Piezo-Aktoren in Pinzetten 1

Kraftmessung in nanoskopischen Dimensionen
Optische Pinzetten können mithilfe eines Laserstrahls winzige Objekte greifen, führen und manipulieren und so auf Zellebene kleinste Kräfte messen. Da das Verfahren lediglich den Strahlungsdruck des Lichts nutzt, ist es kontaktlos und kontaminationsfrei. Um die Genauigkeit zu erhöhen, setzt JPK Instruments bei seinem NanoTracker ein piezobasiertes Nanopositioniersystem von PI ein.

Die optische Pinzette (engl. Laser Tweezers, Optical Tweezers) besteht im Prinzip aus einem Laser und einer Anordnung optischer Linsen. Durch geeigneten Aufbau des Strahlengangs lässt sich so eine in drei Dimensionen bewegliche „Falle“ erzeugen. Mit dieser ist es möglich, Objekte mit Größen im Nano- oder Mikrometerbereich quasi zu fangen, zu halten und gegenüber anderen Objekten definiert zu bewegen, und das alles lediglich mit Hilfe von Licht. Ist beispielsweise ein Polystyrol-Kügelchen, ein so genanntes Bead, im Laserstrahl gefangen, kann der am Bead angelagerte Teil einer Probe durch Bewegen des Laserstrahls manipuliert werden; das Bead versucht im Fokus zu bleiben. Wird es dabei von der Probe gehindert und wandert aus dem Fokus, kann man über die Streuung des Laserstrahls die entstehenden Kräfte messen und analysieren.

Aufgrund solcher Daten sind Wissenschaftler dann beispielsweise in der Lage, auf Nanometer-Ebene zu untersuchen, wie Viren und Bakterien in eine Zelle eindringen.
Da das Verfahren lediglich den Strahlungsdruck des Lichts nutzt, gibt es keinen direkten Kontakt mit der Probe. Damit wird das Risiko von Verschmutzung, also einer Kontaminierung der Probe ausgeschlossen. Sterilität ist gewährleistet, die Proben können manipuliert werden, ohne sie zu beschädigen, und es lassen sich sehr kleine Kräfte im Nano- oder Pico-Newton-Bereich messen. Gegenüber Rasterkraft-Mikroskopen bietet die optische Pinzette dabei vor allem den Vorteil, dass Betrachtungen nicht nur in Richtung der z-Achse, sondern in allen drei räumlichen Dimensionen möglich sind und man Experimente interaktiv durchführen kann.

Das erste Unternehmen, das ein serienreifes Laser-Tweezer-System auf den Markt brachte, welches eine zeitaufgelöste Detektion einzelner Moleküle ermöglicht und aufgrund umfangreicher Software viele der mathematisch komplexen Analysemethoden direkt unterstützt, ist JPK Instruments, Berlin.  Dies schreibt auch der als Fachmann auf diesem Gebiet anerkannte Steven Block (Stanford University) in seinem Editorial zur Ausgabe August 2009 von Current Pharmaceutical Biotechnology. Mit dem NanoTracker  kann der Anwender Teilchen von der Größe mehrerer Mikrometer bis hin zu 30 nm kontrollieren und manipulieren. Die entsprechenden Proben, beispielsweise ganze (lebende) Zellen oder auch einzelne Moleküle, lassen sich in Echtzeit mit Nanometer-Präzision beobachten. Das System ermöglicht genaue quantifizierbare und reproduzierbare Messungen unterschiedlichster Partikel- beziehungsweise Zell-Interaktionen.

Während der Messung von Kräften ist es prinzipiell möglich, die Manipulation nur über die Steuerung der Fallen zu gestalten, und somit die Laserstrahlstreuung auszuwerten. „Für etliche Applikationen reicht dies allerdings nicht aus“, erläutert Dr. Joost van Mameren, Applikationswissenschaftler bei JPK. „Wenn beispielsweise während einer Untersuchung mit konstanter Geschwindigkeit verfahren wird, integrieren wir in unsere NanoTracker ein piezobasiertes dreiachsiges Nanopositioniersystem.

Die kleinen Störsignale, die bei reiner Fallensteuerung durch die Bewegung bei der Optikablenkung auftreten könnten, lassen sich so ausschließen. Außerdem bietet das Positioniersystem die Möglichkeit, auch im Laufe eines Experiments bei Bedarf den optischen Fokus in Richtung der z-Achse zu verschieben. Die Optik zu diesem Zweck zu manipulieren sollte man vermeiden, denn Messfehler durch Störsignale wären dann programmiert. Außerdem ermöglicht das Nanopositioniersystem eine Kalibration des Laser Tweezers für eine höhere Positioniergenauigkeit.“

Bei der Auswahl des Nanopositioniersystems hat sich JPK für ein piezobasiertes Nanopositionsystem von Physik Instrumente (PI), Karlsruhe, entschieden. „Das parallelkinematische System arbeitet mit Wiederholgenauigkeiten im Nanometerbereich bei Ansprechzeiten unterhalb einer Millisekunde und passt mit einem Stellweg von 100 x 100 x 100 µm perfekt für die Anforderungen unserer Anwendung. Außerdem erweist es sich als sehr zuverlässig und überzeugt durch seine Langlebigkeit“, so Dr. van Mameren weiter.

Die treibende Kraft der in den optischen Pinzetten eingesetzten hochdynamischen parallelkinematischen Nanopositioniersysteme sind Piezoaktoren. Diese Piezoaktoren wandeln elektrische Spannung direkt in mechanische Auslenkung und umgekehrt. Dabei können typischerweise Stellwege von einigen hundert Mikrometern und hoher Dynamik mit Frequenzen bis zu mehreren hundert Hertz erreicht werden. Da die Bewegung auf kristallinen Effekten beruht, können Bewegungen bis in den Bereich einzelner Nanometer aufgelöst werden.

Für eine bestmögliche Übertragung der Antriebskräfte sorgen computerberechnete reibungsfreie Festkörpergelenkführungen. Sie erlauben optimierte Steifigkeit und Ablaufgenauigkeiten. Letztere werden durch die aktive Führung noch verbessert: Der gemeinsame Einsatz von Parallelkinematik und paralleler Direktmetrologie ermöglicht bei dem mehrachsigen Nanopositioniersystem jederzeit ein gleichzeitiges Messen aller Freiheitsgrade gegenüber einer gemeinsamen festen Referenz.

Ein ungewolltes Übersprechen der Bewegung (zum Beispiel durch externe Krafteinwirkung) in eine andere Achse kann so detektiert und in Echtzeit aktiv ausgeregelt werden. Das ermöglicht eine hohe Bahntreue im Nanometerbereich, auch bei dynamischem Betrieb. „Dazu tragen entscheidend die im Nanopositioniersystem
integrierten kapazitiven Sensoren bei“, führt Dr. van Mameren weiter aus.