Von optischen Pinzetten und Zahnrädern

Im letzten Vortrag des Naturwissenschaftlich-Medizinischen Vereins für dieses Jahr, mit dem auch die Vorsitzenden-Periode von Vizerektor Tilmann Märk endet, präsentierte Prof. Monika Ritsch-Marte vom Institut für Medizinische Physik gestern die Möglichkeiten des Einsatzes von Licht in der Mikrowelt. Laserlicht findet heute in der Biologie und Medizin eine breite Anwendung. Es wird zum Schneiden, Strecken, Perforieren, Fusionieren und zum selektiven Zerstören verwendet. In der Mikrowelt bedarf es einer hohen Zahl von Photonen, um die sehr kleinen Objekte einzufangen, zu verschieben, in Rotation zu versetzen oder zu dehnen. Der Amerikaner Arthur Ashkin war der Pionier der so genannten Laserpinzetten. Er glaubte an die Idee, mit Licht Teilchen fangen zu können und erlebte schließlich auch die experimentelle Umsetzung. 1970 konnten die ersten Teilchen mit Gauss-Strahlen eingefangen werden. Seither hat das Gebiet einen rasanten Aufschwung genommen.

Wie funktionieren Laserpinzetten?
Das Prinzip ist einfach: Das Maß für den Impuls von Licht ist die Ausbreitungsrichtung. Durch Brechung wird die Richtung des Lichts verändert, es entsteht eine Reaktionskraft und damit eine Impulsübertragung auf das Objekt. Schafft man es, das Licht soweit zu fokussieren, dass der Fokus kleiner als das Teilchen ist, dann kann die Richtung der Impulsübertragung kontrolliert werden. Damit ist es möglich, Objekte in Lichtfallen zu fangen. Durch den Einsatz einer optischen Streckbank könnten bestimmte Zellen gedehnt oder sogar zerrissen werden. Praktische Anwendung fand dieses Prinzip an der Medizinischen Universität Innsbruck bei der Erforschung des Surfactant, das für die Herabsetzung der Oberflächenspannung in den Lungenbläschen verantwortlich ist. Beim Versuch, die Auswirkung der Zelldehnung auf die Ausschüttung des Surfactant zu untersuchen, sind die Wissenschaftler gescheitert, weil die optischen Kräfte zu schwach für diesen Zelltyp waren. Dennoch konnten mit Hilfe der optischen Effekte die Eigenschaften des Surfactant genauer untersucht werden.

Holographische Laserpinzetten
Ganz neu auf dem Gebiet der optischen Manipulation sind die holographischen Laserpinzetten, an denen nur wenige Arbeitsgruppen weltweit arbeiten. Das Forschungsteam um Prof. Ritsch-Marte benutzt einen reflektierenden, hochauflösenden LCD-Schirm, um holographische Bilder zu erzeugen, die auf die Lichtfalle gelenkt werden. Durch die Manipulation dieser Hologramme wird es möglich, die Falle dynamisch zu steuern, mehrere Fallen gleichzeitig zu betreiben und beliebige Formen von Lichtfeldern zu realisieren. Damit gelingt es erstmals auch den Drehimpuls des Lichts auf Teilchen zu übertragen. So entstehen unter dem Mikroskop faszinierende Lichtformationen, welche die mikroskopischen Objekte bewegen, leiten und kontrollieren. Der Phantasie sind hier kaum Grenzen gesetzt: es lassen sich kleine Pumpen, Zahnräder, Ringe oder Netze realisieren. Solche „Fischernetze“ könnten zum Beispiel in Zukunft dazu verwendet werden, Objekte unterschiedlicher Größe – wie zum Beispiel Mikrometastasen – im Blut ausfindig zu machen. Entsprechende Versuche hat Prof. Ritsch-Marte in ihrem Vortrag angekündigt. (cf/bb)