Optische Manipulation – Holographische optische Pinzette (HOT)

Optische Pinzetten ermöglichen es, ein mikroskopisches Objekt im Größenbereich von Nano- und Mikrometern festzuhalten und sehr präzise zu bewegen. Für viele Anwendungen ist es jedoch 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 wird die Phasenfront eines Laserlichtfeldes gezielt durch computerberechnete Hologramme räumlich moduliert (Figure (a)). Die Hologramme werden auf einen räumlichen Lichtmodulator (SLM) gegeben, sodass in der mikroskopischen Probe eine Vielzahl an einzelnen optischen Pinzetten entsteht (Figure (b)).

Die Verwendung von mehreren dynamischen optischen Fallen ist sehr hilfreich, wenn eine präzise Manipulation und dreidimensionale Kontrolle von vieler (nicht-sphärische) Partikeln notwendig ist, z.B. um ein Objekt in eine definierte Ausrichtung zu drehen, und es beliebig auszurichten (Figure (c)). Insbesondere verwenden wir die herausragenden Fähigkeiten der HOT für die Organisation von Nanocontainern, die unterschiedliche chemische Ladungen enthalten können. Ein Beispiel sind Zeolith L-Kristalle, die eine supramolekulare Organisation von Gastmoleküle mit Hilfe ihrer internen Strukturierung bewirken (in Zusammenarbeit mit der AG Studer)[1,2]. Ein anderes Beispiel ist die Manipulation von Mikrosonden und Mikrowerkzeugen für die extrazelluläre Untersuchung der biomechanischen Eigenschaften lebender Zellen [3] (.bio).

[1] 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 22, 2010, 4176-4179.

[2] Managing hierarchical supramolecular organization with holographic optical tweezers OPN M. Woerdemann, A. Devaux, L. De Cola, C. Denz, Optics in 2010, 2010, 21, 40.

[3] Three-Dimensional Exploration and Mechano-Biophysical Analysis of the Inner Structure of Living Cells, Á. Barroso, M. Woerdemann, A. Vollmer, G. von Bally, B. Kemper, C. Denz Small 9, 2013, 885-893.