Holografische Laserpinzetten in der Mikroskopie

Es wird beabsichtigt, neue Anwendungen in dem schnell wachsenden Forschungsgebiet mikroskopischer Manipulationen mit optischen Kräften im Mikro- und Nanobereich zu entwickeln. Hierzu verwenden wir Laserpinzetten die mit fortgeschrittenen holografischen Methoden angesteuert werden und eine bisher unerreichte Vielseitigkeit erlauben. In der Anwendung wird ein miniaturisierter, erst kürzlich erhältlicher Flüssigkristallbildschirm mit sehr hoher Auflösung verwendet, um computererzeugte Hologramme in Echtzeit anzuzeigen. Von diesen Hologrammen wird ein Laserstrahl in vorausberechneter Weise so gebeugt, so dass maßgeschneiderte optische Fallen in der Objektebene eines Mikroskops erzeugt werden. Mit der holografischen Methode ist es möglich eine große Anzahl mikroskopischer Teilchen (Zellen, Zellbestandteile, Bakterien oder Nanoröhrchen) gleichzeitig in individuellen Fallen einzufangen und sie interaktiv zu jeder gewünschten dreidimensional ansteuerbaren Position innerhalb des Gesichtsfelds des Mikroskops zu bewegen. Mittels neuer holografischer Methoden zur Wellenfrontmanipulation des Laserstrahls ist es auch möglich, das Lichtfeld in der Laserfalle so zu formen, dass nur Teilchen mit einer gewünschten Größe und Form gefangen werden. Diese Abhängigkeit von der Teilchengestalt verspricht ein hohes Anwendungspotential in der medizinischen Diagnostik, z.B. zum automatisierten Erkennen und Einsammeln einzelner degenerierter Zellen. Weiterhin ist es durch die hochauflösende holografische Strahlkontrolle möglich, spezielle Lasermoden zu erzeugen, die in der Lage sind einen Bahndrehimpuls auf mikroskopische Teilchen zu übertragen. Solche Lasermoden können in Pumpen oder Fließbänder verformt werden, die einen präzise kontrollierten Mikrofluss innerhalb eines Flüssigkeitsvolumens oder auf einer Luft-Flüssigkeitsoberfläche erzeugen, sogar obwohl die verwendeten Laserfelder statisch sind. Mögliche Anwendungen hierfür bestehen darin, eine automatische Zellsortierung in einem optisch getriebenen Fluss von Teilchen durchzuführen, weiterhin zur Realisierung von technisch wichtigen sogenannten Mikrofluss- Apparaten, bei denen winzige Mengen von Flüssigkeiten unter mikroskopischer Kontrolle durchmischt werden können, oder sie können ein erster Schritt zur Verwirklichung einer optischen Fabrik im Nano-Maßstab sein, in der z.B. ausgewählte Teilchen (wie Nanoröhrchen) zu vorausberechneten Mikrostrukturen zusammengefügt werden.

Es wird beabsichtigt, neue Anwendungen in dem schnell wachsenden Forschungsgebiet mikroskopischer Manipulationen mit optischen Kräften im Mikro- und Nanobereich zu entwickeln. Hierzu verwenden wir Laserpinzetten die mit fortgeschrittenen holografischen Methoden angesteuert werden und eine bisher unerreichte Vielseitigkeit erlauben. In der Anwendung wird ein miniaturisierter, erst kürzlich erhältlicher Flüssigkristallbildschirm mit sehr hoher Auflösung verwendet, um computererzeugte Hologramme in Echtzeit anzuzeigen. Von diesen Hologrammen wird ein Laserstrahl in vorausberechneter Weise so gebeugt, so dass maßgeschneiderte optische Fallen in der Objektebene eines Mikroskops erzeugt werden. Mit der holografischen Methode ist es möglich eine große Anzahl mikroskopischer Teilchen (Zellen, Zellbestandteile, Bakterien oder Nanoröhrchen) gleichzeitig in individuellen Fallen einzufangen und sie interaktiv zu jeder gewünschten dreidimensional ansteuerbaren Position innerhalb des Gesichtsfelds des Mikroskops zu bewegen. Mittels neuer holografischer Methoden zur Wellenfrontmanipulation des Laserstrahls ist es auch möglich, das Lichtfeld in der Laserfalle so zu formen, dass nur Teilchen mit einer gewünschten Größe und Form gefangen werden. Diese Abhängigkeit von der Teilchengestalt verspricht ein hohes Anwendungspotential in der medizinischen Diagnostik, z.B. zum automatisierten Erkennen und Einsammeln einzelner degenerierter Zellen. Weiterhin ist es durch die hochauflösende holografische Strahlkontrolle möglich, spezielle Lasermoden zu erzeugen, die in der Lage sind einen Bahndrehimpuls auf mikroskopische Teilchen zu übertragen. Solche Lasermoden können in Pumpen oder Fließbänder verformt werden, die einen präzise kontrollierten Mikrofluss innerhalb eines Flüssigkeitsvolumens oder auf einer Luft-Flüssigkeitsoberfläche erzeugen, sogar obwohl die verwendeten Laserfelder statisch sind. Mögliche Anwendungen hierfür bestehen darin, eine automatische Zellsortierung in einem optisch getriebenen Fluss von Teilchen durchzuführen, weiterhin zur Realisierung von technisch wichtigen sogenannten Mikrofluss- Apparaten, bei denen winzige Mengen von Flüssigkeiten unter mikroskopischer Kontrolle durchmischt werden können, oder sie können ein erster Schritt zur Verwirklichung einer optischen Fabrik im Nano-Maßstab sein, in der z.B. ausgewählte Teilchen (wie Nanoröhrchen) zu vorausberechneten Mikrostrukturen zusammengefügt werden.