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Optische Pinzetten Kraftmessung in nanoskopischen Dimensionen mit optischen Pinzetten

| Autor / Redakteur: Steffen Arnold* und Ellen-Christine Reiff** / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Untersuchungen von Wechselwirkungen und Kräften auf dem Niveau von Einzelmolekülen sind für die unterschiedlichsten Forschungsrichtungen interessant, da sich mit ihrer Hilfe viele Informationen über chemische und mechanische Eigenschaften oder biologische Funktionen gewinnen lassen. Wie so genannte optische Pinzetten hierbei helfen, lesen Sie in diesem Beitrag.

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Abb. 1: Piezoaktoren in optischen Pinzetten helfen bei der Untersuchung von Wechselwirkungen und Kräften auf dem Niveau von Einzelmolekülen.
Abb. 1: Piezoaktoren in optischen Pinzetten helfen bei der Untersuchung von Wechselwirkungen und Kräften auf dem Niveau von Einzelmolekülen.
( Bild: JPK )

Die Detektion einzelner Moleküle ist alles andere als trivial: Selbst moderne Hochleistungsmikroskope stoßen spätestens dann an ihre Grenzen, wenn sich die zu untersuchenden Faktoren dem direkten Blick entziehen. Das ist beispielsweise der Fall, wenn die Reaktionen einzelner Moleküle auf bestimmte zeitliche Verläufe oder Kräfte untersucht werden sollen. Hierfür wurden spezielle Verfahren entwickelt, z.B. Rasterkraft-Mikroskope oder so genannte optische Pinzetten. Letztere können mithilfe eines Laserstrahls kleinste Objekte greifen, führen und manipulieren.

Die optische Pinzette (engl. Laser Tweezers, Optical Tweezers) besteht im Prinzip aus einem leistungsstarken Laser und einer Anordnung optischer Linsen (s. Abb. 2). Durch geeigneten Aufbau des Strahlengangs lässt sich so eine in drei Dimensionen bewegliche „Falle“ erzeugen. Mit dieser ist es möglich, Objekte mit Größen im Nano- oder Mikrometerbereich quasi zu fangen, zu halten und gegenüber anderen Objekten definiert zu bewegen, und das alles lediglich mithilfe von Licht. Ist beispielsweise ein Polystyrol-Kügelchen, ein so genanntes Bead, im Laserstrahl gefangen, kann der am Bead angelagerte Teil einer Probe durch Bewegen des Laserstrahls manipuliert werden; das Bead versucht im Fokus zu bleiben. Wird es dabei von der Probe gehindert und wandert aus dem Fokus, kann man über die Streuung des Laserstrahls die entstehenden Kräfte messen und analysieren. Aufgrund solcher Daten sind Wissenschaftler dann beispielsweise in der Lage, auf Nanometer-Ebene zu untersuchen, wie Viren und Bakterien in eine Zelle eindringen.

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Laser Tweezers: kontaktlos und dreidimensional messen

Da das Verfahren lediglich den Strahlungsdruck des Lichts nutzt, gibt es keinen direkten Kontakt mit der Probe. Damit wird das Risiko einer Kontaminierung der Probe ausgeschlossen. Sterilität ist gewährleistet, die Proben können manipuliert werden, ohne sie zu beschädigen, und es lassen sich sehr kleine Kräfte im Nano- oder Pico-Newton-Bereich messen. Gegenüber Rasterkraft-Mikroskopen bietet die optische Pinzette dabei vor allem den Vorteil, dass Betrachtungen nicht nur in Richtung der z-Achse, sondern in allen drei räumlichen Dimensionen möglich sind und man Experimente interaktiv durchführen kann.

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