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Optomechanical manipulation of particles and biological systems at the mesoscale
Optomechanical manipulation of particles and biological systems at the mesoscale
Kraftspektroskopie auf der Mikro- und Nanoskala unter annähernd physiologischen Bedingungen ist eine besondere Herausforderung, da unter diesen Umständen kleine Bewegungen von nanoskaligen Objekten von thermischen Fluktuationen dominiert werden. Mit optische Pinzetten ist es möglich Kräfte von wenigen Pikonewton mit hoher Auflösung in Raum und Zeit zu messen. Um eine noch höhere Sensitivität für kleine Kräfte zu erreichen, wurden in dieser Arbeit neue Konzepte entwickelt, die auf einer Kombination des Lock-in Prinzips und optischer Kraftdetektion beruhen. Im Vergleich zu chemischen oder mechanischen Manipulationstechniken sind optische Methoden sowohl vielseitig anwendbar als auch reversibel. Sie besitzen zudem einen hohen Grad an räumlicher und zeitlicher Auflösung. In dieser Arbeit wurde demonstriert, dass es möglich ist, ein biologisches Modellsystem mithilfe photoschaltbarer Phospholipide optisch zu kontrollieren. Es wurde gezeigt, dass die mechanischen Eigenschaften von Vesikelmembranen, die vollständig aus solchen Photolipiden aufgebaut sind, mittels optischer Anregung im UV-Bereich stark beeinflusst werden können. Beispielsweise ermöglichte das optische Schalten einer Vesikelmembran zwischen einem "harten" und einem "weichen" Zustand kontrollierte Formveränderungen des ganzen Vesikels. Darüber hinaus wurde eine Methode entwickelt, um mechanische Arbeit lokal zu speichern, die bei Bedarf mithilfe eines Lichtimpulses abrufbar ist. Im nächsten Schritt wurde der Einfluss der mechanischen Eigenschaften ganzer Zellen auf die umgebende Mikrofluidik untersucht. Hierzu wurden einzelne Zellen mit holographischen optischen Pinzetten periodisch geschüttelt. Ein in der Nähe der Zelle positioniertes, optisch gefangener Partikel diente zur gleichzeitigen Detektion des fluidischen Feldes. Die Trajektorie des Partikels wurde dazu im Fourierraum analysiert. Ein Vergleich der charakteristischen Fourierspektren einzelner Zellen ermöglichte so, Veränderungen mechanischer Parameter der Zelle oder des umgebenden Fluids zu analysieren. Um die Grenzen der Kraftauflösung mittels optofluidischer Detektion zu quantifizieren, wurde ein optisch gefangenes Goldnanopartikel als Kraftdetektor verwendet. Durch Beleuchtung mit Licht, dessen Wellenlänge in Resonanz mit dem Partikelplasmon gewählt wurde, konnte der Partikel um wenige Nanometer gegenüber seiner Gleichgewichtsposition ausgelenkt werden. Grund für die Auslenkung sind optische Streukräfte, die mittels einer spektralen Analyse der Brownschen Bewegung des Partikels mit einer Genauigkeit von weniger als 3 Femtonewton bestimmt werden konnten. Laut Fachliteratur ist dies die kleinste schaltbare Kraft, die in Fluid und bei Raumtemperatur gemessen wurde. In einer ersten Anwendung wurde diese sensitive Methode eingesetzt, um fluidische Kräfte im Umfeld einer lichtgetriebene Mikroschraube und eines optisch gefangenen Bakteriums zu bestimmen. Die Ergebnisse dieser Arbeit könnten dazu beitragen, intra- und interzelluläre Kraftmessungen mit einer Auflösung von wenigen Femtonewton und in Gegenwart thermischer Kräfte zu realisieren. Die gezielte Anwendung und hochaufgelöste Messung kleinster Kräfte bietet außerdem eine vielversprechende experimentelle Grundlage für optomechanische Manipulation auf der Nanoskala., When approaching physiological conditions, force spectroscopy on the nano- and microscale becomes challenging as small deflections of nanoscale objects are usually overwhelmed by thermal fluctuations. Optical tweezers have become an established tool to investigate forces down to a few piconewtons with high spatiotemporal precision. In this thesis, optical force detection is combined with a lock-in approach in order to reach even lower force regimes. The novel concepts presented are more sensitive compared to the state-of-the-art technologies. Compared to chemical or mechanical manipulation of matter, light is a versatile and reversible type of stimulation with a high level of spatiotemporal control. Here, optical switching of a biological model system was demonstrated using photoswitchable phospholipids. It was shown that UV light excitation of vesicle membranes entirely made of such photolipids can significantly change the mechanical properties of these bilayers. Photoswitching the vesicle membrane between a rigid and a soft state enabled controlled shape transitions of the entire vesicle. Furthermore, a strategy was devised for locally storing mechanical energy that could be released on demand by irradiation with visible light. Moving from the investigation of vesicles to entire cells, the impact of the mechanical properties of moving cells on the surrounding microfluidics was explored. With the use of holographic optical tweezers, individual cells were shaken periodically. At the same time, the microfluidic field was detected by an optically trapped detector particle in close vicinity to the cell. Its trajectory was subsequently analyzed in Fourier space. By comparing the characteristic Fourier spectra, changes in mechanical parameters of either the cell or its fluidic environment could be discerned. Finally, to quantify the limits of force resolution in optofluidic detection, an optically trapped gold nanoparticle was used as a sensitive force detector. Illumination of the particle with light resonant with its plasmon frequency resulted in a displacement of the particle of only a few nanometers from its equilibrium position. The reason are optical scattering forces that could be revealed to be less than 3 fN by a spectral analysis of the particle's Brownian motion. To date, this is the smallest reported switchable force that was measured in fluid at room temperature. In a first application, the method was used to quantify fluidic forces around a light-driven micro-screw and an optically trapped bacterium. The results of this thesis are valuable, e.g., for the realization of intra- and intercellular force measurements that require fN resolution in the presence of thermal forces. The possibility to apply and measure small forces provides a promising experimental platform for optomechanical manipulation on the nanoscale.
Not available
Pernpeintner, Carla
2017
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Pernpeintner, Carla (2017): Optomechanical manipulation of particles and biological systems at the mesoscale. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Kraftspektroskopie auf der Mikro- und Nanoskala unter annähernd physiologischen Bedingungen ist eine besondere Herausforderung, da unter diesen Umständen kleine Bewegungen von nanoskaligen Objekten von thermischen Fluktuationen dominiert werden. Mit optische Pinzetten ist es möglich Kräfte von wenigen Pikonewton mit hoher Auflösung in Raum und Zeit zu messen. Um eine noch höhere Sensitivität für kleine Kräfte zu erreichen, wurden in dieser Arbeit neue Konzepte entwickelt, die auf einer Kombination des Lock-in Prinzips und optischer Kraftdetektion beruhen. Im Vergleich zu chemischen oder mechanischen Manipulationstechniken sind optische Methoden sowohl vielseitig anwendbar als auch reversibel. Sie besitzen zudem einen hohen Grad an räumlicher und zeitlicher Auflösung. In dieser Arbeit wurde demonstriert, dass es möglich ist, ein biologisches Modellsystem mithilfe photoschaltbarer Phospholipide optisch zu kontrollieren. Es wurde gezeigt, dass die mechanischen Eigenschaften von Vesikelmembranen, die vollständig aus solchen Photolipiden aufgebaut sind, mittels optischer Anregung im UV-Bereich stark beeinflusst werden können. Beispielsweise ermöglichte das optische Schalten einer Vesikelmembran zwischen einem "harten" und einem "weichen" Zustand kontrollierte Formveränderungen des ganzen Vesikels. Darüber hinaus wurde eine Methode entwickelt, um mechanische Arbeit lokal zu speichern, die bei Bedarf mithilfe eines Lichtimpulses abrufbar ist. Im nächsten Schritt wurde der Einfluss der mechanischen Eigenschaften ganzer Zellen auf die umgebende Mikrofluidik untersucht. Hierzu wurden einzelne Zellen mit holographischen optischen Pinzetten periodisch geschüttelt. Ein in der Nähe der Zelle positioniertes, optisch gefangener Partikel diente zur gleichzeitigen Detektion des fluidischen Feldes. Die Trajektorie des Partikels wurde dazu im Fourierraum analysiert. Ein Vergleich der charakteristischen Fourierspektren einzelner Zellen ermöglichte so, Veränderungen mechanischer Parameter der Zelle oder des umgebenden Fluids zu analysieren. Um die Grenzen der Kraftauflösung mittels optofluidischer Detektion zu quantifizieren, wurde ein optisch gefangenes Goldnanopartikel als Kraftdetektor verwendet. Durch Beleuchtung mit Licht, dessen Wellenlänge in Resonanz mit dem Partikelplasmon gewählt wurde, konnte der Partikel um wenige Nanometer gegenüber seiner Gleichgewichtsposition ausgelenkt werden. Grund für die Auslenkung sind optische Streukräfte, die mittels einer spektralen Analyse der Brownschen Bewegung des Partikels mit einer Genauigkeit von weniger als 3 Femtonewton bestimmt werden konnten. Laut Fachliteratur ist dies die kleinste schaltbare Kraft, die in Fluid und bei Raumtemperatur gemessen wurde. In einer ersten Anwendung wurde diese sensitive Methode eingesetzt, um fluidische Kräfte im Umfeld einer lichtgetriebene Mikroschraube und eines optisch gefangenen Bakteriums zu bestimmen. Die Ergebnisse dieser Arbeit könnten dazu beitragen, intra- und interzelluläre Kraftmessungen mit einer Auflösung von wenigen Femtonewton und in Gegenwart thermischer Kräfte zu realisieren. Die gezielte Anwendung und hochaufgelöste Messung kleinster Kräfte bietet außerdem eine vielversprechende experimentelle Grundlage für optomechanische Manipulation auf der Nanoskala.

Abstract

When approaching physiological conditions, force spectroscopy on the nano- and microscale becomes challenging as small deflections of nanoscale objects are usually overwhelmed by thermal fluctuations. Optical tweezers have become an established tool to investigate forces down to a few piconewtons with high spatiotemporal precision. In this thesis, optical force detection is combined with a lock-in approach in order to reach even lower force regimes. The novel concepts presented are more sensitive compared to the state-of-the-art technologies. Compared to chemical or mechanical manipulation of matter, light is a versatile and reversible type of stimulation with a high level of spatiotemporal control. Here, optical switching of a biological model system was demonstrated using photoswitchable phospholipids. It was shown that UV light excitation of vesicle membranes entirely made of such photolipids can significantly change the mechanical properties of these bilayers. Photoswitching the vesicle membrane between a rigid and a soft state enabled controlled shape transitions of the entire vesicle. Furthermore, a strategy was devised for locally storing mechanical energy that could be released on demand by irradiation with visible light. Moving from the investigation of vesicles to entire cells, the impact of the mechanical properties of moving cells on the surrounding microfluidics was explored. With the use of holographic optical tweezers, individual cells were shaken periodically. At the same time, the microfluidic field was detected by an optically trapped detector particle in close vicinity to the cell. Its trajectory was subsequently analyzed in Fourier space. By comparing the characteristic Fourier spectra, changes in mechanical parameters of either the cell or its fluidic environment could be discerned. Finally, to quantify the limits of force resolution in optofluidic detection, an optically trapped gold nanoparticle was used as a sensitive force detector. Illumination of the particle with light resonant with its plasmon frequency resulted in a displacement of the particle of only a few nanometers from its equilibrium position. The reason are optical scattering forces that could be revealed to be less than 3 fN by a spectral analysis of the particle's Brownian motion. To date, this is the smallest reported switchable force that was measured in fluid at room temperature. In a first application, the method was used to quantify fluidic forces around a light-driven micro-screw and an optically trapped bacterium. The results of this thesis are valuable, e.g., for the realization of intra- and intercellular force measurements that require fN resolution in the presence of thermal forces. The possibility to apply and measure small forces provides a promising experimental platform for optomechanical manipulation on the nanoscale.