In this thesis a new microscopy method is introduced to investigate biological forces, the Waveguide Microscopy (WLM). This optical technique allows to measure forces occuring on substrates in a sub-nanonewton range with microscopic lateral resolution. The core of the method are thin planar waveguides, which are elastically deformable and which are used as substrate. If a local force is applied on such a waveguide, its thickness and therefore its optical resonance frequency changes. By measuring the shift of the optical resonances the local thickness can be obtained; and with the knowledge of the elastic properties of the waveguide the normal force exerted on the substrate can be calculated. In the first part of this work three different optical setups and the waveguide substrates are characterised regarding sensitivity, lateral resolution and mechanical stability. It turns out that the preparation of the planar waveguides is the crucial point of the method. Waveguides comprised of a soft rubber film between two metal layers on a substrate, which are also long-time stable against culture media and biological preparation can be obtained. This offers the possibility of in situ measurements on biological cells. The force sensitivity of the waveguides is better than 20 nanonewton, and the lateral resolution smaller than 3 micron. In the second part of this thesis biological experiments with spores of funghi and adhering cells are presented. Both classes of experiments show not only the applicability of the method to the corresponding force range, but are also relevant in the particular fields of research. In the case of the spores of funghi Colletotrichum graminicola a correlation between the osmotic potential and the capability of leaf penetration could be demonstrated. Besides the influence of different mutants and transformants has been investigated. In particular time-resolved measurement show the WLM as an attractive technique to measure biological forces.

Diese Arbeit beschreibt eine Methode zur Messung mechanischer Kräfte in biologischen Systemen. Es handelt es sich dabei um die Wellenleiter-Kraftmikroskopie, ein neues mikroskopoptisches Verfahren, das speziell für die hier vorgestellten Untersuchungen entwickelt wurde. Dabei werden in einem planaren elastischen Schichtsystem Wellenleiter-Resonanzmoden angeregt. Wird das System an der Oberfläche etwa durch Zell-Adhäsionskräfte lokal deformiert, kann nun mithilfe der Resonanzverschiebung der Moden die Größe der wirkenden Kräfte bestimmt werden. Die Arbeit gliedert sich in einen methodischen und einen biologischen Teil: Der methodische Teil umfaßt die Charakterisierung des Aufbaus und seiner verschiedenen Bauformen mithilfe entsprechender Experimente. Ein zentraler Punkt ist dabei die Herstellung und die Beurteilung der Eigenschaften der Schichtsystem-Meßsubstrate. Dazu wurden verschiedene Versuche durchgeführt, um Eigenschaften wie laterale Auflösung, Sensitivität und mechanische Stabilität zu optimieren. Auf diese Weise konnten schließlich Wellenleiter hergestellt werden, die neben den für biologische Präparation notwendigen Voraussetzungen wie Resistenz gegen Kulturmedium, Langzeitstabilität und Sterilität auch eine Kraftauflösung von 20 Nanonewton und eine laterale Auflösung von besser als 3 Mikrometer bieten. Mit diesen Substraten ist es möglich, Messungen an lebenden Zellen in situ durchzuführen. Im biologischen Teil der Arbeit stehen Messungen an lebenden Systemen im Mittelpunkt - einerseits keimende Pilzsporen, die in ein Planzenblatt einzudringen versuchen und andererseits sich bewegende körpereigene Zellen eines Goldfisches. Beide Systeme sind nicht nur exemplarisch für bestimmte Kraftbereiche, in denen die WLM als geeignete Methode herangezogen werden kann; die in diesem Teil vorgestellten Erkenntnisse besitzen auch für das jeweilige Forschungsgebiet Bedeutung. So konnte im Falle des Maispathogens Colletotrichum graminicola durch Versuchsreihen der Zusammenhang zwischen dem osmotischen Potential und der Penetrationsfähigkeit der Spore hergestellt und auf Messungen von anderen Gruppen bezogen werden. Insbesondere die Dynamik des Aufbaus der zur Penetration notwendigen Kraft wurde erstmals unmittelbar beobachtet; andere Methoden lassen dies bisher nicht zu.