Nanotechnologie-Seminar 5.0 .07

Nanotechnologie-Seminar 15.01.07
Optische Pinzetten
als Instrumente der Nanomanipulation
Betreuung: Prof. von Plessen
Vortrag: Simon Sawallich
Was sind optische Pinzetten?
Fassen und Bewegen von Objekten.
Sehr präzise Anwendung auf kleine
Objekte.
Deshalb:
Optische Pinzette / optical tweezer
(OT)
Was machen optische Pinzetten?
- Objekt mit nObjekt > nMedium befindet
sich in flüssiger Umgebung.
- Stark fokussiertes Laserlicht bewirkt eine Kraft auf das Partikel.
- Dieses bewegt sich in den Fokus
und wird dort festgehalten.
Anwendungen für optische Pinzetten
Biologie / Medizin:
- Untersuchung von Molekülen, z.B. DNA
- Kraftmessung an molekularen Motoren
Nanotechnologie:
- Mikromotoren
- Pumpen
Fluidik:
- Sortieren
- Durchmischen
Inhalt
1) Einleitung und Motivation
2) Die Funktionsweise optischer Pinzetten
- Entwicklung
- Strahlenoptische Erklärung
- Dipol-Erklärung
- Aufbau
3) Verbesserungen des Grundprinzips
4) Anwendungen
Kraftwirkung des Lichts
Bekannt:
- Kometenschweif
Mögliche Anwendung:
- Sonnensegel
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
Unterscheidung
r >> λ
Mie-Bereich:
Strahlenoptische Erklärung
r << λ
Rayleigh-Bereich:
Dipol-Erklärung
r ≈λ
Zwischen-Bereich
Mie-Bereich (r>>λ)
Strahlenoptische Erklärung:
- Licht trägt Impuls
- Brechung und Reflexion führen zu Impulsänderung
- Kraftübertrag auf Objekt
Mie-Bereich (r>>λ)
Brechung: Axiale Rückstellkraft in den Fokus.
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Mie-Bereich (r>>λ)
Brechung: Senkrechte Rückstellkraft in den Fokus.
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Mie-Bereich (r>>λ)
Reflexion: Streukraft in Strahlrichtung.
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Mie-Bereich (r>>λ)
Genauer:
Es gibt viele gebrochene und reflektierte Strahlen.
Dennoch exakt berechenbar.
Aufteilung:
- Streukraft (parallel)
- Gradientenkraft (senkrecht)
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Mie-Bereich (r>>λ)
Gewünscht:
•Senkrecht zur Strahlrichtung:
Stabilisierung des Partikels in der Strahlmitte
•Parallel zur Strahlrichtung:
Rückstellkraft (Brechung) in den Fokus größer als VorwärtsStreukraft (Reflexion)
Benötigt:
•Starke Fokussierung
•Hohe NA der Linse
rL
NA =
fL
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Rayleigh-Bereich (r<<λ)
Dipol-Erklärung:
Betrachte Partikel als Dipol im elektrischen Feld.
Relativer Brechungsindex:
Streukraft:
m=
nObjekt
nMedium
nMedium
FS =
⋅σ ⋅ I0
c
Streu-Wirkungsquerschnitt:
128 π 5 ⋅ r 6
σ =
⋅
3
λ4
 m² − 1 
⋅

 m² + 2 
2
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Rayleigh-Bereich (r<<λ)
Gradientenkraft:
1
FG = ⋅ α ⋅∇ (E 2 )
2
 m² − 1 
2
Polarisierbarkeit: α = nMedium
⋅ r³ ⋅

 m² + 2 
Kraft in Gradientenrichtung:
nObjekt > nMedium
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Bedingungen für optische Pinzetten
FGradient > FStreu
Deswegen:
Hoher Intensitätsgradient
•Starker Fokus
-hohe numerische Apertur
•geeignetes Strahlprofil
-Gaußscher Strahl
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Aufbau
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Bewegte Partikel
Bewegen des Fokus transportiert das eingefangene Objekt.
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Inhalt
1) Einleitung und Motivation
2) Die Funktionsweise optischer Pinzetten
3) Verbesserungen des Grundaufbaus
- Holographische optische Pinzetten
- Erzeugung von optischen Wirbeln
4) Anwendungen
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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.
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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.
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Holographische optische Pinzetten
Hologramme:
- vorher berechnen
- an Ort konjugiert zu Pupille
Möglichkeit:
- über Reflexion
- “spatial light modulator” (SLM)
- computergesteuert
- Flüssigkristallanzeige
- in Echtzeit steuerbar
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Holographische optische Pinzetten
In Echtzeit steuerbare Anordnung von mehreren Fallen:
- Quasikristalle bauen
- große Objekte bewegen
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Helixmoden
Erzeugung optischer Wirbel:
Helixmoden
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Helixmoden
Helixmoden:
- Destruktive Interferenz innen
- Fokus ist ein Lichtring
- Photon-Bahndrehimpuls l⋅
Bewirkt Tangentialkraft auf im
Ring gefangene Partikel.
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Inhalt
1) Einleitung und Motivation
2) Die Funktionsweise optischer Pinzetten
3) Verbesserungen des Grundprinzips
4) Anwendungen
- Vortexpumpen
- Turbinen
- Untersuchung eines molekularen Motors
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Vortexpumpe
6 optische Wirbel in Flüssigkeit
mit Glasperlen.
Einige werden gefangen und
gemeinsame Bewegung pumpt
die Flüssigkeit (mit den Restperlen).
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Turbine
Anderes Drehprinzip:
-Photonen selbst ohne Drehimpuls
- Geeignete Reflexion
-Impulsübertrag bewirkt Drehung
Diese Turbine:
-gefertigt durch Photopolymerisation
-Einzelstruktur 0,5 µ m groß
-Gesamtstruktur 5 µ m
-Halten und Drehen mit optischer
Pinzette
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Maschinen
Die Zahnräder links
sitzen fest auf Achsen.
Der Motor rechts wird
durch eine optische
Pinzette gehalten und
gedreht.
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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
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Myosin-V
- Feedback-System hält Abstand Fokus <=> Kugel konstant
- Myosin-Molekül arbeitet gegen konstante Kraft
- Messwerte: Verweildauer an einem Ort, Schrittweite
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Myosin-V
d = 40 ± 6 nm
Teil der Modell-Entwicklung für die Bewegung
eines Myosin-V Moleküls.
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Systeme
Komplettysteme aus optischen Pinzetten mit benötigter
Hardware und Software sind erhältlich.
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Zusammenfassung
FGradient > FStreu
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Danke
Publikum - Aufmerksamkeit
Prof. von Plessen - Betreuung
Thomas Beckers - Video, Bilder und Info
Ende
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