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Publiziert am 08.10.2007

Zelljagd mit holografischer Pinzette

 
Neues Werkzeug für mikroskopische Objekte.

In der Biomedizin, der Mikrosystemtechnik und der Mikrochemie ist es erforderlich, winzig kleine Objekte berührungsfrei zu manipulieren. Dabei werden die Teilchen mit Hilfe von optischen Pinzetten eingefangen und mit Laserskalpellen bearbeitet. Das Institut für Technische Optik (ITO) der Uni Stuttgart entwickelte erstmals ein kombiniertes Einfang- und Bearbeitungssystem für mikroskopische Objekte, das komplett holografisch gesteuert wird. Das Werkzeug erlaubt es, Zellen dreidimensional und höchst präzise zu bewegen, zu rotieren oder zu zerstören.

Optische Pinzetten nutzen die Möglichkeit, mittels Licht einen Impuls auf ein Objekt zu übertragen und damit Kräfte wirken zu lassen. Ein zweiter Weg sind so genannte Laserskalpelle, bei denen man die Energie des Lichts zum Schneiden, Verschmelzen oder Zerstören verschiedenster Materialien einsetzt. Kombiniert lassen sich beide Methoden in vielen modernen Technologiebereichen wie der Mikro- oder Nanotechnik und den Lebenswissenschaften einsetzen. Dabei werden die Lichtfelder in konventionellen Systemen mechanisch, in der Regel mit Hilfe von Spiegeln, bewegt. Arbeitet man mit mehreren Zellen gleichzeitig, stößt dies jedoch schnell an Grenzen.

Hier sollen holografisch gesteuerte Systeme, wie sie das ITO entwickelt, Abhilfe schaffen: Durch den Einsatz eines hochauflösenden dynamischen Lichtmodulators als Hologramm lässt sich eine nahezu beliebige Anzahl von Einfang- oder Bearbeitungslichtfeldern erzeugen, die völlig unabhängig voneinander dreidimensional bewegt werden können. Die so erzeugten Lichtpunkte sind auf wenige Nanometer genau steuerbar. Neben einer dreidimensionalen Bewegung lassen sich Zellen auch gezielt rotieren oder kippen. Die Berechnung der Hologramme erfolgt - auch für große Fallzahlen - in Videoechtzeit auf einem konventionellen PC.

Im Rahmen des von der Landesstiftung Baden-Württemberg geförderten Projekts AMiMa (Aktive MikroManipulation) entwickelten und konstruierten die Wissenschaftler des ITO nun erstmals ein Kombinationswerkzeug für das Einfangen und die Bearbeitung von Mikroobjekten, das komplett holografisch gesteuert wird. Die holografische Pinzette arbeitet im zellschonenden nahen Infrarotbereich bei einer Wellenlänge von 1.064 Nanometern. Gesteuert wird sie durch ein LC-Display, wie es auch in konventionellen Daten- oder Videoprojektoren eingesetzt wird. Das holografische Mikroskalpell hingegen wird im nahen Ultraviolettbereich bei 355 Nanometern betrieben.

Die Kombination aus holografisch gesteuerter Pinzette und holografischem Mikroskalpell ist deutlich preisgünstiger und genauer als vergleichbare mechanische Systeme. Gerade bei automatisierten Anwendungen wie beispielsweise in der biomedizinischen Diagnostik dürfte das Werkzeug aus Sicht der Wissenschaftler deshalb großes Zukunftspotential haben. So könnte ein computergesteuertes System mit Hilfe der Bildverarbeitung in einer Blutprobe relevante Zellen erkennen, diese mit der holografischen Pinzette isolieren und schließlich mit verschiedenen biochemischen und optischen Verfahren (zum Beispiel der Spektroskopie) weiterverarbeiten. Weitere Anwendungsmöglichkeiten zeichnen sich im Bereich der Mikrochemie ab.