Messung der dreidimensionalen Wechselwirkungsdynamik zweier kolloidaler Partikel in beschränkten Volumina mittels interferometrischem Tracking
Final Report Abstract
Entwicklung einer neuen Messtechnologie: In diesem Projekt wurden optische Fallen erfolgreich zur Untersuchung von Interaktionsdynamiken kolloidaler Partikel eingesetzt. Eine ausgedehnte Fallengeometrie wurde genutzt, die durch ein Zeitmultiplex-Verfahren erzeugt wurde. Durch das große Fallenvolumen wurden lange Interaktionszeiten (wenige Sekunden) möglich. Gleichzeitig wurde durch den Einsatz eines akusto-optischen Modulators die Scanfrequenz und damit die Tracking-Rate auf 10kHz erhöht. Die Partikeldynamik zweier Partikel in einem gemeinsamen Potential wurde eingehend charakterisiert und verstanden. Dynamische Wechselwirkung. Als Ergebnis bleibt festzuhalten: Die hydrodynamische Kopplung zweier diffundierender, sich berührender Partikel folgt den gleichen Gesetzmäßigkeiten wie bei zwei isoliert diffundierenden Partikeln. Dies manifestiert sich in Korrelationsfunktionen für relative und kollektive Bewegungsmoden, deren Form und Verlauf durch ein theoretisches Modell beschrieben und interpretiert werden kann. Die Kontaktdauerverteilungen von zwei Partikeln in einem gemeinsamen Potential fielen hierbei umso schneller ab, je größer die Relaxation der relativen Moden und des Diffusions-Volumens war. Auch diese Verteilungen konnten durch ein mathematisches Modell bestätigt werden. Mit einem allgemein gewählten Ansatz konnte ein skaleninvarianter Zusammenhang gefunden werden, der zur Beschreibung vieler Systeme genutzt werden kann. Lokale Umgebungsparameter, wie die Viskosität oder Oberflächenpotentiale konnten variiert, und Auswirkungen gerade in der Relaxation der relativen Bewegungsmoden beobachtet werden. Kleinste Veränderungen in der Oberflächenkraft der Partikel lassen sich über die Analyse der dynamischen Wechselwirkung genauer bestimmen als bei rein statischer Wechselwirkung. Hierfür wurde die Diffusion der Partikel in der Nähe von künstlichen Hindernissen und Kammern untersucht. Zusammenhang mit Biologie und Pharmazie. Die Ergebnisse können dem Verständnis von vielen biologischen Wechselwirkungsprozessen dienen. So war bisher unklar, in welchem Maße physikalische langreichweitige Wechselwirkungen die biologisch kurzreichweitigen Wechselwirkungen beeinflussen. Unser Ergebnisse haben die These gestützt, dass durch die Verringerung der Größen einzelner Kompartimente im Inneren einer Zelle die Kontaktzahl und die Reibung zwischen den eingeschlossenen Partikeln erhöht wird, die relativen Bewegungsmoden langsamer relaxieren und die Wechselwirkungswahrscheinlichkeit erhöht wird. In der Pharmazie könnten in Zukunft künstlich erzeugte Nanocontainer genutzt werden, durch die Wirkstoffe gezielt an unterschiedliche Stellen innerhalb der Zelle transportiert werden. Gerade für den kollektiven Transport mehrerer Container, aber auch die Bewegung in der Nähe von Grenzflächen stellen hydrodynamische Wechselwirkungen einen großen Einflussfaktor dar, der mit Hilfe des Modellsystems besser verstanden werden kann. Auch wenn die alternativen kleineren Partikelgrößen nicht getrackt werden konnten, sind nach unserer Auffassung die gesetzten Ziele erreicht worden. Zwar ist es nur gelungen, die Partikeldynamik vor einer Membranblase, aber nicht innerhalb einer Membranblase zu untersuchen, jedoch konnten auf der anderen Seite die Dynamik von aktiven und komplexen Strukturen (helikale Bakterien) in Linienfallen untersucht werden.
Publications
- “Fast parallel interferometric 3D tracking of numerous optically trapped particles and their hydrodynamic interaction,” Optics Express, vol. 19, no. 22, pp. 1832–1835, 2011
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- "Object-adapted optical trapping and shape-tracking of energy-switching helical bacteria". Nature Photonics volume 6, pages 680–686 (2012)
M. Koch, and A. Rohrbach
(See online at https://doi.org/10.1038/NPHOTON.2012.232) - “Interaction dynamics of two colloids in a single optical potential,” Physical Review E , vol. 86, pp. 1–5, 2012
B. Tränkle, M. Speidel, and A. Rohrbach
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevE.86.021401) - “Object-adapted optical trapping and shapetracking of energyswitching helical bacteria,” Nature Photonics, vol. 6, pp. 680–686, 2012
M. Koch and A. Rohrbach
(See online at https://doi.org/10.1038/NPHOTON.2012.232) - “Induced phagocytic particle uptake into a giant unilamellar vesicle”. Soft Matter, 2014, 10, 3667-3678
A. Meinel, B. Tränkle, W. Römer, and A. Rohrbach
(See online at https://doi.org/10.1039/c3sm52964a)
