Holographische optische Pinzette
Hologramme zur Mikromanipulation

Optische Pinzetten ermöglichen es, ein mikroskopisches Objekt im Größenbereich von Nano- und Mikrometern festzuhalten und sehr präzise zu bewegen. Für viele Anwendungen ist es aber wichtig, mehr als nur ein einzelnes Objekt gleichzeitig kontrollieren zu können. Mit holographischen Verfahren erweitern wir das Grundprinzip der optischen Pinzette sehr elegant auf die optische Kontrolle vieler Partikel. Dafür modulieren wir die Phasenfront eines Laserlichtfeldes gezielt räumlich durch computerberechnete Hologramme, so dass in der mikroskopischen Probe eine Vielzahl an einzelnen optischen Pinzetten entsteht.



Jedes individuell berechnete Hologramm erzeugt je nach Anwendung beispielsweise hunderte Kopien der einfallenden Lichtwelle, denen jeweils beliebige dreidimensionale Positionsinformationen aufgeprägt werden. Die Hologramme werden in Echtzeit berechnet und auf einem geeigneten Flüssigkristalldisplay in schneller Folge dargestellt. Dadurch kann jede einzelne Pinzette sehr schnell und unabhängig von den übrigen völlig frei in der Probe positioniert werden. Weiterhin beschäftigen wir uns mit der Optimierung der Hologrammberechnung, um unerwünschte Effekte wie Geisterfallenbildung zu eliminieren. Viele Anwendungsszenarien sind erst durch holographische optische Pinzetten möglich und können mit einer einzelnen optischen Pinzette nicht realisiert werden. Neben der naheliegenden Parallelisierung von Einzelmessungen kann es beispielsweise zur Bestimmung der Bindungskraft zweier mikroskopischer Objekte wichtig sein, beide Objekte festzuhalten und dann definiert auseinanderzuziehen. Bei nicht-sphärischen Teilchen können außerdem mehrere Einzelfallen, abgestimmt auf die jeweilige Form, dazu genutzt werden, das Objekt in eine definierte Lage zu drehen und frei auszurichten.

Optisch induzierte Organisation
Hochaktuelle Themen in Biologie und molekularer Medizin beschäftigen sich mit der Frage, wie in komplexen Systemen biologische, chemische oder physikalische Prozesse verstanden und gesteuert werden können. Die Rolle der Selbstorganisation und Selbststrukturierung wird in den letzten Jahren immer mehr erkannt. Damit einher geht aber auch ein stärkerer Bedarf an Kontrolle, Steuerung und gezieltem Eingriff in diese Prozesse. Holographische optische Pinzetten haben hier eine herausragende Bedeutung. Beispielsweise wird es erst durch die Möglichkeit zur gleichzeitigen Kontrolle von Position und Orientierung vieler Partikel praktikabel, spezielle Nanocontainer anzuordnen und zu strukturieren. Diese Nanocontainer können unterschiedliche chemische Ladungen enthalten und bei geeigneter interner Strukturierung, wie sie beispielsweise Zeolithe aufweisen, die supramolekulare Organisation der Gastmoleküle bewirken. Wir haben nun erreicht, diese Nanocontainer ihrerseits nur mit Hilfe von Licht anzuordnen. Dadurch entsteht ein System, das auf verschiedenen Größenskalen – von den einzelnen Molekülen bis in den Mikrometerbereich – hochgradig geordnet ist und dadurch neue, spannende Eigenschaften des Gesamtsystems bewirken kann.

Ansprechpartner: Christina Alpmann, Álvaro Barroso Peña

Referenzen:

 

• Advanced optical trapping by complex beam shaping
  M. Woerdemann, C. Alpmann, M, Esseling, C. Denz
  accepted for publication, published first online as Laser & Photon. Rev., 2013, 1-16 PDF
• Creating Functional Microstructures with an Optical-Tweezers Assembly-Line
  M. Woerdemann, M. Veiga-Gutiérrez, L. De Cola, C. Denz
  OPN 23, 2012, 47 PDF
• Optical-Tweezers Assembly-Line for the Construction of Complex Functional Zeolite L Structures
  M. Veiga-Gutiérrez, M. Woerdemann, E. Prasetyanto, C. Denz, L. De Cola
  Adv. Mater. 24, 2012, 5199–5204 PDF
• Three-dimensional Particle Control by Holographic Optical Tweezers
  M. Woerdemann, C. Alpmann, C. Denz
  in "Optical Imaging and Metrology - Advanced Technologies" (2012)
  Eds. W. Osten, N. Reingand
  Wiley Verlag, ISBN-10: 3-527-41064-3
• Controlling ghost traps in holographic optical tweezers
  C. Hesseling, M. Woerdemann, A. Hermerschmidt, C. Denz
  Opt. Lett. Vol. 36, 2011, 3657 -3659 PDF
  also published in Virtual Journal for Biomedical Optics 6, 2011, Iss. 10
• Dynamic multiple-beam counter-propagating optical traps using optical phase-conjugation
  M. Woerdemann, K. Berghoff, C. Denz
  Optics Express 18, 2010, 22348-22357 PDF
• Managing hierarchical supramolecular organization with holographic optical tweezers OPN
  Woerdemann, M.; Devaux, A.; De Cola, L. & Denz, C.
  Optics in 2010, 2010, 21, 40 PDF
• Optical control and dynamic patterning of zeolites
  Mike Wördemann, Christina Alpmann, Florian Hörner, André Devaux, Luisa De Cola, and Cornelia Denz
  Proc. SPIE Vol. 7762, 2010, 77622E PDF
• Dynamic and reversible organization of zeolite L crystals induced by holographic optical tweezers
  M. Woerdemann, S. Gläsener, F. Hörner, A. Devaux, L. De Cola, C. Denz
  Advanced Materials Vol. 22, 2010, 4176-4179 PDF