Mikrowelt im Lichtgriff

Die optische Pinzette

Mikrowelt im LichtgriffCHRISTINA ALPMANN | ANNIKA KRUSE | CORNELIA DENZ

Licht kann Mikro- und Nanopartikel sowie winzige, lebendeOrganismen zerstörungsfrei festhalten, bewegen und vermes-sen. Optische Pinzetten nutzen dazu fokussiertes Laserlicht.Ihre holographische Weiterentwicklung macht sie zu einemerstaunlichen Werkzeug in der aktuellen Forschung von Biolo-gie, Medizin und Physik.

36 Phys. Unserer Zeit 1/2014 (45) © 2014 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

DOI: 10.1002/ piuz.201301353

Ein fokussierter Laserstrahl kann Mikro- oder Nanoparti-kel kontrollieren und manipulieren – er ist eine optische

Pinzette. Dieses Teilchenfangen mit Licht entspricht kaumunserer Alltagserfahrung. Dennoch wissen wir, dass Son-nenlicht durch Fokussieren mit einer Lupe ein Feuer ent-zünden und so Energie auf Materie übertragen kann. Eineandere Beobachtung machte Johannes Kepler bereits 1619:Wenn Kometen der Sonne nahe kommen, zeigt ihr Schweifimmer von unserem Zentralstern weg. Erklären lässt sichKeplers Beobachtung damit, dass ein Impulsübertrag zwi-schen Sonnenlicht und Materie stattfindet. Das Sonnenlichtübt also eine Kraft auf die Staubpartikel des Kometen-schweifs aus.

Optische Lichtkräfte Trotz solcher Beobachtungen sind optische Kräfte in unse-rem Alltag nicht wahrnehmbar, da sie nur einige zehn Piko-Newton betragen. Der Impulsübertrag durch herkömm licheLichtquellen ist nicht groß genug, um sich spürbar mecha-nisch auszuwirken, etwa durch eine Bewegung. Eine wich-tige Voraussetzung für das Prinzip der optischen Pinzette istalso ein passendes Verhältnis von Lichtleistung und Teil-chengröße. Arthur Ashkin entdeckte um 1970 an den ame-rikanischen Bell-Laboratorien, dass in einem fokussiertenLaserstrahl optische Kräfte auftreten, die ausreichen, um mi-krometergroße transparente Teilchen zu bewegen [1]. ZurErklärung des Phänomens unterscheidet man hauptsäch-lich zwei Arten von Kräften.

StreukraftWie bereits Kepler bei der Ausrichtung der Kometen be-obachtete, findet ein Impulsübertrag von Licht auf Materiein Richtung der Ausbreitung (Propagation) des Lichts statt.Die daraus resultierende Kraft wird als Streukraft bezeich-net, da sie hauptsächlich durch Streuung des Lichts am Par-tikel hervorgerufen wird. Sie ist proportional zur Intensität

Online-Ausgabe unter:wileyonlinelibrary.com

MO

MO

Fokus-ebene

GMO

z

xy

Optische Kräfte in einem Gaußschen Laserstrahl

Einstrahl-Gradientenfalle: 3D-Fangen

Schwach fokussierter Laserstrahl: 2D-Fangen

Barriere

MO

MO

A B B . 1 PR I N Z I P

Schematische Darstellung der Kräfte in optischen Pinzetten.Die blauen Pfeile deuten die Impulsänderung der Photonen,die roten Pfeile die Impulsänderung (Bewegungsrichtung) desTeilchens an. Bei der Einstrahl-Gradientenfalle überwiegendie longitudinalen Gradientenkräfte die Streukraft, so dasssich das Partikel entgegen der Propagationsrichtung zumGleichgewichtspunkt bewegt.

Dies wird durch die Fokussierung des Lasers mit einemMikroskopobjektiv mit hoher numerischer Apertur (NA ≥ 1)erreicht. Die numerische Apertur beschreibt den halbenÖffnungswinkel des Lichtkegels, der durch eine Linse er-zeugt wird und ist somit ein Maß für die Stärke der Fokus-sierung. Meist verwendet man Öl-Immersions-Objektive, beidenen eine Anpassung des Brechungsindexes zwischen Ob-jektiv und Deckglas durch das Immersionsöl eine außerge-wöhnlich hohe numerische Apertur zwischen 1 und 1,5 er-möglicht.

Abbildung 1 zeigt oben, wie die vorgestellten Kräfte ineinem Laserstrahl mit Gaußschem Strahlprofil ein Partikelin die Gleichgewichtsposition G schieben und dort gefan-gen halten. In der Mitte und unten ist das 2D- und 3D-Fan-gen schematisch skizziert.

Aufbau einer optischen PinzetteUm die Manipulation von Mikro- und Nanopartikeln gleich-zeitig beobachten zu können, integriert man die eigentlicheLaserfalle in ein Mikroskop. Typisch sind inverse – also aufdem Kopf stehende – Forschungsmikroskope, mit denenman die Manipulation der Partikel mit verschiedenen Ver-fahren wie Hellfeld-, Phasenkontrast-, Dunkelfeld- oder Fluo-reszenzmikroskopie kombinieren kann.

Einen solchen Aufbau zeigt Abbildung 2. Die Laserfalle(roter Strahlengang) wird von hinten in das Mikroskop ein-gekoppelt und mit einem Strahlteiler nach oben in das Mi-kroskopobjektiv (MO) reflektiert. Dieses Objektiv ist eine

O P T I S C H E P I N Z E T T E O P T I K

des Lichts und kann Partikel in Richtung der Lichtausbrei-tung beschleunigen.

GradientenkraftLiegt eine inhomogene Lichtverteilung vor, treten nebender Streukraft an transparenten Partikeln auch sogenannteGradientenkräfte auf, die proportional zur Änderung derLichtintensität sind. Hervorgerufen werden sie dadurch,dass das transparente Partikel das Licht entweder beugtoder bricht, wenn das Licht es durchdringt. Dabei ändert esden Impuls des Lichts. Nach dem dritten NewtonschenAxiom (actio = reactio) erfährt das Partikel ebenfalls eineRichtungsänderung, die der Richtungsänderung des Lichtsentgegengesetzt ist. Wird das Licht also zum Beispiel von derStrahlmitte nach außen gebeugt, bewegt sich das Partikelzur Strahlmitte hin. In einem Laserstrahl mit einem Gauß-schen Strahlprofil (Abbildung 1) wirken die Gradienten-kräfte also transversal zur Strahlachse hin, da sich dort dasIntensitätsmaximum befindet.

Wirken die Gradienten- und die Streukraft in einemnicht oder nur leicht fokussierten Laserstrahl auf ein Teil-chen, bewegt es sich zwar transversal zur Strahlmitte hin,wird aber zugleich entlang der Propagationsrichtung desLichtstrahls beschleunigt. Um ein Partikel in einer optischenFalle, wie die optische Pinzette auch häufig genannt wird,an einer festen Position zu fangen – es also in einem klei-neren Bereich als dem der typischen Zufallsbewegung klei-ner Mikropartikel, der Brownschen Molekularbewegung, zuhalten – braucht man deshalb immer eine Kraft, die dieserBeschleunigung entgegenwirkt. Hierzu wurden im Laufeder Zeit verschiedene Methoden entwickelt. Zunächst wur-de die Streukraft durch eine mechanische Barriere, etwadas Ende der Probenkammer, kompensiert. Da das Partikelin diesem Fall optisch nur transversal und damit senkrechtzur Propagationsrichtung des Lichts durch Gradientenkräf-te in der Strahlmitte gehalten wird, bezeichnet man dieseKonfiguration auch als zweidimensionales (2D) Fangen.

Alternativ zu einer mechanischen Barriere kann man ei-nen zweiten Laserstrahl verwenden, der in entgegenge-setzter Richtung zum ersten Strahl justiert wird. In dieser„gegenläufigen optischen Pinzette“ sorgt die Überlagerungder Streukräfte beider Strahlen für ein Kräftegleichgewicht,das ein Partikel optisch dreidimensional einfängt (3D-Fan-gen). Diese Konfiguration wird heute in einigen Anwen-dungen wie glasfaserbasierten Systemen zum Strecken vonZellen (Optical Stretcher) eingesetzt [2].

Weit häufiger ist jedoch die Einstrahl-Gradientenfalle(Single Gradient Trap) zu finden, bei der Gradientenkräfteentgegen der Propagationsrichtung des Lichts ausgenutztwerden, um die Streukraft auszugleichen. Die starke Fo-kussierung des Laserstrahls erzeugt einen Intensitätsgra-dienten parallel zur Propagationsrichtung des Lichts, so dasshinter dem Fokuspunkt longitudinale Gradientenkräfte auf-treten, die der Streukraft entgegen wirken. Um ein Kräfte-gleichgewicht zu erreichen, muss dieser Anteil der Gra-dientenkräfte die Streukräfte an dieser Stelle kompensieren.

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Laser

1064

nm

MO

Fluoreszenz-beleuchtung

Probenebene

Strahlteiler

SLM /Spiegel

Mikroskopbeleuchtung

Videokamera

Tubuslinse

Kondensor

Stra

hl-

aufw

eitu

ng

A B B . 2 O P T I S C H E PI N Z E T T E

Links: Foto einer holographisch optischen Pinzette. Rechts: Typischer Aufbau eineroptischen Pinzette. Sie besteht aus der eigentlichen Laserfalle (roter Strahlengang)und einem inversen Mikroskop zur digitalen Datenaufnahme mit einer Videokame-ra (blau). Alternativ zum Spiegel kann man ein Display (SLM) einsetzen, das denLaserstrahl räumlich moduliert, um eine holographisch optische Pinzette aufzu -bauen.

der wichtigsten Komponenten einer optischen Pinzette, daes für die Fokussierung des Lasers und somit die Erzeugungder optischen Fallen verantwortlich ist. Im hier gezeigtenAufbau steckt ein Öl-Immersions-Objektiv mit hundert -facher Vergrößerung und NA = 1,49.

Zur Beobachtung der gefangenen Partikel verwendetman eine Digitalkamera (Abbildung 2, blau markiert) an-stelle des Okulars des Mikroskops. Das erhöht die Laser -sicherheit, weil man nicht mehr mit dem ungeschützten Au-ge ins Mikroskop schaut, und ermöglicht die digitale Do-

kumentation der Experimente. Dies ist eine inzwischen ty-pische Abwandlung klassischer Mikroskope. Optische Pin-zetten werden bereits in vielen Biologie-, Medizin- und Phy-siklaboren eingesetzt, um Partikel rein optisch zu fangenund zu untersuchen. Zum Beispiel kann man damit sehrkleine Kräfte von wenigen Piko-Newton in Zellen messen.

Dynamische optische PinzettenIn vielen Anwendungen ist es nicht nur notwendig, die op-tische Falle an einer bestimmten Stelle innerhalb der Probezu positionieren, sondern auch ihre Position während derUntersuchung zu verändern, also den Laserstrahl relativ zurProbe zu bewegen. Um dies zu erreichen, werden im Auf-bau der optischen Pinzette einzelne Komponenten durchvariable Halterungen ergänzt.

Für eine transversale Verschiebung der Fallenposition in-nerhalb der Probenebene erhält der Laserstrahl mit Hilfe ei-nes Spiegels im Laserstrahlengang (Abbildung 3) einen klei-nen Winkel. Gleichzeitig muss man gewährleisten, dass derLaserstrahl mittig in das Mikroskopobjektiv eintritt. Dazuwird die Spiegeloberfläche (Verkippungsebene) mit zweiLinsen in einer sogenannten 4-f-Anordnung auf die rück-wärtige Apertur des Objektivs abgebildet. Diese Anordnungstellt eine Fourier-Beziehung zwischen der Spiegelebeneund der Fokusebene des Mikroskopobjektivs her: Drehtman nun den Spiegel um einen kleinen Winkel, führt das zueinem transversalen Versatz innerhalb der Probe (kleinesBild in Abbildung 3, Mitte). Damit kann man die optischeFalle in der Probe kontinuierlich verschieben und bekommteine dynamische optische Pinzette.

Zur technischen Umsetzung eignen sich kardanischeoder elektronisch ansteuerbare Spiegel, sogenannte Galva-nometerscanner. Diese erlauben eine sehr schnelle Win-keländerung in Millisekunden, weshalb der Laser wiederholtnacheinander eine hohe Zahl von Fallenpositionen abras-tern kann. Zwangsläufig befindet sich dabei jedes geradenicht beleuchtete Partikel im Dunkeln. Diese Dunkelzeitmuss so kurz sein, dass die Brownsche Molekularbewegungdas Partikel nicht fortbewegen kann. Diese Art optischerPinzetten (Scanning Tweezers) kann Hunderte von Parti-keln gleichzeitig in verschiedenen Fallen fangen.

Die Fallenposition lässt sich zudem entlang der Propa-gationsachse des Lichts, also longitudinal, verschieben. Da-zu leuchtet man das Objektiv je nach Verschiebungsrich-tung divergent oder konvergent aus (kleines Bild in Abbil-dung 3, rechts), zum Beispiel indem man eine Linseverschiebt (großes Bild in Abbildung 3, rechts unten). Al-lerdings ist das mechanische Verschieben von Komponen-ten im Strahlengang häufig schwierig und erfordert einNachjustieren des Aufbaus. Deshalb bevorzugt man heutedie Weiterentwicklung der Einstrahl-Gradientenfalle zur so-genannten holographisch optischen Pinzette.

Das Prinzip der dynamischen optischen Pinzette kannauch Schülerinnen und Schülern in einem relativ einfachen,offenen und kompakten experimentellen Aufbau gut nä-hergebracht werden. In der nächsten Ausgabe stellen wir

38 Phys. Unserer Zeit 1/2014 (45) www.phiuz.de © 2014 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

Spiegel

MOf2 f1+f2 f1

4-f-Anordnung

Strahlteiler

Dynamische optische Falle

longitudinaltransversal

x

zy

A B B . 3 DY N A M I S C H E O P T I S C H E PI N Z E T T E

Optische Pinzette mit 4-f-Anordnung im Aufbau. Durch variable Komponenten, hierder Spiegel und eine Linse (rechts unten), kann man die Fokusposition innerhalbder Probe sowohl transversal als auch longitudinal verschieben. Kleines Bild linksunten: Das Verkippen des Spiegels (rot) führt dabei wegen der 4-f-Anordnung (f1 und f2 sind Brennweiten der beiden Linsen) zu einem Strahlversatz in der Fokus -ebene des MOs; ein Verschieben der Linse führt zum divergenten oder konvergentenAusleuchten des MOs (gestrichelt).

I N T E R N E T |Webseite der Autorinnenwww.nichtlineare-photonik.de

Kurze Info über Airy-Strahlenbit.ly/195sauM


eine solche kompakte und mobile optische Pinzette für denSchulunterricht vor.

Holographisch optische PinzetteFlüssigkristalldisplays lassen sich zur räumlichen Modulati-on von Laserstrahlen nutzen (Spatial Light Modulator, SLM;siehe auch Physik in unserer Zeit 2013, 44(3), 134). Damitkann man mehrere optische Fallen aus einem einzigenStrahl erzeugen und deren Positionen individuell und inEchtzeit mit einem Computer steuern.

Man ersetzt dazu den Spiegel im Laserstrahlengangdurch ein solches SLM (Abbildung 2). Auf seinem Displaykann es computergesteuert verschiedene Hologramme an-zeigen, an denen der auftreffende homogene Laserstrahl ge-beugt wird. Da diese Muster variabel sind, wird der Strahlsowohl räumlich wie auch zeitlich beliebig veränderbar (sie-he „Räumliche Lichtmodulatoren“ auf S. 40). Ganz analogzum Galvanometerscanner ordnet man den SLM in einerFourier-Ebene relativ zur Fangebene an, um den am SLMaufgeweiteten und modulierten Laserstrahl in der Fang-ebene zu fokussieren. Die Oberfläche des SLMs wird dazuin einer 4-f-Anordnung (Abbildung 3) auf die rückwärtigeApertur des Objektivs abgebildet. Das Objektiv bewirktdann eine Fourier-Transformation des Lichtfeldes von derhinteren zur vorderen Brennebene (= Fangebene). Auf demDisplay muss deshalb die Fourier-Transformierte der ge-wünschten Konfiguration anzeigt werden. Solche Holo-gramme heißen Fourier-Hologramme.

In der Fokusebene entstehen auf diese Weise beliebigeFallenkonfigurationen. Auch eine transversale Verschiebungder Fallenposition – wie bei der dynamischen optischenPinzette – lässt sich realisieren. Dazu nutzt man Phasenho-logramme in Form von simulierten Sägezahngittern, die demStrahl ebenfalls einen Winkel aufprägen. Das Einfügen vonsimulierten Fresnel-Linsen in die Hologramme ermöglichtzudem longitudinale Verschiebungen. Abbildung 4 zeigt ver-schiedene Hologramme und die zugehörigen Intensitäts-verteilungen des Laserstrahls in der Fokusebene, also Fal-lenpositionen.

Durch die Kombination vieler simulierter Linsen undGitter ist es möglich, ohne großen Rechenaufwand Hun-derte von Fallen zu erzeugen und in allen drei Raumrich-tungen unabhängig zu bewegen [3]. Man spricht daher auchvon einem Linsen-und-Gitter-Algorithmus. In Abbildung 4unten wird dies für acht Fallen demonstriert, die die Eck-punkte eines Würfels bilden. Der Würfel aus Mikroparti-keln kann dabei innerhalb der Probe verkleinert, vergrößertund als Ganzes im Raum gedreht werden [4].

Die Flexibilität holographisch optischer Pinzetten hat inden letzten zehn Jahren zu einer Fülle von Anwendungengeführt. Besonders interessante Fragestellungen ergebensich häufig in interdisziplinären Bereichen, zum Beispiel ander Schnittstelle von Biologie, Chemie oder Medizin undPhysik. Zellmechanik oder Zellphysik sind beispielsweiseneue Gebiete, in denen die optische Pinzette wegweisendeErgebnisse geliefert hat. Im Folgenden wollen wir deshalb

drei Beispiele vorstellen, an denen wir an der WestfälischenWilhelms-Universität Münster forschen.

Untersuchung von ZellstrukturenDie wohl wichtigsten Anwendungen der optischen Pinzet-te liegen derzeit im Bereich der Molekular- und Zellbiolo-gie. In Zellen kann man damit transparente Zellbestandtei-le bis in den Nanometerbereich hinein kontrollieren, mani-pulieren oder vermessen. Im Vergleich zu klassischenManipulationsmethoden besitzen optische Pinzetten dabeieinen wesentlichen Vorteil, da der direkte Kontakt zur Pro-be fehlt. Durch geeignete Wahl der Laserwellenlänge findetaußerdem keine Beeinträchtigung der Zelle statt, was einenichtinvasive, sterile Arbeitsweise an lebenden Zellen er-möglicht.

Für quantitative Untersuchungen ist es außerdem vonunschätzbarem Wert, dass kleinste Kräfte im Bereich von Na-no- und Piko-Newton gezielt ausgeübt und gemessen wer-den können. In unseren aktuellen Arbeiten untersuchenwir die biophysikalischen Eigenschaften unterschiedlicherbiologischer Zellen mit optischen Pinzetten. Neben der Be-stimmung von Fortbewegungskräften und Rotationseigen-schaften von bakteriellen molekularen Motoren am Beispielvon Bacillus subtilis [5–6] sind Elastizitätsuntersuchungenan Zellen ein aktueller Forschungsgegenstand.


Sägezahngitter Fresnel-Linse

Gitter + Linse Mehrere Fallen

Holographische Manipulation von Mikropartikeln

A B B . 4 H O LO G R A PH I S C H O P T I S C H E PI N Z E T T E

Verschiedene Fourier-Hologramme (oben und Mitte) führen mit ihren jeweiligenIntensitätsverteilungen in der Fokusebene zu unterschiedlichen Fallenkonfiguratio-nen. Unten: Dreidimensionale Manipulation von Mikropartikeln (Polystyrolparti-kel, ∅ 1 μm) am Beispiel einer würfelförmigen Fallenkonfiguration.

Abbildung 5 zeigt als Beispiel die Untersuchung vonBauchspeicheldrüsen-Tumorzellen [7]. Dazu animieren wirdie Zellen, kleine Partikel aufzunehmen, die wir dann in-nerhalb der Zelle mit optischen Pinzetten bewegen kön-nen. Ein Infrarotlaser erlaubt längere Untersuchungen oh-ne Zellschäden, da die Zellen kaum Energie absorbieren. Esist also möglich, Experimente innerhalb einer lebenden Zel-le durchzuführen, was für viele biologische und medizini-sche Fragestellungen von großer Bedeutung ist.

NanocontainerDie Untersuchung von neuartigen Materialien mit ver-schiedenen Funktionalitäten ist ein weiteres vielverspre-

chendes Forschungsgebiet der Nanotechnologie. Besondersdie Anordnung von Nanocontainer-Partikeln ist interessant,da die Container sogenannte Gastmoleküle aufnehmen undsomit ihre Funktionalität verändern können. So könnenneue, künstliche Oberflächen oder Materialien mit Hilfe deroptischen Pinzette aus einzelnen Nanocontainern „Steinum Stein“ aufgebaut werden.

Ein Beispiel für solche Nanocontainer, an denen wir ar-beiten, sind sogenannte Zeolithe-L (Abbildung 6). Das sindzylinderförmige, mikroporöse kristalline Materialien. DieLänge der Kristalle liegt zwischen 30 nm und 10 µm, sodass verschiedene Formen von der flachen Scheibe bis zumlängeren Zylinder herstellbar sind, bei einem Durchmesservon etwa einem Mikrometer. Entlang der Zylinderachse sindZeolithe-L von feinen Nanokanälen mit einem Durchmesservon unter einem Nanometer durchzogen. Diese Kanäle kön-nen wir mit verschiedenen Gastmolekülen wie organischenFarbstoffen, Metallverbindungen oder Medikamenten fül-len. Das ermöglicht unterschiedliche Funktionalitäten derNanocontainer und macht sie deshalb besonders interes-sant für den Transport und die gezielte Abgabe der Gast-moleküle.

Im Gegensatz zu chemischen Methoden bieten holo-graphisch optische Pinzetten eine individuelle Kontrolleüber solche Nanocontainer. Man kann diese damit hochor-ganisiert entweder im Volumen anordnen [8] oder auf Ober-flächen anheften (Abbildung 7) [9].

Maßgeschneiderte Lichtfelder Holographisch optische Pinzetten sind inzwischen zwaretabliert, arbeiten derzeit aber fast ausschließlich mit ein-fachsten Gaußschen Strahlen. Deshalb beschäftigt sich einGebiet der aktuellen Forschung mit der komplexen Strahl-formung, um Partikel mit nichtsphärischer Geometrie wieZylinder, Spiralen oder Nanoröhrchen besser fangen undausrichten zu können. Hierzu berechnet man zwei- unddreidimensionale Lichtfelder und erzeugt sie mit einem SLM


R Ä U M L I C H E L I C H T M O D U L ATO R E N |Räumliche Lichtmodulatoren (SpatialLight Modulator, SLM) sind Geräte zurModulation von Amplitude, Phaseoder Polarisation von Laserstrahlen.Sie bestehen aus computergesteuer-ten Flüssigkistalldisplays, die alszweiter Monitor an den Rechnerangeschlossen werden. Für Anwen-dungen in holographisch optischenPinzetten werden meist reine Phasen-modulatoren verwendet (Abbildung).Sie verursachen besonders geringeIntensitätsverluste, was wichtig ist,weil die Kräfte zum Fangen derPartikel proportional zur Intensitätsind.

Im Experiment werden Phasenholo-gramme zur Modulation des Laser-strahls berechnet und als Grauwert-bild im Vollbildmodus auf dem erwei-terten Monitor dargestellt. Der SLM

setzt dann die Bildinformation inSpannungswerte um, die pixelweisean die Flüssigkristallschicht angelegtwerden. Abhängig von der anliegen-den Spannung richten sich die stäb-chenförmigen Flüssigkristalle imelektrischen Feld aus. Sie bewirken soeine Weglängenvariation und damiteine Phasenänderung des Lichts. SLMsgibt es als Transmissions- und Reflexi-onsdisplays.

Flüssigkristall- schicht

Elektrode

Ansteuerung

5µm

B A

A B B . 5 Z E L LU N T E R S U C H U N G

Untersuchung von Tumorzellen aus der Bauchspeicheldrüse. Links: So bewegen wirdie Partikel mit der optischen Pinzette innerhalb der lebenden Zelle. Rechts: Mikro-skopaufnahme einer Zelle, in der sich an den Positionen A und B zwei Partikel inunterschiedlicher Tiefe befinden.

A B B . 6 Z EO L I T H E- L- N A N O CO N TA I N E R

Elektronenmikroskopische Aufnahmen von Zeolithe-L-Nanocontainern (Bild: L. De Cola, WWU Münster).

Phasenmodulator (SLM)


über Fourier-Hologramme. Der experimentelle Aufbau un-terscheidet sich deshalb kaum von herkömmlichen holo-graphisch optischen Pinzetten. Allerdings liegen die He-rausforderungen in der computergesteuerten Erzeugungder komplexen Lichtstrukturen.

Bei den komplexen Lichtfeldern handelt es sich häufigum Lösungen der Helmholtz-Gleichung oder ihrer paraxia-len Näherung, wie sie auch in Lasern auftreten können. DieHelmholtz-Gleichung eignet sich allgemein, um bestimmtezeitunabhängige Wellenphänomene zu berechnen, seien sieelektromagnetisch, seismisch oder akustisch. Das Besonde-re an solchen komplexen Lichtfeldern ist eine große Viel-falt an transversalen Intensitätsverteilungen. Durch die Wahlpassender Parameter kann man das Intensitätsprofil für diejeweilige Anwendung, etwa die Form und Anordnung derPartikel, maßschneidern (Tailored Light Fields). Zusätzlichbieten unterschiedliche Klassen wie selbstähnliche, nicht-beugende oder beschleunigende Lichtfelder verschiedenePropagationseigenschaften.

Zu den selbstähnlichen Lichtfeldern, deren transversalesProfil während der Propagation lediglich skaliert, gehörender fundamentale Gauß-Strahl und alle Gauß-Strahlen hö-herer Ordnung. Nichtbeugende Lichtfelder sind hingegenIntensitätsverteilungen, die durch Interferenz entstehen undsich in einem gewissen Bereich während der Ausbreitungnicht verändern, so dass keine Verbreiterung des Strahl-profils durch Beugung zu beobachten ist. Sie eignen sich be-sonders, um in ihrer ausgedehnten Lichtstruktur dreidi-mensionale Strukturen mit Partikeln zu bilden.

Erhöhte Aufmerksamkeit gilt den „beschleunigendenStrahlen“. Diese breiten sich auf gekrümmten Bahnen aus,weshalb man von einer transversalen Beschleunigung derIntensität spricht. Zu ihnen gehören beispielsweise Airy-oder Weber-Strahlen (s. „Internet“ auf S. 38). Durch dieseVielfalt steht für die Partikelmanipulation in allen drei Di-mensionen eine Auswahl an Intensitätsprofilen zur Verfü-gung [9–10].

Uns interessieren insbesondere elliptische Lichtfelder,die mit der Elliptizität einen weiteren veränderbaren Para-meter aufweisen. In Abbildung 8 ist eine Auswahl an ellip-tischen Intensitätsprofilen aus der Klasse der selbstähnli-chen Lichtfelder zu sehen. Diese sogenannten Ince-Gauß-Strahlen [11] zeigen das typische Propagationsverhalten vonGauß-Strahlen. In der dreidimensionalen Darstellung sindeinzelne Strahlquerschnitte des kontinuierlichen Strahls beiverschiedenen Propagationslängen gezeigt. Man erkennt,dass das transversale Profil bis auf eine Skalierung erhaltenbleibt. Ince-Gauß-Strahlen lassen sich somit relativ effizientdurch Fourier-Hologramme erzeugen. Wir konnten zeigen,dass es möglich ist, Teilchen mit diesen strukturierten In-tensitätsprofilen durch Mikromanipulation anzuordnen[12]. Sie bieten aber noch eine Vielzahl weiterer Möglich-keiten.

Optische Pinzetten eignen sich in erster Linie für die Ma-nipulation transparenter Partikel und Zellen. Wir forschenin Münster aber auch an verwandten Techniken der Mik-romanipulation, die sich für Licht absorbierende und nichttransparente Teilchen eignen (siehe auch Zusatztext „Zuroptischen Pinzette verwandte Techniken der Mikromani-pulation“ auf www.phiuz.de, Special Features/ Zusatzma-terial zu den Heften).

ZusammenfassungOptische Pinzetten manipulieren transparente Mikro- und Na-nopartikel mit Laserlicht. Die beiden grundlegenden Kräfte,die dies bewirken, sind die Streukraft sowie die Gradienten-kraft durch inhomogene Lichtfelder. Diese Kräfte formen op-tische Fallen, die Partikel zerstörungsfrei fangen und bewegen.


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3µm

b)

a)

A B B . 7 S U PR A M O L E KU L A R E O RG A N I SAT I O N

Strukturierte Einzelschicht aus Zeolithe-L Nanocontainern,angeheftet an eine Oberfläche. Wir haben hier die Initialender Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU)dargestellt um zu demonstrieren, wie präzise die Kontrollemit optisch holographischen Pinzetten ist [8].

IG2,2o

IG5,5o

IG14,14e

x in µmy in µm

mµ ni z

6

4

2

0

-2

-4

-6

-4 -2 0 2 -2 0 2

A B B . 8 I N C E- G AU S S - S T R A H L E N

Optische Manipulation von Mikropartikeln in verschiedenen Intensitätsprofilen.Rechts: 3D-Scan eines komplexen Lichtfeldes in der Fokusebene einer optischenPinzette.

Es gibt zahlreiche unterschiedliche Bauformen, die abhängigvon der Aufgabenstellung eingesetzt werden. Besonders fle-xibel ist die holographisch optische Pinzette. Bei ihr werden dieFallen durch Hologramme auf einem Flüssigkristalldisplaycomputergesteuert. Das erlaubt Hunderte von verschiedenenFallen in der Probe, die einzeln ansteuerbar sind. Derzeit wirdan Pinzetten mit noch komplexeren Lichtfeldern geforscht.Die optische Mikromanipulation ermöglicht zahlreiche An-wendungen, zum Beispiel in der Untersuchung lebender Zel-len oder in der Organisation von Materie auf der Nanoskala.

StichworteOptische Pinzette, holographisch optische Pinzette, Mikro-manipulation, komplexe Lichtfelder, Biophotonik, Nano-container.

Literatur[1] A. Ashkin, Phys. Rev. Lett. 1970, 24, 156.[2] J. Guck et al., Biophys. J. 2001, 81, 767.[3] J. Liesener et al., Opt. Commun. 2000, 185, 77.[4] M. Woerdemanne et al., Three-dimensional particle control by

holographic optical tweezers, in: Optical Imaging and Metrology(Hrsg.: W. Osten, N. Reingand ), Wiley-VCH Verlag, Weinheim 2012.

[5] F. Hörner et al., J. Biophoton. 2010, 3, 468.[6] L. Dewenter et al., Proc. SPIE 2012, 8427, 84270N-10.[7] Á. Barroso et al., Small 2013, 9, 885.[8] M. Woerdemann et al., Adv. Mater. 2010, 22, 4176.[9] M. Veiga-Gutiérrez et al., Adv. Mater. 2012, 24, 5199.

[10] M. Woerdemann et al., Laser & Photon. Rev. 2013, 7, 839.[11] M. Bandres et al., Opt. Lett. 2004, 29, 144.[12] M. Woerdemann et al., Appl. Phys. Lett. 2011, 98, 111101.

DanksagungWir danken Dr. Mike Wördemann und M.Sc. Álvaro Barroso, diemaßgeblich an den hier vorgestellten Ergebnissen beteiligt warenund der AG De Cola (WWU) für die Bereitstellung der Zoolithe-L-Kristalle.

Die AutorenChristina Alpmann, Diplom-Physikerin, promoviertzurzeit in der Arbeitsgruppe „Nichtlineare Photonik“an der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU)Münster. Ihre Forschungsschwerpunkte sindkomplexe Lichtfelder für die optische Mikromanipu-lation und Photophorese.

Annika Kruse, M.Sc. Physik, ist wissenschaftlicheMitarbeiterin des Schülerlabors MExLab Physik unddort für die Koordination des Experimentierlaborssowie die Entwicklung des Workshopangebotszuständig. Sie promoviert über Physik und Philoso-phie an außerschulischen Lernorten.

Cornelia Denz promovierte 1992 an der TUDarmstadt. Nach der Habilitation wurde sie 2001 andas Institut für Angewandte Physik der WWUMünster berufen. Sie ist dessen Direktorin, Leiterindes Schülerlabors MExLab sowie Prorektorin fürInternationales und wissenschaftlichen Nachwuchsan der WWU. Arbeitsschwerpunkte sind nichtlineareoptische Effekte für Anwendungen in der optischenInformationsverarbeitung und in der Nano- undBiophotonik.

AnschriftProf. Dr. Cornelia Denz, Nichtlineare Photonik,Institut für Angewandte Physik, WestfälischeWilhelms-Universität MünsterCorrensstraße 2/4, 48149 Mü[email protected], [email protected],[email protected]


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