereby the boundary layer is formed in such a way that it is axially symmetrical in relation to the given defining axis. The surface-active substance is spread over the boundary layer in order to form a surface film in the region of the boundary layer with the surface-active substance. The surface film can then be examined microscopically.

Inventors:
KNEBEL DETLEF (DE)
AMREIN MATTHIAS (DE)
Application Number:
PCT/DE2002/001828
Publication Date:
November 28, 2002
Filing Date:
May 17, 2002
Export Citation:
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Assignee:
JPK INSTRUMENTS AG (DE)
KNEBEL DETLEF (DE)
AMREIN MATTHIAS (DE)
International Classes:
G01N13/02; (IPC1-7): G01N13/02
Domestic Patent References:
WO1992016824A21992-10-01
Foreign References:
US4953389A1990-09-04
US5394740A1995-03-07
US5615276A1997-03-25
BE1001659A61990-01-23
Other References:
MILLER R ET AL: "Ein automatisches Tropfenvolumentensiometer zur Messung von Oberflächen- und Grenzflächenspannungen", SOFW-JOURNAL SEIFEN, OELE, FETTE, WACHSE, VERLAG FUR CHEMISCHE INDUSTRIE, H. ZIOLKOWSKY K.G. AUGSBURG, DE, vol. 118, 1 July 1992 (1992-07-01), pages 435 - 441, XP002092431, ISSN: 0942-7694
KWOK ET AL.: "Study on the surface tensions of polymer melts using axisymmetric drop shape analysis", POLYMER SCIENCE AND ENGINEERING, vol. 38, no. 5, 31 May 1998 (1998-05-31), pages 757 - 764, XP002211712
Attorney, Agent or Firm:
Bittner, Thomas L. (Meinekestrasse 26, Berlin, DE)
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Claims:
Ansprüche
1. Verfahren zum Untersuchen von Eigenschaften, insbesondere physikalischen Eigen schaften, einer oberflächenaktiven Substanz, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt : Einbringen eines Fluids (2) in Form eines Probenvolumens (1) in einem anderen, mit dem einen Fluid (2) nicht mischbaren Fluid (3), so daß zumindest in einem Teilbe reich einer Oberfläche des Probenvolumens (1) eine Grenzschicht (5) zwischen dem einen Fluid (2) und dem anderen Fluid (3) gebildet wird, wobei das Probenvolumen (1) axialsymmetrisch um eine vorgegebene Definitionsachse (6) ausgebildet wird, so daß die Grenzschicht (5) axialsymmetrisch zu der vorgegebenen Definitionsachse (6) gebildet ist ; Spreiten der oberflächenaktiven Substanz über die Grenzschicht (5) zum Ausbilden eines Oberflächenfilms im Bereich der Grenzschicht (5) ; und mikroskopisches Untersuchen des Oberflächenfilms.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Probenvolumen (1) im wesentlichen kugelförmig ist, so daß die Grenzschicht (5) auf einer Kugelober fläche gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenz schicht (5) als eine geschlossene Schicht gebildet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Probenvo lumen (1) an einer Kapillare gehalten wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Probenvolumen (1) zum Positionieren des Probenvolumens (1) in dem anderen Fluid (3) an einer Stützfläche (71) angelegt wird, die gekrümmt ist.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Probenvolumen (1) im Verlauf des mikroskopischen Untersuchens des Oberflä chenfilms verändert wird, um die Grenzschicht (5) zu vergrößern und/oder zu verklei nern.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim mikroskopischen Untersuchen des Oberflächenfilms eine Oberflächenspan nung gemessen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine DruckFlächen isotherme der Oberflächenspannung gemessen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß beim mikro skopischen Untersuchen des Oberflächenfilms ein"Captive Bubble Surfactometer" verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß beim mikro skopischen Untersuchen des Oberflächenfilms ein"Pulsating Bubble Surfactometer" verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum mikroskopischen Untersuchen des Oberflächenfilms ein Mikroskop (100) ver wendet wird, dessen optische Achse kollinear zu der vorgegebenen Definitionsachse (6) ausgerichtet wird.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim mikroskopischen Untersuchen ein Rastersondenmikroskop verwendet wird.
13. Vorrichtung zum Untersuchen von Eigenschaften, insbesondere physikalischen Eigen schaften, einer oberflächenaktiven Substanz, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist : einen Meßraum (8), welcher wenigstens teilweise mit einem anderen Fluid (3) gefüllt ist ; eine Einführeinrichtung zum Einbringen eines Probenvolumens (1) eines Fluids (2) in dem anderen Fluid (3), welches mit dem einen Fluid (2) nicht mischbar ist, so daß zumindest in einem Teilbereich einer Oberfläche des Probenvolumens (1) eine Grenzschicht (5) zwischen dem einen Fluid (2) und dem anderen Fluid (3) gebildet ist, wobei das Probenvolumen (1) axialsymmetrisch um eine vorgegebene Definiti onsachse (6) ausgebildet ist, so daß die Grenzschicht (5) axialsymmetrisch zu der vorgegebenen Definitionsachse (6) gebildet ist ; und eine Mikroskopeinrichtung zum mikroskopischen Untersuchen des Oberflächen films.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Spreiteinrichtung (55) zum Einbringen einer oberflächenaktiven Substanz in dem Meßraum (8), um im Be reich der Grenzschicht (5) einen Oberflächenfilm zu bilden.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, gekennzeichnet durch eine Positio niereinrichtung zum Positionieren des Probenvolumens (1) in dem Meßraum (8) relativ zu der Mikroskopeinrichtung.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniereinrichtung ein Positionierelement mit einer gekrümmten Stützfläche (71) zur Selbstpositionierung des Probenvolumens (1) umfaßt.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des Meßraums (8) verändert werden kann.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Probenvolumen (1) mittels der Positioniereinrichtung (85,86) entlang einer x, einer yund einer zAchse des Meßraums verlagert werden kann.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, gekennzeichnet durch Zu führmittel zum Einbringen des anderen Fluids (3) in dem Meßraum (8) umfaßt, wobei die Zuführmittel druckund vakuumfest durch eine Wand des Meßraums (8) geführt sind.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Einführmittel zum Einbringen des Probenvolumens (1) eine Kapillareinrichtung um fassen, an welcher das Probenvolumen (1) nach dem Einbringen in dem Meßraum (8) fixiert ist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroskopeinrichtung ein Lichtmikroskop (100) umfaßt.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zum Messen einer Oberflächenspannung vorgesehen ist.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroskopeinrichtung ein Rastersondenmikroskop umfaßt.
Description:
Verfahren und Vorrichtung zum Untersuchen einer oberflächenaktiven Substanz Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Untersuchen einer oberflä- chenaktiven Substanz.

Oberflächenaktive Substanzen bilden an Grenzschichten zwischen zwei nicht mischbaren Fluiden einen molekularen Film. Sie erlauben die gezielte Herstellung molekular definierter Schichten und sind beispielsweise in der nichtlinearen Optik von erheblicher Bedeutung.

Oberflächenaktive, biologische Makromoleküle bilden zum Beispiel in der menschlichen Lunge (Lungensurfactant) einen funktionellen Bestandteil oder dienen in den Lebenswissen- schaften als Model der Plasmamembran. Der Filmdruck II der oberflächenaktiven Substan- zen wirkt der Oberflächenspannung der Grenzschicht entgegen. Beispielsweise gilt für die Grenzschicht von Wasser zu Luft der folgende Zusammenhang : o-n (D y o ist die Oberflächenspannung von reinem Wasser (-72 mN/m bei 25° C), und y ist die resultierende Oberflächenspannung einer befilmten Grenzschicht. Eine Eigenschaft hierbei besteht darin, daß der Filmdruck mit abnehmender mittlerer Fläche pro Molekül zu-und die Oberflächenspannung entsprechend abnimmt. Dieser Zusammenhang gestaltet sich je nach oberflächenaktiver Substanz in charakteristischer Weise und wird bei einer konstanten Tem- peratur in einer sogenannten Druck-Flächen-Isotherme aufgezeichnet, die beispielsweise mit- tels eines"Captive Bubble Surfactometers"gemessen werden kann.

In einem"Captive Bubble Surfactometer"kann die Oberflächenspannung einer Grenzfläche aus der Blasengeometrie einer Gasblase in Flüssigkeit mittels eines mathematischen Verfah- rens bestimmt werden. Ein mögliches Verfahren zum Bestimmen der Oberflächenspannung ist die sogenannte axialsymmetrische Tropfenform Analyse (ADSA-"Axisymmetric Drop Shape Analysis"), wie sie beispielsweise von Kwok et al. in der Zeitschrift"Polymer Engi- neering and Science", (1998) 38 : 757 beschrieben ist. Die Gasblase wird wegen ihres Auf- triebs in der Flüssigkeit an ein leicht kuppelförmiges Agar-Dach getrieben und auf diese Wei- se fixiert. Mittels einer Änderung des Kammerdrucks kann dann das Volumen und hierdurch die Fläche der Gasblase geändert werden. Hieraus kann die zugehörige Oberflächenspannung

bestimmt werden. Bezüglich weiterer Einzelheiten zum"Captive Bubble Surfactometer" wird auf die folgende Veröffentlichung verwiesen : Schürch et al.,"A captive bubble method reproduces the in situ behavor of lung surfactant monolayers", J. Appl. Physiol. (1989) 67 : 2389-96.

Ein weiters Verfahren Messen von Druck-Flächen-Isothermen wird in einem"Pulsating Bubble Surfactometer"genutzt, was beispielsweise von Enhorning in einem Artikel mit dem Titel"A pulsating bubble technique for evaluating pulmonary surfactant", J. Appl. Physiol.

(1977) 43 : 198-203, beschrieben ist. In einer möglichen Ausführungsform wird eine mit ei- nem Gas gefüllte Kapillare in eine Flüssigkeit getaucht, die in einem geschlossenen Gefäß angeordnet ist. Anschließend wird das Volumen der Flüssigkeit in dem Gefäß um einen vor- bestimmten Betrag verringert. Hierdurch tritt eine Blase des Gases mit dem entsprechenden Volumen aus der Kapillare in die Flüssigkeit aus. Die Grenzflächenspannung an der Grenz- fläche zwischen dem Gas und der Flüssigkeit kann mit Hilfe eines mathematischem Verfah- rens berechnet werden.

Die Grundlage der Berechnung der Oberflächenspannung ist die Laplace'sche Formel, bei der Ap den Druckunterschied zwischen beiden Fluiden beschreibt, y ist die Oberflächenspannung, und cl und c2 sind die Hauptkrümmungsradien der Oberfläche : A=/ (c, +cJ (2) Anstelle des Gases kann bei den beiden beschriebenen Verfahren auch eine weniger dichte Flüssigkeit genutzt werden, die mit der Flüssigkeit, in welcher sonst die Gasblase eingebracht wird, nicht mischbar ist.

Die mit Hilfe der beschriebene Verfahren ermittelten Druck-Flächen-Isotherme geben Aus- kunft über thermodynamische Phänomene, wie Phasenumwandlungen erster oder höherer Ordnung, Mischbarkeit bei Mehrkomponentensystemen etc, in Verbindung mit dem Oberflä- chenfilm, welcher die oberflächenaktive Substanz umfaßt. Die molekulare Architektur des Oberflächenfilmes während dieser Kompression ist von großem Interesse, da diese Rück- schlüsse auf die molekularen Grundlagen des charakteristischen Verhaltens einer Substanz zuläßt. Es hat sich gezeigt, daß ein Oberflächenfilm im Bereich der Grenzschicht zwischen zwei Fluiden Phasengrenzen zwischen Molekülen in unterschiedlichem physikalischen Zu-

stand enthalten kann ; bei Mischfilmen kann es zu einer charakteristischen Verteilung der Moleküle innerhalb des Oberflächenfilms kommen, etc. So bildet beispielsweise das Lungen- surfactant eine komplexe dreidimensionale molekulare Architektur aus, die in direktem Zu- sammenhang mit seiner Funktion steht und bisher nur ansatzweise aufgeklärt ist.

Eine Methode zur Strukturuntersuchung oberflächenaktiver Substanzen in Oberflächenfilmen ist die Fluoreszenzmarkierung bestimmter Komponenten und anschließende Beobachtung mit einem Fluoreszenzlichtmikroskop (vgl. hierzu Lösche et al.,"Fluorescence microscope to observe dynamical processes in monomolecular layerst at the air/water interface", (1984) 55 : 1968-1972). Um eine Struktur einem bestimmten Zustand des Films zuordnen zu können, werden solche Untersuchungen an der Gas-Flüssigkeitsgrenzschicht mit Hilfe einer soge- nannten Filmwaage ausgeführt. Hierbei wird eine Substanz an die Gas-Flüssigkeits- grenzschicht eines flüssigkeitsgefüllten Trogs (typischerweise mir einer Grenzflächengröße von mehreren cm2) gespreitet und über eine bewegliche Barriere komprimiert (vgl. beispiel- weise Ulman, A.,"An introduction to ultrathin organic films"Academic Press, Boston, 1991, S. 442). Hierbei wird ein Objektiv zur Epifluoreszenzlichtmikroskopie an zentraler Stelle über dem Oberflächenfilm auf der Filmwaage angeordnet.

Diese Verfahren hat den Nachteil, daß der Oberflächenfilm auf der Filmwaage Strömungen unterworfen ist, die insbesondere bei niedrigen Filmdrücken sehr stark sein können, aber auch bei hohen Filmdrücken spontan auftreten. Hierdurch wird die mikrokopische Untersuchung des Oberflächenfilms erheblich beeinträchtigt. Aufgrund der großen, zur Umgebung expo- nierten Grenzfläche und der Schwingungsneigung der Flüssigkeit im Trog ist das System zu- dem ausgeprägt empfindlich gegenüber Störungen aus der Umgebung, wie zum Beispiel der Luftzirkulation im Labor oder Schwingungen des Gebäudes. Dieses verhindert eine Beob- achtung des zeitlichen Verhaltens einzelner Strukturen des Oberflächenfilms oder erfordert zumindest eine aufwendige Abschirmung der Apparatur von der Umgebung.

Eine Änderung der Grenzflächengröße führt zu weiteren Strömungen und zu Spannungen im Oberflächenfilm, was beispielsweise von Malcom,"The Flow and Deformation of Synthetic Polypeptide Monolayers during Compression", J. Colloid Interface Sci., (1985) 104 : 520, be- schrieben wird. Darüber hinaus verschiebt sich der Oberflächenfilm relativ zum lichtmikro- skopischen Objektiv bei Kompression oder Expansion, so daß die interessierenden Strukturen aus dem Untersuchungsblickfeld verschwinden.

Bei hohen Filmdrücken tritt auf einer Filmwaage oft das sogenannten"Creeping"auf : Statt einer weiteren Verdichtung der Moleküle entfernen diese sich von der Wasser-Luft- Grenzfläche. Die Moleküle werden beispielsweise unter die bewegliche Barriere geschoben.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vor- richtung anzugeben, bei dem (der) Oberflächenfilme mit einer oberflächenaktiven Substanz an einer Grenzfläche zwischen zwei Fluiden für eine mikroskopische Untersuchung so zur Verfügung stehen, daß die Untersuchung mit größerer Genauigkeit und einer verminderten Fehleranfälligkeit ausgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach dem unabhängigen Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 13 gelöst.

Die Erfindung umfaßt als wesentlichen Gedanken das Einbringen eines Fluids in Form eines Probenvolumens in einem anderen, mit dem einen Fluid nicht mischbaren Fluid, so daß zu- mindest in einem Teilbereich einer Oberfläche des Probenvolumens eine Grenzschicht zwi- schen dem einen Fluid und dem anderen Fluid gebildet wird, wobei das Probenvolumen axial- symmetrisch um eine vorgegebene Definitionsachse ausgebildet wird,. so daß die Grenz- schicht axialsymmetrisch zu der vorgegebenen Definitionsachse geformt ist. Die oberflä- chenaktive Substanz ist über die Grenzschicht zum Ausbilden eines Oberflächenfilms im Be- reich der Grenzschicht gespreitet.

Es ergeben sich für die Mikroskopie des Oberflächenfilms mit der oberflächenaktiven Sub- stanz gegenüber dem Stand der Technik mehrere Vorteile. Die Grenzschicht zwischen den beiden Fluiden zeichnet sich durch eine hohe mechanische und zeitliche Stabilität aus. Das Probenvolumen des einen Fluids ist durch das umgebende andere Fluid gut von akustischen Störungen und thermischen Schwankungen der Umgebung abgeschirmt. Weicht beispiels- weise der Druck in dem Meßraum vom Umgebungsdruck ab, ist eine nahezu vollständige akustische Entkopplung von der Umgebung erzielt. Bei Wahl eines sehr kleinen Probenvo- lumens ist die Schwingungsneigung der Grenzfläche im Vergleich zur Messung mit der Filmwaage drastisch reduziert. Damit erübrigt sich eine aufwendige und kostspielige Ab- schirmung der Apparatur von der Umgebung. Hochauflösende Mikroskopien, wie beispiels-

weise die Rastersondenmikroskopie (vgl. Colton et al.,"Scanning probe microscopy", Curr.

Opin. Chem. Biol. (1997) 1 : 370-377) können eingesetzt werden.

Bei geeigneter Anordnung kontrahiert bzw. expandiert der Oberflächenfilm bei einer Flä- chenänderung symmetrisch zu der vorgegebenen Definitionsachse.

Das obengenannte"creeping"des Oberflächenfilms bei hohem Filmdruck wird bei der Nut- zung des"Captive Bubble Surfactometers"vollständig vermieden.

Die erreichte Stabilisierung des Oberflächenfilms erlaubt eine Untersuchung dynamischer Strukturveränderungen der oberflächenaktiven Substanz in dem Oberflächenfilmn an der Grenzschicht zwischen den beiden Fluiden. Weiterhin ist im Vergleich zu der bekannten Untersuchung mit der Filmwaage eine Mikroskopie mittels hochauflösender Verfahren er- möglicht. Des weiteren ist eine lichtmikroskopischen Beobachtung eines aktiven Grenzflä- chenfilms bisher nur auf einer Gas-Flüssigkeitsgrenzschicht möglich.

Ein axialsymmetrisches Probenvolumen und hierdurch eine axialsymmetrische Grenzschicht kann beispielsweise dadurch, gebildet werden, daß das eine Fluid mit der geringeren Dichte in das andere Fluid mit der größeren Dichte eingebracht wird und der Auftrieb des Probenvolu- mens mit Hilfe eines Elements begrenzt wird, daß in seinen Eigenschaften denen des anderen Fluids nahe kommt, so daß die Grenzfläche zwischen den beiden Fluiden im Bereich der Oberfläche des Probenvolumens nicht wesentlich beeinflußt wird. Mit Hilfe der Ausbildung des Elements als kuppelförmiges Dach kann eine Selbstzentrierung des Probenvolumens in einer horizontalen Ebene erreicht werden. Es können auch andere Formen zur Zentrierung vorgesehen sein, beispielsweise eine mechanische Verstellung in der horizontalen Ebene. Das Einbringen des einen Fluids kann beispielsweise über ein Ventil und/oder über eine Spritze erfolgen. Weitere Formen des Einbringens sind natürlich denkbar.

Alternativ kann das eine Fluid aus einer Kapillare in das andere Fluid eintreten. Bei dieser Ausführungsform ist die Grenzfläche bzw. Grenzschicht in einem Bereich, in welchem sich Probenvolumen und Kapillare berühren, nicht geschlossen. Bei beiden beschrieben Ausfüh- rungsformen ist eine Messung der Oberflächenspannung mit Hilfe einer Analyse der Form der Grenzfläche möglich.

Um die Möglichkeit einer gezielten Änderung der Grenzfläche zu schaffen, kann bei der Aus- führungsform, die das Einbringen des Probenvolumens des einen Fluids in dem anderen Fluid ohne Kapillare vorsieht, der Druck geändert werden, wie es in Verbindung mit dem"Captive Bubble Surfactometer"bekannt ist. Beim Einbringen des Probenvolumens mittels Kapillare kann zur Änderung der Grenzfläche das dem oben beschriebenen"Pulsating Bubble Surfac- tometers"zugrunde liegende Prinzip verwendet werden. Hierbei wird das Volumen des ande- ren Fluids geändert, wodurch ein der Änderung entsprechendes Volumen des einen Fluids in die Kapillare eintritt oder aus dieser austritt.

Zum Messen der Oberflächenspannung zwischen den beiden Fluiden, die durch den Oberflä- chenfilm auf den Probenvolumen beeinflußt werden, kann aus einer Richtung senkrecht zur axialen Symmetrieachse des Probenvolumens mit einer optischen Beobachtungseinrichtung ein seitliches Abbild des Probenvolumens aufgenommen werden. Hieraus kann mittels ver- schiedener mathematischer Methoden die Oberflächenspannung exakt oder in guter Näherung berechnet werden.

Alternativ kann zur Messung der Oberflächenspannung eine akustische Anregung des Pro- benvolumens genutzt werden. Die auf die Kapillarkräfte zurückzuführenden Resonanzfre-. quenzen sind von der Oberflächenspannung abhängig und somit aus einem Frequenzspektrum bestimmbar. Die Detektion des Spektrums kann bei einer Ausführungsform optisch erfolgen, indem bei gewissen Frequenzen stehenden Wellen beobachtet werden. Es muß genügend Anregungsenergie aufgebracht werden, damit die Amplituden groß genug für eine optische Detektion sind. Bei der Nutzung eines Rastersondenmikroskops können Amplituden im nm- Bereich detektiert werden. Wahlweise könnte die Detektion eines Spektrums auch über eine Absorptionsmessung durchgeführt werden, da in der Resonanz besonders viel Energie für die Anregung der Schwingung absorbiert wird und zumindest teilweise isotrop gestreut wird.

Eine Aufnahme könnte beispielsweise mit Hilfe eines Mikrofons erfolgen.

Soll bei einer Ausführungsform der Erfindung die Grenzfläche zwischen den beiden Fluiden verändert werden, um beispielsweise flächeninduzierte Veränderungen im Oberflächenfilm zu studieren, ist das eine Fluid, welches das Probenvolumen bildet, vorzugsweise ein Gas. Die beiden Fluide sind in einer druckfesten Kammer angeordnet. Zur Veränderung des Volumens und damit der Oberfläche des Probenvolumens aus Gas wird eine Druckänderung durchge- führt. Zur Beobachtung des Probenvolumens mit einem Lichtmikroskop muß ein Objektiv an

das Probenvolumen herangeführt werden. Das Objektiv kann für eine optimale Beobachtung an das andere Fluid optisch angepaßt sein, d. h. beispielsweise ein Wasserimmersionsobjektiv sein, wenn das andere Fluid Wasser ist, und in dieses eintauchen. Es kann auch vorgesehen sein, das Probenvolumen in der luftdichten Kammer durch eine transparente Scheibe zu beob- achten. Anstelle des Lichtmikroskopobjektivs kann auch die Sonde eines Rastersondenmi- kroskops oder die Beobachtungseinrichtung einer anderen mikroskopischen Technik treten.

Bei einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Objek- tebene des zum Untersuchen des Oberflächenfilms genutzten Mikroskops stets im niedrigsten Punkt der Oberfläche des Probenvolumens, der auch als Apex bezeichnet wird, liegt. Zu die- sem Zweck ist die Möglichkeit einer Verlagerung des Probenvolumens in Richtung des opti- schen Strahlengangs vorgesehen. Ebenso kann die Möglichkeit eine zur optischen Achse senkrechten Verstellung vorgesehen sein, um den Apex in die optische Achse zu bringen.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Fortbildungen der Erfindung ergeben sich aus der folgen- den Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf eine Zeichnung. Hier- bei zeigen : Figur 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Verfahrens zum Untersuchen einer oberflächenaktiven Substanz in einem Oberflächenfilm ; Figur 2 eine schematische Darstellung eines"Captive Bubble Surfactometers"zur Nutzung des Verfahrens zum Untersuchen der oberflächenaktiven Substanz ; Figur 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Volumenänderung und einer Nachfokussierung in Verbindung mit dem"Captive Bubble Surfactometer"nach Fi- gur 2 ; Figur 4 eine schematische Darstellung eines"Pulsating Bubble Surfactometers"zur Nutzung des Verfahrens zum Untersuchen der oberflächenaktiven Substanz ; Figur 5 eine schematische Darstellung eines anderen"Captive Bubble Surfactometers"mit einem Rasterkraftmikroskop zum Untersuchen des Oberflächenfilms ; und Figur 6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines weiteren Verfahrens zum Unter- suchen einer oberflächenaktiven Substanz in einem Oberflächenfilm.

In Figur 1 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Verfahrens zum Untersu- chen einer oberflächenaktiven Substanz in einem Oberflächenfilm gezeigt. Ein Probevolumen

1 aus einem Fluid 2 ist von einem anderen Fluid 3 umgeben. Auf einer Oberfläche 4 des Pro- benvolumen 1 ist eine Grenzschicht 5 zwischen den beiden Fluiden 2,3 gebildet. Im Bereich der Grenzschicht 5 werden eine oder mehrere oberflächenaktive Substanzen aufgebracht, de- ren physikalische Eigenschaften untersucht werden sollen. Die aufgebrachten oberflächenak- tiven Substanzen bilden hierbei einen Oberflächenfilm im Bereich der Grenzschicht 5 auf dem Probenvolumen l. Das Probenvolumen 1 und hierdurch die Grenzschicht 5 sind axial- symmetrisch zu einer Achse 6 gebildet. Aufgrund der Axialsymmetrie ist ein Fließen des Oberflächenfilms dann ausgeschlossen, wenn die Molekühle des aus der oberflächenaktiven Substanz gebildeten Oberflächenfilms in den beiden Fluiden 2,3 nicht löslich sind und die beiden Fluide 2,3 nicht mischbar sind.

Zum mikroskopischen Beobachten des Oberflächenfilms ist ein Mikroskop 20 vorgesehen, dessen optische Achse zweckmäßig mit der Achse 6 übereinstimmt. Auf diese Weise kann ein Apex 7, d. h. der niedrigste Punkt des Probenvolumens 1 bzw. der Grenzschicht 5 dem Mi- kroskop 20 gegenüberliegend angeordnet werden. Ein Abstand 40 zwischen dem Mikroskop 20 und dem Apex 7 wird während der Messung zweckmäßig konstant gehalten.

Eine optische Beobachtungseinrichtung 30, deren optische Achse mit 15 gekennzeichnet ist und senkrecht zur Achse 6 steht, ermöglicht die Bestimmung einer Oberflächenspannung des Oberflächenfilms aufgrund der Form der Grenzschicht 5. Die Achse 15 muß nicht durch den Mittelpunkt des Probenvolumens 1 gehen. Es muß lediglich gewährleistet sein, daß der ge- samte Umriß oder ein zur Bestimmung der Oberflächenspannung hinreichender Teil des Um- risses des Probevolumens zu sehen ist. Aufgrund der Axialsymmetrie des Probenvolumen 1 zur Achse 6 ist aus dem Umriß die 3-dimensionale Form bestimmbar.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines"Captive Bubble Surfactometer"zur Nut- zung des Verfahrens zum Untersuchen der oberlächenaktiven Substantz. Bei dem Fluid 3 handelt es sich hier beispielsweise um Wasser, das in einer luftdichten Kammer 8 eingefüllt ist. Das Fluid 2 ist ein Gas. Das Probenvolumen 1 wird durch den Auftrieb gegen ein hydro- philes kuppelförmiges Dach 71, das beispielsweise Agar-Gel ist, gedrückt und es bildet sich die zur Achse 6 axialsymmetrische Grenzschicht 5. Das Probenvolumen 1 weist im Ausfüh- rungsbeispiel einen Durchmesser von etwa 100 um bis 300 um auf. Es sind prinzipiell aber auch kleinere oder größere Abmessungen denkbar. Durch das Agar-Gel 4 und dessen Form ist das Probenvolumen 1 in der Kammer 8 fixiert.

Über Dispensionspumpen 50,51 kann das Fluid 3 zugeführt und gegebenenfalls ausgetauscht werden. Zuführungen der Dipensionspumpe 50,51 erfolgen über Druck-und Vakuumfest- durchführungen 52,53 aus der"high pressure liquid cromatography" (HPLC) in die Kammer 8. Über ein Ventil 54 kann zusätzlich das Fluid 2 zum Formen des Probenvolumens 1 zuge- führt werden. Ferner ist es möglich, hierüber die oberlfächenaktive Substanz einzubringen, die an die Grenzschicht 5 gespreitet wird. Alternativ kann auch vorgesehen sein, die oberlfä- chenaktive Substanz über eine Spritze 55 an die Grenzschicht 5 zu spritzen (vgl. Putz et al,"A spreading technique for forming a film in a captive bubble in a surfactometer", Biophysical Journal 1998 75 : 2229-39). Damit eine ungestörte Ausdehnung und Beobachtung des Proben- volumens 1 möglich ist, muß die Spritze 55 nach dem Spreiten entfernt werden.

Das Probenvolumen 1 kann über einen manuell oder motorisch verstellbaren Kreuzstisch 85 in x-und y-Richtung und über eine motorische Mikrometerschraube 86 oder eine sonstige Verstelleinrichtung in z-Richtung verlagert werden. Gemäß Figur 2 ist ein mechanischer Kontakt zur motorischen Mikrometerschraube 86 über einen Stempel 81 ausgebildet. Eine Feder 82 sorgt für einen mechanischen Kontakt zu der motorischen Mikrometerschraube 86.

Die Verlagerung in z-Richtung des Stempels 81 kann bei einer alternativen Ausführungsform auch mit Hilfe eines Piezoelements erreicht werden. In diesem Fall dient die Feder 82 zum Erzeugen einer Vorspannung.

Das mikroskopische Untersuchen des Probenvolumens 1 wird bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 mit Hilfe eines Lichtmikroskops 100 ausgeführt. Bei dem Lichtmikroskop 100 kann es sich beispielsweise um ein Epifluoreszenzlichtmikroskop handeln, das wahlweise konfokal oder konventionell betrieben wird. Hierbei taucht ein Objektiv 21 in das Fluid 3 ein.

Die mikroskopische Abbildung, bei der es sich beispielsweise um eine Fluoreszenzverteilung handelt, wird dann mit Hilfe einer Linse 22 auf einen CCD-Chip 23 abgebildet, digitalisiert und einer Auswertung in einer Auswerteeinrichtung 70 zugeführt, bei der es sich beispiels- weise um einen Personalcomputer handelt.

Darüber hinaus ist eine seitliche Beobachtung des Probenvolumens 1 zum Bestimmen der Oberflächenspannung des Oberflächenfilms auf dem Probenvolumen 1 vorgesehen. Hierzu wird ein Boreskop 110 genutzt. Eine Durchführung 111 ist als eine HPLC-Durchführung aus- gelegt. Das Boreskop 110 nimmt zum Bestimmen der Oberflächenspannung den Umriß des

Probenvolumens 1 auf. Eine anschließende Digitalisierung wird ebenfalls über einen CCD- Chip 33 realisiert, auf den das Bild mit Hilfe einer Linse 32 fokussiert wird. Das digitalisierte Bild wird dann mit Hilfe der Auswerteeinrichtung 70 ausgewertet. Mittels des ADSA- Algorithmus kann die Oberflächenspannung zwischen den beiden Fluiden, die durch den Oberflächenfilm am Probenvolumen 1 beeinflußt werden, bestimmt werden. Mit Hilfe der Auswerteeinrichtung 70 wird jedem mikroskopischen Bild eine zugehörige Oberflächenspan- nung zugeordnet und abgespeichert.

Eine Änderung der Größe des Probenvolumens 1 und hierdurch der Grenzschicht 5 ist über eine Druckänderung mittels einer Disperserpumpe 60 möglich, die softwaregesteuert ausge- legt ist. Ein Drucknehmer 61 kontrolliert den Druck in der Kammer 8 und kann ebenfalls mittels einer geeigneten Software ausgelesen werden. Durchführungen 200,201 der Disper- serpumpe 60 sowie des Drucknehmers 61 sind als HPLC-Durchführungen ausgeführt. Die Disperserpumpe 60 verändert einen Gasdruck in einem Raum 202 oberhalb des Fluids 3 in der Kammer 8. Hierdurch ändert sich das Volumen des Probenvolumens 1. Üblicherweise wird mit Hilfe der Disperserpumpe 60 ein Unterdruck erzeugt, es kann jedoch auch vorgese- hen sein, einen Überdruck anzulegen.

Mit Hilfe der motorischen Mikrometerschraube 86 kann das Probenvolumen 1 in z-Richtung verlagert werden, um den Abstand 40 zwischen dem Apex 7 des Probenvolumens 1 und dem Objektiv 21 konstant zu halten, auch wenn sich das Volumen des Probenvolumens 1 ändert.

Mit Hilfe der Auswerteeinrichtung 70 werden alle beschriebenen Funktionen der in Figur 2 dargestellten Anordnung über eine einheitliche Benutzeroberfläche bedient. Insbesondere werden die mikroskopischen Bildaufnahmen mit Hilfe des Lichtmikroskops 1 und des Bo- reskops 110 als Funktion der Oberfläche integriert. Wenn eine definierte Substanzmenge an die Grenzschicht 5 gespreitet wird, kann die Oberflächenspannung des Oberflächenfilms als Funktion der mittleren Fläche pro Molekül berechnet werden. Hieraus können beispielsweise Rückschlüsse auf Struktur-Funktionsbeziehungen der gespreiteten oberflächenaktiven Sub- stanz gezogen werden.

In den Figuren 3A bis 3C sind schematische Darstellungen zur Erläuterung einer Volumenän- derung und einer Nachfokussierung in Verbindung mit dem"Capive Bubble Surfactometer" nach Figur 2 gezeigt. In Figur 3A ist die Ausgangssituation bei der Anordnung nach Figur 2

dargestellt. Um diese Ausgangssituation herzustellen, wird die Kammer 8 beispielsweise mit ca. 100 al Puffer gefüllt. Weiterhin wird das Probenvolumen 1 mit einem Durchmesser von beispielsweise ca. 100 pm injiziert. Der Durchmesser bezieht sich hierbei auf die größte Aus- dehnung des Probenvolumens 1 in x-Richtung, d. h. senkrecht zur optischen Achse 6. An- schließend wird mittels des Anlegens eines Unterdrucks der Durchmesser bei dem gewählten Beispiel auf ca. 300 um vergrößert. Die Beobachtung mit dem Lichtmikroskop 100 und dem Boreskop 110 wird begonnen, und das Probenvolumen 1 wird in die optische Achse gebracht.

Anschließend wird der Apex 7 des Probenvolumens 1 in die Fokusebene des Lichtmikroskop 100 gebracht. Die oberflächenaktive Substanz wird nun injiziert. Die Adsorption der oberflä- chenaktiven Substanz wird strukturell mit Hilfe des Lichtmikroskops 100 und funktionell mit Hilfe des Boreskops 110 (Reduktion der Oberlfächenspannung) untersucht.

Gemäß der Darstellung in Figur 3B wird die Größe des Probenvolumens 1 variiert. In dem dargestellten Beispiel wird das Volumen des Probenvolumens 1 vergrößert, wodurch sich der Abstand 40 des Apex 7 zum Objektiv 21 verringert. Die ursprüngliche Form des Probenvo- lumens 1 ist in Figur 3B gestrichelt eingezeichnet. Um eine scharfe optische Abbildung mit Hilfe des Lichtmikroskops 100 zu erhalten, muß der ursprüngliche Abstand 40 wieder herge- stellt werden. Dieses wird mit Hilfe des Stempels 81 erreicht, was in Figur 3C gezeigt ist. In Figur 3C ist die ursprüngliche Position des Stempels 81 gestrichelt gezeigt.

Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines"Pulsating Bubble Surfactometer"zur Nut- zung des Verfahrens zum Untersuchen der oberlächenaktiven Substanz. Im Unterschied zu der Anordnung nach Figur 2 ist die Kammer 8 mit einem Dach 300 abgedeckt und komplett mit dem Fluid 3 gefüllt, bei dem es sich um eine Flüssigkeit handelt. Das Fluid 2 kann ein Gas oder ein mit dem Fluid 3 nicht mischbare Flüssigkeit sein. Das Fluid 2 bildet bei der Aus- führungsform nach Figur 4 keine geschlossene Grenzschicht 5, sondern tritt aus einem Schlauch 65 aus, der beispielsweise mit Hilfe eines Stempels 67 positionierbar ist. Der Schlauch 65 ist mit einem Kammervolumen 66 verbunden, bei dem es sich beispielsweise um eine gasgefüllte Spritze mit einem Feststellring handelt.

Eine Änderung des Probenvolumens 1 kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß der Stempel 67 bewegt wird. Eine andere Möglichkeit wäre eine Zuführung eines Gases über die Spritze 55.

Das bei der Ausführungsform nach Figur 4 grundsätzlich mögliche"Creeping", d. h. ein Auswandern der Moleküle der oberflächenaktiven Substanz, kann beispielsweise dadurch minimiert werden, daß der Schlauch 65 außen hydrophil und innen hydrophob beschichtet ist.

Das Probenvolumen 1 in der Kammer 8 wird mit Hilfe des manuellen Kreuztisches 85 und der motorischen Mikrometerschraube 86 positioniert. Diese ist automatisch mit Hilfe einer softwarebasierten Steuerung möglich.

Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung eines anderen"Captive Bubble Surfactometer", bei dem als Mikroskop ein Rasterkraftmikroskop (SFM-"scanning force microscopy") vor- gesehen ist. Bei einer anderen Ausführungsform kann eine andere Art eines Rastersondenmi- kroskops vorgesehen sein, beispielsweise ein optisches Nahfeldmikroskop (SNOM-"scan- ning near field microscopy"). Bei dem bevorzugten Ausführunsgbeispiel ist der Cantilever 90 an einem Piezo 91 angebracht, der seinerseits an der Kammer 8 befestigt ist. Der Piezo könnte alternativ auch am Objektiv 21 befestigt sein. Der Piezo muß derart beschaffen sein, dass er den Cantilever in allen drei Raumrichtunge bewegen kann, damit eine Rasterbewegung über die Oberfläche ausgeführt werden kann und gleichzeitig der Abstand so eingehalten werden kann, wie es die jeweilige Abbildungsart verlangt. x und y bezeichnen hierbei die Verschie- bung senkrecht zur optischen Achse 6. z bezeichnet im folgenden die hierzu parallele Achse.

Eignen würde sich z. B. ein in der Rastersondenmikroskopie bekannte Ausführung eine Pie- zoröhrchens. Alternativ könnte der Piezo nur in lateraler Richtung (x und y) scannen und die Verschiebung in vertikaler Richtung (z-Richtung) könnte von einem Piezo vermittelt werden, der am Stempel befestigt ist. Damit würde dann die Lufblase selbst vertikal verfahren. Es könnte natürlich auch die Luftblase in allen drei Raumrichungen bewegt werden. Die Detek- tion der Cantileververbiegung gelingt im gezeigten Ausführungsbeispiel durch das in der Ra- sterkraftmikroskopie weit verbreitete Lichtzeigerprinzip. Der Laserstrahl 92 eines Lasers 93 wird mit einem Strahlteiler 95 auf den Cantilever gerichtet. Das Objektiv 21 übernimmt hier- bei die Funktion der Fokussierung des Laserstrahls auf den Cantilever. Der reflektierte Strahl 96 wird dann wiederum über einen Strahlteiler 97 auf eine 4-Segment-Photodiode 98 gelenkt.

Die an der Photodiode erhaltene Signale werden in einer Regel-Elektronik 99 ausgewertet und hierüber die Auslenkung der Piezos gesteuert. Außerdem werden die Signale an den PC zur Auswertung weitergegeben. Es können grundsätzlich alle bekannten Messmodi der Raster- sondenmikroskopie auch an der Grenzfläche durchgeführt werden.

In Figur 6 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, daß eine sehr einfache Anwendung der Methode an einem Flüssigkeitstropfen 1 zeigt, der z. B. von einem Gas umgeben ist. Die Unbeweglichkeit des Oberflächenfilms ist aufgrund der axialsymmetrischen Form wiederum gewährleistet. Die Unterlage 45 könnte z. B. aus Teflon bestehen, wenn das Medium 1 hydro- phil ist, und aus Agar-Gel, wenn die Flüssigkeit hydrophob ist. Hiermit wäre gewährleistet, dass die Grenzfläche am Kontaktpunkt nur wenig gestört ist. Mit einer seitlichen Beobach- tung 31 kann auch hier wieder der Umriss des Tropfens zur Bestimmung der Oberflächen- spannung herangezogen werden. In diesem Ausführungsbeispiel könnte ein aufrechtes Mikro- skop mit dem Objektiv 21 verwendet werden und die optimale Ausrichtung des Objektives und des Tropfens zueinander mit den handelsüblich vorhandenen Verstellen durchgeführt werden. Die Änderung der Oberfläche könnte über eine Spritze 48 erfolgen, die allerdings die Grenzfläche stört und somit das oben beschriebene Creeping ermöglicht.

Mit der vorliegenden Erfindung wird erstmals ein Messverfahren vorgestellt, mit dem ein oberflächenaktiver Film direkt an der Grenzfläche mikroskopisch beobachtet werden kann, der im Rahmen der Auflösung des jeweiligen Mikroskops still steht. Des weiteren wurden mehrere Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens vorgestellt, bei denen gleichzeitig die Oberflächenspannung gemessen werden kann. Ferner ist eine Komprimierung oder eine Expansion des Filmes bei gleichzeitiger mikroskopischer Beobachtung ausgewählter Oberflä- chenbereiche möglich, ohne daß diese aus dem Bildbereich geschoben werden.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.