Holographische optische Pinzette

Holographische optische Pinzetten mit Twisted Nematic (TN) Flüssigkristallanzeige

Holographische optische Pinzette mit TN-LCD 

Optische Pinzetten sind Instrumente, die in der Lage sind dielektrische Teilchen mit einem Durchmesser von einigen Nanometer bis zu einigen Mikrometer mittels eines fokussierten Laserstrahls gezielt zu manipulieren. Die Teilchen werden dabei durch Kräfte entlang des Gradienten des Feldes im Fokus gehalten. Die dabei wirkenden Kräfte betragen nur wenige Piconewton, was jedoch ausreicht, um die Teilchen gegen die Brownsche Bewegung zu halten und zu verschieben. Ein häufiges Anwendungsgebiet sind mikroskopischen Verfahren wie z.B. in der biologischen Forschung. 

Herkömmliche optische Pinzetten verwenden mechanisch-optische Komponenten um die Position der „optischen Falle“ zu verändern. Holografische optische Pinzetten (engl. HOT: holographic optical tweezers) dagegen verwenden einen elektrisch ansteuerbaren räumlichen Lichtmodulator (engl. EASLM: electrically addressable spatial light modulator), um mit Hilfe eines Hologramms die gewünschte Intensitätsverteilung, z.B. auch mehrere Foki gleichzeitig, zu erzeugen. Einige optische und mechanische Komponenten werden dabei durch intelligente Software und Mathematik ersetzt. Dafür sind die oft verwendeten „phase only“ EASLM sehr kostenintensiv. 

An der Hochschule Offenburg wird seit 2009 im Rahmen einer Forschungsarbeit „ZAFH-Photon“ an der Fakultät E+I an einer holographischen 3D Pinzette mit konventionellen TN-LCDs (twisted nematic liquid crystal displays) gearbeitet. Bild 1 zeigt den erfolgreichen Aufbau dieser holographischen optische Pinzette. Mit dem gezeigten Aufbau ist es möglich z.B. Polystyrol Partikel mit einem Durchmesser von ca. 2.8 µm zu fangen und mit einer Geschwindigkeit von bis zu 10 µm/s zu bewegen. Video 1 zeigt ein Partikel auf einer Kreisbahn während in Video 2 das Partikel eine vom Benutzer vorgegebenen Zielposition anfährt. 

Das vorgestellte Verfahren ist nicht beschränkt auf die Manipulation einzelner Zellen sondern kann  auch verwendet werden um z.B. Kräfte im Bereich einiger Piconewton zu messen, Zellen können getrennt und sortiert werden und vieles mehr.   

Bild 1: Erfolgreicher Aufbau der holografischen optischen Pinzette. Mit dem gezeigten Aufbau ist es möglich, zum Beispiel Polystyrol-Partikel mit einem Durchmesser von etwa 2.8 μm zu fangen und mit einer Geschwindigkeit von bis zu 10 μm/s zu bewegen.

 

Video 1: Ein Polystyrol-Partikel wird auf einer vordefinierten Kreisbahn bewegt.

 

Video 2: Ein Polystyrol-Partikel wird vom Benutzer auf eine Zielposition gesetzt.