Kraftmessung in nanoskopischen Dimensionen mit optischen Pinzetten

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JPK Instruments aus Berlin ist das erste Unternehmen, das ein serienreifes Laser-Tweezers-System auf den Markt brachte, das eine zeitaufgelöste Detektion einzelner Moleküle ermöglicht und aufgrund umfangreicher Software viele der mathematisch komplexen Analysemethoden direkt unterstützt [1]. Mit dem Nano-Tracker (s. Abb. 1) kann der Anwender Teilchen von der Größe mehrerer Mikrometer bis hin zu 30 nm kontrollieren und manipulieren. Die entsprechenden Proben, z.B. ganze (lebende) Zellen oder auch einzelne Moleküle lassen sich in Echtzeit mit Nanometer-Präzision beobachten (s. Abb. 3). Das System ermöglicht genaue quantifizierbare und reproduzierbare Messungen unterschiedlichster Partikel- bzw. Zell-Interaktionen.

Nanopositioniersystem erhöht die Genauigkeit weiter

Während der Messung von Kräften ist es prinzipiell möglich, die Manipulation nur über die Steuerung der Fallen zu gestalten, und somit die Laserstrahlstreuung auszuwerten. „Für etliche Applikationen reicht dies allerdings nicht aus,“ erläutert Dr. Joost van Mameren, Applikationswissenschaftler bei JPK. „Wenn beispielsweise während einer Untersuchung mit konstanter Geschwindigkeit verfahren wird, integrieren wir in unsere Nano-Tracker ein piezobasiertes dreiachsiges Nanopositioniersystem. Die kleinen Störsignale, die bei reiner Fallensteuerung durch die Bewegung bei der Optikablenkung auftreten könnten, lassen sich so ausschließen“, sagt Dr. van Mameren. Außerdem bietet das Positioniersystem die Möglichkeit, auch im Laufe eines Experiments bei Bedarf den optischen Fokus in Richtung der z-Achse zu verschieben. Die Optik zu diesem Zweck zu manipulieren sollte man vermeiden, denn Messfehler durch Störsignale wären dann vorprogrammiert. Darüber hinaus ermöglicht das Nanopositioniersystem eine Kalibration des Laser Tweezers für eine höhere Positioniergenauigkeit. Bei der Auswahl des Nanopositioniersystems hat sich JPK für ein piezobasiertes Nanopositionsystem (s. Abb. 4) von Physik Instrumente (PI) aus Karlsruhe entschieden. „Das parallelkinematische System arbeitet mit Wiederholgenauigkeiten im Nanometerbereich bei Ansprechzeiten unterhalb einer Millisekunde und passt mit einem Stellweg von 100 x 100 x 100 µm perfekt für die Anforderungen unserer Anwendung. Außerdem erweist es sich als sehr zuverlässig und überzeugt durch seine Langlebigkeit“, führt Dr. van Mameren weiter aus.

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