DE10028418C1 - Verfahren und Instrument zur Positionierung und Orientierung kleiner Teilchen in einem Laserstrahl - Google Patents

Abstract

Bei den bekannten Instrumenten für die Beobachtung kleiner Teilchen ist es nicht möglich, ein Teilchen aus jeder gewünschten Richtung zu beobachten, ohne die Detektionsoptik um das Teilchen zu drehen. Das neue Verfahren soll es erlauben, das Teilchen auf der Stelle zu drehen, so daß die Drehung der Detektionsoptik nicht notwendig ist. DOLLAR A Ein Teilchen (8) wird durch einen leicht fokussierten Laserstrahl (3) so von unten bestrahlt, daß sich die durch den Strahl (3) erzeugte Kraft und die Schwerkraft aufheben und das Teilchen (8) schwebt; durch die Intensitätsänderung des Laserstrahls (3) wird das Teilchen (8) um die vertikale Achse gedreht (16) und ändert seine absolute Höhe (15). Durch die vertikale Verschiebung (17) der Linse (6), die den Laserstrahl fokussiert, kann diese Höhenverschiebung (15) kompensiert werden, so daß das Teilchen (8) durch die Intensitätsänderung lediglich um die vertikale Achse gedreht wird. DOLLAR A Das neue Verfahren erlaubt es, Teilchen für die mikroskopische Beobachtung zu orientieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Instrument gemäß den Ansprüchen 1 und 7.

Optische Fallen, die mit Hilfe eines fokussierten Laserstrahls erzeugt werden, werden verwendet, um kleine Teilchen (bevorzugte Größenordnung 0,1 bis 100 µm) zu fangen, zu bewegen und zu mani­ pulieren. Dazu wird z. B. ein kollimierter Laserstrahl durch ein Objektiv in einer wäßrigen Lösung fokussiert. Kurz hinter seinem Brennpunkt findet sich das Minimum eines dreidimensionalen Potential­ topfes, in dem transparente Teilchen mit einem Brechungsindex, der größer als der Brechungsindex des wäßrigen Mediums ist, gefangen werden. Wird der Potentialtopf durch die Bewegung des Laserstrahls verschoben, so wird ein gefangenes Teilchen mitgeführt.

Optische Fallen dieser Art sind seit den 80er Jahren bekannt, wie zum Beispiel aus der Druckschrift US 4,893,886 hervorgeht. Die Druck­ schrift beschreibt eine optische Falle für biologische Partikel, die ein Objektiv mit hoher numerischer Apertur verwendet, das einen Potentialtopf erzeugt, in dem Teilchen in allen drei Raumrichtungen gefangen werden können.

Die ursprüngliche Methode die Zahl der Freiheitsgrade durch Licht einzuschränken ist die der Levitation, die bereits in den 70er Jahren entwickelt wurde (z. B. Ashkin et al., Appl. Phys. Lett. 19, 283 (1971)). Dabei trifft der nicht oder nur wenig fokussierte Licht­ strahl entgegengesetzt zur Erdanziehungskraft auf das Teilchen, so daß er auf das Teilchen im Strahl eine abstoßende, d. h. längs der optischen Achse in Strahlrichtung wirkende Kraft erzeugt. Diese Kraft wird vor allem durch den Impulsübertrag der Photonen bewirkt, die an dem Teilchen gestreut werden. Ist sie so groß wie die auf das Teil­ chen wirkende Schwerkraft, so wirkt auf das resultierende Teilchen keine vertikale Kraft und es schwebt im Strahl. Üblicherweise erfolgen Levitationsexperimente in Luft oder im Vakuum. In Luft spielen auch radiometrische Kräfte eine Rolle.

Aus der US 4,092,535 ist ein Instrument für die optische Levitation bekannt, mit dem ein Partikel im Vakuum gehalten wird, wobei verti­ kale und horizontale Störungen der Teilchenposition durch eine Regelung ausgeglichen werden, bei welcher der Laserstrahl in seiner Form und Größe angepaßt wird und die Leistung des Lasers dynamisch eingestellt wird.

Aus der wissenschaftlichen Literatur sind seit der grundlegenden Arbeit von Ashkin et al. (Opt. Lett. 11, 288 (1986)) viele Arbeiten bekannt, bei denen optische Fallen verwendet wurden. Dahingegen gibt es nur relativ wenige Arbeiten, bei denen Levitationsexperimente durchgeführt wurden.

In allen bisher genannten Arbeiten wurde das Verhalten der Teilchen in der optischen Falle (und erst recht bei Levitationsexperimenten) vernachlässigt. Vor allem Gauthier et al. (Appl. Phys. Lett. 67, 2269 (1995) und Appl. Opt. 38, 4850 (1999)) und Friese et al. (Phys. Rev. A 54, 1593 (1996); Nature 394, 348 (1998) und Opt. Lett. 23, 1 (1998)) haben insbesondere das Rotationsverhalten der in optischen Fallen gefangenen Teilchen genauer studiert. Während die meisten anderen Wissenschaftler sich darauf konzentrieren, den Mechanismus der Drehmomentübertragung, seine Abhängigkeit von der Form und der Symmetrie des gefangenen Teilchens und seine Abhängigkeit von der Intensität und der Polarisation des Lichtstrahls zu erforschen, entwerfen Gauthier et al. einen Mikromotor, der durch die Strahlung angetrieben wird und sich in der Falle dreht.

Während Teilchen in den dreidimensionalen optischen Fallen leicht gefangen, bewegt und manipuliert werden können, ist eine Beein­ flussung in einem Levitationsexperiment, in dem ein schwach fokussierter oder kollimierter Lichtstrahl verwendet wird, schwieri­ ger, da dort die axiale Gegenkraft nicht durch den Lichtstrahl selbst erzeugt wird, sondern nur durch die auf das Teilchen wirkende Gravitationskraft. Bei diesen Experimenten ist man also stets an Kräfte gebunden, die in der gleichen Größenordnung wie die Gravitationskraft liegen, und kann daher die Intensität des Lichtstrahls nicht beliebig variieren.

Auch die durch die Polarisation des Lichtstrahls hervorgerufenen Kräfte, die bei optischen Fallen in wäßriger Lösung oft zur Orien­ tierung des gefangenen Teilchens verwendet werden, erweisen sich als zu schwach, um bei Levitationsexperimenten für die Orientierung des Teilchens verwendet zu werden. Da der Abstand des Teilchens von der Linse (bzw. seine absolute Höhe) von der Intensität des Lichtstrahls abhängig ist, kann durch eine Erhöhung der Intensität die absolute Höhe des Teilchens erhöht werden. Gleichzeitig dreht sich das Teil­ chen in dem Lichtstrahl um eine vertikale Achse (d. h. der Lichtstrahl übt ein Drehmoment aus). Das Teilchen vollführt also eine Spiral­ bewegung nach oben. Diese beiden Effekte werden in der vorliegenden Erfindung ausgenutzt.

Mikromanipulationsexperimente, wie sie heutzutage beispielsweise an biologischen Objekten durchgeführt werden, verlangen oftmals die Ausrichtung der zu untersuchenden Objekte, beispielsweise weil sie von allen Seiten untersucht werden sollen. Die aus der technisch- wissenschaftlichen Literatur bekannten Instrumente für Levitations­ experimente lassen aber eine gezielte Orientierung der gefangenen Teilchen nicht zu. Um in diesen Instrumenten das Teilchen aus der gewünschten Richtung zu beobachten, ist es notwendig, die Detektions­ optik um das Teilchen zu drehen, was mit großem apparativen Aufwand verbunden ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, wie kleine Teilchen in einen einfachen Aufbau für Levitationsexperimente mit raumfester Detektionsoptik unter beliebigen Winkeln beobachtet werden können. In der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst, indem die Intensitätsabhängig­ keit der Position und der Rotation des Teilchens zur Positionierung und Orientierung desselben verwendet werden. Hierzu wird erfindungs­ gemäß vorgeschlagen, daß das Teilchen durch einen leicht fokussierten Laserstrahl so bestrahlt wird, daß sich die durch die Photonen erzeugte Kraft und die Schwerkraft ausgleichen und das Teilchen schwebt. Durch die Variation der Intensität des Laserstrahls wird das Teilchen um eine Achse gedreht, die kollinear zur Strahlrichtung ist, und seine absolute Höhe variiert. Durch die Verschiebung der Linse, die den Laserstrahl fokussiert, längs ihrer optischen Achse kann diese axiale Bewegung des Teilchens kompensiert werden, so daß das Teilchen durch die Intensitätsänderung lediglich um eine zur Strahlrichtung kollineare Achse gedreht wird.

Eine laterale, d. h. zur Strahlrichtung senkrechte Bewegung des Teilchens kann durch eine laterale Verschiebung der Linse, die den Laserstrahl fokussiert, korrigiert werden. Außerdem können optische Elemente (beispielsweise Spiegel) im Beleuchtungsstrahlengang beweglich gestaltet sein, so daß ihre Bewegung (beispielsweise eine Verkippung oder eine Verschiebung) die laterale Bewegung des Teil­ chens kompensieren kann.

Als Lichtquelle wird vorzugsweise ein Laser eingesetzt, der eine für die Levitation hinreichende Intensität zur Verfügung stellt.

Für die Bewegung des gefangenen Teilchens muß die Intensität des Laserstrahls eintellbar sein. Dies geschieht vorzugsweise mittels eines zusätzlichen Intensitätsmodulatoren, beispielsweise einem akusto-optischen Modulator. Es ist aber auch möglich, die Laser­ leistung direkt über die Stromversorung des Lasers zu regeln.

Zur Fokussierung des Laserstrahls kann eine beliebige Linse eingesetzt werden. Vorteilhafterweise hat die Linse eine lange Brennweite, so daß der Arbeitsabstand groß ist. Die Linse muß so gelagert sein, daß sie zumindest axial verschiebbar ist. Die Ver­ schiebung, die in der Größenordnung um 100 µm liegt, kann manuell mittels einer Mikrometerschraube oder elektronisch ansteuerbar mittels piezoelektrischer oder motorischer Elemente erfolgen.

Als Teilchen können transparente oder absorbierende Teilchen mit einer beliebigen Form eingesetzt werden. Vorteilhafterweise haben die Teilchen eine bekannte Symmetrie, aus der ihr Rotationsverhalten hergeleitet werden kann.

Die Detektion der absoluten Höhe des Teilchens erfolgt vorzugsweise mit einem positionsempfindlichen Detektor, beispielsweise einer Photodiode oder einer Quadrantendiode, oder durch die Auswertung von Bildern, die mit einer Kamera aufgenommen werden. Das Signal dieses Detektors wird zur Regelung der Linsenposition verwendet, durch welche die Höhe des Teilchens eingestellt wird. Zur Sichtbarmachung des Teilchens sowie seiner Orientierung und seiner Höhe (bzw. der Änderung dieser Größen) werden vorzugsweise ein Mikroskopobjektiv und eine CCD-Kamera verwendet. Die Änderung der Orientierung des Teil­ chens läßt sich zudem an der zeitlich-räumlichen Veränderung des durch das gestreute Licht hervorgerufenen Interferenzmusters be­ obachten.

Im Prinzip ist es möglich, die Höhenkorrektur, die bei einer Intensi­ tätsänderung des Laserstrahls zu erfolgen hat, ohne die Auswertung eines Positionssignals durchzuführen, da sich die axiale Bewegung des gefangenen Teilchens als Funktion der Intensitätsänderung berechnen läßt. In einem erfindungsgemäßen Instrument, das auf die Auswertung eines Positionssignals verzichtet, ist daher kein positionsempfind­ licher Detektor notwendig.

Die Elemente, die zur Führung der Strahlengänge verwendet werden, können beispielsweise Spiegel, Strahlteiler oder optische Fasern sein. Insbesondere können bei Verwendung von polarisiertem Licht geeignete optische Elemente, welche die Polarisation des Lichtes beeinflussen, in den Strahlengängen vorgesehen sein.

Vorzugsweise sind die Beobachtungsstrahlengänge so angeordnet, daß sie senkrecht zur vertikalen Beleuchtungsrichtung sind. Jedoch werden die Vorteile der Erfindung in ausreichendem Maße auch dann noch erzielt, wenn der Winkel zwischen der Beleuchtungsrichtung und den Beobachtungsrichtungen in nicht zu großem Maße von einem rechten Winkel abweicht, so daß eine Korrektur der axialen oder lateralen Bewegung des Teilchens erfolgen kann.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Abbildung näher erläutert.

Abb. 1 zeigt die schematische Darstellung des Strahlengangs in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Instruments, bei welcher der Lichtstrahl von unten in eine Probenkammer gelenkt wird und die levitierten Teilchen horizontal beobachtet werden. Die Intensität des Lichts eines Lasers (1) wird entweder direkt durch die Stromversor­ gung der Laserröhre gesteuert oder durch einen in den Laserstrahl (3) eingebrachten Intensitätsmodulator (2) geregelt. Der Laserstrahl (3) wird durch ein Teleskop (4) aufgeweitet, durch einen Spiegel (5) vertikal nach oben gerichtet und durch eine verstellbare Linse (6) leicht in eine Kammer (7) fokussiert. Mit dem Strahl (3) wird ein Teilchen (8) innerhalb der Kammer (7) in der Schwebe gehalten. Das Teilchen (8) wird beispielsweise durch eine feine Nadel in die Kammer (7) eingebracht. Die Position (bzw. lediglich die Höhe) des levi­ tierten Teilchens (8) wird durch einen positionsempfindlichen Detektor (9) erfaßt. Außerdem wird das Teilchen (8) durch eine Linse (14) auf eine CCD-Kamera (10) abgebildet. Filter (11, 12) können eingesetzt werden, um das Laserlicht zu unterdrücken bzw. nur das Licht einer zusätzlichen Beleuchtung (nicht dargestellt) durchzu­ lassen.

Eine vertikale Positionsänderung des Teilchens (8), die beispiels­ weise durch die Änderung der Intensität des Lasers (1) hervorgerufen wird, kann durch eine vertikale Verschiebung der Linse (6) ausge­ glichen werden.

Eine horizontale Positionsänderung des Teilchens (8), die beispiels­ weise durch die Änderung der Intensität des Lasers (1) hervorgerufen wird, kann durch die horizontale Verschiebung der Linse (6) oder durch das Kippen des Spiegels (5) ausgeglichen werden.

Claims (7)

1. Verfahren zur Positionierung und Orientierung kleiner Teilchen in einem fokussiertem Laserstrahl, dadurch gekennzeichnet,
daß die Änderung der Orientierung und der axialen Position des Teilchens (8) durch die Änderung der Intensität des Laserstrahls (3) bewirkt wird und
daß die axiale Änderung der Position des Teilchens (8) durch die axiale Verschiebung des Brennpunkts der Linse (6) ausgeglichen wird, so daß durch eine geeignete Kombination der Intensitätsänderung und der Brennpunktänderung die Orientierung des Teilchens (8) unter Beibehaltung seiner axialen Position verändert werden kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Verschiebung des Brennpunkts der Linse (6) durch die axiale Verschiebung der Linse (6) und/oder durch das Verstellen eines anderen optischen Elementes im Beleuchtungsstrahlengang bewirkt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die laterale Änderung der Position des Teilchens (8) durch die laterale Verschiebung der Linse (6) und/oder durch das Verstellen eines anderen optischen Elementes im Beleuchtungsstrahlengang bewirkt wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung der Linse (6) und/oder das Verstellen eines optischen Elementes durch eine Person oder durch eine Regelung erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Teilchen (8) in Luft befindet.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Teilchen (8) transparent oder absorbierend ist.

7. Instrument zur Beobachtung und/oder Manipulierung von kleinen Teilchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierung und Orientierung der Teilchen durch ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche erfolgt.