Optische Pinzetten als Instrumente der Nanomanipulation

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1 als Instrumente der Nanomanipulation Seminar Nanotechnologie WS 2006/2007 Vortrag und Ausarbeitung: Simon Sawallich Betreuung: Herr Prof. von Plessen RWTH Aachen verwenden einen stark fokussierten Laserstrahl, um kleine Partikel stabil im Fokus festzuhalten. Die Größe der Partikel liegt zwischen einigen nm und einigen µm und es wirken Kräfte im Bereich einiger pn. Somit sind optische Pinzetten sehr gut geeignet, um große Biomoleküle zu untersuchen, z.b. molekulare Motoren oder einzelne DNA-Moleküle. Gerade weil es direkte Anwendungen für optische Pinzetten u.a. in der medizinischen Forschun gibt, ist es von Interesse, die physikalischen Prinzipien zu studieren, auf denen die Funktion optischer Pinzetten beruht. Seit der Konstruktion der ersten optischen Pinzette, hat es einige Entwicklungen und Verbesserungen gegeben, die das Anwendungsgebiet optischer Pinzetten vergrößert haben. Inhalt dieser Ausarbeitung zum Seminarvortrag sind sowohl die Funktionsweise als auch die Anwendung optischer Pinzetten. stark fokussierten Laserstrahl - bestehenden Werkzeuge haben mit ihren namensgebenden großen Verwandten nicht mehr viel zu tun - bis auf die Tatsache, dass sie verwendet werden, um Objekte zu bewegen oder zu halten, die zu klein sind, um sie anders handzuhaben. 1 Einleitung Um kleine Objekte festzuhalten und zu bewegen, benötigt man geeignete Werkzeuge, ein recht verbreitetes ist z.b. eine Stahlpinzette. Im Rahmen der fortschreitenden Miniaturisierung werden die zu bewegenden Objekte allerdings so klein, dass eine handelsübliche Stahlpinzette viel zu grob ist. Ein geeignetes Mittel, wenn es darum geht, bei kleinsten Abständen Messungen und andere Arbeiten durchzuführen, ist Licht. Die hier vorgestellten Werkzeuge, die Licht verwenden, um kleine Partikel zu fixieren, heißen optische Pinzetten. Diese - im Wesentlichen aus einem Abbildung 1. Prinzip der optischen Pinzette: Ein stark fokussierter Laserstrahl wird auf ein Partikel gerichtet, das sich in einer Flüssigkeit befindet. Das Licht bewirkt eine Kraft auf das Partikel und bewegt es in den Fokus. Entnommen aus [30]. Partikel, die mit einer optischen Pinzette (im englischen optical tweezer, kurz OT) behandelt werden, sind typischerweise einige nm bis einige µm groß. Sie sind für das verwendete Licht weitgehend transparent und befinden sich in einer 1

2 Flüssigkeit, die einen geringeren Brechungsindex hat, als das Partikel selbst. Bringt man den Fokus des Lasers, also die optische Pinzette in die Nähe eines Partikels, wie es in Abbildung 1 verdeutlicht ist, so stellt man fest, dass das Partikel in den Fokus gezogen und dort festgehalten wird. Welche Kräfte hier wirken und welche Vorraussetzungen gegeben sein müssen, damit eine optische Pinzette funktioniert, wird im folgenden Kapitel 2 erläutert. Im darauffolgenden Kapitel 3 werden einige zusätzliche Optionen vorgestellt, mit denen optische Pinzetten für den Anwender noch besser verwendbar und somit interessanter werden. Wofür optische Pinzette konkret eingesetzt werden, wird im Kapital 4 anhand einiger Beispiele etwas detaillierter erklärt. Typische Anwendungen sind die Untersuchung von großen Biomolekülen und der Bau und die Steuerung von µm-großen Maschinen. [12] 2 Die Funktionsweise optischer Pinzetten Dass Licht aus Teilchen besteht, die einen gewissen Impuls besitzen und somit durch Übertrag eine Kraft bewirken können, ist schon lange bekannt. Z.B. zeigt der Schweif eines Kometen aufgrund des Strahlungsdrucks des Sonnenlichts stets von der Sonne weg. Eine Anwendung dieses Effekts sind Sonnensegel, die genutzt werden, um Satelliten auf ihrer Bahn zu stabilisieren. Evtl. können solche Sonnensegel auch irgendwann als Antrieb für Raumsonden eingesetzt werden. Die ersten Überlegungen, die Kraftwirkung des Lichts im kleinen - nämlich auf einzelne Partikel - anzuwenden, stammen von Arthur Ashkin. Er überlegte sich 1969, dass ein fokussierter Laserstrahl, wenn er auf ein Partikel trifft, einen Teil seines Impulses auf dieses übertragen und es somit beschleunigen sollte. Experimentell umgesetzt hat Ashkin diese Idee im Jahre Dazu verwendete er ca. 1 µm große Latexkügelchen mit einem Brechungsindex von n Objekt = 1,58, die sich in Wasser (n W asser = 1,33) schwimmend in einer Flüssigkeitszelle befanden. Wird der Fokus eines Laserstrahls auf eine Kugel gerichtet, so sollte sich diese in Strahlrichtung bewegen, was mit einem Mikroskop beobachtet werden kann. Abbildung 2. Prinzipskizze der ersten optischen Falle. Ein Glaskügelchen, dass in die Nähe des Fokus kommt, wird in Strahlrichtung vorwärts bewegt und in der Strahlmitte stabilisiert. Entnommen aus [25]. Ashkin stellte fest, dass diese Vorwärtsbewegung in der Tat zustandekommt. Weiterhin erfährt ein Partikel, dass in die Nähe des Laserfokus kommt, auch eine Kraft in die Strahlmitte, also an den Ort höchster Lichtintensität. Mit diesem Aufbau war man also in der Lage, Teilchen in zwei Dimensionen zu fixieren und vorwärts zu bewegen, bis sie die hintere Wand der Zelle erreicht haben, so dass sie dann dort festgesetzt waren. [3] In den folgenden Jahren verbesserte Ashkin sein Konzept, mit dem Ziel eine optische Falle zu bauen, die in der Lage ist, Teilchen in drei Dimensionen zu fixieren, ohne sie gegen eine Wand zu drücken. Eine solche Verbesserung war eine optische Falle, die nach oben gerichtet war und die Schwerkraft als Gegenkraft nutze. Ein anderer Aufbau bestand darin, zwei gleichstarke optische Fallen gegeneinander zu richten, so dass sich die Kräfte in Strahlrichtung gegenseitig kompensierten gelang Ashkin die Konstruktion der ersten echten optischen Pinzette. Mit einem einzelnen Laserstrahl kann damit ohne Gegenkraft eine dreidimensionale Stabilisierung eines gefangenen Partikels erfolgen. Wenn der Laser 2

3 stark fokussiert ist, so wirkt nicht nur senkrecht zur Strahlrichtung eine Kraft in Richtung der höheren Lichtintensität, sondern auch parallel zum Strahl wirkt eine Kraft, die das Partikel in den Fokus zieht und dort hält. Wie diese stabilisierende Kraft zustandekommt, wird in diesem Kapitel erklärt werden. Dabei sind je nach Gegebenheit verschiedene Erklärungsansätze gültig und zu beachten. Ist das untersuchte Partikel wesentlich größer als die Wellenlänge des verwendeten Lichts, so spricht man von einem Mie-Partikel. Die Erklärung der wirkenden Kräfte läuft über die Strahlenoptik und beruht auf der Berechnung von gebrochenen und reflektierten Strahlen. Das Partikel wird in diesem Fall als Linse betrachtet, die die Brechung des Lichtstrahls bewirkt. Ist umgekehrt die Wellenlänge wesentlich größer als der Partikeldurchmesser, so behandelt man das Partikel als Dipol im elektrischen Feld und berechnet die wirkenden Kräfte entsprechend. Ist das Partikel in etwa so groß wie die Wellenlänge des Lichts, so kann keiner der beiden Erklärungen ganz allgemein der Vorzug gegeben werden. Man muss dann genau beachten, ob eine der beiden vereinfachenden Erklärung für den konkreten Fall noch zutreffend ist, oder ob man die wirkenden Kräfte nur mit Hilfe exakter elektrodynamischer Rechnungen bestimmen kann. [5, 12, 15, 25] 2.1 Mie-Bereich - Strahlenoptische Erklärung Licht besteht aus Photonen, die sich in Richtung des Lichtstrahls fortbewegen. Und da jedes Photon Impuls trägt, führt jeder Lichtstrahl einen gewissen Impuls pro Zeiteinheit mit sich. Wenn ein Lichtstrahl an Grenzflächen zwischen unterschiedlichen Medien gebrochen oder reflektiert wird, so ändert sich seine Richtung und somit sein Impuls. Da Impulserhaltung gilt, muss die Impulsänderung, die der Lichtstrahl erfährt, in entgegengesetzter Richtung auf das Medium wirken, das die Brechung oder Reflektion verursacht. Also erfährt ein Objekt im Lichtstrahl eine Impulsänderung und somit eine Kraft. Bei makroskopischen Objekten, also z.b. bei Bauteilen, die in der Strahlenoptik eingesetzt werden, macht sich diese Kraft nicht bemerkbar, da die Linsen so groß und schwer sind, dass die Kraft sie nicht bewegen kann. Bei mikroskopischen Objekten jedoch ist diese Kraft durchaus relevant und führt zu einer Bewegung des Objekts. Abbildung 3. Der Lichtstrahl mit Einfallsimpuls p hat nach zweifacher Brechung den Impuls p, also eine Impulsänderung von p = p p erfahren. Somit erfährt die Kugel die Impulsänderung p und wird durch die Kraft nach oben rechts beschleunigt. Entnommen aus [6]. Dieses Prinzip macht man sich bei einer optischen Pinzette zunutze: Ein Latex- oder Glaskügelchen, dass sich im Laserstrahl befindet, bricht das Licht und ändert dessen Impuls. Somit muss es selbst den umgekehrten Impuls aufnehmen und erfährt eine Kraft. Bei geeigneter Einstellung der Parameter bewegt diese Kraft das Kügelchen in den Laserfokus. Der Impulsübertrag und seine Wirkung auf die Kugel sind in der Abbildung 3 dargestellt. Dargestellt sind eine Glaskugel, als Objekt, welches in der Fokus gezogen werden soll, und ein Lichtstrahl, der unter einem bestimmten Winkel auf diese Glaskugel fällt. Der Lichtstrahl wird beim Eintritt und bei Austritt gebrochen, so dass er ins- 3

4 gesamt eine Impulsänderung von p = p p erfährt, die sich als Richtungsänderung bemerkbar macht. Die Glaskugel hingegen hat dann den Impuls p aufgenommen und erfährt eine Kraft, die parallel zu dieser Impulsaufnahme ist und die Kugel beschleunigt. In Abbildung 4 ist dargestellt, welche Kraft im gesamten Strahlverlauf auf die Glaskugel ausgeübt wird. Oben in der Abbildung ist die Linse zu sehen, die den Laserstrahl fokussiert, skizziert sind nur zwei einfallende Strahlen A und B an den Linsenrändern. Abbildung 4. Strahl A bewirkt eine Kraft nach oben rechts, Strahl B eine Kraft nach oben links. Da sich die Kugel bereits in der Strahlmitte befindet, sind die zum Strahl senkrechten Komponenten der Kräfte F A und F B entgegengesetzt gleichgroß, so dass die Gesamtkraft F die Kugel in Richtung Fokus bewegt. Entnommen aus [4]. Die Brechung von Strahl A an der Kugel führt wie oben erläutert zu einer Kraft F A auf die Glaskugel, durch die Brechung von Strahl B ergibt sich eine Kraft F B. Die Superposition dieser beiden Kräfte ergibt die gesamte Kraft F, die aufgrund von Brechung auf die Kugel wirkt. Da die Abbildung für den Fall gezeichnet ist, dass sich die Kugel auf der Achse des Gesamtstrahls befindet, sind die zum Strahl senkrechten Komponenten von F A und F B betragsmäßig gleichgroß, so dass die Gesamtkraft parallel zum Strahl ist und die Glaskugel in den Fokus bewegt. Wenn die Kugel senkrecht zum Strahl, statt parallel, aus dem Fokus ausgelenkt ist, so lässt sich auch für diesen Fall zeigen, dass die Brechung der Teilstrahlen einen Impulsübertrag auf die Kugel bewirkt, die sie in den Fokus bewegt. Man stellt fest, dass im Mie-Bereich der strahlenoptischen Erklärung die Tatsache, dass das Objekt, das im Fokus gefangen werden soll, das einfallende Licht bricht, dazu führt, dass auf das Objekt eine Rückstellkraft in den Fokus wirkt. Dem entgegen wirkt eine Kraft, die das Objekt erfährt, weil auftreffende Lichtstrahlen auch reflektiert werden und somit einen Impulsübertrag auf die gefangene Kugel bewirken, der diese in Strahlrichtung vorwärts treibt. Wenn ein Photon an der Kugel reflektiert wird, so ist die daraus resultierende Impulsänderung parallel zur Verbindungslinie Reflektionspunkt-Kugelmitte gerichtet. Sowohl für den Fall, dass das Photon von außen auf die Kugel trifft, als auch für den Fall, dass das Photon von innerhalb der Kugel kommt und die Kugel verließe, wenn es nicht reflektiert würde, ergibt sich daraus eine Kraft auf die Kugel, die in Strahlrichtung wirkt. Dies ist in der Abbildung 5 dargestellt, die Kräfte aufgrund von Brechung sind nicht mit in die Zeichnung aufgenommen. Die Reflektion von Photonen - und ebenso die Absorption, worauf ich aber hier nicht weiter eingehen möchte - führt also zu einer Kraft, die das Partikel, das im Fokus gefangen werden soll, in Strahlrichtung vorwärts, also vom Fokus weg, bewegt. Deshalb muss die optische Pinzette so aufgebaut werden, dass die Kräfte aufgrund von Brechung möglichst groß werden und die Kräfte aufgrund von Reflektion minimiert werden. Die Kraft, die senkrecht zum Strahlverlauf wirkt, wird als 4

5 Um die Brechungs-Rückstellkräfte in den Fokus zu maximieren, ist es erforderlich, dass die Teilstrahlen unter großen Winkel (gemessen zur Achse des Gesamtstrahls) auf das Partikel treffen, das gefangen werden soll. Dies bedeutet, dass das Verhältnis von Radius r L der Linse zur Brennweite f L groß sein muss. Man benötigt also Linsen mit hohen numerischen Aperturen NA = r L f L. Zur Konstruktion optischer Pinzetten verwendet man deshalb Mikroskop-Objektive, die sich durch ebensolche hohen numerischen Aperturen auszeichnen. Die verwendeten Linsen haben dann Werte für NA die bei ca. 1 liegen [15]. Mit ihnen ist es dann möglich, kleine Partikel im Fokus zu fangen und dreidimensional zu stabilisieren. [26, 4, 25, 27] Abbildung 5. Darstellung der aufgrund von Reflektion wirkenden Kräfte auf die Glaskugel. Diese Kräfte beschleunigen die Kugel in Strahlrichtung vorwärts und treiben sie so vom Fokus weg. Entnommen aus [25]. Gradientenkraft bezeichnet, die Kraft, die parallel zum Strahlverlauf verläuft, als Streukraft. Es gibt somit zwei Zielsetzungen: Erstens muss das Objekt stabil auf der Strahlachse festgehalten werden, d.h. die Gradientenkraft muss in die Strahlmitte wirken. Dieses Fixieren des Objekts auf der Strahlachse bewirken die Brechungskräfte. In dieser Richtung senkrecht zum Lichtstrahl gibt es keine resultierenden Kräfte aufgrund von Reflektion, und so war Ashkin mit seinen ersten Aufbauten schon 1970 in der Lage, die Gradientenkraft geeignet einzustellen. [3] Zweitens soll das Objekt aber auch parallel zum Strahlverlauf fixiert und in Fokusnähe festgehalten werden. Hier gibt es jedoch störende Kräfte aufgrund von Reflektion, die den Rückstellkräften der Brechung entgegenwirken. Die Stabilisierung parallel zum Lichtstrahl ist somit schwerer zu erreichen als die Stabilisierung senkrecht zum Lichtstrahl, aber mit einem geeigneten Aufbau möglich. 2.2 Rayleigh-Bereich - Dipol-Erklärung Wenn das Partikel, auf das die optische Pinzette angewendet werden soll, wesentlich kleiner ist als eine Wellenlänge des verwendeten Laser, greift die Dipol-Erklärung, also z.b. wenn man ein Partikel, das einige 10 nm groß ist, mit Laserlicht fangen will, das eine Wellenlängen von ca nm hat, so dass r << λ gilt. Bei diesen Größenverhältnissen kann das Partikel nicht mehr als optisches Element im Strahlverlauf betrachtet werden, so dass die strahlenoptische Erklärung (wie im Mie-Bereich) nicht mehr zulässig ist. Trotzdem stellt man fest, dass auch sehr kleine Partikel mit Hilfe optischer Pinzetten fixiert werden können. Die Erklärung der wirkenden Kräfte geschieht in diesem Fall dadurch, dass man das Objekt als Dipol im elektrischen Feld des Lichts betrachtet und ausrechnet, welche Kräfte aufgrund der Wechselwirkungen zwischen Objekt und Licht wirken. Auch im Rayleigh-Bereich nimmt man eine Unterteilung der Kräfte in zwei Anteile vor. Man unterscheidet zwischen der Streukraft, die das Partikel aus dem Fokus hinausdrängt, und der Gradientenkraft, die das Partikel in den Fokus zieht und dort festhält. Das Ziel wird also auch in diesem Falle sein, die Gradientenkraft gegenüber der 5

6 Streukraft so zu vergrößern, dass sie dominiert und das Partikel fixiert. Die Kräfte, die auf das Partikel im elektrischen Feld des Lichts wirken, hängen von den Partikeleigenschaften Größe und Material ab, also vom Radius r und vom Brechungsindex n Objekt. Die Abhängigkeiten vom elektrischen Feld drücken sich aus durch die Abhängigkeit von der Intensität I 0 des Laserstrahls, bzw. vom Intensitätsgradienten E 2, und von der Wellenlänge λ des verwendeten Lichts. Weiterhin relevant ist der Brechungsindex n Medium des umgebenden flüssigen Mediums. Man definiert sich als Hilfsgröße den relativen Brechungsindex m = n Objekt n Medium. Berechnung der wirkenden Kräfte liefert für die Streukraft den folgenden Ausdruck [25, 27, 21]: F Streu = n Medium c σ I 0. Dabei ist σ der Streuwirkungsquerschnitt σ = π5 r 6 λ 4 ( ) m 1 2, m + 2 er hängt ab von der Partikelgröße r, von der Lichtwellenlänge λ und vom relativen Brechungsindes m. Dabei ist die Streukraft immer positiv und wirkt in Richtung des Laserstrahls vorwärts und treibt somit das Partikel - dem Strahlverlauf folgend - aus dem Fokus. Für die Gradientenkraft F Grad erhält man den folgenden Ausdruck [5, 25, 21]: F Grad = 1 2 α ( E 2). Hier wird klar, woher der Ausdruck Gradientenkraft kommt, diese hängt nämlich vom Gradienten des Quadrats des elektrischen Feldes ab, also bis auf Faktoren vom Intensitätsgradienten. Man erkennt an der Formel, dass die Gradientenkraft dann groß wird, wenn der Intensitätsgradient groß wird, und dieser ist v.a. in der Fokusnähe eines stark fokussierten Laserstrahls groß. Desweiteren hängt die Gradientenkraft von der Polarisierbarkeit ( ) m 1 α = n 2 Medium r3 m + 2 des Partikels ab, d.h. im wesentlichen von der Größe und vom relativen Brechungsindex m. Damit die Gradientenkraft positiv ist, somit in Gradientenrichtung wirkt und das Partikel an den Ort höchster Intensität bewegt, muss die Polarisierbarkeit positiv sein, also α > 0. Dazu ist es notwendig, dass m > 0 gilt, dies bedeutet für die Brechungsindizes: n Objekt > n Medium. Diese Forderung an die verwendeten Materialien ergibt sich also direkt aus der Berechnung der Kräfte. Eingangs wurde sie bereits erwähnt und zunächst als gegeben vorausgesetzt. Auch bei der Bestimmung der Kräfte im Mie-Bereich, also für große Partikel wurde davon Gebrauch gemacht, dass das Partikel eine höhere Brechzahl hat, als die Flüssigkeit: Beim Eintritt eines Lichtstrahls in das Partikel wurde der Lichtstrahl als zum Lot hin brechend behandelt. Damit eine optische Pinzette funktionieren kann, muss die Gradientenkraft größer sein als die Streukraft, so dass das Partikel in den Laserfokus gezogen wird. In Abbildung 6 ist dargestellt, dass dies v.a. in einem engen Bereich um den Fokus gilt [12]. Dass die Gradientenkraft v.a. in Fokusnähe dominiert, wird klar, wenn man sich überlegt, dass man es mit einem sehr stark fokussiertem Laser zu tun hat. Dies bedeutet, dass Licht in einem engen Bereich eine hohe Intensität hat, die nach außen hin rasch abfällt. Dieser hohe Intensitätsgradient geht linear in die Gradientenkraft ein. Befindet sich das Partikel nicht in Fokusnähe, so ist zunächst einmal die Intensität geringer, aber auch der Gradient ist wesentlich schwächer, so dass die Gradientenkraft klein wird und die Streukraft dominant. Voraussetzung für optische Pinzetten im Rayleigh-Regime ist also ein hoher Intensitätsgradient, der v.a. durch starke Fokussierung erreicht wird. Weiteres Hilfmittel ist die Verwendung einen geeigneten Strahlprofils. Man verwendet 6

7 Seminar Nanotechnologie WS 06/07 Abbildung 6. In einem engen Bereich um den Fokus ist der Intensitätsgradient besonders hoch, so dass dort die Gradientenkraft dominiert. Weiter außerhalb ist die Streukraft bestimmend und bewegt das Partikel den Strahl entlang. Entnommen aus [12]. Abbildung 7. Schematischer Aufbau einer optischen Pinzette. Entnommen aus [30]. bene Beleuchtungslicht auf die Kamera fallen, jedoch sollte das Laserlicht so aus dem Strahlverlauf ausgekoppelt werden, dass es nicht in die Kamera fällt. Dies wird mit wellenlängenabhängigen Spiegeln erreicht, diese sind durchlässig für das verwendete sichtbare Beleuchtungslicht, reflektieren aber das infrarote Laserlicht. Wenn man die zu untersuchenden Partikel geeignet präpariert hat und die optische Pinzette so eingestellt hat, das sie dazu geeignet ist, die entsprechenden Partikel zu fangen, so kann man Partikel im Fokus fixieren und dann bewegen, indem man den Fokus bewegt oder den Rest der Probe relativ zum gefangenen Partikel bewegt. Dies ist in der Abbildung 8 dargestellt [12]. So lässt sich mit optischen Pinzetten das Verhalten einzelner Partikel untersuchen, z.b. lassen sich Kraftmessungen an Biomolekülen durchführen [22]. Gauß sche Strahlen, diese haben auf der Strahlachse eine höhere Intensität als am Rand des Strahls. Dieser Gradient verstärkt direkt die Gradientenkraft senkrecht zum Strahl, so dass das Partikel in der Strahlmitte gehalten wird [5, 12, 25, 27, 21]. 2.3 Aufbau einer optischen Pinzette Sowohl für Partikel, die größer sind als die Wellenlänge des Lichts, als auch für kleinere Partikel, lässt sich also erklären, warum diese in den Laserfokus gezogen werden. Mit einem geeigneten Aufbau lassen sich diese Kräfte also einsetzen, um Partikel zu fangen und sie dann zu untersuchen. In Abbildung 7 ist der Aufbau einer optischen Pinzette schematisch dargestellt. Der Laserstrahl (rot) wird durch das Mikroskopobjektiv zu einem Fokus, der in der Probenflüssigkeit liegt, gebündelt. In der Flüssigkeit befinden sich die zu untersuchenden Partikel. Mittels einer CCD-Kamera beobachtet man die Partikel während sie eingefangen werden und während Experimente durchgeführt werden. Damit Bilder aufgenommen werden können, muss durch die Probene- 3 Verbesserungen des Grundprinzips Bisher wurde die Funktionsweise optischer Pinzetten erläutert und erklärt, wodurch die wirkenden Kräfte zustande kommen. Wir haben gesehen, dass man einen einzelnen Laserstrahl stark fokus7

8 Seminar Nanotechnologie WS 06/07 weg von der Linse befinden, bei zuvor konvergentem Licht, ist der Fokus näher am Objektiv als bei kollimiertem Licht. Deswegen kann man den Fallenort bestimmen, indem man den Einfallswinkel und den Kollimationsgrad des Lichtstrahls variiert, der die optische Pinzette bildet. Sind die dazu verwendeten Strahlen zueinander kohärent, so werden sie ein bestimmtes Interferenzmuster am Ort der Einfallspupille verursachen: ψ(~r) = u(~r) exp ( i ϕ(~r)) Statt allerdings mehrere Strahlen zu verwenden, kann man das Licht am Ort der Einfallspupille auch geeignet modulieren. Wenn man Strahl dahingehend moduliert, dass er am entsprechenden Ort das gleiche Interferenzbild besitzt, so werden die gleichen Fallen gebildet, wie im Falle mehrere einfallender Strahlen. Das ist das Pinzip der holographischen optischen Pinzette [13]. Abbildung 8. Eine optische Pinzette wird verwendet, um ein Partikel zu bewegen. Das kleine Objekt ist ein Partikel, dass an einer Oberfläche der Flüssigkeitszelle festhängt, das große markierte Objekt ist ein Partikel, dass im Fokus der optischen Pinzette sitzt und mit dieser relativ zum kleinen Objekt bewegt wird. Entnommen aus [12]. sieren kann und dann in der Lage ist, einzelne Partikel, also z.b. Glas- oder Kunststoffkügelchen oder auch einzelne Moleküle, im Strahlfokus zu fixieren. Im folgenden wird es um Veränderungen des Aufbaus gehen, die diese einzelne optische Pinzette verbessern und neue Anwendungsfelder eröffnen. Holographische optischen Pinzetten dienen dazu, aus einem einzigen Laserstrahl mehrere Fallen zu erstellen, mit ihnen können dann auch optische Wirbel erzeugt werden, die eine Drehung der gefangenen Partikel bewirken. 3.1 Abbildung 9. Schematische Darstellung des Prinzips einer holographischen optischen Pinzette. Entnommen aus [13]. Holographische optische Pinzetten Die Funktion der optischen Pinzette ist nur durch Intensitätsgradient bestimmt und nicht durch die Phase des verwendeten Lichts. Deswegen kann man auch komplizierte dreidimensionale Fallengeometrien erstellen, indem man ein Hologramm verwendet, dass nur den Phasenanteil ϕ verändert, den Amplitudenanteil u aber unverändert lässt. Dies ist insbesondere deshalb von Vorteil, weil jede Veränderung des Amplitudenanteils zu Leistungsverlusten führen würde [9]. Wenn perfekt kollimiertes (d.h. parallel laufendes) Licht zentral in das fokussierende Objektiv fällt, so wird sich der Fokus und damit die erzeugte Falle dieser Strahlen im Linsenbrennpunkt befinden. Fällt das Licht nicht zentral, sondern schräg auf die Linse, so verschiebt sich der Fokus in der Brennebene. Ist das Licht divergent, wenn es auf das Objektiv fällt, so wird sich die Falle weiter 8

9 Seminar Nanotechnologie WS 06/07 Dazu verwendet man ein phase-only diffractive optical elemtent (DOE), dass in den Strahlverlauf gesetzt wird und die gewünschte Fallengeometrie hervorruft. Ein solches DOE als Beispiel für ein verwendetes Hologramm ist auch als Kinoform bekannt. Die Hologramme müssen vorher natürlich so berechnet werden, dass sie ihre Vorgaben erfüllen und geeignete Phasenverschiebungen verursachen. liche Phasenmodulationen möglich. Ein Computer steuert einen spatial light modulator (SLM), z.b. ein regelbares Feld von Flüssigkristallen. Ein Strahl, der darauf trifft, erfährt dann die gewünschte Phasenmodulation. Wenn man dann die Phasenmodulation verändert, indem man die Kristalle der Anzeige anders anordnet, und hierdurch die Fallen langsam bewegt, so kann man die gefangenen Partikel mitbewegen und so z.b. Quasikristalle simulieren [9, 13]. Diese Fähigkeit, zeitlich veränderliche Fallengeometrien zu erzeugen, ist eine der bedeutenden Verbesserungen, deren Grundlage die holographischen optischen Pinzetten sind. 3.2 Erzeugung optischer Wirbel Mit einer geeigneten Maske, die in regelmäßiger kreisförmiger Anordnung eine Phasenverschiebung verursacht, lassen sich mit der Technik der holographischen optischen Pinzetten aus einem einfallenden zunächst linear polarisierten Lasserstrahl sog. Helixmoden erzeugen. Diese optischen Wirbel (englisch: vortices) breiten sich mit schraubenförmiger Polarisation aus. Dabei findet im Innenbereich des Wirbels destruktive Interferenz statt, was genutzt werden kann, um dort Objekte zu fangen, die bei hoher Laserintensität zerstört würden oder die eine kleinere Brechzahl als die umgebende Flüssigkeit haben. Auf einem Ring mit bestimmten Radius hingegen ist der Strahl in der Brennebene fokussiert, dort können kleine Partikel gefangen werden [12, 8]. Abbildung 10. Schematische Darstellung des Aufbaus einer holographischen optischen Pinzette. Unten links ist das Beugungselement, unten rechts die erzeugte Fallenstruktur gezeigt. Entnommen aus [9]. Jedes Photon in einer Helixmode trägt einen Bahndrehimpuls (orbital angular momentum) von l ~, dabei ist l die Windungszahl der Helixmode. Beim Impulsübertrag auf die gefangenen Partikel wird auch dieser Drehimpuls übertragen und bewirkt eine Kraft, die tangential zum Ringfokus gerichtet ist. Deshalb beginnen die kleinen Partikel, die im Ringfokus gefangen sind, sich auf diesem Ring zu bewegen. Diese im Kreis schwimmenden Partikel können dann z.b. genutzt werden, um kleine Flüssigkeitsvolumina zu durchmischen [12, 8, 18]. Die Phasenmodulation muss nicht direkt am Ort der Einfallspupille erfolgen, sondern an einem Ort, der zu diesem konjugiert ist, also an einem Punkt, der ein Abbild der Einfallspupille ist. Ein DOE kann also an einen solchen Ort in den Strahlverlauf gesetzt werden, wie es in Abbildung 10 dargestellt ist. Die verwendeten Phasenmasken müssen nicht zwangsweise das Licht transmittieren, das sie modulieren, es ist auch möglich, die Hologramme per Reflektion zu erzeugen. Mit einer speziellen Art der Hologrammerzeugung sind auch zeitveränder9

10 Seminar Nanotechnologie WS 06/07 veranschaulicht. Abbildung 12. Die oberen Wirbel drehen sich mit, die unteren gegen den Uhrzeigersin. Damit ergibt sich eine resultierende Strömung von rechts nach links, die die Flüssigkeit, in der die restlichen Perlen treiben, pumt. Entnommen aus [18]. Abbildung 11. Aus einem eben polarisiertem Laserstrahl lassen sich mit Hilfe einer geeigneten Phasenmaske Helixmoden erzeugen. Diese bilden einen Ringfokus, der genutzt wird, um kleine Partikel auf diesem Ring zu fangen. Entnommen aus [12]. 4 Die Wirbel werden so eingestellt, dass sie sich in unterschiedliche Richtungen drehen. In der Abbildung drehen sich die oberen Vortices im, die unteren gegen den Uhrzeigersinn. In den einzelnen Foki sind Glasperlen gefangen, die sich im Kreis bewegen und somit eine Strömung verursachen. Diese Zusammenschaltung mehrerer Wirbel bewirkt dann, dass sich in der Mitte zwischen den Wirbelreihen eine resultierende Strömung ausbildet, im Falle der gezeigten Wirbel nach links. Diese resultierende Strömung der Flüssigkeit treibt dann die restlichen Perlen, die nicht in einem Fokus gefangen sind, vorwärts. Dieses Art der Verwendung von optischen Pinzetten bezeichnet man als Vortexpumpen, man kann sie verwenden, um sehr kleine Flüssigkeitsvolumina zu pumpen. Alternativ ließe sich auch ein einzelner optischer Wirbel einsetzen, um ein kleines Volumen zu durchmischen [12, 8, 18]. Anwendungen Bisher wurde die Funktionsweise optischer Pinzetten erläutert und erklärt, wie es zu der Kraftwirkung auf die Partikel kommt. Desweiteren wurden die holographischen optischen Pinzetten als wesentliche Verbesserung vorgestellt. Sowohl für die optischen Einzelstrahlpinzetten, als auch für Systeme holographischer optischer Pinzetten gibt es Anwendungen, von denen in diesem Kapitel einige vorgestellt werden. 4.1 Vortexpumpen 4.2 Bei dieser speziellen Art von Pumpen wird das Prinzip der optischen Wirbel genutzt, das im letzten Abschnitt des vorhergehenden Kapitels 3 erklärt wurde. Schaltet man mehrere Helixmoden geeignet zusammen und stellt man sie so ein, dass die Ringfoki in einer Ebene in der Flüssigkeitszelle liegen, so kann man dies nutzen, um kleine Volumina zu pumpen. Das Prinzip ist in Abbildung 12 Lichtbetriebene Turbine Im vorigen Unterkapitel wurden die Vortexpumpen vorgestellt, dort wurde zur Erzeugung von Drehungen ausgenutzt, dass Licht selbst Drehimpuls hat und diesen auf die gefangenen Partikel überträgt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, Strukturen zu verwenden, die im Fokus gefangen werden und dort wie eine optische Windmühle 10

11 funktionieren. Dann ist die Struktur selbst so aufgebaut, dass die Lichtteilchen in einem geeigneten Winkel reflektiert oder gebrochen werden, so dass das Objekt in Drehung versetzt wird. In Abbildung 13 ist eine solche Turbine dargestellt, auf der linken Bildseite sind Modellbilder zu sehen, rechts sind Photos der fertigen Turbine gezeigt. Festgehalten wird der Rotor mit dem Fokus der optischen Pinzette an seinem länglichen Stiel. Die Drehung erfolgt direkt mit derselben optischen Pinzette ohne weitere Konfiguration. Die Photonen die auf die Rotorblätter - also die einzelnen Beinchen - treffen, werden reflektiert oder - aufgrund von Brechung - abgelenkt, so dass der Impulsübertrag die Turbine antreibt und sie dreht. Wird der Rotor gegen eine Glasscheibe gepresst, so dass er sich nicht drehen kann, kann man ihn in Ruhe betrachten und Photos machen, wie das in Abbildung 13 Bild d dargestellte [12, 11]. Man kann so eine Turbine verwenden, um Mikromaschinen anzutreiben, die aus mehreren Bauteilen bestehen. Im gezeigten Beispiel 14 ist das eine Maschine, die aus dem Rotor und zwei Zahnrädern besteht. Die Zahnräder drehen sich um Achsen, die fest am Glas montiert sind, der Rotor wird nur von der optischen Pinzette gehalten und gedreht und treibt die Zahnräder an [11]. Abbildung 13. Diese Turbine wird mit der optischen Pinzette nach dem Windmühlenprinzip gedreht. Photonen werden so reflektiert oder gebrochen, dass der resultierende Impulsübertrag die Struktur dreht. Entnommen aus [11]. Schon zur Herstellung der hier gezeigten Turbine mittels eines Photopolymerisations-Verfahrens wurde die optische Pinzette verwendet. Im Gussharz wird mit dem Fokus der optischen Pinzette ein bestimmter Bereich belichtet und ausgehärtet, das Restharz wird nach der Aushärtung entfernt und die belichtete Struktur bleibt bestehen. Für die Herstellung reicht auch ein normal fokussierter Laser, man benötigt nicht zwangsweise einen Laser, der so stark fokussiert ist, dass er auch als optische Pinzette dienen kann. Die Größe der hergestellten Einzelstrukturen liegt bei etwa 0,5 µm, die gesamte Turbine ist damit dann etwa 5 µm groß. Abbildung 14. Die Turbine wird benutzt, um eine aus zwei weiteren Zahnrädern bestehende Maschine anzutreiben. Entnommen aus [11]. können also als Antrieb für mechanische Elemente verwendet werden, deren Größe im Bereich einiger µm liegt. 4.3 Myosin-V - Untersuchung eines molekularen Motors Myosin ist die Bezeichnung für eine bestimmte Gruppe von Biomolekülen, die im Körper verschie- 11

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