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Optische Pinzetten

Kraftmessung in nanoskopischen Dimensionen mit optischen Pinzetten

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Parallelkinematik und Direktmetrologie ermöglichen hohe Bahntreue

Die treibende Kraft der in den optischen Pinzetten eingesetzten hochdynamischen parallelkinematischen Nanopositioniersysteme sind Piezoaktoren. Diese Piezoaktoren wandeln elektrische Spannung direkt in mechanische Auslenkung und umgekehrt. Dabei können typischerweise Stellwege von einigen hundert Mikrometern und hoher Dynamik mit Frequenzen bis zu mehreren hundert Hertz erreicht werden. Da die Bewegung auf kristallinen Effekten beruht, können Bewegungen bis in den Bereich einzelner Nanometer aufgelöst werden.

Für eine optimale Übertragung der Antriebskräfte sorgen computerberechnete reibungsfreie Festkörpergelenkführungen. Sie erlauben optimierte Steifigkeit und Ablaufgenauigkeiten. Letztere werden durch die aktive Führung noch verbessert: Der gemeinsame Einsatz von Parallelkinematik und paralleler Direktmetrologie ermöglicht bei dem mehrachsigen Nanopositioniersystem jederzeit ein gleichzeitiges Messen aller Freiheitsgrade gegenüber einer gemeinsamen festen Referenz. Ein ungewolltes Übersprechen der Bewegung z.B. durch externe Krafteinwirkung in eine andere Achse kann so detektiert und in Echtzeit aktiv ausgeregelt werden. Das ermöglicht eine hohe Bahntreue im Nanometerbereich, auch bei dynamischem Betrieb. „Dazu tragen entscheidend die im Nanopositioniersystem integrierten kapazitiven Sensoren bei. Sie messen die Position direkt und berührungslos. Weder Reibung noch Hysterese beeinträchtigen die Messung, wodurch in Kombination mit der Positionsauflösbarkeit von weit unter einem Nanometer ausgezeichnete Linearitätswerte erreicht werden,“ hebt Dr. van Mameren die Vorteile hervor.

Untersuchung von Kinesinmolekülen an Mikrotubuli

Eine typische Applikation, bei denen das Nanopositioniersystem eingesetzt wird, findet sich bei Untersuchungen des Proteins „Kinesin“. Kinesin bezeichnet eine Gruppe von so genannten Motorproteinen, die wesentlich am intrazellulären Transport von biologischen Materialien wie Chromosomen bei der Zellteilung, Vesikel und Zell-organellen beteiligt sind. Bei dem Experiment hängt das Motorprotein an einem in der Falle gefangenen Polystyrol-Kügelchen und wird einem Mikrotubulus, einem röhrenförmigen Proteinfilament angenähert. Die Probe wird vom Nanopositioniersystem entsprechend den Testvorgaben auf den Nanometer genau positioniert und verfahren. Der Nano-Tracker kann nun gleichzeitig Position und Kräfte messen, während sich das Kinesinmolekül auf dem Mikrotubulus entlang bewegt. Auf diese Weise eröffnet das System viele neue Möglichkeiten im Rahmen von biomechanischen Studien.

Literatur

[1] Steven Block, Single-Molecule Biophysics 2009 Editorial, Curr. Pharm. Biotech. 10 (5): 464-466 (2009)

*S. Arnold, Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, 76228 Karlsruhe/Palmbach**E.-C. Reiff, M.A., Redaktionsbüro Stutensee, 76297 Stutensee

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