EP1935498A1 - Device and method for contactless manipulation and alignment of sample particles in a measurement volume with the aid of an inhomogeneous electrical alternating field - Google Patents

Device and method for contactless manipulation and alignment of sample particles in a measurement volume with the aid of an inhomogeneous electrical alternating field Download PDF

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EP1935498A1
EP1935498A1 EP06026759A EP06026759A EP1935498A1 EP 1935498 A1 EP1935498 A1 EP 1935498A1 EP 06026759 A EP06026759 A EP 06026759A EP 06026759 A EP06026759 A EP 06026759A EP 1935498 A1 EP1935498 A1 EP 1935498A1
Authority
EP
European Patent Office
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particles
optical
sample particles
sample
electromagnetic radiation
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06026759A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Moritz Kreysing
Jochen Dr. Guck
Josef Prof. Dr. Käs
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universitaet Leipzig
Original Assignee
Universitaet Leipzig
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Filing date
Publication date
Application filed by Universitaet Leipzig filed Critical Universitaet Leipzig
Priority to EP06026759A priority Critical patent/EP1935498A1/en
Priority to EP07857093A priority patent/EP2101921A1/en
Priority to PCT/EP2007/011386 priority patent/WO2008077630A1/en
Priority to US12/520,667 priority patent/US8076632B2/en
Publication of EP1935498A1 publication Critical patent/EP1935498A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03CMAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C5/00Separating dispersed particles from liquids by electrostatic effect
    • B03C5/005Dielectrophoresis, i.e. dielectric particles migrating towards the region of highest field strength
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03CMAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C5/00Separating dispersed particles from liquids by electrostatic effect
    • B03C5/02Separators
    • B03C5/022Non-uniform field separators
    • B03C5/026Non-uniform field separators using open-gradient differential dielectric separation, i.e. using electrodes of special shapes for non-uniform field creation, e.g. Fluid Integrated Circuit [FIC]

Definitions

  • the present invention relates to a device for contactless manipulation and alignment of sample particles in a measurement volume with the aid of an inhomogeneous alternating electric field according to the preamble of claim 1.
  • the invention in a second aspect, relates to a method for the contactless manipulation and alignment of sample particles in a measurement volume with the help of an inhomogeneous alternating electric field according to the preamble of claim 14.
  • the invention relates to a laser scanning microscope and to a method of operating a laser scanning microscope.
  • dielectric particles here: particles whose dielectric constant deviates from that of the surrounding medium, with a diameter of less than 1000 ⁇ m, is the dielectrophoresis, which exploits the forces exerted inhomogeneous electric fields on electrically polarizable matter. Depending on whether the particles to be manipulated follow the field gradient or migrate in the opposite direction, one speaks of positive or negative dielectrophoresis.
  • this method requires electrodes in the vicinity of the particles to be manipulated, from which electrical fields emanate.
  • a particularly practicable arrangement of these electrodes is realized in so-called field cages, in which at least four electrodes enclose a volume which is measured by the size of the particles to be manipulated.
  • field cages in which at least four electrodes enclose a volume which is measured by the size of the particles to be manipulated.
  • DC voltages prove to be unsuitable, as they can lead to unwanted side effects such as electrolysis of the medium, strong heating or currents in the medium, which, however, can not be completely ruled out even when alternating voltages are used.
  • the dielectric properties of the samples are generally a function of the frequency of the surrounding electric fields.
  • many materials embedded in common media e.g. aqueous electrolyte solutions, below a certain frequency of positive, above this frequency negative dielectrophoresis. With particles that are not fully characterized, it may therefore be necessary to adjust the frequency via a trial and error procedure to make the operation of the field cage efficient.
  • Characteristic of this rotation is that though there is a balance between the torque induced by the electric field and the torque caused by hydrodynamic friction, but the particle is generally out of balance with respect to its orientation.
  • the frequency with which the trapped particle rotates is not the frequency dictated by the field, but many orders of magnitude lower.
  • optical tweezers are optical traps which hold particles whose refractive index differs from that of the surrounding medium by means of a focused laser beam and position.
  • the basic structure is as follows: With the aid of a partially transmissive mirror, a parallel laser beam, typically monochromatic with a wavelength in the visible or near infrared spectrum and a Gaussian intensity profile, 50 mW, is coupled into the beam path of a light-optical microscope and focused through a high numerical aperture oil immersion objective into the sample space, typically: liquid film between two coverslips.
  • laser beams can be coupled into the microscope either via beam splitter optics or the laser beam is deflected by automatically controlled mirrors or acousto-optical deflectors (AOD), which jump back and forth between at least two positions, so that the resulting partial beams reach more converge as a focal point.
  • AOD acousto-optical deflectors
  • Another way to generate more than one focus is to use holographic phase plates. Such a Construction is also referred to as holographic optical tweezers, "holographic optical tweezers”.
  • Focusing glass fibers ie commercially available, light-conducting glass fibers whose end is provided with a small converging lens or suitably modified differently, can be used to keep microscopic particles stable.
  • the principle here is comparable to that of the optical tweezers, with the difference that the laser beam no longer has to be coupled into the microscope optics, but passes through the glass fiber into the sample space. Due to the elongated shape of the focus produced by the prepared fiber end, microscopic particles align with their longest axis parallel to the propagation direction of the laser beam. If one overlays the foci of several glass fibers, it is possible to reorient the particles caught by suitably switching the fiber laser on and off.
  • the laser power required for trapping and holding depends on the density difference of the particle to that of the surrounding medium, size of the particle, relative refractive indices, temperature and geometry of the trap and optionally of divergence and width of the laser beams. However, it is related to the trapping and holding of biological cells in aqueous media between 5 and 300mW of continuous power per laser beam, typical: full divergence angle in the far field in air 15 degrees, near infrared wavelength, eg 1060nm.
  • the defined turning of particles is not possible with this structure.
  • a trapped particle may be forced onto a periodic path within the trap.
  • the dynamics of this process is characterized by the alternating attack of scattering and gradient forces of the two laser beams on the particle. This can qualitatively be described as follows: The particle is located in the center of laser beam1, the scattering force acting on it pushes it in the direction of laser beam2 until the gradient force emanates from it, the particle is newly centered and the laser beam2 emanating from the scattering force back towards the laser beam1 This effect usually occurs inadvertently when the laser beams are not optimally aligned, but has no application at all.
  • optical traps have been constructed using more than two laser beams in which trapped particles are forced onto similar periodic trajectories at non-optimally aligned fiber ends.
  • elliptical particles can be rotated by one laser beam in another, since in optical traps they always align with their main ash parallel to the propagation direction of the laser beam.
  • the number of possible orientations corresponds here, as in the case of focusing optical fibers based on optical fibers, a maximum of twice the number of glass fibers used.
  • Fiber-based laser traps are also used in the field of viscoelasticity measurement on biological cells, first by J. Guck et. al. realized in a fiber-based divergent two-beam laser trap. It is exploited here that, given sufficiently high laser intensities, as a result of the relativistic energy-momentum relationship and the general principle of conservation of momentum, forces on the membrane of a cell which are able to deform it are attacked.
  • a trap operated for this purpose is also referred to as optical stretcher, or "optical stretcher”.
  • two-beam laser traps can be used to line up spherical microparticles to a size of a few micrometers equidistant.
  • optical tweezers to rotate microscopic particles is a severe limitation on the useful microscope optics, which are generally used simultaneously to observe the particles.
  • Essential here is the use of high numerical aperture lenses. This results in a very small working distance and a not always desired very high magnification.
  • optical tweezers are not to be seen as universally applicable additional modules for any microscope.
  • the integration of optical tweezers in a microscope is generally very expensive and not possible at all or only to a limited extent in many microscope types. Problematic for the combination with optical tweezers are e.g. Confocal microscopes, deconvolution microscopes, all microscopes using lenses with a numerical aperture smaller than ⁇ 1.1.
  • Optical tweezers are largely unsuitable for the direct manipulation of biological samples due to the extremely high peak intensity due to the focusing of the laser beams used. Thermal damage, as well as radiation damage to the samples can be minimized by the choice of suitable wavelengths, but not completely avoided.
  • the distance of the laser-emitting objective to the particle may not be much larger than 250 .mu.m, but lenses used for optical tweezers typically have a diameter of not less than 2 cm, the objective used for observation would have to have a working distance of at least 1 cm.
  • this constellation would significantly reduce the achievable resolution because it is essentially a function of the maximum angle at which light emitted by the sample falls into the objective.
  • Dielectric field cages typically operate on the principle of negative dielectrophoresis, i. Particles to be captured must be in a medium of higher dielectric constant. Since the field strengths required in this case are considerable, typically> 20 KV / m, small electrical currents generally flow between the electrodes in the sample chamber, which may have undesirable effects on the trapped particles. These can range from warming to structural changes or death of sensitive samples, e.g. biological samples.
  • the object of the invention is to provide an apparatus and a method with which the manipulation and alignment of sample particles in a measurement volume is facilitated.
  • the device of the type described above is further developed according to the invention in that a beam shaping device for generating an asymmetric intensity profile to a beam axis is present as part of the optical means, sample particles in the measurement volume in a generated by the asymmetric intensity profile inhomogeneous field distribution of the electric field can be caught, and in that, for carrying sample particles captured in the inhomogeneous field distribution, a rotating device is provided for rotating the asymmetrical intensity profile about the beam axis relative to the measuring volume.
  • the method of the abovementioned type is further developed according to the invention by impressing an asymmetrical intensity profile on the electromagnetic radiation into the measurement volume, which generates an inhomogeneous field distribution of the electric field in the measurement volume, in which sample particles are trapped, and in that In the inhomogeneous field distribution trapped sample particles, the asymmetric intensity profile is rotated about the beam axis relative to the measurement volume.
  • the invention also provides a laser scanning microscope, in particular a confocal laser scanning microscope, which has a device according to the invention for the contactless manipulation and alignment of sample particles in a measuring volume with the aid of an inhomogeneous alternating electric field.
  • the subject matter of the invention is also a method for operating a laser scanning microscope, in particular a confocal laser scanning microscope, in which the method steps of claim 14 are carried out.
  • the recognition can be considered that with the aid of a non-rotationally symmetric beam profile in a measurement volume an inhomogeneous field distribution of the electric field can be generated, with which an azimuthal orientation of a sample particle relative to a beam axis can be accomplished.
  • Another core idea of the invention is then to be considered that trapped or detained particles or sample particles in this way can be manipulated, aligned and rotated by simply rotating the non-rotationally symmetrical intensity profile relative to the measurement volume in the measurement volume.
  • a rotation of the field distribution is accomplished about an arbitrary axis of rotation.
  • the effect of the invention results from the behavior of specifically polarizable matter in the field of an anisotropic, for example, not rotationally symmetric radiated electromagnetic radiation.
  • laser sources are considered as radiation sources.
  • the invention allows, for example, isolated microscopic particles with a diameter between 0.2 and 5000 microns, which are already in a stable equilibrium with respect to their position or are brought into balance with the aid of the device according to the invention, to rotate without contact by defined angle.
  • the rotation can be carried out in particular in such a way that it is possible to keep a particle stable in any orientation relative to a rotation axis.
  • the device according to the invention represents in itself a unit which, with respect to its functionality, is independent of any instruments necessary for the observation of the manipulated, aligned and / or rotated particles, in particular independently of a microscope used for this purpose. Nevertheless, there are numerous advantageous and new applications in the field of microscopy. For example, the non-contact rotation of the particles can take place transversely to an optical axis, in particular perpendicular to an optical axis, of an instrument used for observation. The possible new applications go beyond the solutions described above and there existing limitations can be largely avoided.
  • the arrangement according to the invention can also be described as an electromagnetic radiation trap which makes it possible to keep microscopic particles which differ in their optical properties, in particular refractive index and absorption behavior, from those of a surrounding medium in any orientation relative to at least one axis of rotation. Also asymmetrical intensity profiles of several radiation sources overlapping one another in the measurement volume are conceivable in principle and can be used for specific applications be beneficial.
  • the refractive index of the particle to be manipulated must be greater than that of the surrounding medium.
  • the invention relates to stable non-contact alignment and rotation of particles having a typical diameter of 0.2 to 5000 microns. This is especially important for microscopy techniques to achieve high isotropic resolutions, such as e.g. light microscopic computed tomography on individual biological cells, suspended cell organelles or small cell clusters.
  • microfluidic systems such as the viscosity of very small amounts of substance, as e.g. be implemented in microreactors, to determine or to quantify smallest torques.
  • the device according to the invention which can also be referred to as a cell rotator, can also be usefully used with the "optical stretcher".
  • microfluidic flow can be prevented from inducing cell rotation while the cell is being deformed or "stretched".
  • At least one electromagnetic beam is used, which is illuminated by suitable optics, e.g. optical waveguides, mirrors or microprisms, is guided into the sample space such that its transverse extent there corresponds approximately to the particle size or is generated in the immediate vicinity of the sample space with suitable geometry, e.g. from a laser diode.
  • suitable optics e.g. optical waveguides, mirrors or microprisms
  • the sample particles are thus oriented with respect to at least one axis.
  • An orientation relative to several axes is basically possible.
  • a plurality of radiation sources can be used.
  • a special feature of the guidance of the electromagnetic radiation used is that, unlike optical tweezers, it is completely decoupled from microscope optics possibly used to observe the sample.
  • the purpose of the electromagnetic radiation used is first, as in laser traps, to bring the particles to be manipulated in a stable equilibrium with respect to its position and to compensate for possible other forces acting on the particle. If only one beam is used for this purpose, then it is necessary for it to be convergent or else a force directed counter to the propagation direction of this beam, eg
  • the point of the stable position of the particle in the trap is characterized by the disappearance of the sum of all attacking forces, as well as the occurrence of restoring forces for no deflections from the equilibrium position.
  • the use of at least one electromagnetic beam having a non-rotationally symmetrical profile results in a potential for the orientation of trapped particles that are not completely homogeneous or asymmetrically shaped with respect to their optical properties with respect to the rotation about the propagation direction of this beam. The asymmetry of this beam can affect the intensity profile, its polarization and the modulation of the phase across the steel cross-section.
  • the method according to the invention consists of the following steps, some of which, depending on the nature of the sample, are to be regarded as optional.
  • the particles to be examined for the implementation of the method according to the invention can be prepared in the following manner.
  • the particles to be examined are separated and particle aggregates broken up.
  • various methods are suitable for this purpose, which depend on the gross mechanical effects on the sample, such as Crushing in a mortar, ranging from ultrasonic methods to methods in which the sample is suspended in liquid media with the addition of suitable chemicals.
  • enzymatic treatment of the sample may also be needed to resolve intercellular structures.
  • the sample may be prepared using conventional techniques, such as e.g. Sedimentation, centrifugation, chemical treatment, to be freed of impurities.
  • the separated particles are now placed in their medium in the sphere of action of the radiation trap relating to the invention.
  • the use of microfluidic transport systems, micropipettes and optical tweezers are suitable.
  • gases as well as in vacuum for this transport e.g. Micro-probes, electric fields, optical tweezers or atomizers, the latter being only partially suitable in vacuum can be used.
  • the medium make sure that it does not react chemically with the particles.
  • the medium should be a good conductor of heat.
  • the power of the laser beams used can be reduced until all particles except for a single driven by thermal fluctuations or directed flow of the medium leave the area of action of the trap to have.
  • the rotation of the trapped particle occurs via the rotation of at least one asymmetric beam profile.
  • this asymmetry may mean the distribution of intensity, polarization state and / or a modulation of the phase position over the radiation cross section.
  • the hydrodynamic coupling can be used on a rotating waveguide brought into the vicinity of the particle for rotation of the particle.
  • the particle When the measurement on the particle for which the rotation has been performed is completed, the particle can be sorted according to the measurement result using a transport mechanism known per se.
  • the rotation of microscopic particles is coupled to their potential.
  • Such a rotation is, depending on the expression of the. Asymmetries of electromagnetic beam and particles, the viscosity of the medium surrounding the particle and the intensity of the laser beam and the relative average refractive indices can be carried out very quickly.
  • this allows the invention in the case of particularly sensitive particles, e.g. biological cells to be rotated for the purpose of computed tomography, for which angular velocities of 360 ° / sec are sufficient to operate at relatively low powers, e.g. Laser beams each with 10 - 100 mW. This corresponds to the use of divergent laser beams much lower loads on the cells than they occur in the manipulation by optical tweezers.
  • a trapped particle can be stably held in any passable orientation without the need for a feedback mechanism. All angles are traversable between 0 ° and 360 ° with respect to at least one axis of rotation. This is useful, for example, in the long-term observation of biological, non-adherent cells, in which one is dependent on a random, for example, by Brownian motion-related rotation of the cell to prevent to keep the view of the cell constant.
  • Embodiments of the described invention for aligning and rotating microparticles are seen as a functional unit decoupled from any microscope optics used for observation. This offers the following advantages:
  • the invention enables the rotation of microscopic particles perpendicular to the optical axis of a microscope.
  • This can e.g. be used for light microscopic computed tomography or other microscopy method to achieve high isotropic resolutions of isolated, suspended, biological cells and smaller cell clusters.
  • a microscope used to observe the trapped particles can be operated independently of the invention. It is e.g. it is possible to vary the focal plane of the microscope with respect to trapped particles, which is of great importance for confocal and deconvolution microscopy, among other things.
  • Microscopes used for observation purposes require no or at most slight modifications.
  • the invention can be combined as desired with optical tweezers.
  • a combination of the invention with a laser microbeam that can cut and microinject is possible.
  • the invention may also be combined with a microfluidic chamber that allows renewal of a cell medium and thus can be used for long-term observation of cells.
  • the use of high numerical aperture lenses is optional. This allows e.g. the use of lenses with a greater working distance.
  • the invention makes no particular demands on the medium surrounding the particles.
  • it is possible to capture biological cells in any cell media, ie in particular in all standard in medicine and biology standard media and rotate to orient.
  • the only requirement for the media to use is that its refractive index is lower than that of the cell to be examined. This is usually the case.
  • a special feature of the invention is that it can be realized in a very space-saving manner using laser-guided glass fibers.
  • these have an outer diameter of 80 ⁇ m, optionally 125 ⁇ m, and are thus well integrated into an arrangement that can be easily adapted to the sample holders conventional light microscopes.
  • Fiber-based embodiments are conceivable, which manage entirely without free-beam optics.
  • the feeding of the electromagnetic radiation trap, here: a laser trap can thus be extremely flexible, which makes it possible to move the trap with respect to laser source and microscope, without recalibration would be necessary.
  • laser sources diode-pumped glass fiber lasers can be used.
  • a concrete application is the measurement of the viscosity of very small amounts of substance, as e.g. in chemical microreactors, by measuring the maximum angular velocity with which a known test object can be rotated.
  • the invention offers the possibility to quantify extremely small torques, as e.g. in the movement of the flagella of a bacterium, in which the maximum achievable by an active rotation of the particle by the invention angular velocity is compared with the behavior of the particle in the stationary trap.
  • an asymmetric intensity profile can be achieved by phase modulators of any type.
  • the device according to the invention basically works without the use of optical lenses, but can also be realized or combined with optical lenses.
  • the beam shaping device has optical components with an asymmetrical to an optical axis Transmission characteristic on.
  • asymmetric transmission characteristic is to be understood here in its broadest meaning, for example, this should also be understood situations in which electromagnetic radiation is coupled asymmetrically into an optical fiber.
  • the asymmetric transmission characteristic may be provided by a transition region at which two optical fibers adjoin one another with a radial offset.
  • the coupling of the light into a fiber leading to the sample space can also be effected in another way eccentrically.
  • a slight radial displacement of the focus also results in the generation of higher modes.
  • the asymmetrical transmission characteristic is provided by an asymmetrical termination of an optical fiber.
  • the glass fiber can also allow by their construction an asymmetric, correlated with the orientation of the fiber beam profile.
  • the glass fiber may have an elliptical core.
  • the asymmetric beam profile can also be generated, for example, by targeted squeezing of the glass fiber.
  • Rotation of the asymmetrical intensity profile can be accomplished by rotation of glass fibers.
  • astigmatic lenses or mirrors, asymmetric diaphragms, and / or variable aperture diaphragms can be used to provide the desired asymmetric transmission characteristic.
  • a variable asymmetrical intensity profile of the laser radiation can be achieved in variants in which the beam shaping device has electronically controllable lenses or a spatial light modulator (SLM).
  • SLM spatial light modulator
  • any method in which at least one asymmetrical laser mode is superposed with a symmetrical laser fundamental mode is suitable for generating an asymmetrical beam profile.
  • waveguides or even photonic crystals can be used as optical means for guiding the electromagnetic radiation into the measurement volume.
  • the optical means for guiding the electromagnetic radiation into the measurement volume comprise optical fibers.
  • the rotation of the asymmetrical intensity profile according to the invention can in principle be carried out in any desired manner.
  • the beam shaping device is mechanically rotated relative to the measuring volume with the aid of the rotating device.
  • an asymmetrical termination of an optical fiber extending into the measurement volume can be rotated with a simply constructed rotating device.
  • an already asymmetrically emitting radiation source can also be mechanically rotated relative to the optical means for guiding the radiation into the measurement volume.
  • This variant can be selected if the optical means for directing the radiation into the measurement volume itself have a negligible influence on the intensity profile.
  • an asymmetrically emitting light source for selectively rotating the asymmetrical intensity profile can also be controlled. In this case, practically no moving parts are necessary, so that such an arrangement is particularly advantageous in mechanical terms.
  • Another group of variants of the device according to the invention and of the method according to the invention is likewise characterized in that the rotation of the anisotropic intensity profile does not take place mechanically.
  • rotation of the asymmetrical intensity profile can be accomplished by rotation of the plane of polarization.
  • the device may have an active polarization device, in particular a Faraday cell.
  • other components such as birefringent and / or non-linear optical components can be achieved by rotation of the plane of polarization and rotation of a non-symmetrical intensity profile.
  • the polarization plane is also rotated when the intensity profile is rotated.
  • optical fibers with non-rotationally symmetrical profile can also be used.
  • the electromagnetic radiation enters the measurement volume from one end of an optical fiber, wherein the end of the optical fiber can either be planar, can be in the form of a diaphragm or can have a defined asymmetry.
  • the electromagnetic radiation can in principle originate from any sources, it being advantageous to use lasers.
  • these can be pulsed lasers, which may be advantageous, for example, if non-linear optical components are used.
  • continuously operated radiation sources are used.
  • the sample particles to be manipulated must first be transported in some way into the effective range of the electromagnetic radiation in the measuring volume.
  • the sample particles are introduced by means of a capillary to a suitable position in the measuring volume.
  • the sample does not have to leave the capillary.
  • a microfluidic transport system can be used with a glass capillary which has a square cross-section and through the walls of which the electromagnetic radiation radiates onto the sample particles.
  • the particles can be brought into the sphere of action of the radiation with a microfluidic system.
  • the device according to the invention is particularly advantageous and the method according to the invention can be used if biological samples, in particular cells, cell organelles and / or pieces of tissue, are examined as sample particles.
  • biological samples in particular cells, cell organelles and / or pieces of tissue
  • the sample particles are preferably suspended in aqueous media.
  • An essential advantage of the invention compared to manipulation methods which are known in the prior art, is that it has the greatest possible freedom to rotate the sample particles continuously at high angular velocity or very slowly or in defined steps, in particular abruptly.
  • sample particles for microscopy can be selectively rotated in order to achieve a specific, in particular isotropic, resolution.
  • the beam axis of the device according to the invention can be selected completely independently of the optical axis of a light microscope.
  • the sample may be rotated and imaged in steps for the purpose of computed tomography.
  • the isotropic resolution results from the computation of multiple images of the sample at varying angles with the help of a computer.
  • sample particles for microscopy can be positioned and aligned with different contrasting principles, in particular phase contrast, fluorescence microscopy, ultrasound microscopy, confocal microscopy, CARS and / or light microscopic manipulations, for example FRAP, un-caging.
  • phase contrast fluorescence microscopy
  • ultrasound microscopy confocal microscopy
  • CARS CARS
  • / or light microscopic manipulations for example FRAP
  • the possibility is taken advantage of, the sample particles in principle with a selectable speed in the surrounding medium to rotate.
  • the rotation of the particles can also take place arbitrarily slowly, in the limiting case of small angular velocities in stable equilibrium with respect to position and / or orientation.
  • the method according to the invention can be used to measure forces and torques acting on the particles positioned in the anisotropic radiation field. Accordingly, elasticity measurements are possible.
  • At least one further radiation source is present to compensate for forces which are exerted on the sample particles by pulse transmission of photons of the electromagnetic radiation.
  • Such other radiation sources can also be used to perform elasticity measurements on the aligned sample particles.
  • the rotation of one or more sample particles can also be used to set a surrounding sample medium in rotation.
  • the method according to the invention can also be used for processing and for targeted external manipulation, for example for aligning a sample particle for exposure to a micro-tool, such as an optical scalpel, a micropipette or a patch clamp.
  • a micro-tool such as an optical scalpel, a micropipette or a patch clamp.
  • a viscosity of the surrounding medium for example as the aqueous medium in which the particle moves, can be determined.
  • a measured maximum angular velocity for a given viscosity for example of water, can also say something about the sample, in particular the sample shape. For example, clues can be obtained as to whether a nucleus is dividing.
  • a glass-fiber-based two-beam laser trap modified in accordance with the invention will be described below.
  • the structure shown schematically in Fig. 1 , consists of a ceramic body 1, which ensures the alignment of laser-beam guiding glass fibers 6 and 7 by a precise guide through holes, two plain bearings, consisting of the ceramic sleeves 3 and 13 and the guided ceramic cylinders 2 and 11, a twist-free rotation of the right in allow the sample chamber 10 guided glass fiber 6.
  • the entire assembly is mounted on a commercially available light microscope with an indicated objective 16, so that samples can be observed in the laser trap 10 through the slide 15.
  • the left-hand optical fiber 7 is a so-called "single mode” fiber, ie a glass fiber which radiates the laser light guided through it with a Gaussian rotationally symmetrical intensity profile
  • the laser beam emitted by the right-hand optical fiber 6 does not possess this symmetry.
  • the reason for this is the slightly offset transition 8 from a "single mode” fiber 5 to a glass fiber 6, which at the wavelength of the laser used, due to the relative to the "single mode” fiber 5 larger fiber core, excited in higher vibration modes and therefore also as “multi mode” fiber is called.
  • the extension of the "single mode" fiber 5 coupled in the region of the glass fiber transition 8 to the glass fiber 6 is provided with the reference numeral 9.
  • This glass fiber 9 is an extension of the glass fiber 5, but is mechanically decoupled from the glass fiber 5 mechanically at the transition point 14.
  • the glass fiber 9 is the same "single mode" fiber as in the case of glass fiber 5.
  • the laser profile generated in this way, within the glass fiber piece 6 guided from the right into the sample space 10, is still dominated by the fundamental, ie Gaussian, laser mode , however, no longer possesses rotational symmetry due to the superimposition of higher modes, which generally have only discrete symmetries.
  • the beam shaping device is thus provided by the transition 8 between the fiber 5 to the fiber 6 here.
  • the rotation of the fiberglass piece 6 containing the source of asymmetry of the laser profile, guided from the right into the sample space, can be done manually and using a motorized drive.
  • the components 2, 4, 6, 8, 9 and 11 form a rigid unit that is rotatable with respect to the rest of the system.
  • the glass fibers used are commercially available step index fibers, ie glass fibers, whose refractive index varies abruptly in the region of the transition from the fiber core to the fiber cladding surrounding this core, or fiber cladding.
  • the numerical aperture of the fibers (NA) is about 0.14.
  • the "multi mode" glass fiber by additional structural elements around the region of the fiber core polarization maintaining and thus enables a particularly stable transport of the laser profile, which receives its shape in the region of the offset splice or glass fiber transition 8.
  • Both "multi mode” fiber and “single mode” fibers have an outer diameter of 125 ⁇ m after the removal of the acrylic protective sheath surrounding them first and can thus be optimally guided and aligned through the bores of the ceramics used, which have a diameter of 126 ⁇ m , Furthermore, the core diameter of the "multi-mode” fiber 6 is chosen so that the propagation of only a few vibration modes in the fiber is possible.
  • the so-called "V parameter" characteristic of the wave propagation in the optical fiber assumes for the "multi mode” fiber at the used wavelength of 1060 nm, a value between 2.405, transition to the "single mode” range, and about 4.
  • the glass fibers are fed by fiber laser modules, which, depending on the sample to be manipulated, have a Output power can be operated between a few milliwatts and several watts.
  • the attenuation of the laser beam intensity in the glass fiber is negligible here because of the short fiber lengths. Losses in the area of the fiber transition 8, however, can amount to 5-10%.
  • the mode of operation of this arrangement is as follows:
  • the gradient forces and scattering forces which are typical of optical double-jet traps attack particles centered in the region of the laser beams emitted by the glass fibers and center them in the trap.
  • the rotation of the asymmetric laser profile emitted by glass fiber piece 6 coupled to the rotation of the fiber itself causes the rotation of the particle in the trap parallel to the optical axis of the glass fibers.
  • the rotation of the particle is thus directly correlated with the rotation of the glass fiber and only slightly delayed in the case of highly viscous media.
  • FIG Fig. 2 is shown schematically.
  • the structure of the system is similar to that in Embodiment 1.
  • the main differences are the use of only one laser beam and the generation of its profile.
  • the construction consists of a "single mode" glass fiber piece 28 oriented by a ceramic guide 21, the twist-free rotation of which is glued by two plain bearings consisting of the ceramic sleeves 22 and 24 glued to the ceramic guide 21 and the ceramic cylinder 25, respectively, and to the ceramic cylinder 23. which together with glass fiber piece 28 forms a rigid unit rotatable relative to the rest of the assembly.
  • the mechanical decoupling of the glass fiber piece 28 from the "single mode" glass fiber 26 is ensured by the transition region 27 in which the planar-polished ends of the glass fibers 26 and 28 touch.
  • the laser beam used is not divergent by glass fiber 28 as in the arrangement example 1, but by the miniature lens 32 (rounding of the fiber end) focused and also has a slight astigmatism.
  • miniature lens 32 is meant here a rounding of one end of the glass fiber 28, which begins at the transition region 27 and leads into the sample space.
  • the preparation of the glass fiber end is carried out as follows: First, the core of the glass fiber 28 is exposed in the region of the end with hydrofluoric acid, which decomposes the cladding glass. The resulting tapered tail of the optical fiber 28 is then exposed in a so-called "arc fusion splicer" (a device normally used to connect glass fibers) to an arc between two needle tips for about 0.2 seconds. In this case, the fiber end is rounded off due to the surface tension of the glass and thus forms after cooling the miniature lens 32. This lens 32 has a slight astigmatism because of the preferred direction of the arc, which causes the laser beam emitted from the optical fiber 28 an elliptical profile has.
  • the arrangement is usually fixed on a slide 31 via the ceramic guide 21 in such a way that particles trapped in the focus of the laser beam 29 can be viewed by means of a light microscope whose objective 30 is indicated in the figure.
  • Zebrafish embryos represent an interesting field of research for developmental biology and genetics, as they are easy to handle and, because of their transparency, their development can be followed up to a high stage by light microscopy.
  • the embryo can be continuously rotated as it moves in steps around the optic axis of the trap by rotating the asymmetric profile of one of the laser beams used. This allows tracking of embryo development in three dimensions by imaging any slices parallel to the spin axis through the sample.
  • the rotation of the beam profile is done manually or motorized with a resolution less than a degree.
  • the use of fluorescence or other microscopy techniques is optional and possible.
  • the procedure consists of the following steps:
  • a microfluidic system is integrated. This essentially consists of a glass capillary of square cross section, through which the cells are transported into the effective range of the optical trap. Regulation of the flow through this capillary is by an electric syringe pump.
  • the desired cells are removed from the culture or an organism and prepared appropriately.
  • Adherent cells are detached from their substrate and optionally suspended in a cell medium with the addition of enzymes (e.g., trypsin) and chemicals.
  • the cells are diluted in their medium to a concentration of 10,000 cells / ml or enriched by centrifugation.
  • the cells are injected in their medium by means of a syringe into the microfluidic transport system.
  • the cells are transported through the microfluidic system into the area of action of the laser trap using a syringe pump.
  • the cell is then rotated 360 ° in 5 ° increments as a result of the rotation of the asymmetric profile of one of the laser beams used and photographed in any orientation by a camera connected to the phase contrast microscope used for observation.
  • the pictures are read in and digitized by a computer immediately or after completing the series of pictures.

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Abstract

A device has a radiation source for transmission of electromagnetic radiation, and an optical device (6,5) for conducting the electromagnetic radiation into the measurement volume. Part of the optical device (6,5) is a beam shaping device (8) for generating an intensity profile asymmetric to one beam axis, in which the sample particles in the measurement volume (10) are captured in an inhomogeneous field distribution (of the electric field) caused by the asymmetrical intensity profile. The captured particles are carried along via a rotational device (2,4,11). Independent claims are given for the following: (1) (A) A method for contactless manipulation. (2) (B) A laser scanning microscope (3) (C) A method for operating a laser scanning microscope.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft in einem ersten Aspekt eine Vorrichtung zum berührungslosen Manipulieren und Ausrichten von Probenteilchen in einem Messvolumen mit Hilfe eines inhomogenen elektrischen Wechselfelds nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.In a first aspect, the present invention relates to a device for contactless manipulation and alignment of sample particles in a measurement volume with the aid of an inhomogeneous alternating electric field according to the preamble of claim 1.

In einem zweiten Gesichtspunkt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum berührungslosen Manipulieren und Ausrichten von Probenteilchen in einem Messvolumen mit Hilfe eines inhomogenen elektrischen Wechselfelds nach dem Oberbegriff des Anspruchs 14.In a second aspect, the invention relates to a method for the contactless manipulation and alignment of sample particles in a measurement volume with the help of an inhomogeneous alternating electric field according to the preamble of claim 14.

In weiteren Aspekten bezieht sich die Erfindung auf ein Laser-Scanning-Mikroskop und auf ein Verfahren zum Betrieb eines Laser-Scanning-Mikroskops.In other aspects, the invention relates to a laser scanning microscope and to a method of operating a laser scanning microscope.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung und ein gattungsgemäßes Verfahren sind beschrieben in: Arthur Ashkin, Optical trapping and manipulation of neutral particals using lasers, 1997; Volume 94; Seiten 4853 - 4860 PNAS . Die Laser-Scanning-Mikroskopie und Anwendungen hiervon in der Biologie sind beschrieben in: James B. Pawley "Handbook of Biological Confocal Microscopy", 1995, Plenum Press, New York . Ein konfokales Laser-Scanning-Mikroskop ist außerdem offenbart in DE 197 02 753 A1 .A generic device and a generic method are described in: Arthur Ashkin, Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers, 1997; Volume 94; Pages 4853 - 4860 PNAS , Laser scanning microscopy and applications thereof in biology are described in: James B. Pawley's Handbook of Biological Confocal Microscopy, 1995, Plenum Press, New York , A confocal laser scanning microscope is also disclosed in DE 197 02 753 A1 ,

Es sind folgende zur Anordnungen und Verfahren zur Ausrichtung und Drehung von Partikeln bekannt.The following are the arrangements and methods for aligning and rotating particles known.

i) Eine Möglichkeit zur Positionierung und Ausrichtung dielektrischer Partikel, hier: Partikel, deren Dielektrizitätskonstante von derjenigen des sie umgebenden Mediums abweicht, mit einem Durchmesser von weniger als 1000µm ist die Dielektrophorese, welche die Kräfte, die inhomogene elektrische Felder auf elektrisch polarisierbare Materie ausüben, ausnützt. Abhängig davon, ob die zu manipulierenden Partikel dem Feldgradienten folgen oder in entgegengesetzte Richtung wandern, spricht man von positiver bzw. negativer Dielektrophorese.i) One possibility for the positioning and alignment of dielectric particles, here: particles whose dielectric constant deviates from that of the surrounding medium, with a diameter of less than 1000 μm, is the dielectrophoresis, which exploits the forces exerted inhomogeneous electric fields on electrically polarizable matter. Depending on whether the particles to be manipulated follow the field gradient or migrate in the opposite direction, one speaks of positive or negative dielectrophoresis.

Konkret werden bei diesem Verfahren Elektroden in der Nähe der zu manipulierenden Partikel benötigt, von denen elektrische Felder ausgehen. Eine besonders praktikable Anordnung dieser Elektroden wird in so genannten Feldkäfigen realisiert, bei denen wenigstens vier Elektroden ein Volumen umschließen, das sich an der Größe der zu manipulierenden Partikel bemisst. Für die Erzeugung der elektrischen Feldverteilungen um die Elektroden legt man an diese Wechselspannungen definierter Amplitude, Frequenz und Phase an. Als ungeeignet erweisen sich Gleichspannungen, da diese zu ungewünschten Nebeneffekten wie Elektrolyse des Mediums, starker Erwärmung oder Strömungen im Medium führen können, welche jedoch auch bei der Verwendung von Wechselspannungen nicht gänzlich auszuschließen sind.In concrete terms, this method requires electrodes in the vicinity of the particles to be manipulated, from which electrical fields emanate. A particularly practicable arrangement of these electrodes is realized in so-called field cages, in which at least four electrodes enclose a volume which is measured by the size of the particles to be manipulated. For generating the electric field distributions around the electrodes, one applies to these alternating voltages of defined amplitude, frequency and phase. DC voltages prove to be unsuitable, as they can lead to unwanted side effects such as electrolysis of the medium, strong heating or currents in the medium, which, however, can not be completely ruled out even when alternating voltages are used.

Des Weiteren sind die dielektrischen Eigenschaften der Proben im Allgemeinen eine Funktion der Frequenz der sie umgebenden elektrischen Felder. So unterliegen z.B. viele Materialien, eingebettet in gängige Medien, wie z.B. wässerigen Elektrolytlösungen, unterhalb einer bestimmten Frequenz positiver, oberhalb dieser Frequenz negativer Dielektrophorese. Bei nicht vollständig charakterisierten Partikeln kann es daher nötig sein, die Frequenz über ein "trial and error"-Verfahren anzupassen, um den Betrieb des Feldkäfigs effizient zu gestalten.Furthermore, the dielectric properties of the samples are generally a function of the frequency of the surrounding electric fields. For example, many materials embedded in common media, e.g. aqueous electrolyte solutions, below a certain frequency of positive, above this frequency negative dielectrophoresis. With particles that are not fully characterized, it may therefore be necessary to adjust the frequency via a trial and error procedure to make the operation of the field cage efficient.

Durch geeignete Geometrien des Feldkäfigs sowie passenden Spannungen an den Elektroden ist es möglich, lokale Extrema der elektrischen Feldstärke zu erzeugen, die dazu genutzt werden können, dielektrische Partikel einzufangen, d.h. stabil bezüglich ihrer räumlichen Position zu halten. Weiterhin ist es möglich, durch ein sich drehendes elektrisches Feld, erzeugt durch der Geometrie des Käfigs angepasste Phasenlagen der an den einzelnen Elektroden anliegenden Spannungen, ein kontinuierliches Drehmoment auf eingefangene Partikel zu übertragen. Dies kann je nach Käfig verschiedene Orientierungen haben, sodass es möglich ist, allein über Phasenanpassungen einen gefangenes dielektrisches Teilchen um mehr als eine Achse zu drehen. Je nach Eigenschaften des konkreten Gesamtsystems können Umdrehungszahlen von über 100 Rotationen pro Sekunde erreicht werden. Charakteristisch für diese Drehung ist, dass zwar ein Gleichgewicht zwischen dem durch das elektrische Feld induzierten und dem durch hydrodynamische Reibung verursachten Drehmoment besteht, sich das Partikel aber bezüglich seiner Orientierung im Allgemeinen in keinem Gleichgewicht befindet. Die Frequenz, mit der sich das gefangene Partikel dreht, ist insbesondere nicht die Frequenz, die vom Feld vorgegeben ist, sondern liegt viele Größenordnungen darunter.By suitable geometries of the field cage and appropriate voltages at the electrodes, it is possible to generate local extremes of electric field strength that can be used to capture dielectric particles, ie, to hold them stable with respect to their spatial position. Furthermore, it is possible to transmit a continuous torque to trapped particles by means of a rotating electric field generated by the geometry of the cage adapted phase positions of the voltages applied to the individual electrodes. This may have different orientations depending on the cage, so that it is possible to rotate a trapped dielectric particle by more than one axis solely via phase adjustments. Depending on the characteristics of the concrete overall system, rotational speeds of over 100 rotations per second can be achieved. Characteristic of this rotation is that though there is a balance between the torque induced by the electric field and the torque caused by hydrodynamic friction, but the particle is generally out of balance with respect to its orientation. In particular, the frequency with which the trapped particle rotates is not the frequency dictated by the field, but many orders of magnitude lower.

Die Anpassung der Drehgeschwindigkeit der Partikel an einen gewünschten Wert erfolgt im allgemeinen Fall der Unkenntnis der vollständigen Struktur des jeweiligen Partikels über Rückkopplungsmechanismen nach dem Prinzip "trial and error". So kann z.B. die Drehung von sich in Suspension befindlichen biologischen Zellen durch ein Mikroskop beobachtet und gegebenenfalls durch geeignete Anpassung der elektrischen Wechselfelder beschleunigt oder verlangsamt werden. Resultierend hieraus ist die Drehung von nicht vollständig charakterisierbaren Partikeln, wie z.B. biologische Zellen, um kleine Winkel bestenfalls nur über begleitende Messungen am System möglich. Literatur: Christoph Reichle, Torsten Müller, Thomas Schnelle and Günter Fuhr: "Electrorotation in octopole micro cages", J. Phys. D: Appl. Phys. 32 (1999) 2128-2135 ; DE 100 59 152 C2 , DE 10 2004 023 466 A1 und DE 103 20 869 A1 .The adaptation of the rotational speed of the particles to a desired value is carried out in the general case of ignorance of the complete structure of the respective particle via feedback mechanisms according to the principle "trial and error". Thus, for example, the rotation of biological cells in suspension can be observed through a microscope and, if appropriate, accelerated or slowed down by suitable adaptation of the alternating electric fields. As a result, the rotation of particles that can not be fully characterized, such as biological cells, is only possible at small angles at best via accompanying measurements on the system. Literature: Christoph Reichle, Torsten Müller, Thomas Schnelle and Günter Fuhr: "Electro-rotation in octopole micro cages", J. Phys. D: Appl. Phys. 32 (1999) 2128-2135 ; DE 100 59 152 C2 . DE 10 2004 023 466 A1 and DE 103 20 869 A1 ,

ii) Eine weitere Möglichkeit zum Drehen von mikroskopischen Partikeln stellen sogenannte optische Pinzetten, englisch: "optical tweezers", dar. Als optische Pinzetten bezeichnet man optische Fallen, die Partikel, deren Brechungsindex von dem des sie umgebenden Mediums abweicht, mittels eines fokussierten Laserstrahls halten und positionieren können. Der prinzipielle Aufbau ist folgender: Unter Zuhilfenahme eines teilweise durchlässigen Spiegels wird ein auf einige Millimeter Durchmesser aufgeweiteter paralleler Laserstrahl, typischerweise monochromatisch mit einer Wellenlänge im sichtbaren Spektrum oder nahen Infrarot und einem Gaussförmigen Intensitätsprofil, typische Leistung: 50mW, in den Strahlengang eines lichtoptischen Mikroskops eingekoppelt und durch ein ÖI-Immersions-Objektiv hoher numerischer Apertur in den Probenraum, typisch: Flüssigkeitsfilm zwischen zwei Deckgläsern, fokussiert. Da die Feldenergie der elektromagnetischen Welle beim Eintritt in Medien höheren Brechungsindexes gesenkt wird, erfahren bzgl. des sie umgebenden Mediums optisch dichtere Partikel, die durch Molekularbewegung zufällig oder anderweitig gezielt in den Bereich des endlich ausgedehnten Fokus kommen, eine Kraft in Richtung dessen Zentrums (Gradientenkraft). Des Weiteren greift als Folge der Lichtstreuung an den Partikel eine so genannte Streukraft an den Partikeln an, welche sie in axialer Richtung stabilisiert. Die Streukraft allein schiebt das Probenteilchen vom Laser weg. Eine stabilisierende Wirkung ergibt sich zusammen mit den Gradientenkräften.ii) Another possibility for rotating microscopic particles are so-called optical tweezers. Optical tweezers are optical traps which hold particles whose refractive index differs from that of the surrounding medium by means of a focused laser beam and position. The basic structure is as follows: With the aid of a partially transmissive mirror, a parallel laser beam, typically monochromatic with a wavelength in the visible or near infrared spectrum and a Gaussian intensity profile, 50 mW, is coupled into the beam path of a light-optical microscope and focused through a high numerical aperture oil immersion objective into the sample space, typically: liquid film between two coverslips. As the field energy of the electromagnetic wave is reduced when entering higher refractive index media, visually denser particles, which come randomly or otherwise deliberately into the area of the finally extended focus due to molecular motion, experience a force in the direction of its center (gradient force) ). Furthermore, as a result of the light scattering on the particles, a so-called scattering force acts on the particles, which stabilizes them in the axial direction. The scattering force alone, the sample particle slides away from the laser. A stabilizing effect results together with the gradient forces.

In Bezug auf den Laserstahl gibt es also ein Gleichgewicht für die Lage des Partikels im Fokus, welches dadurch charakterisiert ist, dass sich auf das eingefangene Partikel wirkende Streu- und Gradientenkräfte gerade kompensieren bzw. Partikel im Falle kleiner Auslenkungen aus der Gleichgewichtslage wieder in diese zurückgetrieben werden.With regard to the laser steel, there is therefore an equilibrium for the position of the particle in the focus, which is characterized in that stray and gradient forces acting on the trapped particle just compensate or particles in the case of small deflections from the equilibrium position driven back into this become.

Dieses kann z.B. ausgenutzt werden, um Mikropartikel zu fixieren oder sie durch eine Änderung des Eintrittswinkels des Laserstahls in das Objektiv zu bewegen. Im Fall der Manipulation biologischer Zellen ist es nötig, Mikropartikel von etwa der Größe der Zellen selbst, z.B. kleine Latexkügelchen, über geeignete Methoden an die Zellen zu heften, um dann an diesen mit der optischen Pinzette anzugreifen, da die Laserintensität aufgrund der Fokussierung des verwendeten Laserstrahls in dem zum Halten von Mikropartikel nutzbaren Bereich für biologische Zellen zu hoch ist, um deren Integrität zu gewährleisten. Literatur: A. Ashkin, J. M. Dziedzic, J. E. Bjorkholm, and Steven Chu: "Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles", OPTICS LETTERS / Vol. 11, No. 5 / Mai 1986 ; DE 691 13 008 T2 .This can for example be exploited to fix microparticles or to move them by changing the entrance angle of the laser beam into the lens. In the case of manipulation of biological cells, it is necessary to attach microparticles of about the size of the cells themselves, eg small latex beads, to the cells by suitable methods and then to attack them with the optical tweezers, since the laser intensity due to the focusing of the used Laser beam is too high in the area to be used for holding microparticles for biological cells to ensure their integrity. Literature: A. Ashkin, JM Dziedzic, JE Bjorkholm, and Steven Chu: "Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles", OPTICS LETTERS / Vol. 5 / May 1986 ; DE 691 13 008 T2 ,

Um mit diesem Aufbau Partikel zu drehen, gibt es verschiedene Möglichkeiten.

  1. a) Bei doppelbrechende Proben ändert sich der Polarisationszustand des Laserlichtes derart, dass diese ein Drehmoment erfahren. Dieser Drehmomentübertrag führt zu einer kontinuierlichen Drehung um die Laserachse und kann durch die Änderung der Intensität sowie Polarisation des einfallenden Laserstahls reguliert werden. Eine Anwendung dieses Prinzips sind lichtgetriebene Zahnräder mit einem Durchmesser von unter 20µm, die in sogenannten Mikromaschinen Einsatz finden. Literatur: M. E. J. Friese, T. A. Nieminen, N. R. Heckenberg & H. Rubinsztein-Dunlop: "Optical alignment and spinning of laser-trapped microscopic particles", Nature 394, 348-350 (1998) , E. Higurashi, R. Sawada, and T. Ito: "Optically induced angular alignment of trapped birefringent micro-objects by linearly polarized light", NTT Opto-electronics Laboratories, 3-9-11 , M. E. J. Friese and H. Rubinsztein-Dunlop: "Optically driven micromachine elements", Applied Physics Letters -- January 22, 2001 -- Volume 78, Issue 4, pp. 547-549 .
  2. b) Proben, deren Geometrie und Brechungsindexverteilung dazu führt, dass der bei einer optischen Pinzette verwendete Laserstrahl derart asymmetrisch gestreut wird, dass aufgrund der für Photonen gültigen Impulserhaltung ein Drehmoment auf die Probe übertragen wird, werden aufgrund dessen in Rotation versetzt. Bekannt ist dieser Effekt als Windmühleneffekt und tritt üblicherweise bei speziell gefertigten Mikropartikeln auf, deren Form an die eines Propellers erinnert. Im weitesten Sinn handelt es sich hierbei auch um eine Form der Doppelbrechung des Partikels, da sowohl Spin als auch Bahndrehimpuls des verwendeten Laserstrahls verändert werden kann. Ebenfalls erfolgt die Drehung kontinuierlich. Literatur: E. Higurashi, O. Ohguchi, T. Tamamura, H. Ukita, R. Sawada: "Optically induced rotation of dissymmetrically shaped fluorinated polyimide micro-objects in optical traps", J. Appl. Phys., Vol. 82, No. 6, 15 September 1997 .
  3. c)"Optical Spanners": Hierzu wird der oben beschriebene Aufbau der optischen Pinzette dahingehend modifiziert, als dass der in die Mikroskopoptik eingekoppelte Laserstrahl zuvor so polarisiert wird, dass der mittlere Gesamtdrehimpuls der Photonen stark von Null abweicht. Dies geschieht durch räumliche Lichtmodulatoren, die Licht über Modulation der Phasenlage über die Wellenfront mit einem Bahndrehimpuls ausstatten. Durch Streuung und Absorption dieses Laserlichts an gefangenen Partikeln findet ein kontinuierlicher Drehimpulsübertrag auf selbige statt, woraus eine Rotation des gefangenen Partikels um die Laserachse resultiert. Ebenso ist es möglich, Mikropartikel auf Kreisbahnen zu schicken, die sie periodisch durchlaufen, ohne dass es einer Führung der einzelnen Partikel z.B. über Auslenkung des einfallenden Laserstrahls bedürfte. Literatur: M. E. J. Friese, J. Enger, H. Rubinsztein-Dunlop, and N. R. Heckenberg: "Optical angular momentum transfer to trapped absorbing particles", Physical Review A 54, 1593-1596, (1996) , J Leach, M. R. Dennis, J. Courtial and M. J. Padgett: "Vortex knots in light", New J. Phys. 7 (2005) 55 .
  4. d) Außerdem gibt es Ansätze, Objekte mit mehreren optischen Pinzetten gleichzeitig zu halten und durch Variation der relativen Lage der Foki zueinander asymmetrische Partikel um die optische Achse des Mikroskops zu drehen.
In order to turn particles with this structure, there are various possibilities.
  1. a) In birefringent samples, the polarization state of the laser light changes so that they experience a torque. This torque transfer results in a continuous rotation about the laser axis and can be regulated by the change in intensity and polarization of the incident laser beam. An application of this principle are light-driven gears with a diameter of less than 20μm, which find use in so-called microengines. Literature: MEJ Friese, TA Nieminen, NR Heckenberg & H. Rubinsztein-Dunlop: "Optical alignment and spinning of laser-trapped microscopic particles", Nature 394, 348-350 (1998) . E. Higurashi, R. Sawada, and T. Ito: "Optically induced angular alignment of trapped birefringent micro-objects by linearly polarized light", NTT Opto-electronics Laboratories, 3-9-11 . MEJ Friese and H. Rubinsztein-Dunlop: "Optically Driven Micromachine Elements", Applied Physics Letters - January 22, 2001 - Volume 78, Issue 4, pp. 547-549 ,
  2. b) Samples whose geometry and refractive index distribution cause the laser beam used in optical tweezers to be so asymmetrically scattered that Due to the momentum valid for photons, a torque is transmitted to the sample, due to which are set in rotation. This effect is known as a windmill effect and usually occurs in specially manufactured microparticles whose shape is reminiscent of that of a propeller. In the broadest sense, this is also a form of birefringence of the particle, since both spin and orbital angular momentum of the laser beam used can be changed. Also, the rotation is continuous. Literature: E. Higurashi, O. Ohguchi, T. Tamamura, H. Ukita, R. Sawada: "Optically induced rotation of dissymmetrically shaped fluorinated polyimide micro-objects in optical traps", J. Appl. Phys., Vol. 82, no. 6, 15 September 1997 ,
  3. c) "Optical Spanners": For this purpose, the above-described construction of the optical tweezers is modified to the effect that the coupled into the microscope optics laser beam is previously polarized so that the average total angular momentum of the photons deviates greatly from zero. This is done by spatial light modulators that provide light via modulation of the phase angle over the wavefront with a train angular momentum. By scattering and absorbing this laser light on trapped particles, a continuous angular momentum transfer takes place thereon, resulting in a rotation of the trapped particle about the laser axis. Likewise, it is possible to send microparticles on circular paths, which they pass through periodically, without the need for a guide of the individual particles, for example via deflection of the incident laser beam. Literature: MEJ Friese, J. Enger, H. Rubinsztein-Dunlop, and NR Heckenberg: "Optical angular momentum transfer to trapped absorbent particles", Physical Review A 54, 1593-1596, (1996). . J Leach, MR Dennis, J. Courtial and MJ Padgett: "Vortex knots in light", New J. Phys. 7 (2005) 55 ,
  4. d) There are also approaches to hold objects with multiple optical tweezers simultaneously and by varying the relative position of the foci to each other to rotate asymmetric particles about the optical axis of the microscope.

Hierzu können entweder über Strahlteileroptiken mehrere Laserstrahlen in das Mikroskop eingekoppelt werden oder man lenkt den Laserstahl über automatisch gesteuerte Spiegel oder akustisch-optische Deflektoren (AOD), die zwischen mindestens zwei Positionen hin und her springen, so um, dass die so entstehenden Teilstrahlen auf mehr als einen Fokuspunkt zusammenlaufen. Eine andere Möglichkeit zu Erzeugung von mehr als einem Fokus ist die Verwendung von holographischen Phasenplatten. Ein solcher Aufbau wird auch als holographische optische Pinzette, englisch: "holographic optical tweezers", bezeichnet.For this purpose, several laser beams can be coupled into the microscope either via beam splitter optics or the laser beam is deflected by automatically controlled mirrors or acousto-optical deflectors (AOD), which jump back and forth between at least two positions, so that the resulting partial beams reach more converge as a focal point. Another way to generate more than one focus is to use holographic phase plates. Such a Construction is also referred to as holographic optical tweezers, "holographic optical tweezers".

Drehungen senkrecht zur optischen Achse des Mikroskops wurden an einem speziell zu diesem Zweck gefertigten, hantelförmigen Mikropartikel bestehend aus zwei teilweise verschmolzenen Glaskügelchen von jeweils etwa 5µm Durchmesser in einem "trial and erorr" Experiment realisiert. Ebenfalls wurde in Laborexperimenten gezeigt, dass es möglich ist, Festkörperlaser durch einbringen einer geeigneten Aperturblende in die Resonatorkammer, englisch: "cavity", so zu modifizieren, dass die von ihnen emittierten Laserstrahlen durch ein Objektiv auf mehr als einen Punkt fokussiert werden. Jeder dieser Foki kann somit als optische Pinzette genutzt werden. Literatur: V. Bingelyte, J. Leach, J. Courtial, and M. J. Padgett: "Optically controlled three-dimensional rotation of microscopic objects", APPLIED PHYSICS LETTERS VOLUME 82, NUMBER 5, 3 FEBRUARY 2003 ; Amiel Ishaaya, Nir Davidson, and Asher Friesem: "Very high-order pure Laguerre-Gaussian mode selection in a passive Q-switched Nd:YAG laser", Optics Express # Vol. 13, Iss. 13 -- June 2005 pp: 4952-4962 ; Enrico Santamato, Antonio Sasso, Bruno Piccirillo, and Angela Vella: "Optical angular momentum transfer to transparent isotropic particles using laser beam carrying zero average angular momentum", Optics Express Vol. 10, Iss. 17 -- August 2002 pp: 871-878 .Rotations perpendicular to the optical axis of the microscope were realized on a dumbbell-shaped microparticle made especially for this purpose, consisting of two partially fused glass beads, each about 5 μm in diameter, in a "trial and erorr" experiment. It has also been shown in laboratory experiments that it is possible to modify solid-state lasers by introducing a suitable aperture stop into the resonator chamber, or "cavity", so that the laser beams emitted by them are focused by an objective on more than one point. Each of these focuses can thus be used as optical tweezers. Literature: V. Bingelyte, J. Leach, J. Courtial, and MJ Padgett: "Optically Controlled Three-dimensional Rotation of Microscopic Objects," APPLIED PHYSICS LETTERS VOLUME 82, NUMBER 5, 3 FEBRUARY 2003 ; Amiel Ishaaya, Nir Davidson, and Asher Friesem: "Very high-order pure Laguerre-Gaussian mode selection in a passive Q-switched Nd: YAG laser", Optics Express # Vol. 13, Iss. 13 - June 2005 pp: 4952-4962 ; Enrico Santamato, Antonio Sasso, Bruno Piccirillo, and Angela Vella: "Optical angular momentum transfer to transparent isotropic particles using zero beam angular momentum", Optics Express Vol. 10, Iss. 17 - August 2002 pp: 871-878 ,

iii) Fokussierende Glasfasern, d.h. handelsübliche, lichtleitende Glasfasern, deren Ende mit einer kleinen Sammellinse versehen oder geeignet anders modifiziert wird, können dazu eingesetzt werden, mikroskopische Partikel stabil zu halten. Das Prinzip ist hierbei vergleichbar mit dem der optischen Pinzette, mit dem Unterschied, dass der Laserstrahl nicht mehr in die Mikroskopoptik eingekoppelt werden muss, sondern geführt durch die Glasfaser in den Probenraum gelangt. Aufgrund der länglichen Form des durch das präparierte Faserende entstehenden Fokus richten sich mikroskopische Partikel mit ihrer längsten Achse parallel zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls aus. Überlagert man die Foki mehrerer Glasfasern, ist es möglich, durch geeignetes An- und Ausschalten der Faserlaser gefangene Partikel neu zu orientieren. Sie richten sich innerhalb kurzer Zeit jeweils parallel zur optischen Achse der jeweils aktiven Glasfaser aus. Dieses Verfahren gestattet, sofern es die Geometrie der am sonstigen Aufbau beteiligten Geräte und die Biegsamkeit und Abmessung der Glasfasern erlauben, Partikel in Schritten von einer Gleichgewichtslage in die nächste zu drehen. Die Anzahl der stabilen Orientierungen entspricht dabei höchstens der doppelten Anzahl der Fasern. Literatur: K. Taguchi, H. Ueno, T. Hiramatsu and M. Ikeda: "Optical trapping of dielectric particle and biological cell using optical fibre", ELECTRONICS LETTERS 27th February 1997 Vol. 33 ; K. Taguchi, H. Ueno and M. Ikeda: "Rotational manipulation of a yeast cell using optical fibres", ELECTRONICS LETTERS 3rd July 1997 Vol. 33 No. 14 ; K. Taguchi, M. Tanaka, K. Atsuta and M. Ikeda: "Three Dimensional Optical Trapping Using Plural Optical Fibers", Proc. of CLEO2000, pp.CtuK19, (2000-9 ); Taylor, R. S.; Hnatovsky, C.: "Particle trapping in 3-D using a single fiber probe with an annular light", Optics Express, vol. 11, Issue 21, p.2775 .iii) Focusing glass fibers, ie commercially available, light-conducting glass fibers whose end is provided with a small converging lens or suitably modified differently, can be used to keep microscopic particles stable. The principle here is comparable to that of the optical tweezers, with the difference that the laser beam no longer has to be coupled into the microscope optics, but passes through the glass fiber into the sample space. Due to the elongated shape of the focus produced by the prepared fiber end, microscopic particles align with their longest axis parallel to the propagation direction of the laser beam. If one overlays the foci of several glass fibers, it is possible to reorient the particles caught by suitably switching the fiber laser on and off. They align within a short time in each case parallel to the optical axis of the respective active fiber. This method allows particles to be rotated in steps from one equilibrium position to the next, provided that the geometry of the devices involved in the other construction and the flexibility and dimension of the glass fibers allow it to be rotated. The number of stable orientations corresponds to at most twice the number of fibers. Literature: K. Taguchi, H. Ueno, T. Hiramatsu and M. Ikeda: "Optical Trapping of the Radical Particle and Biological Cell Using Optical Fibers", ELECTRONICS LETTERS 27th February 1997 Vol. 33 ; K. Taguchi, H. Ueno and M. Ikeda: "Rotationally manipulating a yeast cell using optical fibers", ELECTRONICS LETTERS 3rd July 1997 Vol. 14 ; Taguchi, M. Tanaka, K. Atsuta and M. Ikeda: "Three Dimensional Optical Trapping Using Plural Optical Fibers", Proc. of CLEO2000, pp.CtuK19, (2000-9 ); Taylor, RS; Hnatovsky, C .: "Particle trapping in 3-D using a single fiber sample with an annular light", Optics Express, vol. 11, Issue 21, p.2775 ,

iv) Zweistrahllaserfallen und darauf aufbauende Methoden zur Manipulation von Mikropartikeln: Diese Art der Laserfalle wurde erstmals 1970 von A. Ashkin mit frei propagierenden Laserstahlen realisiert. Die heute verbreitetere, technisch leicht abgewandelte Form bedient sich der Führung der Laserstrahlen durch Glasfasern in den Probenraum. Das Prinzip beider Bauformen ist jedoch das gleiche. Zwei von ihrem Intensitätsprofil her gaußförmige, divergente Laserstrahlen werden so gegeneinander gerichtet, dass ihre optischen Achsen einander decken. Ähnlich wie bei der optischen Pinzette greifen auch hier zwei Arten von Kräften an in Bezug auf das umgebende Medium optisch dichtere Partikeln, die in den Bereich der Laserstrahlen kommen. Gradientenkräfte, die das Partikel in den Bereich maximaler Laserintensität ziehen, d.h. radial zentrieren, und Streukräfte in Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen, die für eine Ausrichtung entlang der optischen Achse sorgen. Dies führt dazu, dass sich das Partikel bei gleicher Beschaffenheit der beiden Laserstrahlen nach relativ kurzer Zeit in einer stabilen Gleichgewichtsposition zentriert zwischen den beiden Laserstrahlen befindet. Erhöht man die Intensität eines der Laserstrahlen, wird diese Gleichgewichtslage des gefangen Partikels auf der optischen Achse etwas in Ausbreitungsrichtung dieses Laserstrahls verschoben. Der Durchmesser der Laserstrahlen sollte, um die Falle effizient zu gestalten, im Bereich der Gleichgewichtsposition für gefangene Partikel die Größe der Partikel nicht wesentlich übersteigen. Der volle Divergenzwinkel der Laserstrahlen liegt typischerweise bei 10 - 20 Grad im Fernfeld. Die für das Einfangen und Halten notwendige Laserleistung hängt von Dichteunterschied des Partikels zu dem des ihn umgebenden Mediums, Größe des Partikels, relativen Brechungsindizes, Temperatur und Geometrie der Falle sowie gegebenenfalls von Divergenz und Breite der Laserstrahlen ab. Sie liegt jedoch bzgl. des Fangens und Halten von biologischen Zellen in wässerigen Medien zwischen 5 und 300mW kontinuierlicher Leistung pro Laserstrahl, typisch: voller Divergenzwinkel im Fernfeld in Luft 15 Grad, Wellenlänge im nahen Infrarot, z.B.1060nm.iv) Two-beam laser traps and methods for the manipulation of microparticles: This type of laser trap was first realized in 1970 by A. Ashkin using freely propagating laser beams. The now more common, technically slightly modified form makes use of the guidance of the laser beams through glass fibers into the sample space. However, the principle of both designs is the same. Two divergent laser beams, which are Gaussian in shape from their intensity profile, are directed against each other so that their optical axes coincide. Similar to the optical tweezers, two types of forces also attack optically denser particles with respect to the surrounding medium, which come into the area of the laser beams. Gradient forces that draw the particle in the range of maximum laser intensity, ie radially centering, and scattering forces in the propagation direction of the laser beams, which provide alignment along the optical axis. As a result, with the same condition of the two laser beams, the particle is centered between the two laser beams after a relatively short time in a stable equilibrium position. If the intensity of one of the laser beams is increased, this equilibrium position of the trapped particle on the optical axis is shifted somewhat in the propagation direction of this laser beam. The diameter of the laser beams should not significantly exceed the size of the particles in the equilibrium position for trapped particles to make the trap efficient. The full divergence angle of the laser beams is typically 10-20 degrees in the far field. The laser power required for trapping and holding depends on the density difference of the particle to that of the surrounding medium, size of the particle, relative refractive indices, temperature and geometry of the trap and optionally of divergence and width of the laser beams. However, it is related to the trapping and holding of biological cells in aqueous media between 5 and 300mW of continuous power per laser beam, typical: full divergence angle in the far field in air 15 degrees, near infrared wavelength, eg 1060nm.

Das definierte Drehen von Partikeln ist mit diesem Aufbau nicht möglich. Über ein leichtes Verkippen der Laserstrahlen gegeneinander kann ein gefangenes Partikel jedoch auf eine periodische Bahn innerhalb der Falle gezwungen werden. Die Dynamik dieses Prozesses ist charakterisiert durch das abwechselnde Angreifen von Streu- und Gradientenkräften der beiden Laserstrahlen am Partikel. Dies lässt sich qualitativ wie folgt beschreiben: Das Partikel befindet sich im Zentrum von Laserstrahl1, die auf es wirkende Streukraft drückt es in Richtung Laserstrahl2 bis die von diesem ausgehende Gradientenkraft dominiert, das Partikel neu zentriert und die von Laserstrahl2 ausgehende Streukraft es wieder in Richtung Laserstrahl1 schiebt usw. Dieser Effekt tritt in der Regel ungewollt auf, wenn die Laserstrahlen nicht optimal ausgerichtet sind, findet jedoch keinerlei Anwendungen.The defined turning of particles is not possible with this structure. However, by slightly tilting the laser beams toward each other, a trapped particle may be forced onto a periodic path within the trap. The dynamics of this process is characterized by the alternating attack of scattering and gradient forces of the two laser beams on the particle. This can qualitatively be described as follows: The particle is located in the center of laser beam1, the scattering force acting on it pushes it in the direction of laser beam2 until the gradient force emanates from it, the particle is newly centered and the laser beam2 emanating from the scattering force back towards the laser beam1 This effect usually occurs inadvertently when the laser beams are not optimally aligned, but has no application at all.

Des weiteren sind, ähnlich dem Prinzip der Zweistrahllaserfalle, optischen Fallen unter Verwendung von mehr als zwei Laserstrahlen gebaut worden, in denen gefangene Partikel bei nicht optimal ausgerichteten Faserenden auf ähnliche, periodische Bahnen gezwungen werden.Furthermore, similar to the principle of the two-beam laser trap, optical traps have been constructed using more than two laser beams in which trapped particles are forced onto similar periodic trajectories at non-optimally aligned fiber ends.

Weiterhin lassen sich elliptische Partikel durch Variation der relativen Laserintensitäten von einem Laserstrahl in einem anderen Drehen, da sich diese in optischen Fallen stets mit ihrer Hauptasche parallel zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls ausrichten. Die Anzahl der möglichen Ausrichtungen entspricht hier, wie im Fall der auf fokussierenden Glasfasern basierenden optischen Falle, maximal der doppelten Anzahl der verwendeten Glasfasern.Furthermore, by varying the relative laser intensities, elliptical particles can be rotated by one laser beam in another, since in optical traps they always align with their main ash parallel to the propagation direction of the laser beam. The number of possible orientations corresponds here, as in the case of focusing optical fibers based on optical fibers, a maximum of twice the number of glass fibers used.

Anwendung finden faserbasierte Laserfallen zudem auf dem Gebiet der Viskoelastizitätsmessung an biologischen Zellen, zuerst von J. Guck et. al. in einer faserbasierten divergenten Zweistrahllaserfalle realisiert. Hierbei wird ausgenutzt, dass bei genügend hohen Laserintensitäten, als Folge der relativistischen Energie-Impuls-Beziehung sowie dem allgemeinen Prinzip der Impulserhaltung, Kräfte an der Membran einer Zelle angreifen, die in der Lage sind, diese zu verformen. Eine zu diesem Zweck betriebene Falle wird auch als optischer Strecker, englisch: "optical stretcher", bezeichnet.Fiber-based laser traps are also used in the field of viscoelasticity measurement on biological cells, first by J. Guck et. al. realized in a fiber-based divergent two-beam laser trap. It is exploited here that, given sufficiently high laser intensities, as a result of the relativistic energy-momentum relationship and the general principle of conservation of momentum, forces on the membrane of a cell which are able to deform it are attacked. A trap operated for this purpose is also referred to as optical stretcher, or "optical stretcher".

Des Weiteren können Zweistrahllaserfallen dazu eingesetzt werden, sphärische Mikropartikel bis zu einer Größe von wenigen Mikrometer äquidistant aufzureihen. Literatur: A. Ashkin: "Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure", Phys. Rev. Lett. 24, 156-159 (1970) ; S.D. Collins, R.J. Baskin, and D.G. Howitt, "Microinstrument gradient force optical trap", Applied Optics 38, 6068-6074 (1999) ; Guck, J., R. Ananthakrishnan, T.J. Moon, C.C. Cunningham and J. Käs: "Optical deformability of soft dielectric materials", Phys. Rev. Lett., 84 (23), 5451-5454 (2000) ; Guck, J., R. Ananthakrishnan, T.J. Moon, C.C. Cunningham and J. Käs: "The Optical Stretcher - A Novel, noninvasive tool to manipulate biological materials", Biophys. J., 81, 767-784 (2001) ; W. Singer, M. Frick, S. Bernet, and M. Ritsch-Marte: "Self-organized array of regularly spaced microbeads in a fiber-optical trap", J. Opt. Soc. Am. B 20, 1568 (2003 ).Furthermore, two-beam laser traps can be used to line up spherical microparticles to a size of a few micrometers equidistant. Literature: A. Ashkin: "Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure", Phys. Rev. Lett. 24, 156-159 (1970) ; SD Collins, RJ Baskin, and DG Howitt, "Microinstrument gradient force optical trap," Applied Optics 38, 6068-6074 (1999) ; Guck, J., R. Ananthakrishnan, TJ Moon, CC Cunningham, and J. Käs: "Optical deformability of soft dielectric materials," Phys. Rev. Lett., 84 (23), 5451-5454 (2000) ; Guck, J., R. Ananthakrishnan, TJ Moon, CC Cunningham and J. Käs: "The Optical Stretcher - A Novel, non-invasive tool to manipulate biological materials", Biophys. J., 81, 767-784 (2001) ; W. Singer, M. Frick, S. Bernet, and M. Ritsch-Marte: "Self-organized array of regularly spaced microbeads in a fiber-optic trap", J. Opt. Soc. At the. B 20, 1568 (2003 ).

Alle vorstehend beschriebenen Lösungen haben in Bezug auf das Anwendungsgebiet der Erfindung mindestens einen der folgenden Mängel:All the solutions described above have at least one of the following shortcomings with respect to the field of application of the invention:

Die Drehung der Partikel resultiert aus einem kontinuierlichen Drehimpulsübertrag. Dieses führt dazu, dass eingefangene, nicht vollständig charakterisierte Partikel nur über ein "trial and error" Verfahren unter Verwendung eines Rückkopplungsmechanismus um definierte Winkel gedreht werden können. Im Fall der dielektrischen Feldkäfige und "Optical Spanners" heißt dies konkret: Die Drehung mikroskopischer Partikel um definierte Winkel ist nur dadurch möglich, dass eine kontinuierlich induzierte Drehung kurz vor Durchlaufen der gewünschten Ausrichtung abgebrochen und das Partikel unter Berücksichtigung des Verhältnis von auftretenden Trägheit- zu Reibungskräften abgebremst wird. Um zu beurteilen, ob die gewünschte Orientierung bereits erreicht ist, bedarf es im Allgemeinen einer Messung, die typischerweise mit einem Lichtmikroskop erfolgt.The rotation of the particles results from a continuous angular momentum transfer. As a result, trapped, not fully characterized particles can only be rotated through defined angles using a trial and error method using a feedback mechanism. In the case of the dielectric field cages and "optical tensioners" this means concretely: The rotation of microscopic particles by defined angles is only possible by stopping a continuously induced rotation shortly before passing through the desired orientation and taking into account the ratio of inertia occurring Friction forces is braked. In order to judge whether the desired orientation has already been reached, it is generally necessary to carry out a measurement, which is typically carried out with a light microscope.

Es ist nicht möglich, die Drehung mikroskopischer Partikel im Grenzfall kleiner Winkelgeschwindigkeiten im Gleichgewicht durchzuführen. Dies bedeutet, dass die Orientierung eines Partikels nach Abschluss einer Drehung im Allgemeinen nicht stabil ist. Es ist daher mit denen unter i), ii)a), ii)b), iic),iii) und iv), genannten Methoden nicht möglich, ein Partikel in jeder beliebigen Orientierung bezüglich mindestens einer der möglichen Drehachsen stabil zu halten. Soll eine bestimmte Orientierung gehalten werden, ist es nötig, gegen Drehmomente, die auf asymmetrische Partikel aufgrund von Asymmetrien des Aufbaus wirken, dynamisch, d.h. notwendigerweise unter Verwendung von Rückkoppelmechanismen, gegenzusteuern. Im Falle von Feldkäfigen wird die Rotationssymmetrie des Systems durch die endliche Zahl der verwendeten Elektroden gebrochen. Im Fall der "Optical Spanners" ist es die Polarisationsrichtung des Laserstrahls, der zum Halten des Partikels verwendet wird, die für eine Vorzugsorientierung asymmetrischer Partikel sorgt.It is not possible to perform the rotation of microscopic particles in the limit of small angular velocities in equilibrium. This means that the orientation of a particle after completion of a rotation is generally not stable. It is therefore not possible with those mentioned under i), ii) a), ii) b), iic), iii) and iv), to keep a particle stable in any orientation with respect to at least one of the possible axes of rotation. If a certain orientation is to be maintained, it is necessary to counteract dynamically, ie necessarily using feedback mechanisms, against torques acting on asymmetric particles due to structural asymmetries. In the case of field cages, the rotational symmetry becomes of the system broken by the finite number of electrodes used. In the case of the "optical tensioners", it is the direction of polarization of the laser beam used to hold the particle, which provides for preferential orientation of asymmetric particles.

Drehungen können resultierend aus dem vorherigen Punkt nur über Rückkopplungsmechanismen mit konstanter Winkelgeschwindigkeit ausgeführt werden. Zu bewerten, ob sich z.B. eine biologische Zelle mit konstanter Winkelgeschwindigkeit dreht, ist insbesondere dann problematisch, wenn die Struktur der Zelle noch weitgehend unbekannt ist und erst durch das Drehen aufgeklärt werden soll.As a result of the previous point, rotations can only be performed via constant angular velocity feedback mechanisms. To assess whether, e.g. a biological cell rotating at a constant angular velocity, is problematic in particular if the structure of the cell is still largely unknown and should be clarified only by the rotation.

Die Verwendung optischer Pinzetten zum Drehen mikroskopischer Partikel stellt eine starke Einschränkung der verwendbaren Mikroskopoptiken dar, welche im Allgemeinen gleichzeitig zur Beobachtung der Partikel genutzt werden. Unerlässlich ist hier die Verwendung von Objektiven hoher numerischer Apertur. Daraus resultiert ein sehr kleiner Arbeitsabstand sowie eine nicht immer gewünschte sehr starke Vergrößerung. Des Weiteren sind optische Pinzetten nicht als universell einsetzbare Zusatzmodule für beliebige Mikroskope zu sehen. Die Integration einer optischen Pinzette in ein Mikroskop ist im Allgemeinen sehr aufwendig und bei vielen Mikroskoptypen überhaupt nicht oder nur eingeschränkt möglich. Problematisch für die Kombination mit optischen Pinzetten sind z.B. Konfokalmikroskope, Dekonvolutionsmikroskope, sämtliche Mikroskope, die Objektive mit einer numerischen Apertur kleiner als ~1.1 verwenden.The use of optical tweezers to rotate microscopic particles is a severe limitation on the useful microscope optics, which are generally used simultaneously to observe the particles. Essential here is the use of high numerical aperture lenses. This results in a very small working distance and a not always desired very high magnification. Furthermore, optical tweezers are not to be seen as universally applicable additional modules for any microscope. The integration of optical tweezers in a microscope is generally very expensive and not possible at all or only to a limited extent in many microscope types. Problematic for the combination with optical tweezers are e.g. Confocal microscopes, deconvolution microscopes, all microscopes using lenses with a numerical aperture smaller than ~ 1.1.

Optische Pinzetten sind aufgrund der durch die Fokussierung der verwendeten Laserstrahlen bedingten extrem hohen Spitzenintensität zur direkten Manipulation biologischer Proben weitestgehend ungeeignet. Thermische Schäden, sowie Strahlungsschäden an den Proben lassen sich etwa durch die Wahl geeigneter Wellenlängen minimieren, nicht aber gänzlich vermeiden.Optical tweezers are largely unsuitable for the direct manipulation of biological samples due to the extremely high peak intensity due to the focusing of the laser beams used. Thermal damage, as well as radiation damage to the samples can be minimized by the choice of suitable wavelengths, but not completely avoided.

In den meisten Fällen ist die Doppelbrechung mikroskopischer Partikel viel zu gering, als dass diese in einer linear polarisierten Laserfalle ein Drehmoment erfahren könnten, welches sie in Rotation versetzt. Ausnahmen stellen hier speziell gefertigte Mikrozahnräder sowie optisch aktive Kristalle dar.In most cases, the birefringence of microscopic particles is far too small for them to experience torque in a linearly polarized laser trap which causes them to rotate. Exceptions are specially made micro gears and optically active crystals.

Das Drehen mikroskopischer Partikel durch eine optische Pinzette erfolgt in der Regel um die optische Achse der zur Führung des Laserstrahles eingesetzten Mikroskopoptiken, welches üblicherweise auch zur Beobachtung des Partikels verwendet wird. D.h. das Drehen des Partikels unter Beobachtung ergibt keinen zusätzlichen Informationsgewinn. Dieses Verfahren ist damit als Grundlage für tomographische Untersuchungen gänzlich ungeeignet. Es ist theoretisch zwar denkbar, das Partikel von der Seite mit einem zweiten Mikroskop zu beobachten, jedoch aufgrund der der Funktionalität untergeordneten Geometrie handelsüblicher Mikroskope einfach nicht praktikabel. Da z.B. der Abstand des laseremittierenden Objektivs zum Partikel nicht wesentlich größer als 250µm sein darf, für optische Pinzetten verwendbare Objektive typischerweise jedoch einen Durchmesser von nicht weniger als 2cm haben, müsste das zur Beobachtung dienende Objektiv einen Arbeitsabstand von mindestens 1 cm besitzen. Diese Konstellation würde allerdings das erzielbare Auflösungsvermögen erheblich herabsetzen, da es im Wesentlichen eine Funktion des maximalen Winkels ist, unter dem von der Probe ausgesandtes Licht in das Objektiv fällt.The turning of microscopic particles by means of optical tweezers generally takes place about the optical axis of the microscope optics used to guide the laser beam, which is also commonly used to observe the particle. That is, turning the particle under observation gives no additional information gain. This method is thus completely unsuitable as a basis for tomographic examinations. Although it is theoretically conceivable to observe the particle from the side with a second microscope, it is simply impractical due to the functionality of subordinate geometry of commercially available microscopes. For example, since the distance of the laser-emitting objective to the particle may not be much larger than 250 .mu.m, but lenses used for optical tweezers typically have a diameter of not less than 2 cm, the objective used for observation would have to have a working distance of at least 1 cm. However, this constellation would significantly reduce the achievable resolution because it is essentially a function of the maximum angle at which light emitted by the sample falls into the objective.

Dielektrische Feldkäfige arbeiten typischerweise nach dem Prinzip negativer Dielektrophorese, d.h. Partikel, die eingefangen werden sollen, müssen sich in einem Medium höher Dielektrizitätskonstante befinden. Da die hierbei notwendigen Feldstärken erheblich sind, typisch >20 KV/m, fließen in der Regel kleine elektrische Ströme zwischen den Elektroden im Probenraum, was unerwünschte Auswirkungen auf die gefangenen Partikel haben kann. Diese können von der Erwärmung bis hin zu strukturellen Veränderungen oder Tod empfindlicher Proben, z.B. biologischer Proben, reichen.Dielectric field cages typically operate on the principle of negative dielectrophoresis, i. Particles to be captured must be in a medium of higher dielectric constant. Since the field strengths required in this case are considerable, typically> 20 KV / m, small electrical currents generally flow between the electrodes in the sample chamber, which may have undesirable effects on the trapped particles. These can range from warming to structural changes or death of sensitive samples, e.g. biological samples.

Für die Manipulation biologischer Proben ist daher die Verwendung spezieller, schwach leitender Medien erforderlich, die jedoch mit vielen Zelltypen nicht kompatibel sind bzw. deren Auswirkungen auf die Integrität der Zellen nicht bekannt sind.The manipulation of biological samples therefore requires the use of special, low-conductivity media that are incompatible with many cell types or whose effects on the integrity of the cells are unknown.

Aufgabe der Erfindung ist, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mit welchen das Manipulieren und Ausrichten von Probenteilchen in einem Messvolumen erleichtert wird.The object of the invention is to provide an apparatus and a method with which the manipulation and alignment of sample particles in a measurement volume is facilitated.

Diese Aufgabe wird in einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved in a first aspect of the invention by the device having the features of claim 1.

In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.In a second aspect of the invention, the object is achieved by the method having the features of claim 14.

Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und vorteilhafte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.Preferred embodiments of the device according to the invention and advantageous variants of the method according to the invention are the subject of the dependent claims.

Die Vorrichtung der oben bezeichneten Art ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass als Teil der optischen Mittel eine Strahlformungseinrichtung zum Erzeugen eines zu einer Strahlachse asymmetrischen Intensitätsprofils vorhanden ist, wobei Probenteilchen im Messvolumen in einer durch das asymmetrische Intensitätsprofil erzeugten inhomogenen Feldverteilung des elektrischen Felds einfangbar sind, und dass zum Mitführen von in der inhomogenen Feldverteilung eingefangenen Probenteilchen eine Dreheinrichtung zum Drehen des asymmetrischen Intensitätsprofils um die Strahlachse relativ zum Messvolumen vorhanden ist.The device of the type described above is further developed according to the invention in that a beam shaping device for generating an asymmetric intensity profile to a beam axis is present as part of the optical means, sample particles in the measurement volume in a generated by the asymmetric intensity profile inhomogeneous field distribution of the electric field can be caught, and in that, for carrying sample particles captured in the inhomogeneous field distribution, a rotating device is provided for rotating the asymmetrical intensity profile about the beam axis relative to the measuring volume.

Das Verfahren der oben genannten Art ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass der in das Messvolumen eingeleiteten elektromagnetischen Strahlung ein zu einer Strahlachse asymmetrisches Intensitätsprofil aufgeprägt wird, welches im Messvolumen eine inhomogene Feldverteilung des elektrischen Felds erzeugt, in welcher Probenteilchen eingefangen werden, und dass zum Mitführen von in der inhomogenen Feldverteilung gefangenen Probenteilchen das asymmetrische Intensitätsprofil um die Strahlachse relativ zum Messvolumen gedreht wird.The method of the abovementioned type is further developed according to the invention by impressing an asymmetrical intensity profile on the electromagnetic radiation into the measurement volume, which generates an inhomogeneous field distribution of the electric field in the measurement volume, in which sample particles are trapped, and in that In the inhomogeneous field distribution trapped sample particles, the asymmetric intensity profile is rotated about the beam axis relative to the measurement volume.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Laser-Scanning-Mikroskop, insbesondere ein konfokales Laser-Scanning-Mikroskop, welches eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum berührungslosen Manipulieren und Ausrichten von Probenteilchen in einem Messvolumen mit Hilfe eines inhomogenen elektrischen Wechselfelds aufweist.The invention also provides a laser scanning microscope, in particular a confocal laser scanning microscope, which has a device according to the invention for the contactless manipulation and alignment of sample particles in a measuring volume with the aid of an inhomogeneous alternating electric field.

Schließlich ist Gegenstand der Erfindung auch ein Verfahren zum Betrieb eines Laser-Scanning-Mikroskops, insbesondere eines konfokalen Laser-Scanning-Mikroskops, bei dem die Verfahrensschritte des Anspruchs 14 durchgeführt werden.Finally, the subject matter of the invention is also a method for operating a laser scanning microscope, in particular a confocal laser scanning microscope, in which the method steps of claim 14 are carried out.

Als erster Kerngedanke der Erfindung kann die Erkenntnis angesehen werden, dass mit Hilfe eines nichtrotationssymmetrischen Strahlprofils in einem Messvolumen eine inhomogene Feldverteilung des elektrischen Felds erzeugt werden kann, mit welcher eine azimutale Ausrichtung eines Probenteilchens bezogen auf eine Strahlachse bewerkstelligt werden kann.As a first core idea of the invention, the recognition can be considered that with the aid of a non-rotationally symmetric beam profile in a measurement volume an inhomogeneous field distribution of the electric field can be generated, with which an azimuthal orientation of a sample particle relative to a beam axis can be accomplished.

Als weiterer Kerngedanke der Erfindung ist sodann anzusehen, dass auf diese Art gefangene oder festgehaltene Partikel oder Probenteilchen durch einfaches Drehen des nicht rotationssymmetrischen Intensitätsprofils relativ zum Messvolumen im Messvolumen manipuliert, ausgerichtet und gedreht werden können. Durch die Variation der elektromagnetischen Strahlung wird eine Drehung der Feldverteilung um eine beliebige Drehachse bewerkstelligt.Another core idea of the invention is then to be considered that trapped or detained particles or sample particles in this way can be manipulated, aligned and rotated by simply rotating the non-rotationally symmetrical intensity profile relative to the measurement volume in the measurement volume. By the variation of the electromagnetic radiation, a rotation of the field distribution is accomplished about an arbitrary axis of rotation.

Die Wirkung der Erfindung ergibt sich aus dem Verhalten von spezifisch polarisierbarer Materie im Feld einer anisotrop, beispielsweise nicht rotationssymmetrisch abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung. Hierbei kommen vor allem Laserquellen als Strahlungsquellen in Betracht.The effect of the invention results from the behavior of specifically polarizable matter in the field of an anisotropic, for example, not rotationally symmetric radiated electromagnetic radiation. In particular, laser sources are considered as radiation sources.

Die Erfindung gestattet beispielsweise, vereinzelte mikroskopische Partikel mit einem Durchmesser zwischen 0,2 und 5000 µm, die sich bezüglich ihrer Lage bereits in einem stabilen Gleichgewicht befinden oder mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung in ein Gleichgewicht gebracht werden, berührungslos um definierte Winkel zu drehen. Die Drehung kann dabei insbesondere so durchgeführt werden, dass es möglich ist, ein Partikel in jeder beliebigen Orientierung relativ zu einer Drehachse stabil zu halten.The invention allows, for example, isolated microscopic particles with a diameter between 0.2 and 5000 microns, which are already in a stable equilibrium with respect to their position or are brought into balance with the aid of the device according to the invention, to rotate without contact by defined angle. The rotation can be carried out in particular in such a way that it is possible to keep a particle stable in any orientation relative to a rotation axis.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt in sich eine Einheit dar, die bezüglich ihrer Funktionalität unabhängig von eventuell zur Beobachtung der manipulierten, ausgerichteten und/oder gedrehten Partikel nötigen Instrumente, insbesondere unabhängig von einem hierzu eingesetzten Mikroskop, ist. Gleichwohl ergeben sich insbesondere zahlreiche vorteilhafte und neue Anwendungen im Bereich der Mikroskopie. Beispielsweise kann die berührungslose Drehung der Partikel quer zu einer optischen Achse, insbesondere senkrecht zu einer optischen Achse, eines zur Beobachtung dienenden Instruments erfolgen. Die hierbei möglichen neuen Anwendungen gehen über die oben beschriebenen Lösungen hinaus und dort vorhandene Beschränkungen können zum großen Teil vermieden werden. Die erfindungsgemäße Anordnung kann auch beschrieben werden als eine elektromagnetische Strahlungsfalle, die es ermöglicht, mikroskopische Partikel, die in ihren optischen Eigenschaften, insbesondere Brechungsindex und Absorptionsverhalten, von denjenigen eines sie umgebenden Mediums abweichen in einer beliebigen Orientierung relativ zu mindestens einer Drehachse zu halten. Auch einander im Messvolumen überlagernde asymmetrische Intensitätsprofile mehrerer Strahlungsquellen sind im Prinzip denkbar und können für bestimmte Anwendungen vorteilhaft sein. Der Brechungsindex des zu manipulierenden Partikels muss dabei größer als derjenige des umgebenden Mediums sein.The device according to the invention represents in itself a unit which, with respect to its functionality, is independent of any instruments necessary for the observation of the manipulated, aligned and / or rotated particles, in particular independently of a microscope used for this purpose. Nevertheless, there are numerous advantageous and new applications in the field of microscopy. For example, the non-contact rotation of the particles can take place transversely to an optical axis, in particular perpendicular to an optical axis, of an instrument used for observation. The possible new applications go beyond the solutions described above and there existing limitations can be largely avoided. The arrangement according to the invention can also be described as an electromagnetic radiation trap which makes it possible to keep microscopic particles which differ in their optical properties, in particular refractive index and absorption behavior, from those of a surrounding medium in any orientation relative to at least one axis of rotation. Also asymmetrical intensity profiles of several radiation sources overlapping one another in the measurement volume are conceivable in principle and can be used for specific applications be beneficial. The refractive index of the particle to be manipulated must be greater than that of the surrounding medium.

Die Erfindung betrifft insbesondere das stabile berührungslose Ausrichten und Drehen von Partikeln mit einem typischen Durchmesser von 0,2 bis 5000 Mikrometer. Dies ist vor allem für Mikroskopietechniken zur Erzielung hoher isotroper Auflösungen von Bedeutung, wie z.B. der lichtmikroskopischen Computertomographie an einzelnen biologischen Zellen, suspendierten Zellorganellen oder kleinen Zellverbänden.In particular, the invention relates to stable non-contact alignment and rotation of particles having a typical diameter of 0.2 to 5000 microns. This is especially important for microscopy techniques to achieve high isotropic resolutions, such as e.g. light microscopic computed tomography on individual biological cells, suspended cell organelles or small cell clusters.

Eine weitere Anwendung ist der Einsatz in mikrofluidischen Systemen, um etwa die Viskosität kleinster Stoffmengen, wie sie z.B. in Mikroreaktoren umgesetzt werden, zu bestimmen oder kleinste Drehmomente zu quantifizieren.Another application is the use in microfluidic systems, such as the viscosity of very small amounts of substance, as e.g. be implemented in microreactors, to determine or to quantify smallest torques.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung, die auch als Zellrotator bezeichnet werden kann, kann auch nutzbringend mit dem "optical stretcher" eingesetzt werden. In der Kombination kann vermieden werden, dass mikrofluidischer Fluss Zelldrehungen induziert, während die Zelle verformt oder "gestretcht" wird.The device according to the invention, which can also be referred to as a cell rotator, can also be usefully used with the "optical stretcher". In the combination, microfluidic flow can be prevented from inducing cell rotation while the cell is being deformed or "stretched".

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird mindestens ein elektromagnetischer Strahl verwendet, der durch geeignete Optiken, z.B. optische Wellenleiter, Spiegel oder Mikroprismen, so in den Probenraum geführt wird, dass seine transversale Ausdehnung dort etwa der Partikelgröße entspricht oder in unmittelbarer Nähe des Probenraums mit geeigneter Geometrie erzeugt wird, z.B. von einer Laserdiode. Die Probenteilchen werden also bezüglich mindestens einer Achse orientiert. Auch eine Ausrichtung relativ zu mehreren Achsen ist grundsätzlich möglich. Hierzu können mehrere Strahlungsquellen verwendet werden. Besonderes Merkmal der Führung der eingesetzten elektromagnetischen Strahlung ist es, dass sie anders als bei optischen Pinzetten, völlig entkoppelt von möglicherweise zur Beobachtung der Probe eingesetzten Mikroskopoptiken zu sehen ist.In the device according to the invention, at least one electromagnetic beam is used, which is illuminated by suitable optics, e.g. optical waveguides, mirrors or microprisms, is guided into the sample space such that its transverse extent there corresponds approximately to the particle size or is generated in the immediate vicinity of the sample space with suitable geometry, e.g. from a laser diode. The sample particles are thus oriented with respect to at least one axis. An orientation relative to several axes is basically possible. For this purpose, a plurality of radiation sources can be used. A special feature of the guidance of the electromagnetic radiation used is that, unlike optical tweezers, it is completely decoupled from microscope optics possibly used to observe the sample.

Zweck der verwendeten elektromagnetischen Strahlen ist es zunächst, wie bei Laserfallen, das zu manipulierende Partikel in ein stabiles Gleichgewicht bezüglich seiner Lage zu bringen und mögliche andere am Partikel angreifende Kräfte zu kompensieren. Wird hierzu lediglich ein Strahl verwendet, so ist es notwendig, dass dieser konvergent ist oder aber eine entgegen der Ausbreitungsrichtung dieses Strahls gerichtete Kraft, z.B.The purpose of the electromagnetic radiation used is first, as in laser traps, to bring the particles to be manipulated in a stable equilibrium with respect to its position and to compensate for possible other forces acting on the particle. If only one beam is used for this purpose, then it is necessary for it to be convergent or else a force directed counter to the propagation direction of this beam, eg

Gravitation, Reibungskräfte bedingt durch den Fluss des Mediums, am Partikel angreift, um auftretende Streukräfte zu kompensieren.Gravitation, frictional forces caused by the flow of the medium, the particles attacked to compensate for stray forces occurring.

Kommen mehrere Strahlen zum Einsatz, können diese so gegeneinander gerichtet werden, dass von ihnen am gefangenen Partikel angreifende Streukräfte sich gegenseitig aufheben. Generell ist der Punkt der stabilen Lage des Partikels in der Falle charakterisiert durch das Verschwinden der Summe aller angreifenden Kräfte, sowie dem Auftreten rücktreibender Kräfte für keine Auslenkungen aus der Gleichgewichtslage. Weiterhin resultiert aus der Verwendung mindestens eines elektromagnetischen Strahls mit nichtrotationssymmetrischem Profil ein Potential für die Orientierung eingefangener, im Hinblick auf ihre optischen Eigenschaften nicht vollständig homogene oder asymmetrisch geformte Partikel bezüglich der Drehung um die Ausbrei tungsrichtung dieses Strahls. Die Asymmetrie dieses Strahls kann das Intensitätsprofil, seine Polarisation sowie die Modulation der Phase über den Stahlquerschnitt betreffen. Schon kleinste Abweichungen der Partikelform von Rotationskörpern, die bei realen Proben praktisch immer vorhanden sind, reichen hierbei zur Ausbildung eines Potentials für die Winkelausrichtung aus. Resultierend aus diesem Potential ergibt sich eine Vorzugsorientierung des Partikels in der Falle, die beim Einfangen eingenommen und dann stabil gehalten wird. Dreht man nun das Profil des asymmetrischen Strahls und damit das Potential für die Winkelausrichtung eines eingefangenen Partikels, dreht sich dieses mit. Diese Drehung erfolgt im Grenzfall kleiner Winkelgeschwindigkeiten im Gleichgewicht, d.h. im Minimum des Potentials. Realisiert wird die Drehung des für die Orientierung des Partikels verantwortlichen asymmetrischen Stahlprofils, am einfachsten durch die Drehung eines den Strahl asymmetrisch emittierenden Wellenleiters. Andere Möglichkeiten zur Drehung des Strahlprofils, z.B. solche die astigmatische Linsen oder Spiegel verwenden, sind möglich.If several jets are used, they can be directed against each other so that scattering forces acting on them from the trapped particle cancel each other out. In general, the point of the stable position of the particle in the trap is characterized by the disappearance of the sum of all attacking forces, as well as the occurrence of restoring forces for no deflections from the equilibrium position. Furthermore, the use of at least one electromagnetic beam having a non-rotationally symmetrical profile results in a potential for the orientation of trapped particles that are not completely homogeneous or asymmetrically shaped with respect to their optical properties with respect to the rotation about the propagation direction of this beam. The asymmetry of this beam can affect the intensity profile, its polarization and the modulation of the phase across the steel cross-section. Even the smallest deviations of the particle shape of bodies of revolution, which are practically always present in real samples, suffice here for the formation of a potential for the angular orientation. As a result of this potential, there is a preferential orientation of the particle in the trap, which is captured during capture and then kept stable. Turning now the profile of the asymmetric beam and thus the potential for the angular orientation of a trapped particle, this rotates with. This rotation occurs in the limit of small angular velocities in equilibrium, i. in the minimum of the potential. The rotation of the asymmetric steel profile responsible for the orientation of the particle is realized, most simply by the rotation of a waveguide emitting the beam asymmetrically. Other ways of rotating the beam profile, e.g. those using astigmatic lenses or mirrors are possible.

Das Verfahren besteht erfindungsgemäß aus folgenden Schritten, von denen einige, je nach der Beschaffenheit der Probe, als optional zu betrachten sind.The method according to the invention consists of the following steps, some of which, depending on the nature of the sample, are to be regarded as optional.

Zunächst können die zu untersuchenden Partikel für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in folgender Weise vorbereitet werden.First, the particles to be examined for the implementation of the method according to the invention can be prepared in the following manner.

Die zu untersuchenden Partikel werden vereinzelt und Partikelaggregate aufgebrochen. Je nach Empfindlichkeit und Beschaffenheit der Probe eignen sich hierfür verschiedene Verfahren, die von der grob mechanischen Einwirkungen auf die Probe, wie z.B. durch Zerkleinerung in einem Mörser, über Ultraschallmethoden bis hin zu Verfahren reichen, bei denen die Probe unter Zugabe geeigneter Chemikalien in flüssigen Medien suspendiert wird. Im Fall biologischer Zellen kann ebenfalls eine enzymatische Behandlung der Probe nötig sein, um interzelluläre Strukturen aufzulösen.The particles to be examined are separated and particle aggregates broken up. Depending on the sensitivity and nature of the sample, various methods are suitable for this purpose, which depend on the gross mechanical effects on the sample, such as Crushing in a mortar, ranging from ultrasonic methods to methods in which the sample is suspended in liquid media with the addition of suitable chemicals. In the case of biological cells, enzymatic treatment of the sample may also be needed to resolve intercellular structures.

Falls notwendig, kann die Probe unter Einsatz üblicher Techniken, wie z.B. Sedimentation, Zentrifugation, chemischer Aufbereitung, von Verunreinigungen befreit werden.If necessary, the sample may be prepared using conventional techniques, such as e.g. Sedimentation, centrifugation, chemical treatment, to be freed of impurities.

Nach Vorbereitung des Partikels können diese wie folgt behandelt werden.After preparation of the particle, they can be treated as follows.

Die vereinzelten Partikel werden nun in ihrem Medium in den Wirkungsbereich der die Erfindung betreffenden Strahlungsfalle gebracht. Im Fall flüssiger Medien bieten sich hierzu die Verwendung mikrofluidischer Transportsysteme, Mikropipetten sowie optischer Pinzetten an. In Gasen sowie auch im Vakuum können für diesen Transport z.B. Mikrosonden, elektrische Felder, optische Pinzetten oder Zerstäuber, wobei letztere im Vakuum nur bedingt geeignet sind, verwendet werden. Bei der Wahl des Mediums ist darauf zu achten, dass dieses weder chemisch mit den Partikeln reagiert. Ebenfalls sollte das Medium im Fall die verwendete Strahlung absorbierender Partikel ein guter Wärmeleiter sein.The separated particles are now placed in their medium in the sphere of action of the radiation trap relating to the invention. In the case of liquid media, the use of microfluidic transport systems, micropipettes and optical tweezers are suitable. In gases as well as in vacuum, for this transport e.g. Micro-probes, electric fields, optical tweezers or atomizers, the latter being only partially suitable in vacuum can be used. When choosing the medium, make sure that it does not react chemically with the particles. Also, in the case of the radiation of absorbing particles used, the medium should be a good conductor of heat.

Im für das weitere Verfahren ungünstigen Fall, dass sich mehrere nicht zusammenhängende Partikel in der Falle befinden, kann die Leistung der verwendeten Laserstrahlen solange gesenkt werden, bis alle Teilchen bis auf ein einziges getrieben durch thermische Fluktuationen oder gerichteten Fluss des Mediums den Wirkungsbereich der Falle verlassen haben.In the unfavorable for the further process, that several non-contiguous particles are in the trap, the power of the laser beams used can be reduced until all particles except for a single driven by thermal fluctuations or directed flow of the medium leave the area of action of the trap to have.

In Fällen stark unterdämpfter oder überdämpfter Systeme, z.B. große Partikel in verdünnten Gasen oder im Vakuum bzw. kleine Partikel in hochviskosen Medien, ist es nötig abzuwarten, bis sich das eingefangene Partikel in einer stabilen Position in der Falle einfindet. Üblicherweise dauert dieser Vorgang jedoch lediglich einige hundertstel SekundenIn cases of heavily underdamped or over-damped systems, e.g. large particles in dilute gases or in vacuum or small particles in high viscosity media, it is necessary to wait until the trapped particle arrives in a stable position in the trap. Usually, this process takes only a few hundredths of a second

Bei stark variierender Partikelgrößen kann es zudem vorteilhaft sein, die Geometrie der Falle, sofern diese mit divergenten elektromagnetischen Strahlen arbeitet, der Größe des jeweilig gefangenen Partikels anzupassen.In the case of greatly varying particle sizes, it may also be advantageous to adapt the geometry of the trap, insofar as it works with divergent electromagnetic radiation, to the size of the particular trapped particle.

Das Drehen des gefangenen Partikels erfolgt über die Drehung mindestens eines asymmetrischen Strahlprofils. Hierbei kann diese Asymmetrie die Verteilung von Intensität, Polarisationszustand und/oder eine Modulation der Phasenlage über den Strahlungsquerschnitt bedeuten. Ebenso kann die hydrodynamische Kopplung an einen in die Nähe des Partikels gebrachten, rotierenden Wellenleiter zur Drehung des Partikels genutzt werden.The rotation of the trapped particle occurs via the rotation of at least one asymmetric beam profile. In this case, this asymmetry may mean the distribution of intensity, polarization state and / or a modulation of the phase position over the radiation cross section. Likewise, the hydrodynamic coupling can be used on a rotating waveguide brought into the vicinity of the particle for rotation of the particle.

Ist die Messung am Partikel, zwecks welcher die Drehung durchgeführt wurde, abgeschlossen, kann das Partikel unter Verwendung eines an sich bekannter Transportmechanismus entsprechend dem Messergebnis sortiert werden.When the measurement on the particle for which the rotation has been performed is completed, the particle can be sorted according to the measurement result using a transport mechanism known per se.

Die erfindungsgemäße Anordnung und das Verfahren sind mit einer Reihe von Vorteilen verbunden.The arrangement according to the invention and the method are associated with a number of advantages.

Die Drehung mikroskopischer Partikel erfolgt gekoppelt an das sie ausrichtende Potential. Insbesondere heißt dies, dass ein gefangenes Partikel durch die erfindungsgemäße Anordnung ohne Verwendung von Rückkoppelmechanismen um definierte, beliebige Winkel gedreht werden kann. Dies ist vor allem dann wichtig, wenn die räumliche Struktur der zu drehenden Partikel nicht vollständig charakterisiert ist oder gar, wie beim Einsatz der Drehung zu Zwecken der Computertomographie, durch die Drehung aufgeklärt werden soll.The rotation of microscopic particles is coupled to their potential. In particular, this means that a trapped particle can be rotated by the inventive arrangement without the use of feedback mechanisms to defined, any angle. This is especially important if the spatial structure of the particles to be rotated is not fully characterized or even, as in the use of rotation for the purposes of computer tomography, to be informed by the rotation.

Eine solche Drehung ist, je nach Ausprägung der. Asymmetrien von elektromagnetischem Strahl und Partikel, der Viskosität des das Partikel umgebenden Mediums sowie der Intensität des Laserstrahls und der relativen mittleren Brechungsindizes sehr schnell durchführbar. Dieses erlaubt andererseits, die Erfindung im Fall besonders empfindlicher Partikel, z.B. biologischer Zellen, die zum Zweck der Computertomographie gedreht werden sollen, für welche Winkelgeschwindigkeiten von 360°/Sekunde ausreichen, mit relativ kleinen Leistungen zu betreiben, z.B. Laserstrahlen mit jeweils 10 - 100 mW. Dies entspricht bei der Verwendung divergenter Laserstrahlen wesentlich geringeren Belastungen für die Zellen als sie bei der Manipulation durch optische Pinzetten auftreten.Such a rotation is, depending on the expression of the. Asymmetries of electromagnetic beam and particles, the viscosity of the medium surrounding the particle and the intensity of the laser beam and the relative average refractive indices can be carried out very quickly. On the other hand, this allows the invention in the case of particularly sensitive particles, e.g. biological cells to be rotated for the purpose of computed tomography, for which angular velocities of 360 ° / sec are sufficient to operate at relatively low powers, e.g. Laser beams each with 10 - 100 mW. This corresponds to the use of divergent laser beams much lower loads on the cells than they occur in the manipulation by optical tweezers.

Anders als z.B. bei dielektrischen Feldkäfigen und "optical spanners" kann ein eingefangenes Partikel in jeder durchlaufbaren Orientierung stabil gehalten werden, ohne dass es eines Rückkoppelungsmechanismus bedarf. Durchlaufbar sind alle Winkel zwischen 0° und 360° bezüglich mindestens einer Drehachse. Nützlich ist dies z.B. bei der Langzeitbeobachtung biologischer, nicht adhärenter Zellen, bei denen man darauf angewiesen ist, eine zufällige, z.B. durch brownsche Bewegung bedingte Drehung der Zelle zu unterbinden, um den Blickwinkel auf die Zelle konstant zu halten.Unlike, for example, dielectric field cages and optical tensioners, a trapped particle can be stably held in any passable orientation without the need for a feedback mechanism. All angles are traversable between 0 ° and 360 ° with respect to at least one axis of rotation. This is useful, for example, in the long-term observation of biological, non-adherent cells, in which one is dependent on a random, for example, by Brownian motion-related rotation of the cell to prevent to keep the view of the cell constant.

Ausführungsformen der beschriebenen Erfindung zum Ausrichten und Drehen von Mikropartikeln sind als funktionelle Einheit entkoppelt von etwaig zur Beobachtung eingesetzten Mikroskopoptiken zu sehen. Dies bietet die folgenden Vorteile:Embodiments of the described invention for aligning and rotating microparticles are seen as a functional unit decoupled from any microscope optics used for observation. This offers the following advantages:

Die Erfindung ermöglicht die Rotation von mikroskopischen Partikeln senkrecht zur optischen Achse eines Mikroskops. Dies kann z.B. für die lichtmikroskopische Computer-tomographie oder andern Mikroskopieverfahren zur Erzielung hoher isotroper Auflösungen an vereinzelten, suspendierten, biologischen Zellen sowie kleineren Zellverbänden eingesetzt werden.The invention enables the rotation of microscopic particles perpendicular to the optical axis of a microscope. This can e.g. be used for light microscopic computed tomography or other microscopy method to achieve high isotropic resolutions of isolated, suspended, biological cells and smaller cell clusters.

Ein zur Beobachtung der eingefangenen Partikel dienendes Mikroskop kann unabhängig von der Erfindung bedient werden. Es ist z.B. möglich, die Fokusebene des Mikroskops in Bezug auf gefangene Partikel zu variieren, was unter anderem für die Konfokal- und Dekonvolutionsmikroskopie von großer Bedeutung ist.A microscope used to observe the trapped particles can be operated independently of the invention. It is e.g. it is possible to vary the focal plane of the microscope with respect to trapped particles, which is of great importance for confocal and deconvolution microscopy, among other things.

Zu Beobachtungszwecken eingesetzte Mikroskope bedürfen keiner oder allenfalls geringer Modifikationen.Microscopes used for observation purposes require no or at most slight modifications.

Die Erfindung kann beliebig mit optischen Pinzetten kombiniert werden. Darüber hinaus ist auch eine Kombination der Erfindung mit einem Lasermicrobeam, der schneiden und mikroinjizieren kann, möglich. Darüber hinaus kann die Erfindung auch mit einer mikrofluidischen Kammer, die eine Erneuerung eines Zellmediums erlaubt und somit zur Langzeitbeobachtung von Zellen verwendet werden kann, kombiniert werden.The invention can be combined as desired with optical tweezers. In addition, a combination of the invention with a laser microbeam that can cut and microinject is possible. In addition, the invention may also be combined with a microfluidic chamber that allows renewal of a cell medium and thus can be used for long-term observation of cells.

Anders als bei optischen Pinzetten ist die Verwendung von Objektiven hoher numerischer Apertur optional. Dies ermöglicht z.B. den Einsatz von Objektiven mit größerem Arbeitsabstand.Unlike optical tweezers, the use of high numerical aperture lenses is optional. This allows e.g. the use of lenses with a greater working distance.

Des Weiteren stellt die Erfindung keinerlei besonderen Ansprüche an das die Partikel umgebende Medium. So ist es möglich biologische Zellen in beliebigen Zellmedien, d.h. insbesondere in allen in Medizin und Biologie üblichen Standardmedien einzufangen und drehend zu orientieren. Die einzige Anforderung an die zu verwendenden Medien ist, dass ihr Brechungsindex niedriger ist als derjenige der zu untersuchenden Zelle. Dies ist meistens der Fall.Furthermore, the invention makes no particular demands on the medium surrounding the particles. Thus, it is possible to capture biological cells in any cell media, ie in particular in all standard in medicine and biology standard media and rotate to orient. The only requirement for the media to use is that its refractive index is lower than that of the cell to be examined. This is usually the case.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung und des Verfahrens.Further advantages result from the configuration of the arrangement and the method according to the invention.

Ein besonderes Merkmal der Erfindung ist, dass sie unter Verwendung von laserstrahlenführenden Glasfasern sehr platzsparend realisiert werden kann. Typischerweise haben diese einen Außendurchmesser von 80µm, wahlweise 125µm, und sind damit gut in eine Anordnung zu integrieren, welche bequem an die Probenhalterungen konventioneller Lichtmikroskope angepasst werden kann.A special feature of the invention is that it can be realized in a very space-saving manner using laser-guided glass fibers. Typically, these have an outer diameter of 80μm, optionally 125μm, and are thus well integrated into an arrangement that can be easily adapted to the sample holders conventional light microscopes.

Glasfaserbasierte Ausführungsformen sind denkbar, die gänzlich ohne Freistrahloptiken auskommen. Die Speisung der elektromagnetischen Strahlungsfalle, hier: einer Laserfalle, kann somit äußerst flexibel erfolgen, was es ermöglicht, die Falle in Bezug auf Laserquelle und Mikroskop zu bewegen, ohne dass eine erneute Kalibrierung notwendig würde. Als Laserquellen können diodengepumpte Glasfaserlaser eingesetzt werden.Fiber-based embodiments are conceivable, which manage entirely without free-beam optics. The feeding of the electromagnetic radiation trap, here: a laser trap, can thus be extremely flexible, which makes it possible to move the trap with respect to laser source and microscope, without recalibration would be necessary. As laser sources diode-pumped glass fiber lasers can be used.

Aufgrund der minimalen Größe denkbarer Ausführungsformen der Erfindung ist deren Einsatz zur Vermessung mikrofluidischer Systeme denkbar. Eine konkrete Anwendung ist die Messung der Viskosität kleinster Stoffmengen, wie sie z.B. in chemischen Mikroreaktoren umgesetzt werden, über die Messung der maximalen Winkelgeschwindigkeit, mit welcher ein bekanntes Testobjekt gedreht werden kann.Due to the minimal size of conceivable embodiments of the invention, their use for measuring microfluidic systems is conceivable. A concrete application is the measurement of the viscosity of very small amounts of substance, as e.g. in chemical microreactors, by measuring the maximum angular velocity with which a known test object can be rotated.

Ebenfalls bietet die Erfindung die Möglichkeit, extrem kleine Drehmomente zu quantifizieren, wie sie z.B. bei der Bewegung der Geißel eines Bakteriums auftreten, in dem die bei einer aktiven Drehung des Partikels durch die Erfindung maximal erreichbare Winkelgeschwindigkeit verglichen wird mit dem Verhalten des Partikels in der stationären Falle.Also, the invention offers the possibility to quantify extremely small torques, as e.g. in the movement of the flagella of a bacterium, in which the maximum achievable by an active rotation of the particle by the invention angular velocity is compared with the behavior of the particle in the stationary trap.

Grundsätzlich kann ein asymmetrisches Intensitätsprofil durch Phasenmodulatoren beliebiger Art erzielt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kommt grundsätzlich ohne die Verwendung von optischen Linsen aus, kann aber auch mit optischen Linsen realisiert oder kombiniert sein.In principle, an asymmetric intensity profile can be achieved by phase modulators of any type. The device according to the invention basically works without the use of optical lenses, but can also be realized or combined with optical lenses.

Bei bevorzugten Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Strahlformungseinrichtung optische Komponenten mit einer zu einer optischen Achse asymmetrischen Transmissionscharakteristik auf. Der Begriff der asymmetrischen Transmissionscharakteristik soll hier in seiner breitesten Bedeutung verstanden werden, beispielsweise sollen hierunter auch Situationen verstanden werden, bei denen elektromagnetische Strahlung asymmetrisch in eine Lichtleitfaser eingekoppelt wird. Beispielsweise kann die asymmetrische Transmissionscharakteristik bereitgestellt werden durch einen Übergangsbereich, an dem zwei Lichtleitfasern mit einem radialen Versatz aneinander grenzen.In preferred embodiments of the device according to the invention, the beam shaping device has optical components with an asymmetrical to an optical axis Transmission characteristic on. The term asymmetric transmission characteristic is to be understood here in its broadest meaning, for example, this should also be understood situations in which electromagnetic radiation is coupled asymmetrically into an optical fiber. For example, the asymmetric transmission characteristic may be provided by a transition region at which two optical fibers adjoin one another with a radial offset.

Grundsätzlich kann die Einkopplung des Lichts in eine zum Probenraum führende Faser auch auf andere Weise exzentrisch erfolgen. Beispielsweise führt beim Fokussieren eines zunächst parallelen Strahls mit Hilfe einer Sammellinse auf ein sauber geschnittenes Ende einer Glasfaser eine leichte radiale Versetzung des Fokus ebenfalls zur Generierung höherer Moden.In principle, the coupling of the light into a fiber leading to the sample space can also be effected in another way eccentrically. For example, when focusing an initially parallel beam by means of a converging lens onto a clean-cut end of a glass fiber, a slight radial displacement of the focus also results in the generation of higher modes.

Bei einer besonders einfach zu realisierenden Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die asymmetrische Transmissionscharakteristik durch einen asymmetrischen Abschluss einer Lichtleitfaser bereitgestellt. Die Glasfaser kann aber auch durch ihren Aufbau ein asymmetrisches, mit der Orientierung der Faser korreliertes Strahlprofil zulassen. Beispielsweise kann die Glasfaser einen elliptischen Kern aufweisen. Das asymmetrische Strahlprofil lässt sich beispielsweise auch durch gezieltes Quetschen der Glasfaser erzeugen.In a particularly easy-to-implement variant of the device according to the invention, the asymmetrical transmission characteristic is provided by an asymmetrical termination of an optical fiber. The glass fiber can also allow by their construction an asymmetric, correlated with the orientation of the fiber beam profile. For example, the glass fiber may have an elliptical core. The asymmetric beam profile can also be generated, for example, by targeted squeezing of the glass fiber.

Eine Drehung des asymmetrischen Intensitätsprofils kann durch Drehung von Glasfasern bewerkstelligt werden.Rotation of the asymmetrical intensity profile can be accomplished by rotation of glass fibers.

Alternativ können auch astigmatische Linsen oder Spiegel, asymmetrische Blenden und/oder variable Aperturblenden eingesetzt werden, um die gewünschte asymmetrische Transmissionscharakteristik bereitzustellen.Alternatively, astigmatic lenses or mirrors, asymmetric diaphragms, and / or variable aperture diaphragms can be used to provide the desired asymmetric transmission characteristic.

Ein veränderbares asymmetrisches Intensitätsprofil der Laserstrahlung kann erzielt werden bei Varianten, bei denen die Strahlumformungseinrichtung elektronisch ansteuerbare Linsen oder einen spatial light modulator (SLM) aufweist. Grundsätzlich ist jedes Verfahren, bei dem sich mindestens eine unsymmetrische Lasermode mit einer symmetrischen Lasergrundmode überlagert, zur Generierung eines asymmetrischen Strahlenprofils geeignet.A variable asymmetrical intensity profile of the laser radiation can be achieved in variants in which the beam shaping device has electronically controllable lenses or a spatial light modulator (SLM). In principle, any method in which at least one asymmetrical laser mode is superposed with a symmetrical laser fundamental mode is suitable for generating an asymmetrical beam profile.

Als optische Mittel zum Leiten der elektromagnetischen Strahlung in das Messvolumen können grundsätzlich Waveguides oder auch photonische Kristalle verwendet werden. Bei besonders bevorzugten Varianten der Erfindung umfassen die optischen Mittel zum Leiten der elektromagnetischen Strahlung in das Messvolumen Lichtleitfasern.In principle, waveguides or even photonic crystals can be used as optical means for guiding the electromagnetic radiation into the measurement volume. In particularly preferred variants of the invention, the optical means for guiding the electromagnetic radiation into the measurement volume comprise optical fibers.

Das erfindungsgemäße Drehen des asymmetrischen Intensitätsprofils kann grundsätzlich in beliebiger Weise erfolgen. Bei einfach zu realisierenden Ausführungsbeispielen wird die Strahlumformungseinrichtung mit Hilfe der Dreheinrichtung mechanisch bezüglich des Messvolumens gedreht. Beispielsweise kann mit einer einfach aufgebauten Dreheinrichtung ein asymmetrischer Abschluss einer in das Messvolumen hineinreichenden Lichtleitfaser gedreht werden.The rotation of the asymmetrical intensity profile according to the invention can in principle be carried out in any desired manner. In embodiments that are easy to implement, the beam shaping device is mechanically rotated relative to the measuring volume with the aid of the rotating device. For example, an asymmetrical termination of an optical fiber extending into the measurement volume can be rotated with a simply constructed rotating device.

Hieraus ergibt sich bereits eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der eine Drehung der Probenteilchen durch eine hydrodynamische Kopplung an ein sich im Bereich des Messvolumens drehendes optisches Element, insbesondere das Ende einer Lichtleitfaser, mindestens unterstützt wird.This already results in an advantageous development of the method according to the invention, in which a rotation of the sample particles by a hydrodynamic coupling to a rotating in the region of the measuring volume optical element, in particular the end of an optical fiber is at least supported.

Entsprechend kann zum Drehen des Intensitätsprofils auch eine bereits asymmetrisch emittierende Strahlungsquelle gegenüber den optischen Mitteln zum Leiten der Strahlung in das Messvolumen mechanisch gedreht werden. Diese Variante kann gewählt werden, wenn die optischen Mittel zum Leiten der Strahlung in das Messvolumen selbst auf das Intensitätsprofil einen vernachlässigbaren Einfluss haben. Man hat dann den Vorteil, dass ein Eingriff in das Messvolumen praktisch nicht notwendig ist, insbesondere keine sich drehenden Teile dort vorhanden sind.Accordingly, for rotating the intensity profile, an already asymmetrically emitting radiation source can also be mechanically rotated relative to the optical means for guiding the radiation into the measurement volume. This variant can be selected if the optical means for directing the radiation into the measurement volume itself have a negligible influence on the intensity profile. One then has the advantage that an intervention in the measuring volume is practically not necessary, in particular no rotating parts are present there.

Alternativ zum mechanischen Drehen einer anisotrop emittierenden Strahlungsquelle kann auch eine asymmetrisch emittierende Lichtquelle zum Drehen des asymmetrischen Intensitätsprofils gezielt moduliert angesteuert werden. Hierbei sind dann praktisch keine beweglichen Teile notwendig, so dass eine solche Anordnung insbesondere in mechanischer Hinsicht von Vorteil ist. Eine weitere Gruppe von Varianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ebenfalls dadurch gekennzeichnet, dass die Drehung des anisotropen Intensitätsprofils nicht auf mechanischem Weg erfolgt. Beispielsweise kann eine Drehung des asymmetrischen Intensitätsprofils durch eine Drehung der Polarisationsebene bewerkstelligt werden. Hierzu kann die Vorrichtung eine aktive Polarisationseinrichtung, insbesondere eine Faraday-Zelle aufweisen. Zusammen mit weiteren Komponenten, beispielsweise doppelbrechenden und/oder nichtlinearen optischen Bauteilen kann durch Drehung der Polarisationsebene auch eine Drehung eines nichtsymmetrischen Intensitätsprofils erreicht werden.As an alternative to mechanically rotating an anisotropically emitting radiation source, an asymmetrically emitting light source for selectively rotating the asymmetrical intensity profile can also be controlled. In this case, practically no moving parts are necessary, so that such an arrangement is particularly advantageous in mechanical terms. Another group of variants of the device according to the invention and of the method according to the invention is likewise characterized in that the rotation of the anisotropic intensity profile does not take place mechanically. For example, rotation of the asymmetrical intensity profile can be accomplished by rotation of the plane of polarization. For this purpose, the device may have an active polarization device, in particular a Faraday cell. Along with other components, such as birefringent and / or non-linear optical components can be achieved by rotation of the plane of polarization and rotation of a non-symmetrical intensity profile.

Umgekehrt wird, wenn beispielsweise die gesamte Lichtquelle gedreht wird und diese bereits polarisiertes Licht aussendet, auch die Polarisationsebene beim Drehen des Intensitätsprofils mitgedreht.Conversely, if, for example, the entire light source is rotated and this already emits polarized light, the polarization plane is also rotated when the intensity profile is rotated.

Hierfür können auch Lichtleitfasern mit nichtrotationssymmetrischem Profil zum Einsatz kommen.For this purpose, optical fibers with non-rotationally symmetrical profile can also be used.

Bei besonders vorteilhaften Varianten tritt die elektromagnetische Strahlung aus einem Ende einer Lichtleitfaser in das Messvolumen ein, wobei das Ende der Glasfaser entweder plan sein kann, in Form einer Blende ausgebildet sein kann oder eine definierte Asymmetrie aufweisen kann.In particularly advantageous variants, the electromagnetic radiation enters the measurement volume from one end of an optical fiber, wherein the end of the optical fiber can either be planar, can be in the form of a diaphragm or can have a defined asymmetry.

Die elektromagnetische Strahlung kann grundsätzlich aus beliebigen Quellen stammen, wobei zweckmäßigerweise Laser eingesetzt werden.The electromagnetic radiation can in principle originate from any sources, it being advantageous to use lasers.

Grundsätzlich kann es sich hierbei um gepulste Laser handeln, was beispielsweise von Vorteil sein, wenn nichtlineare optische Komponenten eingesetzt werden. Bei einfachen Varianten werden kontinuierlich betriebene Strahlungsquellen verwendet.In principle, these can be pulsed lasers, which may be advantageous, for example, if non-linear optical components are used. In simple variants, continuously operated radiation sources are used.

Die zu manipulierenden Probenteilchen müssen zunächst in irgendeiner Weise in den Wirkungsbereich der elektromagnetischen Strahlung im Messvolumen transportiert werden.The sample particles to be manipulated must first be transported in some way into the effective range of the electromagnetic radiation in the measuring volume.

Dies kann beispielsweise mit Hilfe der oben beschriebenen optischen Pinzetten sowie ergänzend oder alternativ mit Hilfe von dielektrophoretischen Kräften erfolgen.This can be done for example with the aid of the optical tweezers described above and additionally or alternatively with the aid of dielectrophoretic forces.

Wenn räumlich möglich, werden die Probenteilchen mit Hilfe einer Kapillare an eine geeignete Position im Messvolumen eingeführt. Die Probe muss die Kapillare dabei nicht verlassen. Beispielsweise kann ein mikrofluidisches Transportsystem eingesetzt werden mit einer Glaskapillare, die einen quadratischen Querschnitt aufweist und durch deren Wände die elektromagnetische Strahlung auf die Probenpartikel strahlt. Allgemein können die Partikel mit einem mikrofluidischen System in den Wirkungsbereich der Strahlung gebracht werden.If spatially possible, the sample particles are introduced by means of a capillary to a suitable position in the measuring volume. The sample does not have to leave the capillary. For example, a microfluidic transport system can be used with a glass capillary which has a square cross-section and through the walls of which the electromagnetic radiation radiates onto the sample particles. In general, the particles can be brought into the sphere of action of the radiation with a microfluidic system.

Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Vorrichtung und ist das erfindungsgemäße Verfahren einsetzbar, wenn als Probenteilchen biologische Proben, insbesondere Zellen, Zellorganellen und/oder Gewebestückchen, untersucht werden. Hierbei sind die Probenteilchen bevorzugt in wässrigen Medien suspendiert.The device according to the invention is particularly advantageous and the method according to the invention can be used if biological samples, in particular cells, cell organelles and / or pieces of tissue, are examined as sample particles. In this case, the sample particles are preferably suspended in aqueous media.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung im Vergleich zu Manipulationsmethoden, die im Stand der Technik bekannt sind, besteht darin, dass man weitestgehende Freiheit hat, die Probenteilchen kontinuierlich mit hoher Winkelgeschwindigkeit oder sehr langsam oder in definierten Schritten, insbesondere sprunghaft, zu drehen.An essential advantage of the invention compared to manipulation methods which are known in the prior art, is that it has the greatest possible freedom to rotate the sample particles continuously at high angular velocity or very slowly or in defined steps, in particular abruptly.

Eine besonders vorteilhafte Anwendung ergibt sich im Zusammenspiel mit der Mikroskopie, bei der sich die Auflösung in Lateralrichtung von derjenigen in Axialrichtung unterscheidet. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens können Probenteilchen zum Mikroskopieren gezielt gedreht werden, um eine bestimmte, insbesondere isotrope Auflösung zu erreichen. Dies ist möglich, da die Strahlachse der erfindungsgemäßen Vorrichtung völlig unabhängig gewählt werden kann von der optischen Achse eines Lichtmikroskops. Die Probe kann beispielsweise zum Zweck der Computer-Tomographie in Schritten gedreht und abgebildet werden. Die isotrope Auflösung ergibt sich dabei durch das Verrechnen mehrerer Bilder der Probe unter variierenden Winkeln mit Hilfe eines Computers.A particularly advantageous application arises in conjunction with microscopy, in which the resolution in the lateral direction differs from that in the axial direction. With the aid of the device according to the invention and the method according to the invention, sample particles for microscopy can be selectively rotated in order to achieve a specific, in particular isotropic, resolution. This is possible because the beam axis of the device according to the invention can be selected completely independently of the optical axis of a light microscope. For example, the sample may be rotated and imaged in steps for the purpose of computed tomography. The isotropic resolution results from the computation of multiple images of the sample at varying angles with the help of a computer.

Darüber hinaus ergeben sich noch weitere vorteilhafte Anwendungen im Bereich der Mikroskopie.In addition, there are still further advantageous applications in the field of microscopy.

Beispielsweise können Probenteilchen zum Mikroskopieren mit unterschiedlichen kontrastgebenden Prinzipien, insbesondere Phasenkontrast, Fluoreszenzmikroskopie, Ultraschallmikroskopie, konfokale Mikroskopie, CARS und/oder für lichtmikroskopische Manipulationen, beispielsweise FRAP, un-Caging positioniert und ausgerichtet werden. Auch eine Kombination des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Methoden der Zellmikroinjektion und eine Langzeitbeobachtung von Zellbällchen und Zellen ist möglich.For example, sample particles for microscopy can be positioned and aligned with different contrasting principles, in particular phase contrast, fluorescence microscopy, ultrasound microscopy, confocal microscopy, CARS and / or light microscopic manipulations, for example FRAP, un-caging. A combination of the method according to the invention with methods of cell microinjection and long-term observation of cell balls and cells is also possible.

Besonders vorteilhafte Anwendungen ergeben sich auch im Bereich der Laser-Scanning-Mikroskopie und der tomographischen Methoden.Particularly advantageous applications also arise in the field of laser scanning microscopy and tomographic methods.

Bei weiteren Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die grundsätzlich unabhängig von einer möglichen Beobachtung des Messvolumens mit Hilfe eines Mikroskops sind, macht man sich die Möglichkeit zunutze, die Probenpartikel prinzipiell mit einer wählbaren Geschwindigkeit in dem umgebenden Medium zu drehen. Grundsätzlich kann die Drehung der Partikel auch beliebig langsam, im Grenzfall kleiner Winkelgeschwindigkeiten im stabilen Gleichgewicht bezüglich Lage und/oder Orientierung erfolgen.In further applications of the method according to the invention, which are fundamentally independent of a possible observation of the measuring volume with the aid of a microscope, the possibility is taken advantage of, the sample particles in principle with a selectable speed in the surrounding medium to rotate. In principle, the rotation of the particles can also take place arbitrarily slowly, in the limiting case of small angular velocities in stable equilibrium with respect to position and / or orientation.

Mit Hilfe geeignet durchzuführender Kalibrierungen können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Kräfte und Drehmomente, die auf die im anisotropen Strahlungsfeld positionierten Teilchen wirken, gemessen werden. Entsprechend sind auch Elastizitätsmessungen möglich.With the help of suitable calibrations to be performed, the method according to the invention can be used to measure forces and torques acting on the particles positioned in the anisotropic radiation field. Accordingly, elasticity measurements are possible.

Der Durchtritt der Photonen durch die Probenteilchen führt, wenn diese einen von der Umgebung abweichenden Brechungsindex aufweisen, zu einem Impulsübertrag, mithin zu einer Kraft auf das Probenteilchen. Diese Kraft kann beispielsweise bei geeigneter Positionierung der Strahlungsquelle durch die Schwerkraft ausgeglichen werden.The passage of the photons through the sample particles, if they have a deviating from the environment refractive index, leads to a momentum transfer, and thus to a force on the sample particle. This force can be compensated, for example, with proper positioning of the radiation source by gravity.

Bei besonders bevorzugten Varianten ist zum Ausgleich von Kräften, die durch Impuls-übertragung von Photonen der elektromagnetischen Strahlung auf die Probenteilchen ausgeübt werden, mindestens eine weitere Strahlungsquelle vorhanden. Solche weiteren Strahlungsquellen können auch dazu genutzt werden, an den ausgerichteten Probenteilchen Elastizitätsmessungen durchzuführen.In particularly preferred variants, at least one further radiation source is present to compensate for forces which are exerted on the sample particles by pulse transmission of photons of the electromagnetic radiation. Such other radiation sources can also be used to perform elasticity measurements on the aligned sample particles.

Die Drehung von einem oder mehreren Probenpartikeln kann aber auch dazu genutzt werden, ein umgebendes Probenmedium in Rotation zu versetzen.The rotation of one or more sample particles can also be used to set a surrounding sample medium in rotation.

Auch zur Bearbeitung und zur gezielten externen Manipulation, beispielsweise zur Ausrichtung eines Probenteilchens für die Exposition gegenüber einem Mikrowerkzeug, wie einem optischen Skalpell, einer Mikropipette oder einer patch clamp, kann das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden.The method according to the invention can also be used for processing and for targeted external manipulation, for example for aligning a sample particle for exposure to a micro-tool, such as an optical scalpel, a micropipette or a patch clamp.

Schließlich kann aus einer maximal möglichen Winkelgeschwindigkeit eines Probenteilchens auch eine Viskosität des umgebenden Mediums, beispielsweise als des wässrigen Mediums, in dem sich das Teilchen bewegt, bestimmt werden. Eine gemessene maximale Winkelgeschwindigkeit bei gegebener Viskosität, beispielsweise von Wasser, kann auch etwas über die Probe, insbesondere die Probenform aussagen. Beispielsweise können Anhaltspunkte gewonnen werden, ob sich ein Zellkern gerade teilt.Finally, from a maximum possible angular velocity of a sample particle, a viscosity of the surrounding medium, for example as the aqueous medium in which the particle moves, can be determined. A measured maximum angular velocity for a given viscosity, for example of water, can also say something about the sample, in particular the sample shape. For example, clues can be obtained as to whether a nucleus is dividing.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben. Hierin zeigt:

Fig. 1
ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
Fig. 2
ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Further advantages and features of the invention will be described with reference to the accompanying figures. Hereby shows:
Fig. 1
a first embodiment of a device according to the invention; and
Fig. 2
A second embodiment of a device according to the invention.

Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1

Als erstes Ausführungsbeispiel wird im Folgenden eine im Sinn der Erfindung modifizierte glasfaserbasierte Zweistrahllaserfalle beschrieben.As a first exemplary embodiment, a glass-fiber-based two-beam laser trap modified in accordance with the invention will be described below.

Der Aufbau, schematisch dargestellt in Fig. 1, besteht aus einem Keramikkörper 1, der die Ausrichtung von laserstrahlführenden Glasfasern 6 und 7 durch eine passgenaue Führung durch Bohrungen gewährleistet, zwei Gleitlagern, bestehend aus den Keramikhülsen 3 und 13 und den geführten Keramikzylindern 2 und 11, die eine verdrillungsfreie Rotation der von rechts in den Probenraum 10 geführte Glasfaser 6 ermöglichen. Die gesamte Anordnung ist montiert auf einem handelsüblichen Lichtmikroskop mit einem angedeuteten Objektiv 16, so dass sich Proben in der Laserfalle 10 durch den Objektträger 15 beobachten lassen.The structure, shown schematically in Fig. 1 , consists of a ceramic body 1, which ensures the alignment of laser-beam guiding glass fibers 6 and 7 by a precise guide through holes, two plain bearings, consisting of the ceramic sleeves 3 and 13 and the guided ceramic cylinders 2 and 11, a twist-free rotation of the right in allow the sample chamber 10 guided glass fiber 6. The entire assembly is mounted on a commercially available light microscope with an indicated objective 16, so that samples can be observed in the laser trap 10 through the slide 15.

Während es sich bei der linken Glasfaser 7 um eine sogenannte "single mode" Faser, d.h. eine Glasfaser, die das durch sie geführte Laserlicht mit einem gaußschen rotationssymmetrischen Intensitätsprofil abstrahlt, handelt, besitzt der von der rechten Glasfaser 6 emittierte Laserstrahl diese Symmetrie nicht. Grund hierfür ist der leicht versetzte Übergang 8 von einer "single mode" Faser 5 zu einer Glasfaser 6, die bei der Wellenlänge des eingesetzten Lasers, aufgrund des relativ zur "single mode" Faser 5 größeren Faserkerns, in höheren Schwingungsmoden angeregt und daher auch als "multi mode" Faser bezeichnet wird. Der im Bereich des Glasfaserübergangs 8 an die Glasfaser 6 gekoppelte Fortsatz der "single mode" Faser 5 ist mit dem Bezugszeichen 9 versehen. Diese Glasfaser 9 ist eine Verlängerung der Glasfaser 5, ist von der Glasfaser 5 jedoch mechanisch beim Übergangspunkt 14 mechanisch entkoppelt. Es handelt sich bei der Glasfaser 9 um die gleiche "single mode" Faser wie bei Glasfaser 5. Das so erzeugte Laserprofil, innerhalb des von rechts in den Probenraum 10 geführten Glasfaserstücks 6, wird zwar immer noch dominiert durch den fundamentalen, d.h. gaußförmigen, Lasermode, besitzt jedoch durch die Überlagerung höherer Moden, die im Allgemeinen nur diskrete Symmetrien aufweisen, keine Rotationssymmetrie mehr. Die Strahlformeinrichtung wird hier also durch den Übergang 8 zwischen der Faser 5 zur Faser 6 bereitgestellt. Die Drehung dieses Intensitätsprofils erfolgt über die verdrillungsfreie Drehung der letzten Zentimeter der rechten Glasfaser 6 vor dem Probenraum 10, beginnend bei Übergangspunkt 14 samt den Keramikzylindern 2 und 11, in deren zentrische Bohrungen die Glasfaser 6 eingeklebt ist, sowie der Schutzummantelung 4 des Glasfaserübergangs 8, welche gleichzeitig als mechanisch starre Kopplung des Keramikzylinders 2 an den Keramikzylinder 11 dient. Im Bereich des Übergangspunktes 14 berühren sich, ausgerichtet durch ein im wesentlichen aus zwei Keramikzylindern 11 und 12 sowie einer Keramikführung 13 bestehenden Gleitlager, zwei plan geschnittene, polierte Glasfaserenden, so dass einerseits die Drehung der beiden Fasern relativ zueinander ermöglicht wird, andererseits das von der Glasfaser 5 emittierte Laserlicht praktisch verlustfrei in Glasfaser 9 überkoppeln kann. Die Drehung des die Quelle der Asymmetrie des Laserprofils beinhaltenden, von rechts in den Probenraum geführten Glasfaserstücks 6 kann manuell sowie unter Verwendung eines motorisierten Antriebs erfolgen. Die Bauteile 2, 4, 6, 8, 9 und 11 bilden eine starre Einheit, die in Bezug auf den Rest des Systems drehbar ist.While the left-hand optical fiber 7 is a so-called "single mode" fiber, ie a glass fiber which radiates the laser light guided through it with a Gaussian rotationally symmetrical intensity profile, the laser beam emitted by the right-hand optical fiber 6 does not possess this symmetry. The reason for this is the slightly offset transition 8 from a "single mode" fiber 5 to a glass fiber 6, which at the wavelength of the laser used, due to the relative to the "single mode" fiber 5 larger fiber core, excited in higher vibration modes and therefore also as "multi mode" fiber is called. The extension of the "single mode" fiber 5 coupled in the region of the glass fiber transition 8 to the glass fiber 6 is provided with the reference numeral 9. This glass fiber 9 is an extension of the glass fiber 5, but is mechanically decoupled from the glass fiber 5 mechanically at the transition point 14. The glass fiber 9 is the same "single mode" fiber as in the case of glass fiber 5. The laser profile generated in this way, within the glass fiber piece 6 guided from the right into the sample space 10, is still dominated by the fundamental, ie Gaussian, laser mode , however, no longer possesses rotational symmetry due to the superimposition of higher modes, which generally have only discrete symmetries. The beam shaping device is thus provided by the transition 8 between the fiber 5 to the fiber 6 here. The rotation of this intensity profile via the twist-free rotation of the last centimeter of the right glass fiber 6 in front of the sample chamber 10, starting at transition point 14 together with the ceramic cylinders 2 and 11, in the central holes of the glass fiber 6 is glued, and the protective sheath 4 of the fiber transition 8, which simultaneously serves as a mechanically rigid coupling of the ceramic cylinder 2 to the ceramic cylinder 11. In the region of the transition point 14, aligned by a substantially consisting of two ceramic cylinders 11 and 12 and a ceramic guide 13 sliding bearing, two plane cut, polished glass fiber ends, so that on the one hand, the rotation of the two fibers is made possible relative to each other, on the other hand from the Glass fiber 5 emitted laser light virtually lossless in glass fiber 9 can couple. The rotation of the fiberglass piece 6 containing the source of asymmetry of the laser profile, guided from the right into the sample space, can be done manually and using a motorized drive. The components 2, 4, 6, 8, 9 and 11 form a rigid unit that is rotatable with respect to the rest of the system.

Bei den verwendeten Glasfasern handelt es sich um handelsübliche Stufenindexfasern, d.h. Glasfasern, deren Brechungsindex im Bereich des Übergangs vom Faserkern zum diesen Kern umgebenden Fasermantel, engl: fibre cladding, sprunghaft variiert. Die numerische Apertur der Fasern (NA) liegt bei etwa 0,14. Ferner ist die "multi mode" Glasfaser durch zusätzliche Strukturelemente um den Bereich des Faserkerns polarisationserhaltend und ermöglicht so eine besonders stabilen Transport des Laserprofils, welches im Bereich des versetzten Splice oder Glasfaserübergangs 8 seine Form erhält. Sowohl "multi mode" Faser als auch "single mode" Fasern haben nach der Entfernung des sie zunächst umgebenden Acrylschutzmantels einen Außendurchmesser von 125 µm und lassen sich somit durch die Bohrungen der verwendeten Keramiken, die einen Durchmesser von 126 µm aufweisen, optimal führen und ausrichten. Des Weiteren ist der Kerndurchmesser der "multi mode" Faser 6 so gewählt, dass die Ausbreitung nur weniger Schwingungsmoden in der Faser möglich ist. Der in Bezug auf die Wellenausbreitung in der Glasfaser charakteristische so genannte "V Parameter" nimmt für die "multi mode" Faser bei der verwendeten Wellenlänge von 1060 nm, einen Wert zwischen 2.405, Übergang zum "single mode" Bereich, und etwa 4 an. Gespeist werden die Glasfasern von Faserlasermodulen, die je nach zu manipulierender Probe mit einer Ausgangsleistung zwischen einigen Milliwatt und mehreren Watt betrieben werden. Die Dämpfung der Laserstrahlintensität in der Glasfaser ist hierbei aufgrund der geringen Faserlängen zu vernachlässigen. Verluste im Bereich des Glasfaserübergangs 8 können sich hingegen auf 5-10% belaufen.The glass fibers used are commercially available step index fibers, ie glass fibers, whose refractive index varies abruptly in the region of the transition from the fiber core to the fiber cladding surrounding this core, or fiber cladding. The numerical aperture of the fibers (NA) is about 0.14. Furthermore, the "multi mode" glass fiber by additional structural elements around the region of the fiber core polarization maintaining and thus enables a particularly stable transport of the laser profile, which receives its shape in the region of the offset splice or glass fiber transition 8. Both "multi mode" fiber and "single mode" fibers have an outer diameter of 125 μm after the removal of the acrylic protective sheath surrounding them first and can thus be optimally guided and aligned through the bores of the ceramics used, which have a diameter of 126 μm , Furthermore, the core diameter of the "multi-mode" fiber 6 is chosen so that the propagation of only a few vibration modes in the fiber is possible. The so-called "V parameter" characteristic of the wave propagation in the optical fiber assumes for the "multi mode" fiber at the used wavelength of 1060 nm, a value between 2.405, transition to the "single mode" range, and about 4. The glass fibers are fed by fiber laser modules, which, depending on the sample to be manipulated, have a Output power can be operated between a few milliwatts and several watts. The attenuation of the laser beam intensity in the glass fiber is negligible here because of the short fiber lengths. Losses in the area of the fiber transition 8, however, can amount to 5-10%.

Die Funktionsweise dieser Anordnung ist folgende: Die für optische Zweistrahlfallen typischen Gradienten- und Streukräfte greifen an Partikeln, die in den Bereich der von den Glasfasern emittierten Laserstrahlen gelangen, an und zentrieren diese in der Falle. Die Drehung des von Glasfaserstück 6 emittierten asymmetrischen Laserprofils gekoppelt an die Drehung der Faser selbst bewirkt die Drehung des Partikels in der Falle parallel zur optischen Achse der Glasfasern. Die Drehung des Partikels ist damit direkt korreliert mit der Drehung der Glasfaser und lediglich im Fall hochviskoser Medien als leicht verzögert zu betrachten.The mode of operation of this arrangement is as follows: The gradient forces and scattering forces which are typical of optical double-jet traps attack particles centered in the region of the laser beams emitted by the glass fibers and center them in the trap. The rotation of the asymmetric laser profile emitted by glass fiber piece 6 coupled to the rotation of the fiber itself causes the rotation of the particle in the trap parallel to the optical axis of the glass fibers. The rotation of the particle is thus directly correlated with the rotation of the glass fiber and only slightly delayed in the case of highly viscous media.

Ausführungsbeispiel 2Embodiment 2

Im Folgenden wird eine der Erfindung entsprechende, glasfaserbasierte Einzelstrahlfalle beschrieben, die in Fig. 2 schematisch dargestellt ist. Der Aufbau des Systems ist dem in Ausführungsbeispiel 1 ähnlich. Die wesentlichen Unterschiede bestehen im Einsatz lediglich eines Laserstrahls sowie in der Erzeugung seines Profils.In the following, a glass-fiber-based individual jet trap corresponding to the invention will be described, which in FIG Fig. 2 is shown schematically. The structure of the system is similar to that in Embodiment 1. The main differences are the use of only one laser beam and the generation of its profile.

Der Aufbau besteht aus einem von einer Keramikführung 21 ausgerichteten "single mode" Glasfaserstück 28, dessen verdrillungsfreie Drehung durch zwei Gleitlager, bestehend aus den Keramikhülsen 22 und 24, die mit der Keramikführung 21 bzw. dem Keramikzylinder 25 verklebt sind, sowie dem Keramikzylinder 23, der zusammen mit Glasfaserstück 28 eine starre, in Bezug auf den Rest der Anordnung drehbare Einheit bildet. Die mechanische Entkopplung des Glasfaserstücks 28 von der "single mode" Glasfaser 26 wird durch den Übergangsbereich 27 gewährleistet, in welchem sich die plan-polierten Enden der Glasfasern 26 und 28 berühren.The construction consists of a "single mode" glass fiber piece 28 oriented by a ceramic guide 21, the twist-free rotation of which is glued by two plain bearings consisting of the ceramic sleeves 22 and 24 glued to the ceramic guide 21 and the ceramic cylinder 25, respectively, and to the ceramic cylinder 23. which together with glass fiber piece 28 forms a rigid unit rotatable relative to the rest of the assembly. The mechanical decoupling of the glass fiber piece 28 from the "single mode" glass fiber 26 is ensured by the transition region 27 in which the planar-polished ends of the glass fibers 26 and 28 touch.

Der verwendete Laserstrahl wird von Glasfaser 28 nicht wie im Anordnungsbeispiel 1 divergent, sondern durch die Miniaturlinse 32 (Abrundung des Glasfaserendes) fokussierend emittiert und besitzt darüber hinaus einen leichten Astigmatismus. Mit dem Begriff Miniaturlinse 32 ist hier eine Abrundung eines Endes der Glasfaser 28 gemeint, welche beim Übergangsbereich 27 beginnt und bis in den Probenraum führt.The laser beam used is not divergent by glass fiber 28 as in the arrangement example 1, but by the miniature lens 32 (rounding of the fiber end) focused and also has a slight astigmatism. By the term miniature lens 32 is meant here a rounding of one end of the glass fiber 28, which begins at the transition region 27 and leads into the sample space.

Die Präparation des Glasfaserendes erfolgt folgendermaßen: Zunächst wird der Kern der Glasfaser 28 im Bereich des Endes mit Flusssäure, die das Mantelglas zersetzt, freigelegt. Das so entstandene, verjüngte Endstück der Glasfaser 28 wird nun in einen so genannten "arc fusion splicer" (einem Gerät, welches normalerweise dazu eingesetzt wird, um Glasfasern zu verbinden) einem zwischen zwei Nadelspitzen entstehenden Lichtbogen für etwa 0,2 Sekunden ausgesetzt. Dabei rundet sich das Faserende aufgrund der Oberflächenspannung des Glases ab und formt somit nach dem Abkühlen die Miniaturlinse 32. Diese Linse 32 weist wegen der Vorzugsrichtung des Lichtbogens einen leichten Astigmatismus auf, der dazu führt, dass der von der Glasfaser 28 abgestrahlte Laserstrahl ein elliptisches Profil besitzt.The preparation of the glass fiber end is carried out as follows: First, the core of the glass fiber 28 is exposed in the region of the end with hydrofluoric acid, which decomposes the cladding glass. The resulting tapered tail of the optical fiber 28 is then exposed in a so-called "arc fusion splicer" (a device normally used to connect glass fibers) to an arc between two needle tips for about 0.2 seconds. In this case, the fiber end is rounded off due to the surface tension of the glass and thus forms after cooling the miniature lens 32. This lens 32 has a slight astigmatism because of the preferred direction of the arc, which causes the laser beam emitted from the optical fiber 28 an elliptical profile has.

Im Fokus 29 der so modifizierten Glasfaser 28 ist es möglich, mikroskopische Partikel zu fangen und zu orientieren. Eine Drehung gefangener Partikel erfolgt wiederum über die Drehung des an die Glasfaser 28 gekoppelten Laserprofils.In the focus 29 of the thus modified glass fiber 28, it is possible to catch and orient microscopic particles. Rotation of trapped particles is again effected by the rotation of the laser profile coupled to the optical fiber 28.

Üblicherweise wird die Anordnung über die Keramikführung 21 so an einem Objektträger 31 fixiert, dass im Fokus des Laserstrahls 29 gefangene Partikel mittels eines Lichtmikroskops, dessen Objektiv 30 in der Abbildung angedeutet ist, betrachtet werden können.The arrangement is usually fixed on a slide 31 via the ceramic guide 21 in such a way that particles trapped in the focus of the laser beam 29 can be viewed by means of a light microscope whose objective 30 is indicated in the figure.

Andere Ausführungsformen sind möglich, z.B. solche, bei den Laserstrahlen von Laserdioden in unmittelbarer Nähe zum Probenraum erzeugt und über geeignete Optiken präpariert werden.Other embodiments are possible, e.g. those generated by the laser beams of laser diodes in close proximity to the sample space and are prepared via suitable optics.

Verfahrensbeispiel 1 - Verfahren zur Langzeituntersuchung von ZebrafischembryonenProcess Example 1 - Method for the long-term study of zebrafish embryos

Zebrafischembryonen stellen für die Entwicklungsbiologie und Genetik ein interessantes Forschungsgebiet dar, da diese einfach zu handhaben sind und ihre Entwicklung, aufgrund ihrer Transparenz, bis zu einem hohen Stadium lichtmikroskopisch verfolgt werden kann.Zebrafish embryos represent an interesting field of research for developmental biology and genetics, as they are easy to handle and, because of their transparency, their development can be followed up to a high stage by light microscopy.

Da die Ausdehnung dieser Embryonen die Schärfentiefe konventioneller Mikroskope jedoch übersteigt, bedarf es anderer Verfahren, um räumlich hochauflösende Bilder der Proben zu erhalten. Verbreitet sind hier die konfokale Mikroskopie, welche mittels eines Laserstrahls die Probe in Schichten scannt, um diese nachträglich zu einem dreidimensionalen Modell zusammenzufügen, sowie der Einsatz von Dekonvolutionstechniken, bei denen aus einem Stapel lichtmikroskopischer Einzelbilder aus parallelen Fokusebenen ein dreidimensionales Bild errechnet werden kann. Nachteil dieser Verfahren ist, dass es mitunter mehrere Minuten dauert, bis ein Bildstapel aufgenommen ist und von einem Computer dargestellt werden kann. Ein "on-line screening" der Embryoentwicklung ist damit nicht möglich.However, as the extent of these embryos exceeds the depth of field of conventional microscopes, other methods are required to obtain spatially high resolution images of the samples. Confocal microscopy, which scans the sample into layers by means of a laser beam in order to subsequently combine these into a three-dimensional model, and the use of deconvolution techniques, in which a stack of light-microscopic individual images from parallel focal planes is widespread, are widespread a three-dimensional image can be calculated. Disadvantage of this method is that it sometimes takes several minutes until a picture stack is recorded and can be displayed by a computer. An "on-line screening" of embryo development is therefore not possible.

Das im Folgenden angeführte Verfahrensbeispiel beschreibt, wie die in Anordnungsbeispiel 1 beschriebene Anordnung dazu verwendet werden kann, um mit einem konventionellen Lichtmikroskop die dreidimensionale Entwicklung eines Zebrafischembryos zu untersuchen:

  • Das Verfahren besteht aus den Schritten:
    • Präparation der Zweistahlfalle: Fixierung der die Glasfasern führenden Keramik auf dem Objektträger eines Mikroskops, Adaption des Abstands der Glasfaserenden auf ca. 2mm, Speisung der Glasfasern durch Faserlaser (Ausgangsleistung etwa 2W pro Faser, Wellenlänge 1064nm)
    • Entnahme eines oder mehrerer Embryonen aus der Kultur
    • Gegebenenfalls weitere Vorbehandlung, wie Exposition von Zellgiften, Medikamenten oder anderen Einflüssen gemäß dem Zweck der Untersuchung
    • Großzügige Benetzung der Glasfaserenden mit dem den Anforderungen des Experiments entsprechenden Medium
    • Zugabe eines oder mehrerer Embryonen mit einer weiten Pipette
    • Einfangen eines Embryos in der Falle: In den wenigsten Fälle befindet sich ein Embryo sofort in der Falle. Meistens ist es notwendig, ihn mittels von Mikropipetten ausgehendem Fluss in die Falle zu spülen. Alternativ kann dieser Fluss von einer Sonde verursacht sein, die durch das Medium bewegt wird, den Embryo jedoch nicht berührt.
The method example given below describes how the arrangement described in arrangement example 1 can be used to examine the three-dimensional development of a zebrafish embryo using a conventional light microscope:
  • The procedure consists of the steps:
    • Preparation of the two-wire trap: Fixation of the glass fibers leading ceramic on the microscope slide, adaptation of the distance of the glass fiber ends to about 2mm, feeding of the glass fibers by fiber laser (output power about 2W per fiber, wavelength 1064nm)
    • Collection of one or more embryos from the culture
    • If necessary, further pretreatment, such as exposure to cytotoxins, medicines or other influences according to the purpose of the study
    • Generous wetting of the glass fiber ends with the medium corresponding to the requirements of the experiment
    • Add one or more embryos with a wide pipette
    • Trapping an embryo in the trap: In very few cases, an embryo is immediately trapped. Mostly, it is necessary to flush it into the trap by means of micropipettes. Alternatively, this flow may be caused by a probe that is moved through the medium but does not touch the embryo.

Ist der Embryo eingefangen, lässt er sich durch die Rotation des asymmetrischen Profils eines der verwendeten Laserstrahlen kontinuierlich wie in Schritten um die optische Achse der Falle drehen. Dies ermöglicht durch die Abbildung beliebiger Schnitte parallel zur Drehachse durch die Probe, die Entwicklung des Embryos in drei Dimensionen zu verfolgen. Die Drehung des Strahlprofils erfolgt manuell oder motorisiert mit einer Auflösung von weniger als einem Grad. Die Nutzung von Fluoreszenz- oder anderer Mikroskopietechniken ist optional und möglich.Once captured, the embryo can be continuously rotated as it moves in steps around the optic axis of the trap by rotating the asymmetric profile of one of the laser beams used. This allows tracking of embryo development in three dimensions by imaging any slices parallel to the spin axis through the sample. The rotation of the beam profile is done manually or motorized with a resolution less than a degree. The use of fluorescence or other microscopy techniques is optional and possible.

Bei langandauernden Untersuchungen (länger als 30 Minuten) kann es sinnvoll sein, das verwendete Medium kontinuierlich unter Verwendung eines mit einer Spritzenpumpe betriebenen mikrofluidischen Systems auszuwechseln oder destilliertes Wasser zuzuführen um einer verdunstungsbedingten Erhöhung der Konzentration der im Medium gelösten Stoffe entgegenzuwirken.For long-term examinations (longer than 30 minutes), it may be useful to replace the medium used continuously using a microfluidic system operated with a syringe pump or to add distilled water to counteract an evaporation-related increase in the concentration of solutes in the medium.

Verfahrensbeispiel 2Process Example 2

Drehen suspendierter, vereinzelter, biologischer Zellen zum Zweck der Computertomographie unter Verwendung eines in Anordnungsbeispiel 1 integrierten mikrofluidischen Systems zusammen mit einem Phasenkontrastmikroskop.Rotating suspended, discrete, biological cells for the purpose of computed tomography using a microfluidic system integrated with Example 1 together with a phase-contrast microscope.

Das Verfahren besteht aus folgenden Schritten:The procedure consists of the following steps:

In die in Ausführungsbeispiel 1 beschriebene Anordnung wird ein mikrofluidisches System integriert. Dieses besteht im Wesentlichen aus einer Glaskapillare quadratischen Querschnitts, durch welche die Zellen in den Wirkungsbereich der optischen Falle transportiert werden. Die Regulation des Flusses durch diese Kapillare erfolgt durch eine elektrische Spritzenpumpe.In the arrangement described in Example 1, a microfluidic system is integrated. This essentially consists of a glass capillary of square cross section, through which the cells are transported into the effective range of the optical trap. Regulation of the flow through this capillary is by an electric syringe pump.

Die Präparation der optischen Zweistrahlfalle orientiert sich an den Parametern:

  • Abstand der Faserenden ca. 250µm
  • Laserleistung etwa 100 mW je Glasfaser (nicht gepulst)
  • Wellenlänge der verwendeten Laser im nahen Infrarot (z.B. 1064nm)
The preparation of the optical double-jet trap is based on the parameters:
  • Distance of the fiber ends approx. 250μm
  • Laser power about 100 mW per fiber (not pulsed)
  • Wavelength of the used laser in the near infrared (eg 1064nm)

Die gewünschten Zellen werden der Kultur oder einem Organismus entnommen und geeignet präpariert. Adhärente Zellen werden von ihrem Substrat abgelöst und ggf. unter Zugabe von Enzymen (z.B. Trypsin) und Chemikalien in einem Zellmedium suspendiert.The desired cells are removed from the culture or an organism and prepared appropriately. Adherent cells are detached from their substrate and optionally suspended in a cell medium with the addition of enzymes (e.g., trypsin) and chemicals.

Mögliche Verunreinigungen sowie andere Zelltypen werden durch Verfahren wie z.B. der Dichtegradientenzentrifugation oder Durchflusszytometrie aus der Probe entfernt.Possible contaminants as well as other cell types are removed from the sample by methods such as density gradient centrifugation or flow cytometry.

Die Zellen werden in ihrem Medium auf eine Konzentration von 10.000 Zellen/ml verdünnt bzw. durch Zentrifugation angereichert.The cells are diluted in their medium to a concentration of 10,000 cells / ml or enriched by centrifugation.

Die Zellen werden in ihrem Medium mittels einer Spritze in das mikrofluidische Transportsystem injiziert.The cells are injected in their medium by means of a syringe into the microfluidic transport system.

Die Zellen werden unter Verwendung einer Spritzenpumpe durch das mikrofluidische System in den Wirkungsbereich der Laserfalle transportiert.The cells are transported through the microfluidic system into the area of action of the laser trap using a syringe pump.

Befindet sich eine Zelle in der Falle, wird der Fluss angehalten.If a cell is in the trap, the flow stops.

Die Zelle wird nun als Folge der Rotation des asymmetrischen Profils eines der verwendeten Laserstrahlen in Schritten von 5° um 360° gedreht und in jeder Orientierung von einer an das zur Beobachtung eingesetzte Phasenkontrastmikroskop angeschlossen Kamera fotografiert.The cell is then rotated 360 ° in 5 ° increments as a result of the rotation of the asymmetric profile of one of the laser beams used and photographed in any orientation by a camera connected to the phase contrast microscope used for observation.

Die Bilder werden sofort oder nach Abschluss der Aufnahmeserie von einem Computer eingelesen und digitalisiert..The pictures are read in and digitized by a computer immediately or after completing the series of pictures.

Softwarebasiert wird aus den Einzelbildern ein dreidimensionales Modell der Zelle errechnet.Software-based, a three-dimensional model of the cell is calculated from the individual images.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1
keramische Glasfaserführung mit zylindrischem Fortsatz
2
Keramikzylinder
3
Keramikhülse verklebt mit (1) als Führung für (2)
4
Schutz des Übergangsstücks (8), sowie mechanisch starre Kopplung von (2) an (11)
5
"single mode" Glasfaser gespeist von Faserlasermodul
6
"multi mode" Glasfaser
7
"single mode" Glasfaser gespeist von Faserlasermodul
8
etwa 2µm versetzter Übergang von Glasfaser (5) zu Glasfaser (6)
9
"single mode" Glasfaser
10
eigentliche Laserfalle, Probenraum
11
Keramikzylinder verklebt mit (9) und (4)
12
Keramikzylinder
13
Keramikhülse oder -führung verklebt mit (12)
14
drehbarer Übergang von (9) zu (5)
15
Objektträger (dünne Glasplatte)
16
Objekt (als Bestandteil eines Mikroskops, optional)
Erläuterung: Die Bauteile 2, 4, 6, 8, 9 und 11 bilden eine starre Einheit, die in Bezug auf den Rest des Systems drehbar ist
21
Keramische Glasfaserführung mit zylindrischem Fortsatz
22
Keramikhülse verklebt mit (21) als Führung für (23)
23
Keramikzylinder, drehbar, darin eingeklebt Glasfaser: (28); mechanisch starre Kopplung von (22) an (31)
24
Keramikhülse verklebt mit (25) als Führung für (23)
25
Keramikzylinder, darin eingeklebt: Glasfaser (26)
26
"single mode" Glasfaser gespeist von Faserlasermodul
27
drehbarer Übergang von (26) zu (28)
28
"single mode" Glasfaser mit asymmetrisch abgerundetem Ende, eingeklebt in (23)
29
aus der Glasfaser austretender, fokussierter Laserstrahl mit leichtem Astigmatismus (eigentliche Laserfalle, Probenraum)
30
Objektiv eines Lichtmikroskops (optional)
31
Objektträger (dünne Glasplatte)
Erläuterung: Die Bauteile (23) und (28) bilden eine starre, in Bezug auf den Rest des Systems drehbare Einheit
32
Miniaturlinse am Ende der Glasfaser (28)
1
ceramic glass fiber guide with cylindrical extension
2
ceramic cylinder
3
Ceramic sleeve glued with (1) as a guide for (2)
4
Protection of the transition piece (8), as well as mechanically rigid coupling of (2) to (11)
5
"single mode" fiber fed by fiber laser module
6
"multi mode" fiber
7
"single mode" fiber fed by fiber laser module
8th
about 2μm staggered transition from glass fiber (5) to glass fiber (6)
9
"single mode" fiber
10
actual laser trap, sample space
11
Ceramic cylinder glued with (9) and (4)
12
ceramic cylinder
13
Ceramic sleeve or guide glued with (12)
14
rotatable transition from (9) to (5)
15
Slide (thin glass plate)
16
Object (as part of a microscope, optional)
Explanation: The components 2, 4, 6, 8, 9 and 11 form a rigid unit which is rotatable with respect to the rest of the system
21
Ceramic fiberglass guide with cylindrical extension
22
Ceramic sleeve bonded with (21) as a guide for (23)
23
Ceramic cylinder, rotatable, glued inside Glass fiber: (28); mechanically rigid coupling of (22) to (31)
24
Ceramic sleeve glued with (25) as a guide for (23)
25
Ceramic cylinder glued into it: fiberglass (26)
26
"single mode" fiber fed by fiber laser module
27
rotatable transition from (26) to (28)
28
"single mode" fiberglass with asymmetric rounded end, glued in (23)
29
Focused laser beam with light astigmatism emerging from the glass fiber (actual laser trap, sample space)
30
Lens of a light microscope (optional)
31
Slide (thin glass plate)
Explanation: The components (23) and (28) form a rigid unit rotatable relative to the rest of the system
32
Miniature lens at the end of the glass fiber (28)

Claims (35)

Vorrichtung zum berührungslosen Manipulieren und Ausrichten von Probenteilchen in einem Messvolumen mit Hilfe eines inhomogenen elektrischen Wechselfelds,
insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 14 bis 33,
mit einer Strahlungsquelle zum Aussenden von elektromagnetischer Strahlung und
mit optischen Mitteln (6, 5; 26, 28) zum Leiten der elektromagnetischen Strahlung in das Messvolumen (10; 29),
dadurch gekennzeichnet,
dass als Teil der optischen Mittel (6, 5; 26, 28) eine Strahlformungseinrichtung (8; 28) zum Erzeugen eines zu einer Strahlachse asymmetrischen Intensitätsprofils vorhanden ist, wobei Probenteilchen im Messvolumen (10; 29) in einer durch das asymmetrische Intensitätsprofil erzeugten inhomogenen Feldverteilung des elektrischen Felds einfangbar sind, und
dass zum Mitführen von in der inhomogenen Feldverteilung eingefangenen Probenteilchen eine Dreheinrichtung (2, 4, 11; 23, 28) zum Drehen des asymmetrischen Intensitätsprofils um die Strahlachse relativ zum Messvolumen (10; 29) vorhanden ist.
Device for non-contact manipulation and alignment of sample particles in a measurement volume with the help of an inhomogeneous alternating electric field,
in particular for carrying out the method according to one of claims 14 to 33,
with a radiation source for emitting electromagnetic radiation and
with optical means (6, 5, 26, 28) for guiding the electromagnetic radiation into the measuring volume (10, 29),
characterized,
that as part of the optical means (6, 5; 26, 28) there is a beam-shaping device (8; 28) for generating an asymmetric intensity profile to a beam axis, sample particles in the measuring volume (10; 29) being inhomogeneous by the asymmetrical intensity profile Field distribution of the electric field are trappable, and
that for carrying of trapped in the inhomogeneous field distribution of sample particles, a rotating means (2, 4, 11; 23, 28); is present for rotating the asymmetric intensity profile around the beam axis relative to the measuring volume (29 10).
Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Strahlformungseinrichtung (8; 28) optische Komponenten mit einer zu einer optischen Achse asymmetrischen Transmissionscharakteristik aufweist.
Device according to claim 1,
characterized,
in that the beam-shaping device (8; 28) has optical components with a transmission characteristic which is asymmetrical with respect to an optical axis.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die optischen Mittel zum Leiten der elektromagnetischen Strahlung in das Messvolumen (10; 29) Lichtleitfasern (6, 5; 26, 28) umfassen.
Device according to one of claims 1 or 2,
characterized,
in that the optical means for guiding the electromagnetic radiation into the measurement volume (10; 29) comprise optical fibers (6, 5; 26, 28).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die asymmetrische Transmissionscharakteristik bereitgestellt wird durch einen Übergangsbereich (14), an dem zwei Lichtleitfasern (5, 9) mit einem radialen Versatz aneinander grenzen.
Device according to one of claims 2 or 3,
characterized,
in that the asymmetrical transmission characteristic is provided by a transition region (14) on which two optical fibers (5, 9) adjoin one another with a radial offset.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die asymmetrische Transmissionscharakteristik durch einen asymmetrischen Abschluss einer Lichtleitfaser (28) bereitgestellt wird.
Device according to one of claims 2 to 4,
characterized,
that the asymmetric transmission characteristic is provided by an asymmetrical completion of an optical fiber (28).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Strahlformungseinrichtung mindestens eine Lichtleitfaser mit nichtrotationssymmetrischem Profil aufweist.
Device according to one of claims 1 to 5,
characterized,
that the beam shaping means comprises at least one optical fiber having nichtrotationssymmetrischem profile.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die asymmetrische Transmissionscharakteristik durch astigmatische Linsen oder Spiegel bereitgestellt wird.
Device according to one of claims 2 to 6,
characterized,
that the asymmetric transmission characteristic is provided by astigmatic lenses or mirrors.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die asymmetrische Transmissionscharakteristik durch eine asymmetrische Blende und/oder durch variable Aperturblenden bereitgestellt wird.
Device according to one of claims 2 to 6,
characterized,
that the asymmetric transmission characteristic is provided by an asymmetrical panel and / or by variable aperture stops.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Strahlformungseinrichtung elektronisch ansteuerbare Linsen oder einem spatial light modulator (SLM) aufweist.
Device according to one of claims 1 to 8,
characterized,
that the beam shaping device electronically controllable lenses or a spatial light modulator (SLM) having.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Strahlformungseinrichtung (8; 28) mit Hilfe der Dreheinrichtung (2, 4, 11; 23) bezüglich des Messvolumens (29) drehbar ist.
Device according to one of claims 1 to 9,
characterized,
in that the beam-shaping device (8; 28) can be rotated with respect to the measuring volume (29) with the aid of the rotary device (2, 4, 11;
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Dreheinrichtung eine aktive Polarisationseinrichtung, insbesondere eine Faraday-Zelle, aufweist.
Device according to one of claims 1 to 10,
characterized,
that the rotary device comprises an active polarization device, in particular a Faraday cell.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die elektromagnetische Strahlung aus einem Ende einer Lichtleitfaser (6; 28) in das Messvolumen (10;29) eintritt.
Device according to one of claims 1 to 11,
characterized,
that the electromagnetic radiation from an end of an optical fiber (6; 28) in the measurement volume (10; 29) occurs.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass zum Ausgleich von Kräften, die durch Impulsübertrag von Photonen der elektromagnetischen Strahlung auf die Probenteilchen ausgeübt werden, mindestens eine weitere Strahlungsquelle vorhanden ist.
Device according to one of claims 1 to 12,
characterized,
in that at least one further radiation source is present to compensate for forces exerted by momentum transfer of photons of the electromagnetic radiation onto the sample particles.
Verfahren zum berührungslosen Manipulieren und Ausrichten von Probenteilchen in einem Messvolumen mit Hilfe eines inhomogenen elektrischen Felds, insbesondere unter Einsatz der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem elektromagnetische Strahlung in ein Messvolumen (10; 29) einer Probe geleitet wird und
bei dem Probenteilchen im Messvolumen (10; 29) sich in einem inhomogenen elektrischen Feld der eingeleiteten elektromagnetischen Strahlung ausrichten,
dadurch gekennzeichnet,
dass der in das Messvolumen (10; 29) eingeleiteten elektromagnetischen Strahlung ein zu einer Strahlachse asymmetrisches Intensitätsprofil aufgeprägt wird, welches im Messvolumen (10; 29) eine inhomogene Feldverteilung des elektrischen Felds erzeugt, in welcher Probenteilchen eingefangen werden und
dass zum Mitführen von in der inhomogenen Feldverteilung gefangenen Probenteilchen das asymmetrische Intensitätsprofil um die Strahlachse relativ zum Messvolumen (10; 29) gedreht wird.
Method for the contactless manipulation and alignment of sample particles in a measurement volume with the aid of an inhomogeneous electric field, in particular using the device according to one of claims 1 to 13, in which electromagnetic radiation is conducted into a measurement volume (10; 29) of a sample and
in which sample particles in the measurement volume (10; 29) align themselves in an inhomogeneous electric field of the introduced electromagnetic radiation,
characterized,
in that the electromagnetic radiation introduced into the measurement volume (10; 29) is impressed with an asymmetrical intensity profile to a beam axis which generates an inhomogeneous field distribution of the electric field in the measurement volume (10; 29) in which sample particles are trapped and
in that the asymmetrical intensity profile about the beam axis relative to the measuring volume (10; 29) is rotated to carry sample particles trapped in the inhomogeneous field distribution.
Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass als elektromagnetische Strahlung Laserlicht verwendet wird.
Method according to claim 14,
characterized,
that laser light is used as electromagnetic radiation.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Strahlungsquelle kontinuierlich betrieben wird.
Method according to claim 14 or 15,
characterized,
that the radiation source is operated continuously.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass zum Drehen des Intensitätsprofils eine asymmetrisch emittierende Strahlungsquelle gegenüber den optischen Mitteln zum Leiten der Strahlung in das Messvolumen gedreht wird.
Method according to one of claims 14 to 16,
characterized,
in that, for rotating the intensity profile, an asymmetrically emitting radiation source is rotated relative to the optical means for guiding the radiation into the measurement volume.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Drehung des asymmetrischen Intensitätsprofils durch eine Drehung der Polarisationsebene bewerkstelligt wird.
Method according to one of claims 14 to 17,
characterized,
that a rotation of the asymmetrical intensity profile is accomplished by a rotation of the plane of polarization.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18,
dadurch gekennzeichnet,
dass zum Drehen eines asymmetrischen Intensitätsprofils eine asymmetrisch emittierende Lichtquelle gezielt moduliert angesteuert wird.
Method according to one of claims 14 to 18,
characterized,
in that, to rotate an asymmetrical intensity profile, an asymmetrically emitting light source is selectively modulated.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Probenteilchen mit Hilfe von optischen Pinzetten in den Wirkungsbereich der elektromagnetischen Strahlung im Messvolumen transportiert werden.
Method according to one of claims 14 to 19,
characterized,
that the sample particles are transported by means of optical tweezers into the effective range of the electromagnetic radiation in the measuring volume.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Probenteilchen mit Hilfe von dielektrophoretischen Kräften in den Wirkungsbereich der elektromagnetischen Strahlung im Messvolumen transportiert werden.
Method according to one of claims 14 to 20,
characterized,
that the sample particles are transported by means of dielectrophoretic forces into the effective range of the electromagnetic radiation in the measuring volume.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Probenteilchen mit Hilfe einer Kapillare in das Messvolumen eingeführt werden.
Method according to one of claims 14 to 21,
characterized,
that the sample particles are introduced by means of a capillary into the measuring volume.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 22,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Probenteilchen kontinuierlich oder in definierten Schritten, insbesondere sprunghaft, gedreht werden.
Method according to one of claims 14 to 22,
characterized,
that the sample particles are rotated continuously or in defined steps, in particular by leaps and bounds.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 23,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Probenteilchen biologische Proben, insbesondere Zellen, Zellorganellen oder Gewebestückchen, zu Untersuchungszwecken eingefangen und gedreht oder ausgerichtet werden.
Method according to one of claims 14 to 23,
characterized,
that as sample particles biological samples, in particular cells, cell organelles or pieces of tissue, are captured and rotated or aligned for examination purposes.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 24,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Probenteilchen in wässrigen Medien suspendiert sind.
Method according to one of claims 14 to 24,
characterized,
that the sample particles are suspended in aqueous media.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25,
dadurch gekennzeichnet,
dass Probenteilchen zum Mikroskopieren gezielt gedreht werden, um eine bestimmte, insbesondere isotrope, Auflösung zu erreichen.
Method according to one of claims 1 to 25,
characterized,
that sample particles are specifically rotated for microscopy in order to achieve a certain, in particular isotropic, resolution.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 26,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Probenteilchen zur Bearbeitung und/oder zur gezielten externen Manipulation, insbesondere zur Exposition gegenüber einem Mikrowerkzeug, wie einem optischen Skalpell, einer Mikropipette oder einer patch clamp, gezielt manipuliert und ausgerichtet wird.
Method according to one of claims 14 to 26,
characterized,
that a sample particles for processing and / or for the targeted external manipulation, especially for exposure to a micro-tool such as a optical scalpel, a micropipette or a patch clamp, is purposefully manipulated and aligned.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 27,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Probenteilchen zum Mikroskopieren mit unterschiedlichen kontrastgebenden Prinzipien, insbesondere Phasenkontrast, Fluoreszenzmikroskopie, Ultraschallmikroskopie, konfokale Mikroskopie, CARS und/oder für lichtmikroskopische Manipulationen, insbesondere FRAP, un-Caging, gezielt positioniert und ausgerichtet werden.
Method according to one of claims 14 to 27,
characterized,
that the sample particles for microscopy with different contrasting principles, in particular phase contrast, fluorescence microscopy, ultrasound microscopy, confocal microscopy, CARS and / or light microscopic manipulations, in particular FRAP, un-caging, are selectively positioned and aligned.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 28,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein oder mehrere Partikel gedreht werden, um das umgebende Probenmedium in Rotation zu versetzen.
Method according to one of claims 14 to 28,
characterized,
that one or more particles are rotated to move the surrounding sample medium in rotation.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 29,
dadurch gekennzeichnet,
dass auf ein im anisotropen Strahlungsfeld positioniertes Probenteilchen wirkende Kräfte und Drehmomente gemessen werden.
Method according to one of claims 14 to 29,
characterized,
that forces and torques acting on a sample particle positioned in the anisotropic radiation field are measured.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 30,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Drehung der Probenteilchen durch eine hydrodynamische Kopplung an ein sich im Bereich des Messvolumens (10; 29) drehendes optisches Element, insbesondere das Ende einer Lichtleitfaser, mindestens unterstützt wird.
Method according to one of claims 14 to 30,
characterized,
that rotation of the sample particles by a hydrodynamic coupling to a in the area of the measuring volume (10; 29) is at least supported rotating optical element, in particular the end of an optical fiber.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 31,
dadurch gekennzeichnet,
dass an ausgerichteten Probenteilchen Elastizitätsmessungen durchgeführt werden.
Method according to one of claims 14 to 31,
characterized,
that elasticity measurements are carried out on aligned sample particles.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 32,
dadurch gekennzeichnet,
dass aus einer maximal möglichen Winkelgeschwindigkeit eines Partikels eine Viskosität des das Partikel umgebenden Mediums bestimmt wird.
Method according to one of claims 14 to 32,
characterized,
that a viscosity of the medium surrounding the particle is determined from a maximum possible angular velocity of a particle.
Laser-Scanning-Mikroskop, insbesondere konfokales Laser-Scanning-Mikroskop, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 35,
welches eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist, insbesondere mit einer solchen Vorrichtung gekoppelt ist.
Laser scanning microscope, in particular a confocal laser scanning microscope, in particular for carrying out the method according to Claim 35,
which has a device according to one of claims 1 to 13, in particular coupled to such a device.
Verfahren zum Betrieb eines Laser-Scanning-Mikroskop, insbesondere eines konfokalen Laser-Scanning-Mikroskops, insbesondere nach Anspruch 34,
bei dem zu untersuchende Probenteilchen in einem Messvolumen unter Einsatz des Verfahrens nach einem der Ansprüche 14 bis 33 gezielt berührungslos manipuliert und ausgerichtet werden und
bei dem die zu untersuchenden Probenteilchen in dem Messvolumen mit dem Laser-Scanning-Mikroskop untersucht werden.
Method for operating a laser scanning microscope, in particular a confocal laser scanning microscope, in particular according to claim 34,
in the sample to be examined particles in a measuring volume using the method according to one of claims 14 to 33 selectively manipulated contactless and aligned and
in which the sample particles to be examined in the measuring volume are examined with the laser scanning microscope.
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