Optische Pinzetten verwenden einen stark fokussierten Laserstrahl zum Einfangen und Manipulieren dielektrischer Partikel in drei Dimensionen. Die Technik nutzt die Gradientenkraft, die Partikel zum Brennpunkt des Strahls zieht, im Gleichgewicht mit Streukräften, die Partikel entlang der Strahlachse drücken. Die resultierende optische Falle kann Partikel von zehn Nanometern bis zu zehn Mikrometern mit Kräften bis zu Hunderten von Pikonewton halten.
Kräfte werden durch Detektion der Verschiebung des gefangenen Partikels vom Fallenzentrum mittels Rückfokus-Ebenen-Interferometrie gemessen. Ein positionsempfindlicher Detektor zeichnet die Ablenkung des Fallenlasers oder eines separaten Sondenstrahls auf. Die Fallensteifigkeit wird durch Analyse des Brownschen Bewegungs-Leistungsspektrums oder durch Anwendung bekannter viskoser Widerstandskräfte kalibriert. Die Verschiebungsempfindlichkeit erreicht 0,1 nm und die Kraftempfindlichkeit erreicht 0,1 pN.
Optische Pinzetten werden zur Untersuchung molekularer Motoren wie Kinesin, Myosin und Dynein eingesetzt, die Pikonewton-Kräfte erzeugen, während sie sich entlang zytoskelettaler Filamente bewegen. Durch Anbringen eines Motorproteins an einer gefangenen Kugel und Messen seiner Schrittbewegung bestimmen Forscher Schrittgröße, Krafterzeugung und ATP-Kopplungseffizienz.
Bei Studien zur Proteinfaltung und Nukleinsäurefaltung wenden optische Pinzetten und Rasterkraftmikroskopie Spannung auf einzelne Moleküle an. Die Kraft-Ausdehnungs-Kurve berichtet über die mechanische Stabilität gefalteter Domänen, Entfaltungszwischenprodukte und Faltungswege. Die RNA-Polymerase-Transkription, Ribosomen-Translation und DNA-Helikase-Entwindung werden durch Anwendung von Kraft auf das Nukleinsäuresubstrat untersucht.
Doppelfallen-Optische Pinzetten (Hantelkonfiguration) verwenden zwei Fallen, um die Enden eines einzelnen Moleküls zu halten, wodurch Oberflächenbefestigungsartefakte vermieden werden. Temperaturgesteuerte Tische und mikrofluidische Probenzufuhr ermöglichen schnellen Pufferaustausch und kontrollierte biochemische Bedingungen.
