Die Optische Pinzette

3 Kraftmessung und Kalibration
Die Fähigkeit, Kräfte ohne direkte Berührung auf eingefangene Objekte ausüben zu können,
macht eine optische Pinzette interessant für unterschiedlichste biologische Versuche. Bei vielen
Experimenten möchte man die auf die Objekte wirkenden Kräfte bzw. die Position der Objekte
messen. Dazu ist es nötig, die Auslenkung der Sphäre aus der Ruhelage im Zentrum der Falle
zu bestimmen. Es sind verschiedene Verfahren vorstellbar, wie diese Größen gemessen werden
können. Die Position/Auslenkung des Objekts kann genutzt werden, um die Kraft der Falle
und/oder Kräfte, die auf das Teilchen ausgeübt werden, zu ermitteln. Um eine effektive Kraft zu
erhalten, ist es nötig, dass man die gemessene Auslenkung mit einer bekannten Kraft kalibriert.
Fallentheorien sind nicht in der Lage, die Fallenkraft akkurat für ein bestimmtes Objekt und
eine bestimmte Fallengeometrie auszurechnen, deshalb müssen wir diese empirisch mit Hilfe von
Kalibrationsmessungen bestimmen.
3.1 Positions- und Kraftbestimmung mittels CCD-Kamera
Es ist möglich, Bilder der gefangenen Sphäre mit der Kamera aufzunehmen. Mit einem Algorithmus
zur Bestimmung des Schwerpunktes der Sphäre lässt sich deren Position mit einer hohen
Genauigkeit bestimmen. Bei Kenntnis von Pixelgröße und der optischen Vergrößerung des abbildenden
Systems ist eine Berechnung der Entfernung von Objektpositionen zu unterschiedlichen
Zeitpunkten möglich. Diese Methode weist jedoch einige Schwächen auf. Die offensichtlichste ist
die begrenzte zeitliche Auflösung der Kamera. Bewegungen, die hochfrequenter als die maximale
Bildfrequenz der Kamera sind, lassen sich mit dieser Methode nicht detektieren. Des Weiteren
besteht keine Möglichkeit, den Ursprung der Falle direkt zu bestimmen. Es ist zwar möglich,
den Ursprung durch den Schwerpunkt aller Objektpositionen festzulegen, dies kann aber zu
Fehlern führen, da z.B. eine Strömung innerhalb der Lösung eine permanente Auslenkung des
Objekts zur Folge hätte. Dann würde der berechnete Ursprung fälschlicherweise in Richtung der
Strömung verschoben.
Der große Vorteil dieser Methode besteht darin, dass neben der Kamera, die in jedem Fall für
eine Kontrolle der Probenpositionierung nötig ist, keine weiteren Komponenten benötigt werden.
3.2 Positions- und Kraftbestimmung mittels QPD
Für die beiden weiteren Methoden, die hier vorgestellt werden sollen, kommt eine sogenannte
Quadrantenfotodiode(QPD) zum Einsatz. Bei dieser speziellen Art der Fotodiode wird die aktive
Fläche in Segmente geteilt, die jeweils separat unter Lichteinfall einen Fotostrom generieren.
Diese Fotoströme sind idealerweise proportional zur auftreffenden Lichtleistung und werden
durch Operationsverstärker, die als Transimpedanzverstärker betrieben werden, in Spannungen
umgewandelt. Auch bei der Umwandlung der Fotoströme in Spannungen sollte idealerweise ein
linearer Zusammenhang bestehen. Eine schematische Zeichnung einer solchen QPD ist in 3.1 zu
sehen.
Der in der Probe entstehende Laserfokus wird auf die Quadrantenfotodiode abgebildet. Die
Kondensorlinse fungiert dabei als abbildendes System. Ein Objekt, das sich in der Falle befindet,
wirkt als Streuzentrum. Kommt es nun zu einer Auslenkung des Objekts aus der Ruhelage,
so wird das Licht beim Durchtritt durch die Sphäre nicht symmetrisch gebrochen und verläuft
danach nicht mehr auf der optischen Achse des Systems. Beim Auftreffen auf die Kondensorlinse
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