Pinzas ópticas

Instrumentos cientificos

Una fotografía de una nanopartícula (diámetro 103 nm) atrapada por una pinza óptica. La nanopartícula puede verse 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 trampa de fuerza de gradiente de haz único ) son instrumentos científicos que utilizan un rayo láser altamente enfocado para sostener y mover objetos microscópicos y submicroscópicos como átomos , nanopartículas y gotas, de manera similar a las pinzas . Si el objeto se mantiene en el aire o en el vacío sin soporte adicional, se le 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 tener un tamaño de micras 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 el espermatozoide o la sangre , 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 de Arthur Ashkin recibió el Premio Nobel de Física de 2018 .

Historia y desarrollo

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

Uno de los autores de este artículo fundamental de 1986, Steven Chu , continuaría utilizando pinzas ópticas en su trabajo sobre enfriamiento y captura 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 a la captura de átomos neutros (0,1 nanómetros de diámetro) utilizando luz láser resonante y una trampa de gradiente magnético (cf. . Trampa magnetoóptica ).

A finales de la década de 1980, Arthur Ashkin y Joseph M. Dziedzic demostraron la primera aplicación de la tecnología a las ciencias biológicas, usándola para atrapar un virus del mosaico del tabaco individual y una bacteria Escherichia coli . ^[6] A lo largo de la década de 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 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 una sola molécula ; 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 de células artificiales similares a tejidos ^[7] y para fusionar membranas sintéticas ^[8] para iniciar reacciones bioquímicas. ^[7] También se emplean ampliamente en estudios genéticos ^[9] e investigaciones sobre la estructura y dinámica de los cromosomas. ^[10] En 2003 se aplicaron las técnicas de pinzas ópticas 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 según sus características ópticas intrínsecas. ^{[11] [12]} También se han utilizado pinzas ópticas 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 ópticamente atrapados y detectados ópticamente después de la agrupación inducida por la molécula objetivo [14] 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 ciencia cuántica. Algunos logros en esta área incluyen la captura de un solo átomo en 2001, ^[16] la captura de matrices 2D de átomos en 2002, ^[17] la captura de pares entrelazados que interactúan fuertemente en 2010, ^{[18] [19] [20]} la captura de pares ensamblados con precisión Arreglos bidimensionales de átomos en 2016 ^{[21] [22]} y arreglos tridimensionales en 2018. ^{[23] [24]} Estas técnicas se han utilizado en simuladores cuánticos para obtener arreglos 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 otros más pequeños y simples, para que los utilicen 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, como ocurre con un simple sistema de resorte. 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 haz normalmente se enfoca enviándolo a través de un objetivo de microscopio . Cerca del punto más estrecho del haz enfocado, conocido como cintura del haz , la amplitud del campo eléctrico oscilante varía rápidamente en el espacio. Las partículas dieléctricas son atraídas a lo largo del gradiente hacia la región de mayor campo eléctrico, que es el centro del haz. La luz láser también tiende a aplicar una fuerza sobre las partículas del haz a lo largo de la dirección de propagación del haz. Esto se debe a la conservación del impulso : los fotones que son absorbidos o dispersados ​​por la pequeña partícula dieléctrica imparten impulso a la partícula dieléctrica. Esto se conoce como fuerza de dispersión y da como resultado que la partícula se desplace ligeramente hacia abajo desde la posición exacta de la cintura del haz, como se ve en la figura.

Las trampas ópticas son instrumentos muy sensibles y son capaces de manipular y detectar desplazamientos subnanométricos de partículas dieléctricas submicrónicas. ^[30] Por esta razón, a menudo se utilizan para manipular y estudiar moléculas individuales interactuando con una cuenta 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 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 forma, una trampa óptica se puede comparar con un simple resorte, que sigue la ley de Hooke .

Vista detallada

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

Óptica de rayos

Explicación de la óptica de rayos (láser desenfocado). Cuando la perla se desplaza del centro del haz (imagen de la derecha), el mayor cambio de impulso de los rayos más intensos hace que se aplique una fuerza neta de regreso hacia el centro del láser. Cuando el cordón está centrado lateralmente en la viga (imagen de la izquierda), la fuerza lateral resultante es cero. Pero un láser desenfocado todavía provoca una fuerza que apunta en dirección opuesta al láser.

Explicación de la óptica de rayos (láser enfocado). Además de mantener la perla en el centro del láser, un láser enfocado también mantiene la perla en una posición axial fija: el cambio de impulso de los rayos enfocados provoca una fuerza hacia el foco del láser, tanto cuando la perla está delante (izquierda) imagen) o detrás (imagen derecha) del foco láser. Así, la cuenta 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 puede explicarse mediante óptica de rayos. Como se muestra en la figura, los rayos de luz individuales emitidos por el láser se refractarán cuando entre y salga de la perla dieléctrica. Como resultado, el rayo saldrá en una dirección diferente a la que se originó. Dado que la luz tiene un impulso asociado, este cambio de dirección indica que su impulso 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 un perfil de intensidad de haz gaussiano (modo TEM ₀₀ ). En este caso, si la partícula se desplaza del 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. centro de la trampa que los rayos menos intensos, que imparten un cambio de impulso menor lejos del centro de la trampa. El cambio de momento neto, o fuerza, devuelve la partícula al centro de la trampa.

Si la partícula está ubicada en el centro del haz, entonces los rayos de luz individuales se refractan a través de la partícula simétricamente, lo que no produce ninguna fuerza lateral neta. La fuerza neta en este caso se produce 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 el cordón quede atrapado de manera estable ligeramente aguas abajo de la cintura de la viga.

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

Aproximación del dipolo eléctrico

En los casos en que el diámetro de una partícula atrapada es significativamente menor que la longitud de onda de la luz, se satisfacen 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 está 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 cancelación. Multiplicando por la carga, , 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 supuesto 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. ${\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}}$

Primero, se insertará la igualdad del vector para el primer término de la ecuación de fuerza anterior. La ecuación de Maxwell sustituirá el segundo término en la igualdad vectorial. Entonces 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 mediante 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 muestrean frecuencias mucho más largas que la frecuencia de la luz del láser ~10 ¹⁴ Hz, la derivada de este término promedia 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 del gradiente aquí descrita tiende a atraer la partícula a la región de mayor intensidad. En realidad, la fuerza de dispersión de la luz actúa en contra de la fuerza del gradiente en la dirección axial de la trampa, lo que da como resultado una posición de equilibrio que se desplaza ligeramente hacia abajo del máximo de intensidad. Bajo la aproximación de Rayleigh, también podemos escribir la fuerza de dispersión como ${\displaystyle \mathbf {p} =\alpha \mathbf {E} (\mathbf {r} ,t)=4\pi n_{1}^{2}\epsilon _{0}a^{3}(m^{2}-1)/(m^{2}+2)\mathbf {E} (\mathbf {r} ,t)}$ ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle n_{0}}$ ${\displaystyle m=n_{0}/n_{1}}$

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

Dado que la dispersión es isotrópica, el impulso neto se transfiere hacia adelante. En el nivel cuántico, imaginamos la fuerza del gradiente como una dispersión de Rayleigh directa en la que se crean y aniquilan fotones idénticos al mismo tiempo, 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, provocando 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 AC Stark Shift ,

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

donde es el ancho de línea natural del estado excitado, es el acoplamiento del dipolo 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 de la viga: ${\displaystyle (\lambda )}$ ${\displaystyle (w_{o})}$ ${\displaystyle (P_{o})}$

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

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

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

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

Para aproximar este potencial gaussiano en las direcciones radial y axial del haz, el perfil de intensidad debe expandirse al segundo orden en y para y respectivamente y equipararse al potencial armónico . Estas expansiones se evalúan asumiendo 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 cuando se consideran 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 captura relativas para las direcciones radial y axial en función de la escala de cintura del haz únicamente son:

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

Levitación óptica

Para hacer levitar la partícula en el aire, la fuerza de gravedad hacia abajo debe ser contrarrestada por las fuerzas derivadas de la transferencia de impulso de los fotones . Por lo general, 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 previene 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 experimento se utilizan esferas dieléctricas transparentes de tamaño micrométrico (desde varios hasta 50 micrómetros de diámetro), como esferas de sílice fundida , gotas de aceite o agua. La radiación láser se puede fijar en una longitud de onda como la de un láser de iones de argón o la de un láser de colorante sintonizable . La potencia del láser requerida es del orden de 1 vatio enfocado a un tamaño de punto de varias decenas de micrómetros. Varios grupos de investigación han estudiado los fenómenos relacionados con las resonancias morfológicamente dependientes en una cavidad óptica esférica.

Para 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 puede mejorarse con nanoestructuración. ^[37]

Los materiales que han sido levitados con éxito 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 la captura con potencias láser reducidas, lo que resulta en un daño de fotones minimizado. Al introducir elementos absorbentes de luz (ya sean partículas o sustratos), se crean gradientes de temperatura a microescala, lo que da como resultado la termoforesis . ^[39] Normalmente, las partículas (incluidos objetos biológicos como células, bacterias, ADN/ARN) se desplazan hacia el frío, lo que provoca la repulsión de las partículas mediante pinzas ópticas. Para superar esta limitación, se utilizaron diferentes técnicas, como la conformación del haz y la modificación de la solución con electrolitos y tensioactivos ^[40], para atrapar con éxito los objetos. El enfriamiento por láser también se logró con cristales de fluoruro de litio y itrio dopados con itrio 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 la captura óptica para una selección significativamente mayor de partículas utilizando pinzas optotérmicas para aplicaciones de administración de fármacos . ^[42]

Configuraciones

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

La configuración de pinzas ópticas más básica 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 muestra, un detector de posición (por ejemplo, fotodiodo de cuadrante ) para medir los desplazamientos del haz y una fuente de iluminación de microscopio acoplada a una cámara CCD .

Un láser Nd:YAG (longitud de onda de 1064 nm) es una opción común de láser 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] Es aconsejable una baja absorción para minimizar el daño al material biológico, a veces denominado óptica. Quizás la consideración más importante en el diseño de pinzas ópticas sea 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 un NA entre 1,2 y 1,4. ^[44]

Si bien hay alternativas disponibles, quizás el método más simple para la detección de la posición implica obtener imágenes del láser de captura que sale de la cámara de muestra en un fotodiodo de cuadrante. Las deflexiones laterales del haz se miden de manera similar a como se hace usando microscopía de fuerza atómica (AFM) .

Ampliar el haz emitido por el láser para llenar la apertura del objetivo dará como resultado un punto más estrecho y con difracción limitada. ^[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 para 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 entrar en el objetivo y una traslación lateral resultante en el plano de muestra. La posición de la cintura del haz, es decir 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, el resultado de lo cual es una posición desplazada axialmente de la cintura del haz en la cámara de muestra. ^[46]

La visualización del plano de la muestra generalmente se logra mediante iluminación a través de una fuente de luz separada acoplada al camino óptico en la dirección opuesta usando espejos dicroicos . Esta luz incide sobre una cámara CCD y puede verse en un monitor externo o usarse para rastrear la posición de las partículas atrapadas mediante seguimiento por video .

Modos alternativos de rayo 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 haces láser de alto orden, es decir, haces Hermite-Gaussianos (TEM _xy ), haces Laguerre-Gaussianos (LG) (TEM _pl ) y haces Bessel .

Las pinzas ópticas basadas en haces de Laguerre-Gauss 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.

Tanto los Bessel Beams de orden cero como los de orden superior también poseen una capacidad de pinza única. Pueden atrapar y rotar múltiples partículas que están a milímetros de distancia e incluso alrededor de obstáculos. ^[52]

Las micromáquinas pueden ser impulsadas por estos haces 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. Normalmente, se generan dos trampas dividiendo el rayo láser en dos haces polarizados ortogonalmente. Las operaciones de pinza óptica con más de dos trampas se pueden realizar compartiendo el tiempo de un solo rayo láser entre varias pinzas ópticas ^[54] o dividiendo el haz por difracción en múltiples trampas. Con deflectores acústico-ópticos o espejos accionados por galvanómetros , un único rayo láser puede compartirse entre cientos de pinzas ópticas en el plano focal, o bien extenderse en una trampa unidimensional extendida. Elementos ópticos difractivos especialmente diseñados pueden dividir un único haz de entrada en cientos de trampas iluminadas continuamente en configuraciones tridimensionales arbitrarias. El holograma formador de trampas también puede especificar la estructura de modo de cada trampa individualmente, creando así conjuntos de vórtices ópticos, pinzas ópticas y trampas de líneas holográficas, 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 de fibra óptica estándar se basa en el mismo principio que la trampa óptica, pero con el rayo láser gaussiano entregado a través de una fibra óptica . Si un extremo de la fibra óptica se moldea 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 sólo para una trampa 2D (la captura óptica y la manipulación de objetos sólo serán posibles 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 reflexión interna total. geometría. ^[60]

Por otro lado, si los extremos de la fibra no están moldeados, el láser que sale de la fibra será divergente y, por lo tanto, sólo se podrá 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 haces de contrapropagación que 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. , Optar. Letón. 18 , 1867 (1993), y seguido por J. Guck et al. , Físico. Rev. Lett. 84 , 5451 (2000), quienes hicieron uso de esta técnica para estirar micropartículas. Al manipular la potencia de entrada en los dos extremos de la fibra, habrá un aumento de un "estiramiento óptico" que puede usarse para medir las propiedades viscoelásticas de las células, con sensibilidad suficiente para distinguir entre diferentes fenotipos citoesqueléticos individuales. es decir, eritrocitos humanos y fibroblastos de ratón. Una prueba reciente ha tenido gran éxito al diferenciar 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 ópticas 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 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 captura no triviales. De esta manera, los investigadores pudieron orientar en un microscopio varios tipos de células humanas (células individuales y agrupaciones). La principal ventaja de la tecnología denominada "rotación de células ópticas" frente a las pinzas ópticas estándar es la desvinculación del atrapamiento de la óptica de imágenes. Esto, su diseño modular y la alta compatibilidad de las trampas láser divergentes con material biológico indican el gran potencial de esta nueva generación de trampas láser en la investigación médica y las ciencias biológicas. ^[62] Recientemente, la tecnología de rotador de celdas ópticas se implementó sobre la base de la óptica adaptativa , lo que permite reconfigurar dinámicamente la trampa óptica durante la operación y adaptarla a la muestra. ^[63]

clasificación de células

Uno de los sistemas de clasificación de células más comunes utiliza la citometría de flujo mediante imágenes de fluorescencia . En este método, una suspensión de células biológicas se clasifica en dos o más recipientes, según las características fluorescentes específicas de cada célula durante un flujo asistido. Al utilizar 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 desviación electrostática que desvía las células a contenedores en función de su carga.

En el proceso de clasificación accionado ópticamente, las células fluyen hacia un paisaje óptico, es decir, redes ópticas 2D o 3D. Sin ninguna carga eléctrica inducida, las células se clasificarían en función de sus propiedades intrínsecas de índice de refracción 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. utilizó un modulador de luz espacial para proyectar un patrón de intensidad para permitir el proceso de clasificación óptica. ^[64] K. Xiao y DG Grier aplicaron microscopía de video holográfica para demostrar que esta técnica puede clasificar esferas coloidales con una resolución de parte por mil para tamaño e índice de refracción. ^{[sesenta y cinco]}

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

La competencia de las fuerzas en el entorno de clasificación necesita un ajuste fino para tener éxito en una clasificación óptica de alta eficiencia. La necesidad se refiere principalmente al equilibrio de 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 clasificadora óptica. Esta nueva tecnología podría rivalizar con la clasificación de células activada por fluorescencia convencional. ^[66]

Campos evanescentes

Un campo evanescente ^[67] es un campo óptico residual que "se escapa" durante la reflexión interna total . Esta "fuga" de luz se desvanece a un ritmo exponencial. El campo evanescente ha encontrado varias aplicaciones en imágenes con resolución nanométrica (microscopía); La micromanipulación óptica (pinzas ópticas) está adquiriendo cada vez más 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 las micropartículas a lo largo de su camino de propagación. Este trabajo fue iniciado por primera vez por S. Kawata y T. Sugiura, en 1992, quienes demostraron que el campo puede acoplarse a partículas cercanas del 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 propulsora óptica direccional.

Una versión actualizada recientemente de las pinzas ópticas de campo evanescente utiliza patrones ópticos de paisaje extendidos para guiar simultáneamente una gran cantidad de partículas en una dirección preferida sin utilizar una guía de ondas . Se denomina captura óptica sin lentes ("LOT"). El movimiento ordenado de las partículas se ve favorecido por la introducción de la regla Ronchi que crea pozos de potencial óptico bien definidos (reemplazando la guía de ondas). Esto significa que las partículas son impulsadas por el campo evanescente mientras quedan atrapadas por las franjas lineales brillantes. Actualmente, también hay científicos que trabajan en campos evanescentes enfocados.

En estudios recientes, el campo evanescente generado por el láser de infrarrojo medio se ha utilizado para clasificar partículas mediante resonancia vibratoria molecular de forma selectiva. La luz del infrarrojo medio se utiliza comúnmente para identificar estructuras moleculares de materiales porque los modos de vibración existen en la región del infrarrojo medio. Un estudio de Statsenko et al. describieron la mejora de la fuerza óptica mediante resonancia vibratoria 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 vibratoria molecular. Además, este mismo grupo también investigó la posibilidad de realizar cromatografía de fuerzas ópticas basada en resonancia vibracional molecular. ^[70]

Otro enfoque que se ha propuesto recientemente utiliza plasmones de superficie, que son una onda evanescente mejorada localizada en una interfaz metal/dieléctrico. El campo de fuerza mejorado experimentado por partículas coloidales expuestas a plasmones superficiales en una interfaz plana de metal/dieléctrico se ha medido por primera vez utilizando un microscopio de fuerza fotónico, encontrándose que la magnitud total de la fuerza es 40 veces más fuerte en comparación con una onda evanescente normal. ^[71] Al modelar la superficie con islas microscópicas de oro, es posible realizar capturas selectivas y paralelas en estas islas. Las fuerzas de estas últimas pinzas ópticas se encuentran en el rango de femtonewton. ^[72]

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

Enfoque indirecto

Ming Wu, profesor de ingeniería eléctrica y ciencias informáticas de UC 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 puede transformarse fácilmente mediante proyección óptica, este método permite una gran flexibilidad para cambiar diferentes paisajes ópticos.

El proceso de manipulación/pinza se realiza mediante las variaciones entre el campo eléctrico accionado por el patrón de luz. Las partículas serán atraídas o repelidas desde el punto accionado 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 podría manipular aproximadamente 10.000 células o partículas al mismo tiempo.

Véanse los comentarios del profesor Kishan Dholakia sobre esta nueva técnica, K. Dholakia, Nature Materials 4, 579–580 (01 de agosto de 2005) News and Views.

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

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

Encuadernación óptica

Cuando un grupo de micropartículas queda atrapado dentro de un rayo 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 algo 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 unión óptica ha demostrado que para un sistema de nanopartículas quirales, la magnitud de las fuerzas de unión depende de la polarización del rayo láser y de la lateralidad de las propias partículas que interactúan, ^[80] con potencial aplicaciones 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] Estos instrumentos son particularmente útiles cuando se trata de estudiar cantidades únicas o pequeñas de moléculas biológicas que han sido marcadas con fluorescencia, o en aplicaciones en las que se utiliza la fluorescencia para rastrear y visualizar objetos que van a ser atrapados.

Este enfoque se ha ampliado para la detección e imágenes simultáneas de complejos proteicos dinámicos utilizando ataduras largas y fuertes generadas por un enfoque enzimático de múltiples pasos altamente eficiente ^[82] y 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 están construyendo con Confocal, Widefield, STED, FRET, TIRF o IRM de múltiples colores.

Esto permite aplicaciones tales como medición: unión de localización de proteína/ADN, plegamiento de proteínas, condensación, generación de fuerza de proteína motora, 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 de viviendas (tanto biofísicos como biólogos generales) se están convirtiendo a la alternativa y están adquiriendo una solución totalmente correlacionada con una fácil adquisición y análisis de datos.

Ver también

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

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enlaces externos

• Vídeo: Levitando DIAMANTES con un rayo láser