Nanotechnologie-Seminar Optische Pinzetten. als Instrumente der Nanomanipulation. Betreuung: Prof. von Plessen Vortrag: Simon Sawallich

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1 Nanotechnologie-Seminar Optische Pinzetten als Instrumente der Nanomanipulation Betreuung: Prof. von Plessen Vortrag: Simon Sawallich

2 Was sind optische Pinzetten? Fassen und Bewegen von Objekten. Sehr präzise Anwendung auf kleine Objekte. Deshalb: Optische Pinzette / optical tweezer (OT)

3 Was machen optische Pinzetten? - Objekt mit n Objekt > n Medium befindet sich in flüssiger Umgebung. - Stark fokussiertes Laserlicht bewirkt eine Kraft auf das Partikel. - Dieses bewegt sich in den Fokus und wird dort festgehalten.

4 Anwendungen für optische Pinzetten Biologie / Medizin: - Untersuchung von Molekülen, z.b. DNA - Kraftmessung an molekularen Motoren Nanotechnologie: - Mikromotoren - Pumpen Fluidik: - Sortieren - Durchmischen

5 5 Inhalt 1) Einleitung und Motivation 2) Die Funktionsweise optischer Pinzetten - Entwicklung - Strahlenoptische Erklärung - Dipol-Erklärung - Aufbau 3) Verbesserungen des Grundprinzips 4) Anwendungen

6 Kraftwirkung des Lichts Bekannt: - Kometenschweif Mögliche Anwendung: - Sonnensegel

7 7 Geschichte der optischen Pinzette 1970: Ashkin: Erste 2D optische Falle 1971: Ashkin: Bau einer 3D optischen Falle aus zwei 2D-Fallen bzw. gegen die Schwerkraft 1986: Ashkin: Erste 3D optische Pinzette aus einem Einzelstrahl

8 8 Unterscheidung r >> λ Mie-Bereich: Strahlenoptische Erklärung r << λ Rayleigh-Bereich: Dipol-Erklärung r λ Zwischen-Bereich

9 9 Mie-Bereich (r>>λ) Strahlenoptische Erklärung: - Licht trägt Impuls - Brechung und Reflexion führen zu Impulsänderung - Kraftübertrag auf Objekt

10 10 Mie-Bereich (r>>λ) Brechung: Axiale Rückstellkraft in den Fokus.

11 11 Mie-Bereich (r>>λ) Brechung: Senkrechte Rückstellkraft in den Fokus.

12 12 Mie-Bereich (r>>λ) Reflexion: Streukraft in Strahlrichtung.

13 13 Mie-Bereich (r>>λ) Genauer: Es gibt viele gebrochene und reflektierte Strahlen. Dennoch exakt berechenbar. Aufteilung: - Streukraft (parallel) - Gradientenkraft (senkrecht)

14 14 Mie-Bereich (r>>λ) Gewünscht: Senkrecht zur Strahlrichtung: Stabilisierung des Partikels in der Strahlmitte Parallel zur Strahlrichtung: Rückstellkraft (Brechung) in den Fokus größer als Vorwärts- Streukraft (Reflexion) Benötigt: Starke Fokussierung Hohe NA der Linse NA = r f L L

15 15 Rayleigh-Bereich (r<<λ) Dipol-Erklärung: Betrachte Partikel als Dipol im elektrischen Feld. Relativer Brechungsindex: m = n n Objekt Medium Streukraft: F S n Medium = σ c I 0 Streu-Wirkungsquerschnitt: σ π r m² 1 = 4 3 λ m² + 2 2

16 16 Rayleigh-Bereich (r<<λ) Gradientenkraft: FG 1 = α 2 ( E 2 ) 2 m² 1 Polarisierbarkeit: α = nmedium r³ m² + 2 Kraft in Gradientenrichtung: Objekt Medium n > n

17 17 Bedingungen für optische Pinzetten F Gradient > F Streu Deswegen: Hoher Intensitätsgradient Starker Fokus - hohe numerische Apertur geeignetes Strahlprofil - Gaußscher Strahl

18 Aufbau 18

19 Bewegte Partikel Bewegen des Fokus transportiert das eingefangene Objekt. 19

20 20 Inhalt 1) Einleitung und Motivation 2) Die Funktionsweise optischer Pinzetten 3) Verbesserungen des Grundaufbaus - Holographische optische Pinzetten - Erzeugung von optischen Wirbeln 4) Anwendungen

21 Holographische optische Pinzetten Bestimmen Fallenort: - Einfallswinkel Mehrfachfallen möglich Kohärente Strahlen interferieren: ψ ( r ) = u( r ) exp( i ϕ ( r )) Holographische optische Pinzette: Modulation erzeugt identisches Muster und die gleichen Fallen. 21

22 22 Holographische optische Pinzetten Fähigkeit der optischen Pinzette hängt nur vom Intensitätsgradienten ab. Verwendung von phase-only diffractive optical elements (DOE) Phasenmodulation erzeugt die gewünschte Fallengeometrie.

23 23 Holographische optische Pinzetten Hologramme: - vorher berechnen - an Ort konjugiert zu Pupille Möglichkeit: - über Reflexion - spatial light modulator (SLM) - computergesteuert - Flüssigkristallanzeige - in Echtzeit steuerbar

24 Holographische optische Pinzetten In Echtzeit steuerbare Anordnung von mehreren Fallen: - Quasikristalle bauen - große Objekte bewegen 24

25 25 Helixmoden Erzeugung optischer Wirbel: Helixmoden

26 26 Helixmoden Helixmoden: - Destruktive Interferenz innen - Fokus ist ein Lichtring - Photon-Bahndrehimpuls l Bewirkt Tangentialkraft auf im Ring gefangene Partikel.

27 27 Inhalt 1) Einleitung und Motivation 2) Die Funktionsweise optischer Pinzetten 3) Verbesserungen des Grundprinzips 4) Anwendungen - Vortexpumpen - Turbinen - Untersuchung eines molekularen Motors

28 28 Vortexpumpe 6 optische Wirbel in Flüssigkeit mit Glasperlen. Einige werden gefangen und gemeinsame Bewegung pumpt die Flüssigkeit (mit den Restperlen).

29 29 Turbine Anderes Drehprinzip: - Photonen selbst ohne Drehimpuls - Geeignete Reflexion - Impulsübertrag bewirkt Drehung Diese Turbine: - gefertigt durch Photopolymerisation - Einzelstruktur 0,5µ m groß - Gesamtstruktur 5µ m - Halten und Drehen mit optischer Pinzette

30 30 Maschinen Die Zahnräder links sitzen fest auf Achsen. Der Motor rechts wird durch eine optische Pinzette gehalten und gedreht.

31 Myosin-V Der molekulare Motor Myosin-V: - zwei Beine, ein Träger für Lasten - bewegt sich Actin-Stränge entlang Experiment: - ein Myosin-Molekül bewegt eine Polystyrolkugel 31

32 32 Myosin-V - Feedback-System hält Abstand Fokus <=> Kugel konstant - Myosin-Molekül arbeitet gegen konstante Kraft - Messwerte: Verweildauer an einem Ort, Schrittweite

33 33 Myosin-V d = 40± 6 nm Teil der Modell-Entwicklung für die Bewegung eines Myosin-V Moleküls.

34 Systeme Komplettysteme aus optischen Pinzetten mit benötigter Hardware und Software sind erhältlich. 34

35 Zusammenfassung FGradient > FStreu 35

36 36 Danke Publikum - Aufmerksamkeit Prof. von Plessen - Betreuung Thomas Beckers - Video, Bilder und Info Ende