Pinzas ópticas

Instrumentos científicos

Fotografía de una nanopartícula (diámetro de 103 nm) atrapada con una pinza óptica. La nanopartícula se puede ver como un pequeño punto brillante en el medio. Para un control adicional, se colocan dos electrodos de cobre encima y debajo de la partícula.

Las pinzas ópticas (originalmente llamadas trampas de fuerza de gradiente de haz único ) son instrumentos científicos que utilizan un haz láser altamente enfocado para sujetar y mover objetos microscópicos y submicroscópicos como átomos , nanopartículas y gotitas, de manera similar a las pinzas . Si el objeto se sostiene en el aire o en el vacío sin soporte adicional, se puede llamar levitación óptica .

La luz láser proporciona una fuerza de atracción o repulsión (normalmente del orden de piconewtons ), dependiendo del índice de refracción relativo entre la partícula y el medio circundante. La levitación es posible si la fuerza de la luz contrarresta la fuerza de la gravedad . Las partículas atrapadas suelen ser de tamaño micrométrico o incluso más pequeñas. También pueden quedar atrapadas partículas dieléctricas y absorbentes .

Las pinzas ópticas se utilizan en biología y medicina (por ejemplo, para agarrar y sujetar una sola bacteria , una célula como un espermatozoide o una célula sanguínea , o una molécula como el ADN ), nanoingeniería y nanoquímica (para estudiar y construir materiales a partir de moléculas individuales ), óptica cuántica y optomecánica cuántica (para estudiar la interacción de partículas individuales con la luz). El desarrollo de las pinzas ópticas por parte de Arthur Ashkin fue galardonado con el Premio Nobel de Física de 2018 .

Historia y desarrollo

La detección de la dispersión óptica y las fuerzas de gradiente sobre partículas de tamaño micrométrico fue reportada por primera vez en 1970 por Arthur Ashkin, un científico que trabajaba en Bell Labs . ^[1] Años más tarde, Ashkin y sus colegas informaron la primera observación de lo que ahora se conoce comúnmente como una pinza óptica: un haz de luz estrechamente enfocado capaz de mantener partículas microscópicas estables en tres dimensiones. ^[2] En 2018, Ashkin recibió el Premio Nobel de Física por este desarrollo.

Un autor de este artículo seminal de 1986, Steven Chu , continuaría utilizando pinzas ópticas en su trabajo sobre enfriamiento y atrapamiento de átomos neutros. ^[3] Esta investigación le valió a Chu el Premio Nobel de Física de 1997 junto con Claude Cohen-Tannoudji y William D. Phillips . ^[4] En una entrevista, Steven Chu describió cómo Ashkin había imaginado por primera vez las pinzas ópticas como un método para atrapar átomos. ^[5] Ashkin pudo atrapar partículas más grandes (de 10 a 10.000 nanómetros de diámetro), pero le correspondió a Chu extender estas técnicas al atrapamiento de átomos neutros (0,1 nanómetros de diámetro) utilizando luz láser resonante y una trampa de gradiente magnético (cf. Trampa magnetoóptica ).

A finales de los años 1980, Arthur Ashkin y Joseph M. Dziedzic demostraron la primera aplicación de la tecnología a las ciencias biológicas, utilizándola para atrapar un virus del mosaico del tabaco y una bacteria Escherichia coli individuales . ^[6] A lo largo de los años 1990 y después, investigadores como Carlos Bustamante , James Spudich y Steven Block fueron pioneros en el uso de la espectroscopia de fuerza de trampa óptica para caracterizar los motores biológicos a escala molecular. Estos motores moleculares son omnipresentes en biología y son responsables de la locomoción y la acción mecánica dentro de la célula. Las trampas ópticas permitieron a estos biofísicos observar las fuerzas y la dinámica de los motores a nanoescala a nivel de molécula única ; desde entonces, la espectroscopia de fuerza de trampa óptica ha llevado a una mayor comprensión de la naturaleza estocástica de estas moléculas generadoras de fuerza.

Las pinzas ópticas también han demostrado ser útiles en otras áreas de la biología. Se utilizan en biología sintética para construir redes similares a tejidos de células artificiales, ^[7] y para fusionar membranas sintéticas ^[8] para iniciar reacciones bioquímicas. ^[7] También se emplean ampliamente en estudios genéticos ^[9] e investigación sobre la estructura y dinámica de los cromosomas. ^[10] En 2003, las técnicas de pinzas ópticas se aplicaron en el campo de la clasificación celular; al crear un gran patrón de intensidad óptica sobre el área de la muestra, las células se pueden clasificar por sus características ópticas intrínsecas. ^{[11] [12]} Las pinzas ópticas también se han utilizado para sondear el citoesqueleto , medir las propiedades viscoelásticas de los biopolímeros , ^[13] y estudiar la motilidad celular . En 2011 ^[14] se propuso un ensayo biomolecular en el que grupos de nanopartículas recubiertas de ligando quedan atrapados y detectados ópticamente después de que la molécula objetivo los agrupara, y se demostró experimentalmente en 2013. ^[15]

Las pinzas ópticas también se utilizan para atrapar átomos enfriados por láser en el vacío, principalmente para aplicaciones en la ciencia cuántica. Algunos logros en esta área incluyen el atrapamiento de un solo átomo en 2001, ^[16] el atrapamiento de matrices 2D de átomos en 2002, ^[17] el atrapamiento de pares entrelazados que interactúan fuertemente en 2010, ^{[18] [19] [20]} el atrapamiento de matrices bidimensionales de átomos ensambladas con precisión en 2016 ^{[21] [22]} y matrices tridimensionales en 2018. ^{[23] [24]} Estas técnicas se han utilizado en simuladores cuánticos para obtener matrices programables de 196 y 256 átomos en 2021 ^{[25] [26] [27]} y representan una plataforma prometedora para la computación cuántica. ^{[17] [28]}

Los investigadores han trabajado para convertir las pinzas ópticas de instrumentos grandes y complejos a instrumentos más pequeños y simples, para que puedan ser utilizados por aquellos con presupuestos de investigación más reducidos. ^{[3] [29]}

Física

Los objetos dieléctricos son atraídos hacia el centro del haz, ligeramente por encima de la cintura del haz, como se describe en el texto. La fuerza aplicada sobre el objeto depende linealmente de su desplazamiento desde el centro de la trampa, al igual que en un sistema de resorte simple. Es una fuerza restauradora y, por lo tanto, igual a . ${\displaystyle -k_{\mathrm {trap} }x}$

Descripción general

Las pinzas ópticas son capaces de manipular partículas dieléctricas de tamaño nanométrico y micrométrico , e incluso átomos individuales, ejerciendo fuerzas extremadamente pequeñas a través de un rayo láser altamente enfocado . El rayo se enfoca típicamente enviándolo a través de un objetivo de microscopio . Cerca del punto más estrecho del rayo enfocado, conocido como cintura del rayo , la amplitud del campo eléctrico oscilante varía rápidamente en el espacio. Las partículas dieléctricas son atraídas a lo largo del gradiente hacia la región del campo eléctrico más fuerte, que es el centro del rayo. La luz láser también tiende a aplicar una fuerza sobre las partículas en el rayo a lo largo de la dirección de propagación del rayo. Esto se debe a la conservación del momento : los fotones que son absorbidos o dispersados ​​por la pequeña partícula dieléctrica imparten momento a la partícula dieléctrica. Esto se conoce como fuerza de dispersión y da como resultado que la partícula se desplace ligeramente aguas abajo de la posición exacta de la cintura del rayo, como se ve en la figura.

Las trampas ópticas son instrumentos muy sensibles y son capaces de manipular y detectar desplazamientos subnanométricos para partículas dieléctricas submicrónicas. ^[30] Por esta razón, a menudo se utilizan para manipular y estudiar moléculas individuales interactuando con una perla que se ha adherido a esa molécula. El ADN y las proteínas ^[31] y las enzimas que interactúan con él se estudian comúnmente de esta manera.

Para las mediciones científicas cuantitativas, la mayoría de las trampas ópticas funcionan de tal manera que la partícula dieléctrica rara vez se aleja del centro de la trampa. La razón de esto es que la fuerza aplicada a la partícula es lineal con respecto a su desplazamiento desde el centro de la trampa, siempre que el desplazamiento sea pequeño. De esta manera, una trampa óptica puede compararse con un resorte simple, que sigue la ley de Hooke .

Vista detallada

La explicación adecuada del comportamiento del atrapamiento óptico depende del tamaño de la partícula atrapada en relación con la longitud de onda de la luz utilizada para atraparla. En los casos en que las dimensiones de la partícula son mucho mayores que la longitud de onda, un simple tratamiento de óptica de rayos es suficiente. Si la longitud de onda de la luz excede con creces las dimensiones de la partícula, las partículas pueden tratarse como dipolos eléctricos en un campo eléctrico. Para el atrapamiento óptico de objetos dieléctricos de dimensiones dentro de un orden de magnitud de la longitud de onda del haz de atrapamiento, los únicos modelos precisos implican el tratamiento de ecuaciones de Maxwell dependientes del tiempo o armónicas en el tiempo utilizando condiciones de contorno apropiadas.

Óptica de rayos

Explicación de la óptica de rayos (láser desenfocado). Cuando la esfera se desplaza del centro del haz (imagen derecha), el mayor cambio de momento de los rayos más intensos hace que se aplique una fuerza neta hacia el centro del láser. Cuando la esfera está centrada lateralmente en el haz (imagen izquierda), la fuerza lateral resultante es cero. Pero un láser desenfocado sigue provocando una fuerza que apunta en dirección opuesta al láser.

Explicación de la óptica de rayos (láser enfocado). Además de mantener la esfera en el centro del láser, un láser enfocado también mantiene la esfera en una posición axial fija: el cambio de momento de los rayos enfocados provoca una fuerza hacia el foco del láser, tanto cuando la esfera está delante (imagen izquierda) como detrás (imagen derecha) del foco del láser. Por lo tanto, la esfera permanecerá ligeramente detrás del foco, donde esta fuerza compensa la fuerza de dispersión.

En los casos en que el diámetro de una partícula atrapada es significativamente mayor que la longitud de onda de la luz, el fenómeno de atrapamiento se puede explicar utilizando la óptica de rayos. Como se muestra en la figura, los rayos de luz individuales emitidos por el láser se refractarán al entrar y salir de la perla dieléctrica. Como resultado, el rayo saldrá en una dirección diferente a la que se originó. Dado que la luz tiene un momento asociado a ella, este cambio de dirección indica que su momento ha cambiado. Debido a la tercera ley de Newton , debería haber un cambio de momento igual y opuesto en la partícula.

La mayoría de las trampas ópticas funcionan con una intensidad de perfil de haz gaussiano (modo TEM ₀₀ ). En este caso, si la partícula se desplaza desde el centro del haz, como en la parte derecha de la figura, la partícula tiene una fuerza neta que la devuelve al centro de la trampa porque los haces más intensos imparten un cambio de momento mayor hacia el centro de la trampa que los haces menos intensos, que imparten un cambio de momento menor al alejarse del centro de la trampa. El cambio de momento neto, o fuerza, devuelve la partícula al centro de la trampa.

Si la partícula se encuentra en el centro del haz, los rayos de luz individuales se refractan a través de la partícula de manera simétrica, lo que da como resultado que no haya ninguna fuerza lateral neta. La fuerza neta en este caso se encuentra a lo largo de la dirección axial de la trampa, lo que anula la fuerza de dispersión de la luz láser. La cancelación de esta fuerza de gradiente axial con la fuerza de dispersión es lo que hace que la perla quede atrapada de manera estable ligeramente aguas abajo de la cintura del haz.

Las pinzas estándar funcionan con el láser de captura propagado en la dirección de la gravedad ^[32] y las pinzas invertidas funcionan contra la gravedad.

Aproximación dipolar eléctrica

En los casos en que el diámetro de una partícula atrapada es significativamente menor que la longitud de onda de la luz, se cumplen las condiciones para la dispersión de Rayleigh y la partícula puede tratarse como un dipolo puntual en un campo electromagnético no homogéneo . La fuerza aplicada sobre una sola carga en un campo electromagnético se conoce como fuerza de Lorentz .

${\displaystyle \mathbf {F_{1}} =q\left(\mathbf {E} (\mathbf {x} _{1})+{\frac {d\mathbf {x_{1}} }{dt}}\times \mathbf {B} \right).}$

La fuerza sobre el dipolo se puede calcular sustituyendo dos términos del campo eléctrico en la ecuación anterior, uno para cada carga. La polarización de un dipolo es donde es la distancia entre las dos cargas. Para un dipolo puntual, la distancia es infinitesimal . Teniendo en cuenta que las dos cargas tienen signos opuestos, la fuerza toma la forma ${\displaystyle \mathbf {p} =q\mathbf {d} ,}$ ${\displaystyle \mathbf {d} }$ ${\displaystyle \mathbf {x} _{1}-\mathbf {x} _{2}.}$

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {F} &=q\left(\mathbf {E} (\mathbf {x} _{1})-\mathbf {E} (\mathbf {x} _{2})+{\frac {d(\mathbf {x} _{1}-\mathbf {x} _{2})}{dt}}\times \mathbf {B} \right)\\&=q\left(\mathbf {E} (\mathbf {x} _{1})+\left((\mathbf {x} _{1}-\mathbf {x} _{2})\cdot \nabla \right)\mathbf {E} -\mathbf {E} (\mathbf {x} _{1})+{\frac {d(\mathbf {x} _{1}-\mathbf {x} _{2})}{dt}}\times \mathbf {B} \right).\\\end{aligned}}}$

Observe que la anulación se produce. Al multiplicar por la carga, , se convierte la posición, , en polarización, , ${\displaystyle \mathbf {E_{1}} }$ ${\displaystyle q}$ ${\displaystyle \mathbf {x} }$ ${\displaystyle \mathbf {p} }$

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {F} &=\left(\mathbf {p} \cdot \nabla \right)\mathbf {E} +{\frac {d\mathbf {p} }{dt}}\times \mathbf {B} \\&=\alpha \left[\left(\mathbf {E} \cdot \nabla \right)\mathbf {E} +{\frac {d\mathbf {E} }{dt}}\times \mathbf {B} \right],\\\end{aligned}}}$

donde en la segunda igualdad, se ha asumido que la partícula dieléctrica es lineal (es decir ). ${\displaystyle \mathbf {p} =\alpha \mathbf {E} }$

En los pasos finales se utilizarán dos igualdades: (1) una igualdad de análisis vectorial , (2) la ley de inducción de Faraday .

1. ${\displaystyle \left(\mathbf {E} \cdot \nabla \right)\mathbf {E} =\nabla \left({\frac {1}{2}}E^{2}\right)-\mathbf {E} \times \left(\nabla \times \mathbf {E} \right)}$
2. ${\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}}$

En primer lugar, se insertará la igualdad vectorial en el primer término de la ecuación de fuerza anterior. La ecuación de Maxwell se sustituirá en el segundo término de la igualdad vectorial. A continuación, los dos términos que contienen derivadas temporales se pueden combinar en un solo término. ^[33]

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {F} &=\alpha \left[{\frac {1}{2}}\nabla E^{2}-\mathbf {E} \times \left(\nabla \times \mathbf {E} \right)+{\frac {d\mathbf {E} }{dt}}\times \mathbf {B} \right]\\&=\alpha \left[{\frac {1}{2}}\nabla E^{2}-\mathbf {E} \times \left(-{\frac {d\mathbf {B} }{dt}}\right)+{\frac {d\mathbf {E} }{dt}}\times \mathbf {B} \right]\\&=\alpha \left[{\frac {1}{2}}\nabla E^{2}+{\frac {d}{dt}}\left(\mathbf {E} \times \mathbf {B} \right)\right].\\\end{aligned}}}$

El segundo término de la última igualdad es la derivada temporal de una cantidad que está relacionada a través de una constante multiplicativa con el vector de Poynting , que describe la potencia por unidad de área que pasa a través de una superficie. Dado que la potencia del láser es constante cuando se muestrea en frecuencias mucho más largas que la frecuencia de la luz del láser ~10 ¹⁴ Hz, la derivada de este término promedia a cero y la fuerza se puede escribir como ^[34]

${\displaystyle \mathbf {F} ={\frac {1}{2}}\alpha \nabla E^{2}={\frac {2\pi n_{1}a^{3}}{c}}\left({\frac {m^{2}-1}{m^{2}+2}}\right)\nabla I(\mathbf {r} ),}$

donde en la segunda parte hemos incluido el momento dipolar inducido (en unidades MKS) de una partícula dieléctrica esférica: , donde es el radio de la partícula, es el índice de refracción de la partícula y es el índice de refracción relativo entre la partícula y el medio. El cuadrado de la magnitud del campo eléctrico es igual a la intensidad del haz en función de la posición. Por lo tanto, el resultado indica que la fuerza sobre la partícula dieléctrica, cuando se trata como un dipolo puntual, es proporcional al gradiente a lo largo de la intensidad del haz. En otras palabras, la fuerza de gradiente descrita aquí tiende a atraer la partícula a la región de mayor intensidad. En realidad, la fuerza de dispersión de la luz trabaja contra la fuerza de gradiente en la dirección axial de la trampa, lo que da como resultado una posición de equilibrio que se desplaza ligeramente aguas abajo del máximo de intensidad. Bajo la aproximación de Rayleigh, también podemos escribir la fuerza de dispersión como ${\displaystyle \mathbf {p} =\alpha \mathbf {E} (\mathbf {r} ,t)=4\pi n_{1}^{2}\epsilon _{0}a^{3}(m^{2}-1)/(m^{2}+2)\mathbf {E} (\mathbf {r} ,t)}$ ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle n_{0}}$ ${\displaystyle m=n_{0}/n_{1}}$

${\displaystyle \mathbf {F} _{\text{scat}}(\mathbf {r} )={\frac {k^{4}\alpha ^{2}}{6\pi cn_{0}^{3}\epsilon _{0}^{2}}}I(\mathbf {r} ){\hat {z}}={\frac {8\pi n_{0}k^{4}a^{6}}{3c}}\left({\frac {m^{2}-1}{m^{2}+2}}\right)^{2}I(\mathbf {r} ){\hat {z}}.}$

Como la dispersión es isotrópica, el momento neto se transfiere en dirección hacia adelante. En el nivel cuántico, imaginamos la fuerza de gradiente como una dispersión de Rayleigh hacia adelante en la que se crean y aniquilan fotones idénticos simultáneamente, mientras que en la fuerza de dispersión (radiación) los fotones incidentes viajan en la misma dirección y se "dispersan" isotrópicamente. Por conservación del momento, la partícula debe acumular los momentos originales de los fotones, lo que provoca una fuerza hacia adelante en estos últimos. ^[35]

Aproximación del potencial armónico

Una forma útil de estudiar la interacción de un átomo en un haz gaussiano es observar la aproximación del potencial armónico del perfil de intensidad que experimenta el átomo. En el caso del átomo de dos niveles, el potencial experimentado está relacionado con su desplazamiento de Stark de CA.

${\displaystyle \mathbf {\Delta E} _{\text{AC Stark}}={\frac {3\pi c^{2}\Gamma }{2\omega _{0}^{3}\delta }}\mathbf {I(r,z)} }$

donde es el ancho de línea natural del estado excitado, es el acoplamiento dipolar eléctrico, es la frecuencia de la transición y es la desafinación o diferencia entre la frecuencia del láser y la frecuencia de transición. ${\displaystyle \Gamma }$ ${\displaystyle \mu }$ ${\displaystyle \omega _{o}}$ ${\displaystyle \delta }$

La intensidad de un perfil de haz gaussiano se caracteriza por la longitud de onda , la cintura mínima y la potencia del haz . Las siguientes fórmulas definen el perfil del haz: ${\displaystyle (\lambda )}$ ${\displaystyle (w_{o})}$ ${\displaystyle (P_{o})}$

${\displaystyle I(r,z)=I_{0}\left({\frac {w_{0}}{w(z)}}\right)^{2}e^{-{\frac {2r^{2}}{w^{2}(z)}}}}$

${\displaystyle w(z)=w_{0}{\sqrt {1+\left({\frac {z}{z_{R}}}\right)^{2}}}}$

${\displaystyle z_{R}={\frac {\pi w_{0}^{2}}{\lambda }}}$

${\displaystyle P_{0}={\frac {1}{2}}\pi I_{0}w_{0}^{2}}$

Para aproximar este potencial gaussiano tanto en la dirección radial como axial del haz, el perfil de intensidad debe expandirse a segundo orden en y para y respectivamente y equipararse al potencial armónico . Estas expansiones se evalúan suponiendo una potencia fija. ${\displaystyle z}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle r=0}$ ${\displaystyle z=0}$ ${\displaystyle {\frac {1}{2}}m(\omega _{z}^{2}z^{2}+\omega _{r}^{2}r^{2})}$

${\displaystyle {\frac {1}{2!}}{\frac {\partial ^{2}U}{\partial z^{2}}}{\Biggr |}_{r,z=0}z^{2}={\frac {\alpha }{2\epsilon _{0}c}}{\frac {2P_{0}\lambda ^{2}}{\pi ^{3}w_{0}^{6}}}z^{2}={\frac {1}{2}}m\omega _{z}^{2}z^{2}}$

${\displaystyle {\frac {1}{2!}}{\frac {\partial ^{2}U}{\partial r^{2}}}{\Biggr |}_{r,z=0}r^{2}={\frac {\alpha }{2\epsilon _{0}c}}{\frac {4P_{0}}{\pi w_{0}^{4}}}r^{2}={\frac {1}{2}}m\omega _{r}^{2}r^{2}}$

Esto significa que al resolver las frecuencias armónicas (o frecuencias de trampa al considerar trampas ópticas para átomos), las frecuencias se dan como:

${\displaystyle \omega _{r}={\sqrt {\frac {4\alpha P_{0}}{\pi \epsilon _{0}cmw_{0}^{4}}}}}$

${\displaystyle \omega _{z}={\sqrt {\frac {2\alpha P_{0}\lambda ^{2}}{m\pi ^{3}\epsilon _{0}cw_{0}^{6}}}}}$

de modo que las frecuencias de trampa relativas para las direcciones radial y axial en función únicamente de la escala de cintura del haz sean:

${\displaystyle {\frac {\omega _{r}}{\omega _{z}}}={\sqrt {2}}{\frac {w_{0}\pi }{\lambda }}}$

Levitación óptica

Para hacer levitar la partícula en el aire, la fuerza descendente de la gravedad debe ser contrarrestada por las fuerzas que surgen de la transferencia de momento de los fotones . Normalmente, la presión de la radiación de fotones de un rayo láser enfocado de suficiente intensidad contrarresta la fuerza descendente de la gravedad y, al mismo tiempo, evita las inestabilidades laterales (de lado a lado) y verticales para permitir una trampa óptica estable capaz de mantener pequeñas partículas en suspensión.

En este tipo de experimentos se utilizan esferas dieléctricas transparentes de tamaño micrométrico (de varios a 50 micrómetros de diámetro), como esferas de sílice fundida , gotas de aceite o de agua. La radiación láser puede tener una longitud de onda fija , como la de un láser de iones de argón o la de un láser de colorante sintonizable . La potencia láser necesaria es del orden de 1 vatio enfocada a un tamaño de punto de varias decenas de micrómetros. Varios grupos de investigación han estudiado fenómenos relacionados con resonancias dependientes de la morfología en una cavidad óptica esférica .

En el caso de un objeto brillante, como una microesfera metálica, no se ha logrado una levitación óptica estable. La levitación óptica de un objeto macroscópico también es teóricamente posible ^[36] y se puede mejorar con nanoestructuración ^{[37] .}

Entre los materiales que se han logrado levitar con éxito se incluyen licor negro, óxido de aluminio, tungsteno y níquel. ^[38]

Pinzas optotérmicas

En las últimas dos décadas, las fuerzas ópticas se combinan con fuerzas termoforéticas para permitir el atrapamiento a potencias láser reducidas, lo que resulta en un daño de fotones minimizado. Al introducir elementos que absorben la luz (ya sean partículas o sustratos), se crean gradientes de temperatura a microescala, lo que resulta en termoforesis . ^[39] Normalmente, las partículas (incluidos los objetos biológicos como células, bacterias, ADN/ARN) se desplazan hacia el frío, lo que resulta en la repulsión de partículas utilizando pinzas ópticas. Para superar esta limitación, se utilizaron diferentes técnicas como la conformación del haz y la modificación de la solución con electrolitos y surfactantes ^[40] para atrapar con éxito los objetos. También se logró el enfriamiento láser con cristales de fluoruro de litio e itrio dopados con iterbio para generar puntos fríos utilizando láseres para lograr el atrapamiento con fotoblanqueo reducido . ^[41] La temperatura de la muestra también se ha reducido para lograr el atrapamiento óptico para una selección significativamente mayor de partículas utilizando pinzas optotérmicas para aplicaciones de administración de fármacos . ^[42]

Configuraciones

Un diagrama de pinzas ópticas genérico con solo los componentes más básicos.

La configuración más básica de las pinzas ópticas probablemente incluirá los siguientes componentes: un láser (generalmente Nd:YAG ), un expansor de haz, algunas ópticas utilizadas para dirigir la ubicación del haz en el plano de la muestra, un objetivo de microscopio y un condensador para crear la trampa en el plano de la muestra, un detector de posición (por ejemplo, un fotodiodo de cuadrante ) para medir los desplazamientos del haz y una fuente de iluminación del microscopio acoplada a una cámara CCD .

Un láser Nd:YAG (longitud de onda de 1064 nm) es una opción común para trabajar con muestras biológicas. Esto se debe a que dichas muestras (que en su mayoría son agua) tienen un coeficiente de absorción bajo en esta longitud de onda. ^[43] Se recomienda una absorción baja para minimizar el daño al material biológico, a veces denominado “opticución”. Quizás la consideración más importante en el diseño de pinzas ópticas es la elección del objetivo. Una trampa estable requiere que la fuerza del gradiente, que depende de la apertura numérica (NA) del objetivo, sea mayor que la fuerza de dispersión. Los objetivos adecuados suelen tener una NA entre 1,2 y 1,4. ^[44]

Si bien existen alternativas, quizás el método más simple para detectar la posición consiste en generar imágenes del láser de captura que sale de la cámara de muestra sobre un fotodiodo cuadrante. Las desviaciones laterales del haz se miden de manera similar a como se hace con la microscopía de fuerza atómica (AFM) .

La expansión del haz emitido por el láser para llenar la apertura del objetivo dará como resultado un punto más estrecho y limitado por la difracción. ^[45] Si bien la traslación lateral de la trampa con respecto a la muestra se puede lograr mediante la traslación del portaobjetos del microscopio, la mayoría de las configuraciones de pinzas tienen ópticas adicionales diseñadas para trasladar el haz y brindar un grado adicional de libertad de traslación. Esto se puede hacer trasladando la primera de las dos lentes etiquetadas como "Dirección del haz" en la figura. Por ejemplo, la traslación de esa lente en el plano lateral dará como resultado un haz desviado lateralmente de lo que se dibuja en la figura. Si la distancia entre las lentes de dirección del haz y el objetivo se elige correctamente, esto corresponderá a una desviación similar antes de ingresar al objetivo y una traslación lateral resultante en el plano de la muestra. La posición de la cintura del haz, que es el foco de la trampa óptica, se puede ajustar mediante un desplazamiento axial de la lente inicial. Tal desplazamiento axial hace que el haz diverja o converja ligeramente, lo que da como resultado una posición desplazada axialmente de la cintura del haz en la cámara de muestra. ^[46]

La visualización del plano de la muestra se logra generalmente mediante la iluminación a través de una fuente de luz separada acoplada a la trayectoria óptica en la dirección opuesta utilizando espejos dicroicos . Esta luz incide sobre una cámara CCD y se puede ver en un monitor externo o utilizar para rastrear la posición de la partícula atrapada a través del seguimiento por video .

Modos alternativos de haz láser

La mayoría de las pinzas ópticas utilizan haces gaussianos TEM 00 convencionales . Sin embargo, se han utilizado otros tipos de haces para atrapar partículas, incluidos los haces láser de orden superior, es decir , los haces gaussianos de Hermite (TEM _xy ), los haces gaussianos de Laguerre (LG) (TEM _pl ) y los haces de Bessel .

Las pinzas ópticas basadas en haces Laguerre-Gaussianos tienen la capacidad única de atrapar partículas que son ópticamente reflectantes y absorbentes. ^{[47] [48] [49] Los haces Laguerre-Gaussianos también poseen un} momento angular orbital bien definido que puede rotar partículas. ^{[50] [51]} Esto se logra sin dirección mecánica o eléctrica externa del haz.

Los haces de Bessel de orden cero y de orden superior también poseen una capacidad única de pinzamiento. Pueden atrapar y rotar múltiples partículas que se encuentran a milímetros de distancia e incluso alrededor de obstáculos. ^[52]

Las micromáquinas pueden ser impulsadas por estos rayos ópticos únicos debido a su mecanismo de rotación intrínseco debido al giro y al momento angular orbital de la luz. ^[53]

Pinzas ópticas multiplexadas

Una configuración típica utiliza un láser para crear una o dos trampas. Comúnmente, se generan dos trampas dividiendo el haz láser en dos haces polarizados ortogonalmente. Las operaciones de pinzado óptico con más de dos trampas se pueden realizar ya sea compartiendo en el tiempo un solo haz láser entre varias pinzas ópticas, ^[54] o dividiendo difractivamente el haz en múltiples trampas. Con deflectores acústico-ópticos o espejos accionados por galvanómetros , un solo haz láser se puede compartir entre cientos de pinzas ópticas en el plano focal, o bien extenderse en una trampa unidimensional extendida. Los elementos ópticos difractivos especialmente diseñados pueden dividir un solo haz de entrada en cientos de trampas iluminadas continuamente en configuraciones tridimensionales arbitrarias. El holograma formador de trampas también puede especificar la estructura modal de cada trampa individualmente, creando así matrices de vórtices ópticos, pinzas ópticas y trampas de línea holográfica, por ejemplo. ^[55] Cuando se implementan con un modulador de luz espacial , estas trampas ópticas holográficas también pueden mover objetos en tres dimensiones. ^[56] Las formas avanzadas de trampas ópticas holográficas con perfiles espaciales arbitrarios, donde se controla la suavidad de la intensidad y la fase, encuentran aplicaciones en muchas áreas de la ciencia, desde la micromanipulación hasta los átomos ultrafríos . ^[57] Los átomos ultrafríos también podrían usarse para la realización de computadoras cuánticas. ^[58]

Fibras ópticas monomodo

La trampa óptica de fibra estándar se basa en el mismo principio que el atrapamiento óptico, pero con el haz de láser gaussiano entregado a través de una fibra óptica . Si un extremo de la fibra óptica está moldeado en una faceta similar a una lente , el haz casi gaussiano transportado por una fibra estándar monomodo se enfocará a cierta distancia de la punta de la fibra. La apertura numérica efectiva de dicho conjunto normalmente no es suficiente para permitir una trampa óptica 3D completa, sino solo para una trampa 2D (el atrapamiento óptico y la manipulación de objetos serán posibles solo cuando, por ejemplo, estén en contacto con una superficie). ^[59] Se ha realizado un verdadero atrapamiento óptico 3D basado en una sola fibra, con un punto de atrapamiento que no está casi en contacto con la punta de la fibra, basándose en una disposición de fibra de núcleo anular no estándar y una geometría de reflexión interna total. ^[60]

Por otro lado, si los extremos de la fibra no están moldeados, el láser que sale de la fibra divergirá y, por lo tanto, solo se puede lograr una trampa óptica estable equilibrando el gradiente y la fuerza de dispersión de dos extremos opuestos de la fibra. La fuerza del gradiente atrapará las partículas en la dirección transversal, mientras que la fuerza óptica axial proviene de la fuerza de dispersión de los dos rayos que se propagan en sentido contrario y emergen de las dos fibras. La posición z de equilibrio de dicha perla atrapada es donde las dos fuerzas de dispersión se igualan entre sí. Este trabajo fue iniciado por A. Constable et al. , Opt. Lett. 18 , 1867 (1993), y seguido por J. Guck et al. , Phys. Rev. Lett. 84 , 5451 (2000), quienes utilizaron esta técnica para estirar micropartículas. Al manipular la potencia de entrada en los dos extremos de la fibra, se producirá un aumento de un "estiramiento óptico" que se puede utilizar para medir las propiedades viscoelásticas de las células, con una sensibilidad suficiente para distinguir entre diferentes fenotipos citoesqueléticos individuales, es decir, eritrocitos humanos y fibroblastos de ratón. Una prueba reciente ha obtenido un gran éxito en la diferenciación de células cancerosas de las no cancerosas a partir de dos rayos láser opuestos y no enfocados. ^[61]

Trampas basadas en fibra multimodo

El rotador de células óptico es una trampa láser basada en fibra que puede contener y orientar con precisión células vivas para microscopía tomográfica.

Mientras que las versiones anteriores de las trampas láser basadas en fibra utilizaban exclusivamente haces monomodo, M. Kreysing y sus colegas demostraron recientemente que la excitación cuidadosa de otros modos ópticos en un trozo corto de fibra óptica permite la realización de geometrías de trampas no triviales. Con esto, los investigadores pudieron orientar varios tipos de células humanas (células individuales y grupos) en un microscopio. La principal ventaja de la denominada tecnología de "rotador de células óptico" sobre las pinzas ópticas estándar es el desacoplamiento de la captura de la óptica de formación de imágenes. Esto, su diseño modular y la alta compatibilidad de las trampas láser divergentes con el material biológico indican el gran potencial de esta nueva generación de trampas láser en la investigación médica y las ciencias de la vida. ^[62] Recientemente, la tecnología de rotador de células óptico se implementó sobre la base de la óptica adaptativa , lo que permite reconfigurar dinámicamente la trampa óptica durante el funcionamiento y adaptarla a la muestra. ^[63]

Clasificación celular

Uno de los sistemas de clasificación de células más comunes utiliza la citometría de flujo a través de imágenes de fluorescencia . En este método, una suspensión de células biológicas se clasifica en dos o más contenedores, según las características fluorescentes específicas de cada célula durante un flujo asistido. Mediante el uso de una carga eléctrica en la que la célula queda "atrapada", las células se clasifican en función de las mediciones de intensidad de fluorescencia. El proceso de clasificación se lleva a cabo mediante un sistema de deflexión electrostática que desvía las células hacia los contenedores en función de su carga.

En el proceso de clasificación activado ópticamente, las células fluyen a través de un paisaje óptico, es decir, redes ópticas 2D o 3D. Sin ninguna carga eléctrica inducida, las células se clasificarían en función de sus propiedades de índice de refracción intrínsecas y se pueden reconfigurar para una clasificación dinámica. Se puede crear una red óptica utilizando óptica difractiva y elementos ópticos. ^[11]

Por otra parte, K. Ladavac et al. utilizaron un modulador de luz espacial para proyectar un patrón de intensidad que permitiera el proceso de clasificación óptica. ^[64] K. Xiao y DG Grier aplicaron la microscopía de video holográfica para demostrar que esta técnica puede clasificar esferas coloidales con una resolución de partes por mil para el tamaño y el índice de refracción. ^[65]

El mecanismo principal de clasificación es la disposición de los puntos de la red óptica. A medida que las células fluyen a través de la red óptica, existen fuerzas debidas a la fuerza de arrastre de las partículas que compiten directamente con la fuerza del gradiente óptico (véase Física de las pinzas ópticas) desde el punto de la red óptica. Al cambiar la disposición del punto de la red óptica, existe una ruta óptica preferida donde las fuerzas ópticas son dominantes y sesgadas. Con la ayuda del flujo de las células, existe una fuerza resultante que se dirige a lo largo de esa ruta óptica preferida. Por lo tanto, existe una relación entre el caudal y la fuerza del gradiente óptico. Al ajustar las dos fuerzas, se podrá obtener una buena eficiencia de clasificación óptica.

La competencia de las fuerzas en el entorno de clasificación requiere un ajuste fino para lograr una clasificación óptica de alta eficiencia. La necesidad se relaciona principalmente con el equilibrio de las fuerzas: fuerza de arrastre debido al flujo de fluido y fuerza de gradiente óptico debido a la disposición del punto de intensidad.

Los científicos de la Universidad de St. Andrews han recibido una financiación considerable del Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas del Reino Unido ( EPSRC ) para una máquina de clasificación óptica. Esta nueva tecnología podría rivalizar con la clasificación celular convencional activada por fluorescencia. ^[66]

Campos evanescentes

Un campo evanescente ^[67] es un campo óptico residual que se "fuga" durante la reflexión interna total . Esta "fuga" de luz se desvanece a un ritmo exponencial. El campo evanescente ha encontrado varias aplicaciones en la obtención de imágenes con resolución nanométrica (microscopía); la micromanipulación óptica (pinzas ópticas) está adquiriendo cada vez mayor relevancia en la investigación.

En las pinzas ópticas, se puede crear un campo evanescente continuo cuando la luz se propaga a través de una guía de ondas óptica ( reflexión interna total múltiple ). El campo evanescente resultante tiene un sentido direccional e impulsará micropartículas a lo largo de su trayectoria de propagación. Este trabajo fue iniciado por S. Kawata y T. Sugiura, en 1992, quienes demostraron que el campo se puede acoplar a las partículas cercanas en el orden de 100 nanómetros. ^[68] Este acoplamiento directo del campo se trata como un tipo de túnel de fotones a través del espacio entre el prisma y las micropartículas. El resultado es una fuerza de propulsión óptica direccional.

Una versión actualizada reciente de las pinzas ópticas de campo evanescente hace uso de patrones de paisaje óptico extendidos para guiar simultáneamente una gran cantidad de partículas en una dirección preferida sin usar una guía de ondas . Se denomina "trampa óptica sin lentes" ("LOT"). El movimiento ordenado de las partículas se ve facilitado por la introducción de la regla de Ronchi que crea pozos de potencial óptico bien definidos (que reemplazan a la guía de ondas). Esto significa que las partículas son impulsadas por el campo evanescente mientras quedan atrapadas por las franjas brillantes lineales. En este momento, también hay científicos que trabajan en campos evanescentes enfocados.

En estudios recientes, el campo evanescente generado por láser de infrarrojo medio se ha utilizado para clasificar partículas por resonancia vibracional molecular de forma selectiva. La luz de infrarrojo medio se utiliza habitualmente para identificar estructuras moleculares de materiales porque los modos vibracionales existen en la región de infrarrojo medio. Un estudio de Statsenko et al. describió la mejora de la fuerza óptica por resonancia vibracional molecular al excitar el modo de estiramiento del enlace Si-O-Si a 9,3 μm. ^[69] Se ha demostrado que las microesferas de sílice que contienen un enlace Si-O-Si significativo se mueven hasta diez veces más rápido que las microesferas de poliestireno debido a la resonancia vibracional molecular. Además, este mismo grupo también investigó la posibilidad de la cromatografía de fuerza óptica basada en la resonancia vibracional molecular. ^[70]

Otro enfoque propuesto recientemente hace uso de plasmones de superficie, que son ondas evanescentes mejoradas localizadas en una interfaz metal/dieléctrico. El campo de fuerza mejorado que experimentan las partículas coloidales expuestas a plasmones de superficie en una interfaz metal/dieléctrico plana se ha medido por primera vez utilizando un microscopio de fuerza fotónico, y se ha descubierto que la magnitud total de la fuerza es 40 veces más fuerte en comparación con una onda evanescente normal. ^[71] Al crear patrones en la superficie con islas microscópicas de oro, es posible tener un atrapamiento selectivo y paralelo en estas islas. Las fuerzas de estas últimas pinzas ópticas se encuentran en el rango de los femtonewton. ^[72]

El campo evanescente también se puede utilizar para atrapar átomos y moléculas frías cerca de la superficie de una guía de ondas óptica o una nanofibra óptica. ^{[73] [74]}

Enfoque indirecto

Ming Wu, profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación de la Universidad de California en Berkeley, inventó las nuevas pinzas optoelectrónicas.

Wu transformó la energía óptica de los diodos emisores de luz (LED) de baja potencia en energía eléctrica a través de una superficie fotoconductora. La idea es permitir que el LED encienda y apague el material fotoconductor a través de su fina proyección. Como el patrón óptico se puede transformar fácilmente a través de la proyección óptica, este método permite una gran flexibilidad para cambiar entre diferentes paisajes ópticos.

El proceso de manipulación/pinza se realiza mediante las variaciones entre el campo eléctrico activado por el patrón de luz. Las partículas serán atraídas o repelidas desde el punto activado debido a su dipolo eléctrico inducido. Las partículas suspendidas en un líquido serán susceptibles al gradiente del campo eléctrico, esto se conoce como dielectroforesis .

Una clara ventaja es que la conductividad eléctrica es diferente entre los distintos tipos de células. Las células vivas tienen un medio conductor más bajo, mientras que las muertas tienen un medio conductor mínimo o nulo. El sistema puede manipular aproximadamente 10.000 células o partículas al mismo tiempo.

Consulte los comentarios del profesor Kishan Dholakia sobre esta nueva técnica, K. Dholakia, Nature Materials 4, 579–580 (01 de agosto de 2005) Noticias y opiniones.

"El sistema fue capaz de mover bacterias E. coli vivas y partículas de 20 micrómetros de ancho, utilizando una potencia óptica de salida de menos de 10 microvatios. Esto es una cienmilésima parte de la potencia necesaria para pinzas ópticas [directas]". ^[75]

Otro tipo de pinzas ópticas notablemente nuevo son las pinzas optotérmicas inventadas por Yuebing Zheng en la Universidad de Texas en Austin . La estrategia es utilizar la luz para crear un gradiente de temperatura y explotar la migración termoforética de la materia para el atrapamiento óptico. ^[76] El equipo integró además la termoforesis con el enfriamiento por láser para desarrollar pinzas optorrefrigerativas para evitar daños térmicos para el atrapamiento y la manipulación óptica no invasiva. ^[77]

Encuadernación óptica

Cuando un grupo de micropartículas se atrapa dentro de un haz láser monocromático, la organización de las micropartículas dentro del atrapamiento óptico depende en gran medida de la redistribución de las fuerzas de atrapamiento óptico entre las micropartículas. Esta redistribución de las fuerzas de la luz entre el grupo de micropartículas proporciona un nuevo equilibrio de fuerzas en el grupo en su conjunto. Como tal, podemos decir que el grupo de micropartículas está de alguna manera unido por la luz. Una de las primeras evidencias experimentales de unión óptica fue reportada por Michael M. Burns, Jean-Marc Fournier y Jene A. Golovchenko, ^[78] aunque fue predicha originalmente por T. Thirunamachandran. ^[79] Uno de los muchos estudios recientes sobre la unión óptica ha demostrado que para un sistema de nanopartículas quirales, la magnitud de las fuerzas de unión dependen de la polarización del haz láser y de la lateralidad de las partículas interactuantes, ^[80] con aplicaciones potenciales en áreas como la separación enantiomérica y la nanomanipulación óptica.

Pinzas ópticas de fluorescencia

Para manipular y obtener imágenes simultáneamente de muestras que exhiben fluorescencia , se pueden construir pinzas ópticas junto con un microscopio de fluorescencia . ^[81] Dichos instrumentos son particularmente útiles cuando se trata de estudiar moléculas biológicas individuales o en pequeñas cantidades que han sido marcadas con fluorescencia, o en aplicaciones en las que se utiliza la fluorescencia para rastrear y visualizar objetos que se van a atrapar.

Este enfoque se ha ampliado para la detección y obtención de imágenes simultáneas de complejos proteicos dinámicos utilizando ataduras largas y fuertes generadas mediante un enfoque enzimático de múltiples pasos altamente eficiente ^[82] y se ha aplicado a investigaciones de máquinas de desagregación en acción. ^[83]

Pinzas combinadas con otras técnicas de imagen

Además de las pinzas ópticas de fluorescencia "estándar", ahora se construyen pinzas con focales de múltiples colores, de campo amplio, STED, FRET, TIRF o IRM.

Esto permite aplicaciones como la medición de: localización de proteínas/ADN, unión, plegamiento de proteínas, condensación, generación de fuerza motora de proteínas, visualización de filamentos citoesqueléticos y dinámica motora, dinámica de microtúbulos, manipulación de gotas de líquido (reología) o fusión. Estas configuraciones son difíciles de construir y tradicionalmente se encuentran en configuraciones "académicas" no correlacionadas. En los últimos años, incluso los constructores caseros (tanto biofísicos como biólogos generales) están pasando a la alternativa y están adquiriendo una solución totalmente correlacionada con fácil adquisición y análisis de datos.

Véase también

• Óptica atómica
• Levitación
• Lista de artículos sobre láser
• Control cuántico
• Óptica cuántica

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Enlaces externos

• Vídeo: Levitación de DIAMANTES con un rayo láser