Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern am Leibniz­-IPHT ist es gelungen, mittels 3D­ Nanodrucks eine ultradünne Linse auf das Ende einer Glasfaser aufzubringen, die gerade einmal so dünn wie ein menschliches Haar ist. Die Kombination aus diffraktiver Optik und Faser ermöglicht das optische Einfangen kleinster Partikel und bietet neuartige Möglichkeiten für In­-vivo­-Anwendungen.

Sollen in bioanalytischen oder medizinischen Anwendungen Objekte von nur wenigen Mikrometern Größe mikroskopisch untersucht werden, ist eine Fixierung dieser Objekte häufig von Vorteil. Möglich machen dies optische Fallen, auch optische Pinzetten genannt. Sie halten Objekte berührungslos fest und ermöglichen – kombiniert mit bildgebenden oder spektroskopischen Verfahren – während des Fangens hochauflösende optische Messungen.

Im Bild: Miniaturisierte Objekte in Mikro- oder Nanometergröße lassen sich durch einen fokusierten Laserstrahl optisch mithilfe der flexiblen Meta-Faser fangen

Eine optische Falle nutzt die Kraft des Lichts, um Objekte im Zentrum eines fokussierten Laserstrahls einzufangen. Bestehende Ansätze setzen dabei auf aufwändige und komplexe optische Systeme, die zum Beispiel Mikroskop-Objektive zur Fokussierung des Laserstrahls verwenden. Um diese Nachteile zu überwinden, entwickelten die Forschenden des Leibniz-IPHT ein flexibles Design, um mikro- und nanoskopische Objekte möglichst präzise optisch kontrollieren zu können.

Die Forschenden brachten hierzu mittels 3D-Nanodrucks eine diffraktive optische Linse mit einem Durchmesser von 90 Mikrometern und einer Höhe von drei Mikrometern auf das Ende einer Glasfaser auf. „Diese Polymerlinse auf der Spitze einer flexiblen optischen Faser ermöglicht uns eine hochgenaue Fokussierung des eingekoppelten Laserlichts. Damit konnten wir erstmals frei bewegliche Mikroobjekte, wie Kolibakterien, mit einer einzigen optischen Faser in Wasser einfangen und über mehrere Minuten stabil optisch fixieren, was bislang einmalig ist“, erläutert Dr. Malte Plidschun, Wissenschaftler in der Arbeitsgruppe Hybride Fasern in der Abteilung Faserphotonik am Leibniz-IPHT.

Das Besondere: Durch das smarte Design der diffraktiven optischen Linse, auch Meta-Linse genannt, konnte eine außerordentlich hohe numerische Apertur (NA) von bis zu 0,9 erzielt werden. Die NA beschreibt die Vergrößerungs- und Fokussierungsleistung optischer Systeme. Je höher ihr Wert ist, desto präziser können zu analysierende Details mikroskopisch aufgelöst und desto besser kann das Licht fokussiert werden. Bisher war ein solches optisches Fangen mit einer vergleichsweisen hohen NA nur mit aufwändigen und komplexen Aufbauten möglich.

„Optische Fallen, die auf flexiblen Fasern basieren, bieten völlig neue diagnostische Möglichkeiten, vor allem für schwer zugängliche Regionen. Eine Verknüpfung aus optischem Fangen und Raman-Spektroskopie zum Beispiel, ermöglicht während der Zeit des optischen Fixierens eine molekulare Charakterisierung von Zellen direkt in ihrer natürlichen Umgebung in lebenden Organismen. Auf diese Weise könnte unter anderem die Untersuchung von Blutkörperchen oder die Diagnose von Krankheitserregern deutlich beschleunigt und vorangebracht werden“, so Malte Plidschun.

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