Mikrostrukturierte optische Faserspitzen für Einzelzellanalysen

Im Jahr 2018 wurde Arthur Ashkin mit dem Nobelpreis für Physik für die optische Pinzette und ihre Anwendungen auf biologische Systeme ausgezeichnet. Die bahnbrechende Technologie hat sich innerhalb der letzten Jahrzehnte nicht nur in der Biologie, sondern in vielen wissenschaftlichen Bereichen etabliert. Sie ermöglicht, mikroskopisch und submikroskopisch kleinste Teilchen einzufangen, zu manipulieren oder an einer bestimmten Stelle zu platzieren. Darüber hinaus messen Wissenschaftler mit diesen optischen Fallen kleinste molekulare Wechselwirkungen und Kräfte, z. B. die Elastizität der DNA. Die Grundidee der optischen Pinzette besteht darin, Teilchen mit einem unterschiedlichen Brechungsindex als das umgebende Medium durch die geringen Anziehungs- und Abstoßungskräfte eines Lichtstrahls einzufangen.

Auf Fasern gedruckte optische Pinzetten

Optische Pinzetten erfordern in der Regel sperrige und teure Aufbauten, wie z. B. Objektive mit einer hohen numerischen Apertur. Wissenschaftler der Universität Stuttgart haben mit der Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) einen kostengünstigen Weg gefunden, eine optische Pinzette direkt auf das Ende einer Glasfaser zu drucken. Diese auf die Faser gedruckten optischen Fallen bezeichnen die Wissenschaftler als gegenläufige Zweistrahlanordnung. Durch die auf zwei Faserenden angebrachten optischen Fallen, die direkt gegenüberliegend ausgerichtet sind, werden Teilchen genau dort eingefangen, wo sich die beiden Fokuspunkte der gegenläufigen Laserquellen treffen. Mit der auf die Faser gedruckten optischen Pinzette haben die Forscher eine hocheffiziente Partikelfalle für sich in Wasser befindende 1 µm und 500 nm große Polystyrolkügelchen entwickelt.

2.5D-Fresnellinse und gestapelte 3D-Designs

Die Wissenschaftler entwarfen drei faseroptische Partikelfallen mit einem Arbeitsabstand von 50, 100 und 200 Mikrometern. Mit einem Nanoscribe Photonic Professional System druckten sie diese optischen Linsen direkt auf die Enden von Glasfasern. Die Hauptarchitektur der 3D-gedruckten optischen Werkzeuge besteht aus zwei Teilen. Der erste Teil dehnt den in der optischen Faser geführten Lichtstrahl aus und ist notwendig, um den angestrebten Arbeitsabstand und die damit verbundenen hohen numerischen Aperturen zu erreichen. Zentral für die Funktionsweise der optischen Pinzette sind zweitens fein abgestimmte Fresnellinsen, die das Licht effizient fokussieren, um die Partikel an den vorher berechneten Positionen einzufangen. Die Wissenschaftler haben sich aus praktischen Gründen dafür entschieden, diffraktive Mikrolinsen anstelle der herkömmlichen sphärischen Linsen zu drucken. Denn auf Fasern gedruckte brechende Linsen würden zu Designs mit sehr anspruchsvollen Krümmungen führen. Das Design der diffraktiven Fresnellinse ermöglicht hingegen eine optimal auf den gewünschten Arbeitsabstand und die hohe numerische Apertur zugeschnittene Einstellung. Die Forscher druckten drei verschiedene diffraktive Linsen auf das Faserende mit minimalen lateralen Featuregrößen von 1,67 µm am äußeren Rand des Designs und einer Profilhöhe von 3,88 µm.

Für optische Pinzetten mit hohen numerischen Aperturen entfaltet die 2PP-Technologie ihr wahres Potenzial. Mit einer einzelnen Fresnellinse kann die hohe numerische Apertur nicht erreicht werden.