Force sensing and surface analysis with optically trapped microprobes

Dokumentenart:	Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation)
Open Access Art:	Primärpublikation
Datum:	7 August 2002
Begutachter (Erstgutachter):	Jörg Enderlein
Tag der Prüfung:	8 April 2002
Institutionen:	Chemie und Pharmazie > Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik
Stichwörter / Keywords:	Rasterkraftmikroskopie , Mikroskopie , Optik , Rheologie , Brownsche Bewegung , Optische Pinzette , Mikrorheologie , Axicon-Prisma , Gradientenkraft , Kraftsensorik , Optical Tweezers , Microrheology , Brownian Motion , Axicon , Aspherical Lens
Dewey-Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Status:	Veröffentlicht
Begutachtet:	Ja, diese Version wurde begutachtet
An der Universität Regensburg entstanden:	Ja
Dokumenten-ID:	9949

Zusammenfassung (Deutsch)

In dieser Arbeit wurde eine optische Pinzette zur Messung von kleinen Kräften im Bereich von einigen Piconewton entwickelt. Das System ermittelt die Position eines eingefangenen mikroskopischen Partikels (engl. bead) mit hoher räumlicher (nm-Bereich) und zeitlicher (Mikrosekunde- Bereich) Auflösung. Die Analyse der Brownschen Bewegung der eingefangenen mikroskopischen Partikel erbringt ...

Zusammenfassung (Deutsch)

In dieser Arbeit wurde eine optische Pinzette zur Messung von kleinen Kräften im Bereich von einigen Piconewton entwickelt. Das System ermittelt die Position eines eingefangenen mikroskopischen Partikels (engl. bead) mit hoher räumlicher (nm-Bereich) und zeitlicher (Mikrosekunde- Bereich) Auflösung. Die Analyse der Brownschen Bewegung der eingefangenen mikroskopischen Partikel erbringt Informationen über die lokalen rheologischen Eigenschaften des umgebenden Mediums.
Optische Pinzetten können auch die Topographie von Zellmembranen in vivo bestimmen. Bei dieser Technik, auch bekannt als optische Kraftmikroskopie, fungiert das eingefangene bead ähnlich wie die Prüfspitze in einem AFM (atomic force microscope), während das Kraftpotential der optischen Falle die Rolle von einem cantilever spielt. Das eingefangene bead wird auf die Oberfläche der Probe gebracht und rasterförmig abgetastet. Die Änderung der Position des beads entlang der z-Achse während der Abtastung spiegelt die Morphologie der Oberfläche wieder.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei neue Konfigurationen der optischen Pinzette entwickelt. Als erste Konfiguration wurde ein flexibles und kompaktes set-up aufgebaut, das nur eine einzelne aspherische Linse als fokussierendes Element besitzt. Ein Vorteil dieses Systems ist der sehr große Arbeitsabstand der aspherischen Linse (ungefähr 3 Millimeter). Er ermöglicht das Einfangen eines beads durch dicke Substrate.
Als zweite Konfiguration konnte eine sog. �hohle� optische Falle realisiert werden. Das zentrale optische Element dieser Konfiguration ist ein konisches Prisma auch axicon genannt. Das axicon-Prisma wandelt einen Laserstrahl (TEM00-Modus) in Laserlicht mit ringförmigem Intensitätsprofil um. Durch geeignete Fokussierung lässt sich eine �schalenförmige� optische Falle erzeugt. Hierdurch ist es möglich auch Hoch-Reflektierende und sog. �low-index� Partikel innerhalb der Zone geringer Lichtintensität einzufangen und zu manipulieren.

Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)

In this work, an optical tweezers system for measuring forces in the range of piconewton was developed. The system detects the position of a trapped microscopical probe with high spatial (nm range) and temporal (msec range) resolution. The analysis of the Brownian motion of a bead inside the harmonic potential of the trap yields information about the local rheological properties of the ...

Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)

In this work, an optical tweezers system for measuring forces in the range of piconewton was developed. The system detects the position of a trapped microscopical probe with high spatial (nm range) and temporal (msec range) resolution. The analysis of the Brownian motion of a bead inside the harmonic potential of the trap yields information about the local rheological properties of the surrounding environment.
Next, the developed optical tweezers system was also used as a scanning probe microscope for measuring the topography of cellular membranes in vivo. In this technique, also known as optical force microscopy, the trapped probe works similarly to the scanning stylus in an AFM, while the trap's force potential plays the role of the cantilever. The trapped probe is brought onto the surface of the sample and scanned over it. The change of the position of the probe along the z-axis during scanning is related to the morphology of the surface.
Two new set-ups of optical tweezers were developed during this work. First, a new versatile and compact set-up was developed that employs a single aspherical lens as the focusing element. One advantage of this system is that the very large working distance of the aspherical lens (about 3 mm) allows trapping through thick substrates. Further advantages are the low loss of laser power (by optical absorption) and the possibility to assemble very compact optical tweezers systems.
A second set-up was developed, that employs a conical prism (axicon) for generating a hollow-beam optical trap. The axicon converts beams with a TEM00 (Gaussian) propagation mode into beams with an annular intensity profile. By focusing the annular beam, an 'optical-cup' laser trap is generated. High-reflecting and low-index particles are trapped inside the dark zone of the beam and can be manipulated in three dimensions.

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