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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-87624
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8762/


Friedrich, Lars

Surface scanning using optically trapped probes

Oberflächenuntersuchungen mit optisch gefangenen Sonden

Dokument1.pdf (8.388 KB) (md5sum: 989621ce0000eecc7f1deb1517a66be5)

Kurzfassung in Englisch

This thesis investigates the application of an optically trapped spherical particle as a material probe to examine microscopic surface samples. Directed by the optical trap, the probe is scanned across the sample, following the sample profile. The probe motion is precisely tracked by an interferometric method so that an image of the sample is obtained.

Since the optical trap provides a very soft suspension of the trapped probe, the method allows to examine delicate biological structures. The measurements are performed in an aqueous medium, so that biophysical properties of living microorganisms can be investigated.

In the described imaging scheme it is necessary to account for the disturbing influence of the light scattered at the sample on the optical trap and the interferometric tracking system. To analyze this influence, the known theory of optical trapping and interferometric detection is reviewed and extended.

A dedicated scanning strategy is developed, that allows to compensate for the disturbance arising from scattering at the sample and at the same time minimizes the influence of drifts in the optomechanical system.

The presented microscopy technique can be successfully utilized to image test samples consisting of spherical silica and polystyrene particles with radii in the order of 150 nanometers. The probes used for the presented surface scans are polystyrene and gold beads with radii of 50 nanometers to 500 nanometers.

While the main focus of this work is to estimate the accurate height profile of the sample from the tracked probe positions, it is also investigated how the tracked thermal fluctuations of the probe can be exploited to gain additional information.

The presented microscopy method is applied to indivdual helicobacter pylori and shewanella oneidensis bacteria, that serve as examples for biological specimens. The forces exerted by the probe can be measured and they are in the order of one piconewton, which shows that the presented method is very soft compared to an atomic force microscope.

In case of helicobacter pylori, fine surface protrusions can be observed, which are probably part of a secretion system that is central to the pathogenicity of the bacteria. Further analysis of the mechanical properties of these protrusions is a promising application of the presented method.


Kurzfassung in Deutsch

In dieser Arbeit wird untersucht, wie ein optisch gefangenes, sphärisches Partikel als Sonde benutzt werden kann, um mikroskopische Oberflächen abzutasten. Die Sonde wird mit Hilfe der optischen Falle über eine Probe gerastert und folgt dabei deren Höhenprofil. Die Bewegungen der Sonde werden mit einem interferometrischen Verfahren verfolgt, so dass man ein Abbild der Oberflächenstruktur erhält.

Die Halterung der Sonde durch die optische Falle ist sehr weich, so dass empfindliche biologische Strukturen untersucht werden können. Da die Messung in wässriger Lösung durchgeführt wird, können die biophysikalischen Eigenschaften von lebenden Mikroorganismen erforscht werden.

Die bekannte theoretische Beschreibung optischer Fallen und des eingesetzten interferometrischen Messverfahrens wird vorgestellt und erweitert, um den störenden Einfluss des an der Probe gestreuten Lichts zu charakterisieren.

Es wird ein spezielles Rasterverfahren entwickelt, das einerseits die Störungen durch das an der Probe gestreute Licht kompensiert und andererseits den Einfluss von Drifts des optomechanischen Systems minimiert.

Mit Hilfe der vorgestellten Mikroskopietechnik können Teststrukturen aus sphärischen Glas- und Polystyrolpartikeln mit Radien in der Größenordnung von 150 Nanometer zuverlässig abgebildet werden. Es werden Polystyrol- und Goldsonden mit Radien von 50 Nanometer bis 500 Nanometer benutzt.

Der Schwerpunkt der Arbeit liegt in der möglichst genauen Bestimmung des Höhenprofils der Proben, es wird aber auch gezeigt, wie weitere Informationen aus den thermischen Fluktuationen der Sonde gewonnen werden können.

Als Beispiele für biologische Proben werden Messungen an Bakterien der Arten Helicobacter pylori (hp) und Shewanella oneidensis gezeigt. Die von der Sonde ausgeübten Kräfte können gemessen werden und liegen in der Größenordung von nur ein Piconewton. Dieses Ergebnis zeigt, dass das vorgestellte Verfahren im Vergleich mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM) sehr schonend ist.

Bei den Messungen an hp konnten dünne Strukturen beobachtet werden, die von der Bakterienoberfläche abstanden. Wahrscheinlich handelt es sich um Teile eines Sekretionsapparates, der eine wichtige Rolle bei der Krankheitsentstehung durch hp spielt. Für eine weitere Untersuchung dieser Strukturen könnte die vorgestellte Mikroskopiemethode ein wichtiges Hilfsmittel sein.


SWD-Schlagwörter: Fourier-Optik , Optik , Optisches Instrument , Optische Pinzette , Festkörperoberfläche , Oberfläche , Objektverfolgung , Interferometrie
Freie Schlagwörter (englisch): optical tweezers , interferometry , particle-tracking , surface , microscopy
PACS Klassifikation 68.37.-d , 42.25.Hz , 87.80.Cc , 42.25.Fx
Institut: Institut für Mikrosystemtechnik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Technik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Rohrbach, Alexander (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 25.11.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 01.10.2012
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