Optische Pinzette

Eine optische Pinzette ist ein hochpräzises Instrument, das mit Hilfe von Licht mikroskopisch kleine Objekte wie Zellen, Bakterien, Viren oder sogar einzelne Moleküle festhalten und gezielt bewegen kann. Die Technik nutzt die Kraft von stark fokussierten Laserstrahlen, um kleine Teilchen kontaktlos zu fixieren – vergleichbar mit einer herkömmlichen Pinzette, jedoch ohne physischen Kontakt. Sie wird daher auch als „Laserpinzette“ bezeichnet.

Die Besonderheit der optischen Pinzette liegt darin, dass sie es ermöglicht, extrem kleine und empfindliche Objekte zu manipulieren, ohne diese zu beschädigen. Das macht sie besonders nützlich in der biologischen und medizinischen Forschung, wo Zellstrukturen oder Proteine untersucht werden, die durch mechanische Einwirkung zerstört werden könnten. Auch in der Physik und Nanotechnologie spielt die optische Pinzette eine bedeutende Rolle, etwa bei der Untersuchung von kolloidalen Partikeln oder der Messung sehr kleiner Kräfte im Pikonewton-Bereich.

Durch ihre Fähigkeit zur präzisen Kraftausübung und Bewegungskontrolle hat sich die optische Pinzette zu einem unverzichtbaren Werkzeug in vielen modernen Forschungsfeldern entwickelt und trägt maßgeblich zum Verständnis mikroskopischer Prozesse bei.

Die Funktionsweise einer optischen Pinzette beruht auf den physikalischen Prinzipien des Lichtimpulses und der Strahlungsdruckkraft. Ein Laserstrahl trägt Impuls, der beim Auftreffen auf ein kleines transparentes Teilchen übertragen wird. Trifft der stark fokussierte Laserstrahl auf das Teilchen, so werden die Lichtstrahlen an dessen Oberfläche gebrochen und gestreut. Dabei entsteht durch Impulserhaltung eine Kraft, die das Teilchen in Richtung der höchsten Lichtintensität – also zum Fokuspunkt des Lasers – zieht. Diese sogenannte Gradientenkraft wirkt dem Streudruck entgegen, der das Teilchen in Strahlrichtung wegdrücken würde.

Die Balance dieser Kräfte sorgt dafür, dass das Teilchen im dreidimensionalen Raum stabil gefangen gehalten wird. Für den Effekt sind bestimmte Bedingungen notwendig: das Teilchen muss kleiner oder etwa gleich groß wie die Wellenlänge des Lichts sein, und es muss einen höheren Brechungsindex als das umgebende Medium besitzen.

Oft werden Infrarotlaser verwendet, da sie für biologische Proben weniger schädlich sind. Die Bewegung des Laserpunkts – etwa durch Linsen oder Strahlablenker – erlaubt es, das gefangene Teilchen gezielt durch das Medium zu bewegen oder sogar mehrere Teilchen gleichzeitig zu manipulieren. Optische Pinzetten ermöglichen zudem die Messung sehr kleiner Kräfte (im Bereich von 10⁻¹² bis 10⁻¹⁴ Newton), was sie ideal für biophysikalische Untersuchungen macht.

Optische Pinzetten werden in einer Vielzahl wissenschaftlicher Disziplinen eingesetzt, insbesondere in der Biophysik, Molekularbiologie, Medizin, Materialforschung und Nanotechnologie. In der Biologie nutzt man sie beispielsweise, um Zellen oder Zellbestandteile wie Organellen, DNA-Stränge oder Proteine gezielt zu bewegen oder zu dehnen, ohne sie zu beschädigen. Damit lassen sich mechanische Eigenschaften wie Elastizität oder Bindungskräfte von Biomolekülen untersuchen.

In der Medizinischen Forschung helfen optische Pinzetten bei der Untersuchung von Krankheitserregern, der Interaktion zwischen Zellen oder der Wirkweise von Medikamenten auf molekularer Ebene. So können beispielsweise Kräfte gemessen werden, mit denen ein Virus an eine Zellmembran bindet.

In der Physik und Materialwissenschaft dienen sie zur Untersuchung kolloidaler Systeme, zur Positionierung von Nanopartikeln oder zur Kontrolle chemischer Reaktionen im Mikrobereich.

Ein besonders spannender Anwendungsbereich ist die Kombination mit anderen Technologien wie Mikroskopie, Fluoreszenzmessung oder mikrofluidischen Systemen, was ganz neue Möglichkeiten der Analyse auf molekularer Ebene eröffnet. Durch diese Vielseitigkeit sind optische Pinzetten ein unverzichtbares Werkzeug für die Grundlagenforschung und die Entwicklung neuer Technologien.

Die Grundlagen für optische Pinzetten wurden in den 1970er-Jahren von dem amerikanischen Physiker Arthur Ashkin gelegt. Er entdeckte, dass Licht – obwohl es masselos ist – durch seine Impulse Kräfte auf kleine Teilchen ausüben kann. Zunächst gelang es ihm, mikroskopische Objekte mit zwei gegenläufigen Laserstrahlen zu stabilisieren. Später entwickelte er die einstrahlige optische Pinzette, bei der ein einziger stark fokussierter Laserstrahl genügt, um ein Teilchen in einem dreidimensionalen Raum zu fixieren.

Ashkins bahnbrechende Arbeiten wurden lange Zeit unterschätzt, doch seine Technologie gewann im Laufe der Jahrzehnte enorme Bedeutung für viele Forschungsfelder. 1986 gelang ihm erstmals die Anwendung auf biologische Zellen, was den Weg für biophysikalische und medizinische Anwendungen ebnete.

Für seine grundlegenden Beiträge erhielt Arthur Ashkin 2018 den Nobelpreis für Physik – im Alter von 96 Jahren. Seine Entdeckung wurde gemeinsam mit Entwicklungen in der Laserphysik und molekularen Manipulation gewürdigt.

Seitdem wurden optische Pinzetten ständig weiterentwickelt. Neue Varianten ermöglichen die gleichzeitige Manipulation mehrerer Partikel, die Integration in Mikrofluidiksysteme oder Kombinationen mit Raman-Spektroskopie und anderen Methoden. Damit bleibt die optische Pinzette auch heute ein zukunftsweisendes Werkzeug in der experimentellen Forschung.

Vielen Dank an Dr. Frank Vewinger für den sehr informativen und kurzweiligen Abend rund um die optische Pinzette.

Auch wenn das "böse" Wort in der Beschreibung der optischen Pinzette oben nicht auftaucht: die Anwendung der optischen Pinzette beruht letztendlich auf den Erkenntnissen aus der Quantenphysik. Also einem durchaus komplexen und anspruchsvollen Umfeld.
Wir haben uns daher gefragt, wie ein solches Thema wohl in unserem Kreise ankommt. Daraus hat Horst Wörmann eine kleine Umfrage gemacht, deren Antworten durchaus Mut machen, auch solche Themen anzugehen. Insbesondere, wenn diese so hervorragend dargestellt werden, wie es Dr. Vewinger für uns getan hat.
Hier ein paar Zitate aus den Antworten zur Frage
"Gut - schlecht - zu viel Physik?

"Ja, sollte man. Gestaunt habe ich, was es so alles gibt!
Und das aus erster Hand!
Der Vortrag war klasse!"

"Ich fand den Abend gestern sehr beeindruckend und würde weitere solcher „abgehobenen“ Vorträge begrüßen! Sowas bekommt man sonst nicht irgendwo von einem Experten erklärt in einem so kleinen Kreis und entspannter Atmosphäre.
Hat mich noch den ganzen Abend beschäftigt!"

"...ich war sehr gespannt auf den Vortrag gestern, hatte mich thematisch aber nicht vorab informiert. Ich war begeistert - vom Thema, der Darstellung und Einordnung
und vom Vortragenden selbst. Er hat das wirklich toll erklärt.
Die praktische Durchführung am Schluß war auch gut - man konnte sehen, wie einfach das Gerät aufgebaut ist, aber auch, wie präzise man arbeiten muss.
Fazit: toller Vortrag und ich finde, wir können uns solchen etwas abgehobeneren aber benachbarten Themen gern weiter widmen.
Die Vorträge gestern und der über die Rheingerölle haben mich beide begeistert!"

"...ich fand es genial. Auch gut und verständlich erklärt (bin ja nun auch schon ein paar Tage aus der Physik raus ) und in keinster Weise abgehoben.
Gerne wieder, zumal es hier ja auch einen starken Bezug zur Mikroskopie gab."

Text:	Jörg Weiß
Bilder:	Jörg Weiß