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Entwicklung eines opto-mechanischen Mikrolabors zur Generierung und Untersuchung biomimetischer Proteinnetzwerke

Schmitz, Christian Hermann Josef

English Title: Development of an opto-mechanical micro-lab for creating and probing biomimetic protein networks

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PDF, German
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Abstract

Der Zugang zur Untersuchung komplexer Mikrostrukturen, wie sie insbesondere durch biologische Systeme gebildet werden, verlangt spezielle Werkzeuge und Methoden, die eine aktive physikalische und chemische Kontrolle in diesem Größenbereich und die Erfassung systemspezifischer Parameter erlauben. Ein Teil dieser Anforderungen kann durch den Einsatz holographischer optischer Pinzetten (HOT) erfüllt werden, mit denen sich eine Vielzahl mikroskopischer Objekte nicht-invasiv manipulieren und Piconewtonkräfte messen lassen. In dieser Arbeit wurden die Anwendungsmöglichkeiten der HOT erstmals über eine reine Objektmanipulation hinaus durch Integration in eine neu entwickelte Mikrofluidikplattform erweitert und die HOT-Technologie in Hinblick auf komplexe Systemanwendungen weiterentwickelt: Verschiedene Algorithmen zur Hologrammberechnung wurden hinsichtlich ihrer Effizienz miteinander verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass ein hier vorgestellter erweiterter Superpositionsansatz in den meisten Fällen zur Hologrammgenerierung ausreicht, womit die Verwendung zeitaufwändiger iterativer Verfahren entfällt. Die Abhängigkeit der Effizienz von Symmetrieeigenschaften der Fallenmuster wurde aufgezeigt und analysiert. Durch Verwendung der Superposition wurde eine Ortsauflösung der HOT-Positionierung im Nanometerbereich realisiert. Die Abhängigkeit der Auflösung von der Zahl der Bildpunkte und Phasenstufen der Hologramme konnte hergeleitet und experimentell demonstriert werden. Die HOT-Technologie ermöglicht die Erzeugung optischer Wirbelfallen, die gefangene Objekte durch Drehimpulsübertragung in Rotation versetzen. Eine neue Klasse modulierter optischer Wirbel wurde präsentiert, die eine Regulation des Drehimpuls optischer Wirbel erlaubt ohne die Laserintensität oder den Wirbelradius zu verändern. Die Fabrikation eines ultraflachen und optisch transparenten Mikrofluidiksystems stellt ein Werkzeug zur Kontrolle des chemischen Milieus zur Verfügung, das eine Integration der HOT erlaubte. Speziell auf die HOT angepasste Kanaldesigns wurden entwickelt, um Systemstabilität zu gewährleisten und gleichzeitig einen flexiblen Austausch von Substanzen zu ermöglichen. Dieses opto-mechanische Mikrolabor konnte schließlich zur Generierung biomimetischer quasi-zweidimensionaler Aktinnetzwerke auf durch HOT strukturierten Mikrokugeln genutzt werden: Es wurde zur Oberflächenstrukturierung, der Erzeugung kraftsensorischer Geloberflächen und der freien rein optischen Systemmanipulation eingesetzt.

Translation of abstract (English)

Probing complex micro-structures like cellular and sub-cellular bio-systems requires special tools which allow the active control of the physical and chemical micro-environment to realize specific system parameters. Many desirable possibilities can be realized using holographic optical tweezers (HOT), a recent and powerful manipulation tool which allows for non-invasive and independent steering of multiple microscopic objects and measuring forces in the range of pico-newtons. For that purpose HOT were extended beyond a mere manipulation tool for the first time, integrating them with a new microfluidic platform and further developing their diversity with a focus on practical applications to complex systems: The efficiencies of various algorithms for hologram calculation were compared. It could be shown that no iterative and time-consuming algorithm is necessary to calculate holograms for most holographic optical trapping patterns. Instead, holograms may be produced by a simple extension of the superposition of simple diffraction gratings. The symmetry dependence of holograms' efficiencies was demonstrated and analyzed. The application of the superposition method allowed for positioning HOT with nanometer resolution. Experimental corroboration of the spatial resolution's dependence on the hologram's number of pixels and phase levels is presented. HOT can also produce focused helical wave fronts of light known as optical vortices which can exert torque on trapped objects. So far, this torque was controlled by the intensity, the helicity, and the size of the ring. To untangle these dependences, a new class of modulated vortices is presented which allows one to control the transfer of angular momentum without changing the laser intensity or the ring-shaped intensity distribution characteristic. The fabrication of an ultra-thin and optically transparent microfluidic system provided a tool to control the chemical micro-environment and allowed the integration of HOT. Special channel designs were optimized for the application of HOT to achieve both stability and the possibility to exchange different fluids rapidly. The opto-mechanical micro-lab was then applied for the generation of biomimetic quasi two-dimensional actin networks constructed on a framework of microspheres organized or even held by the optical traps: The micro-lab was used for surface structuring, creation of hydro-gel based force-sensors and the free manipulation of an optically trapped system, supporting an actin network.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Spatz, Prof. Joachim
Date of thesis defense: 22. December 2005
Date Deposited: 20. Mar 2006 09:40
Date: 2005
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Controlled Keywords: Optische Pinzette, Mikrofluidik, Biomimetik
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