TU Wien revolutioniert optische Pinzette
Lichtstrahlen kommen zum Einsatz, um Moleküle oder kleine biologische Partikel zu manipulieren. Die TU Wien hat nun eine Methode entwickelt, die solche “optischen Pinzetten” weiter nach vorne bringen.
Intensitätsverteilung eines elektrischen Wellenfeldes. TU Wien forscht an optischer Pinzette.
Foto: TU Wien
Star Trek-Fans kennen ihn nur zu gut: den “Traktorstrahl”. Dieser Energiestrahl kommt in den beliebten Filmen zum Einsatz, um externe Objekte vom Raumschiff aus zu bewegen. So ähnlich kann man sich die optische Pinzette der TU Wien auch vorstellen. Atome, Moleküle oder sogar lebende Zellen lassen sich mit Lichtstrahlen manipulieren. Sogar Viren oder Zellen können damit festgehalten oder gezielt bewegt werden. Eine Bedingung gibt es: Lichtpinzetten funktionieren nur, wenn sich das festgehaltene Objekt im leeren Raum befindet. Störungen in der Umgebung lenken Lichtwellen ab und zerstören den Effekt. Zu einer wahren Herausforderung wird das dann bei biologischen Proben, die meistens in eine räumlich sehr komplexe Umgebung eingebettet sind. Forscher an der TU Wien machen aus dieser Not eine Tugend, die jeden Ingenieur in der Biotechnologie interessieren dürften. Doch vor allem Mitarbeiter im Bereich Optik und Photonik begeistert die Neuerung aus Wien.
Rechenmethode ermittelt Lichtwellenform
Die Aufgabe für die Wiener Forscher ist deutlich: Kleinste Teilchen sollen innerhalb einer störenden Umgebung bearbeitet werden können. Zur Lösung wird eine spezielle Rechenmethode herangezogen, um die optimale Lichtwellenform zu ermitteln. Einzelne biologische Teilchen lassen sich im Inneren einer Probe festhalten, bewegen oder drehen – auch wenn Forscher sie nicht direkt berühren können. Der maßgeschneiderte Lichtstrahl fungiert also als eine Art Universal-Fernbedienung. Die neue Lichtpinzetten-Technik wurde bereits im Fachjournal „Nature Photonics“ vorgestellt.
Physik-Nobelpreis für optische Pinzetten
„Laserstrahlen zur Manipulation von Materie einzusetzen ist längst nichts Ungewöhnliches mehr“, erklärt Stefan Rotter vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien. 1997 wurde der Physik-Nobelpreis für Laserstrahlen vergeben, mit denen sich Atome abbremsen und damit abkühlen ließen, 2018 ging die berühmte Auszeichnung an die Entwicklung der optischen Pinzetten. Über die Vergabe der diesjährigen Nobelpreise berichten wir hier. Die Batterieforschung hat beispielsweise den Nobelpreis für Chemie 2019 erhalten.
Streueffekte kompensieren
Lichtwellen sind sehr empfindlich. In einer unregelmäßigen Umgebung brechen sie schnell und können in alle Richtungen gestreut werden. Es entsteht ein wirres Wellenmuster. Die Wirkung auf ein bestimmtes Partikel, das Forscher manipulieren möchten, kann sich dadurch völlig verändern.
„Diesen Streu-Effekt kann man jedoch kompensieren“, erklärt Michael Horodynski, Erstautor der Studie. „Im Speziellen berechnen wir, wie man die Welle anfangs formen muss, damit sie von den Unregelmäßigkeiten einer ungeordneten Umgebung genau in die Form gebracht wird, die wir wollen.“
Die vielen kleinen Störungen, die normalerweise das Experiment unmöglich machen, werden genutzt, um genau die gewünschte Wellenform zu erzeugen, die dann an einem bestimmten Partikel ihre Wirkung entfaltet. Damit das gelingt, wird das Partikel samt seiner ungeordneten Umgebung zunächst mit verschiedenen Wellen beleuchtet. Dabei misst man zweimal kurz hintereinander, auf welche Weise die Wellen reflektiert werden. „Angenommen, in der kurzen Zeit zwischen den beiden Messungen bleibt die ungeordnete Umgebung ziemlich gleich, während sich das Partikel, das wir manipulieren wollen, ein kleines bisschen verändert“, sagt Stefan Rotter. „Denken wir etwa an eine Zelle die sich bewegt, oder einfach nur ein winziges Stück nach unten sinkt. Dann wird die Lichtwelle, die wir hineinschicken bei der zweiten Messung ein kleines bisschen anders reflektiert als beim ersten Mal.“ Und genau dieser winzige Unterschied ist entscheidend: Mit der neuen Rechenmethode des Forschungsteams an der TU Wien lässt sich berechnen, welche Welle man verwenden muss, um diese Partikelbewegung zu verstärken oder abzuschwächen.
Erste erfolgreiche Experimente mit Mikrowellen
Die neue Rechenmethode konnte bereits erfolgreich angewendet werden. Kevin Pichler, ebenfalls Teil des Forschungsteams an der TU Wien, setzte sie bei Projektpartnern an der Universität Nizza ein: Er verwendete zufällig angeordnete Teflonobjekte, die er mit Mikrowellen bestrahlte – und tatsächlich gelang es auf diese Weise, genau jene Wellenformen zu erzeugen, die durch die Unordnung des Systems am Ende genau die gewünschte Wirkung zeigten. „Das Mikrowellenexperiment zeigt, dass unsere Methode funktioniert“, berichtet Stefan Rotter. „Aber das eigentliche Ziel ist, sie nicht mit Mikrowellen sondern mit sichtbarem Licht einzusetzen. Das könnte für optische Pinzetten völlig neue Anwendungsgebiete erschließen und speziell in der biologischen Forschung erlauben, kleine Partikel auf eine Weise zu kontrollieren, die bisher völlig unmöglich war.“
Zukunftsvisionen aus Wien
“Die Zukunftsvision unserer Methode ist die Anwendung von optischen Pinzetten auf komplexe Systeme, wie sie in der biomedizinischen Optik gängig sind; wo also ein Lichtstrahl erst durch eine komplexe Struktur wie Gewebe dringen muss, um zu dem Objekt vorzudringen, das man beobachten oder manipulieren will”, erklärt Stefan Rotter gegenüber ingenieur.de.
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