Pinzas opticas

Pinzas ópticas ( ing.  pinzas ópticas ), a veces "pinzas láser" o " trampa óptica ": una herramienta óptica que le permite manipular objetos microscópicos utilizando luz láser (generalmente emitida por un diodo láser ). Permitefuerzas desde femtonewtons hasta nanonewtons a objetos dieléctricos y se pueden medir distancias desde unos pocos nanómetros hasta micras . En los últimos años, las pinzas ópticas han comenzado a utilizarse en biofísica para estudiar la estructura y el funcionamiento de las proteínas [1] .

En 2018, el Premio Nobel de Física "por la invención de las pinzas ópticas y su aplicación en sistemas biológicos" fue otorgado a Arthur Ashkin , el creador de las pinzas ópticas [2] .

Historia

En el siglo XVII, el astrónomo alemán Johannes Kepler , basándose en las observaciones de las colas de los cometas a medida que se acercaban al Sol , sugirió que la luz podía ejercer presión sobre la materia. Aunque luego se supo que no era ese el único mecanismo de esta desviación, la idea de Kepler resultó fructífera para el desarrollo de la astronomía. Por ejemplo, se ha demostrado que la luz ( presión de radiación ) es uno de los mecanismos más importantes que son responsables de la dinámica de las partículas en el espacio interestelar.

Dos siglos después de las exploraciones de Kepler, James Maxwell calculó el valor de la presión de la luz utilizando su teoría de los fenómenos electromagnéticos . Este efecto fue medido experimentalmente en 1910 por el físico ruso Pyotr Lebedev , quien demostró que la luz ejerce presión sobre los cuerpos.

En 1970, Arthur Ashkin de Bell  Labs [3 ] publicó en la literatura científica una descripción de las fuerzas asociadas con la dispersión y los gradientes de intensidad de la luz en partículas de tamaño micrométrico .

Mucho más tarde, Ashkin y sus colegas reportaron la primera observación de lo que ahora se llama una trampa óptica, es decir, un haz de luz enfocado capaz de mantener inmóviles partículas microscópicas (10 nm  - 10 µm ) en tres dimensiones [4] .

Un principio similar también se utiliza para el enfriamiento por láser  , un método que ha permitido llevar la temperatura de los átomos en una trampa óptica a los valores más bajos que son inaccesibles por otros medios. El método fue propuesto por el físico soviético Letokhov en 1968 [5] e implementado por el mismo grupo Ashkin en 1978 [6] . El trabajo de investigación fue continuado por Steven Chu ( anteriormente colaborador de Ashkin), quien recibió el Premio Nobel de 1997 por este trabajo. 

En la década de 1980, Steven Block y Howard Berg fueron pioneros en la tecnología de pinzas ópticas en biología , usándolas para sujetar bacterias con el fin de estudiar flagelos bacterianos . Ya en la década de 1990, investigadores como Carlos Bustamante , James Spudich y Stephen Block aplicaron el principio de espectroscopia de fuerza óptica para caracterizar motores biológicos a escala molecular . Estos motores moleculares son omnipresentes en biología y son responsables del movimiento celular , el cambio de forma y el transporte dentro de la célula . Las trampas ópticas han permitido que estos    [ aclarar ] biofísicos para observar las fuerzas y la dinámica de los motores moleculares en el ejemplo de una sola molécula. La espectroscopia de fuerza óptica ha proporcionado una mejor comprensión de la naturaleza estocástica (aleatoria) de estas moléculas convertidoras de energía.[ aclarar ]

Las pinzas ópticas también han demostrado su utilidad en otras áreas de la biología . Por ejemplo, en 2003 se utilizó el método de confinamiento óptico para la clasificación de células . Al crear una alta intensidad óptica sobre la muestra, las células se pueden clasificar según sus propias características ópticas [7] [8] . Las pinzas ópticas también se utilizan para estudiar las proteínas que forman el citoesqueleto [9] , medir la viscosidad y la elasticidad de los biopolímeros y estudiar el movimiento celular.

Principios físicos

Los objetos representados como pequeñas esferas dieléctricas interactúan con el campo eléctrico creado por la onda de luz debido al momento dipolar inducido en la esfera . Como resultado de la interacción de este dipolo con el campo eléctrico de la onda electromagnética, el objeto se mueve a lo largo del gradiente del campo eléctrico . Además de la fuerza de gradiente , también hay una fuerza sobre el objeto causada por la presión ( reflexión ) de la luz de su superficie. Esta fuerza empuja la esfera en la dirección del haz de luz. Sin embargo, si el haz de luz está muy enfocado, la magnitud del gradiente de intensidad puede ser mayor que la magnitud de la presión de la luz [10] .

Un análisis más detallado se basa en dos mecanismos propuestos por Ashkin, en función del tamaño de partícula. Se sabe por la teoría de la dispersión de la luz que el mecanismo de dispersión de la luz por parte de una partícula depende de la relación entre el tamaño de la partícula y la longitud de onda de la luz. Si el tamaño de las partículas que se dispersan es mucho más pequeño que la longitud de onda de la luz, se produce la dispersión de Rayleigh . Cuando la luz es dispersada por partículas (polvo, humo, gotas de agua) que son más grandes que la longitud de onda, esto es dispersión de Mie (en honor al físico alemán Gustav Mie ). La dispersión de Mie es responsable del color blanco y gris de las nubes .

Siguiendo la misma idea, Ashkin propuso que se pueden usar dos métodos diferentes para analizar matemáticamente la micromanipulación óptica, a saber, el enfoque de la óptica física para las partículas de Mie (cuando el diámetro de la partícula es mayor que la longitud de onda de la luz d > λ) y la aproximación del dipolo eléctrico para Partículas de Rayleigh ( d <λ).

Óptica física

Cuando se analiza usando óptica física, la consideración de los procesos de refracción y reflexión de la luz de la microesfera es suficiente para analizar la retracción en una trampa óptica (ver figura a la derecha).

El cálculo más simple de las fuerzas actuantes dentro del enfoque de la óptica física se basa en la óptica geométrica . El examen del haz indica un cambio en el impulso de la luz durante la reflexión y la refracción. Así, este cambio de momento ( de un fotón como partícula), según la segunda ley de Newton , dará lugar a una fuerza.

Usando un diagrama de vector de fuerza y ​​rayo simple, se puede mostrar que dos fuerzas ópticas diferentes actúan sobre la microesfera debido a la inercia de la luz incidente y refractada . Como puede verse en el diagrama, la fuerza resultante empuja la esfera en la dirección de la región de mayor intensidad de haz. Tal fuerza se llama fuerza de gradiente .

Ashkin en su primer experimento [3] utilizó un haz gaussiano de milivatios de un láser de argón monomodo (TEM 00 ) con una longitud de onda de 514,5 nm, enfocado en un punto con un diámetro w 0  = 6,2 μm. Con la ayuda de este rayo, movió esferas de látex con un diámetro de 0,51; 1,31 y 2,68 µm en agua y aire. Para esferas de radio r  = 1,31 μm colocadas en agua y potencia láser P  = 19 mW, la velocidad de las esferas alcanzó los 26 μm/s. Y de la estimación por la fórmula

donde q  es la fracción de luz efectivamente reflejada desde la esfera (0.062), c  es la velocidad de la luz, η es la viscosidad dinámica del líquido (1 mPa s para el agua), resultó ser 29 μm/s. Y la fuerza correspondiente que actúa sobre la partícula se obtiene de la ley de Stokes

y es 730 fN.

En el aire, la velocidad máxima de las gotas de agua con un diámetro de 5 μm a una potencia de láser de 50 mW fue de 0,25 cm/s [3] .

Para que el objeto en estudio quede inmóvil, es necesario compensar la fuerza causada por la presión de la luz. Esto se puede hacer con dos haces de luz en colisión que empujan la esfera en direcciones opuestas, o con un haz gaussiano muy enfocado (con una apertura numérica alta , NA > 1,0) para compensar la presión de la luz con una fuerza de gradiente alta .

Por otro lado, en el modo de Rayleigh, las partículas no tienen una forma limitada. En general, las partículas más pequeñas necesitan la fuerza de atracción más pequeña. En la mayoría de los casos, el modelo de dipolo reducido se usa para explicar el mecanismo de trabajo de las pinzas láser para cualquier forma de partícula. La radiación electromagnética inducirá un momento dipolar, o polarización , en la partícula dieléctrica. La fuerza de interacción de este dipolo con la luz conduce a un gradiente de fuerza de atracción.

La información detallada sobre el dispositivo de trampa óptica del laboratorio de Stephen Block está disponible en el sitio web de la Universidad de Stanford [11] .

Aproximación del dipolo eléctrico

En los casos en que el diámetro de la partícula atrapada es mucho menor que la longitud de onda de la luz, las condiciones satisfacen la condición de dispersión de Rayleigh y la partícula puede considerarse como un dipolo puntual en un campo electromagnético no homogéneo . La fuerza que actúa sobre una partícula cargada en el campo electromagnético se conoce como fuerza de Lorentz :

La fuerza que actúa sobre el dipolo se calcula por la suma de las fuerzas que actúan sobre las cargas individuales :

Debido a la pequeña distancia entre las cargas en el dipolo, es posible expandir el campo eléctrico cerca de la primera carga:

Tenga en cuenta que se está encogiendo. Expandiendo los paréntesis y reemplazando el producto de la carga por la distancia con la polarización del dipolo , obtenemos

donde la segunda ecuación supone que la polarización de la partícula es una función lineal del campo eléctrico (es decir, ).

Si ahora usamos la ecuación del análisis vectorial

y una de las ecuaciones de Maxwell ,

entonces obtenemos

El segundo término de la última igualdad es la derivada temporal del valor, que se relaciona a través de un factor constante con el vector de Poynting , que describe la potencia de radiación que atraviesa una unidad de área. Suponiendo que la potencia del láser no depende del tiempo, la derivada de este término es cero y la fuerza se escribe como [12]

El cuadrado de la magnitud del campo eléctrico es igual a la intensidad del haz en función de las coordenadas. Por lo tanto, el resultado indica que la fuerza que actúa sobre una partícula dieléctrica, en la aproximación del dipolo puntual, es proporcional al gradiente de intensidad del haz. En otras palabras, la fuerza aquí descrita conduce a la atracción de la partícula hacia la región de mayor intensidad. En realidad, la fuerza que surge de la dispersión de la luz depende linealmente de la intensidad del haz, la sección transversal de la partícula y el índice de refracción del medio en el que se encuentra la trampa (por ejemplo, el agua), trabaja contra la fuerza de gradiente en la dirección axial de la trampa, lo que lleva al hecho de que la posición de equilibrio se desplaza ligeramente hacia abajo desde la posición de máxima intensidad.

Una pinza láser basada en modos láser alternativos

Desde la invención de las primeras pinzas láser basadas en un solo haz gaussiano (modo láser fundamental TEM 00 ) por A. Ashkin en 1986 [13] , el concepto de haces láser monomodo ha evolucionado mediante el uso de modos láser de alto orden. , es decir, haces de Hermite-Gaussian (TEM nm ), haces de Laguerre-Gaussian (LG, TEM pl ) y haces de Bessel ( J n ).

Los haces de Laguerre-Gaussian tienen la propiedad única de atraer partículas ópticamente reflectantes y absorbentes hacia una trampa óptica. Los haces polarizados circularmente tienen un momento orbital de giro y pueden rotar partículas. Los haces de Laguerre-Gauss también tienen su propio momento angular , que puede hacer girar partículas alrededor del centro del haz [14] [15] . Este efecto se observa sin regulación externa mecánica o eléctrica del haz.

Además de los haces de Laguerre-Gauss, los haces de Bessel de orden cero y superior tienen momento orbital, así como la propiedad única de sostener simultáneamente muchas partículas a cierta distancia [16] .

Pinzas laser multiplex

Una configuración típica solo tiene uno o dos rayos láser. Los experimentos más complejos requieren muchas trampas funcionando al mismo tiempo. Esto se puede lograr utilizando un solo láser cuya luz pasa a través de un modulador acústico-óptico oa través de espejos controlados electrónicamente. Con la ayuda de estos dispositivos, la radiación láser se puede dividir en el tiempo en varios haces, y con la ayuda de elementos ópticos difractivos , se puede dividir en varios haces en el espacio [17] [18] [19] [20] .

Pinzas láser basadas en fibras ópticas

En este tipo de dispositivos, la radiación láser se alimenta a través de una fibra óptica . Si un extremo de la fibra óptica forma una superficie similar en propiedades a una lente, esto permitirá que la luz se enfoque en una trampa óptica con una gran apertura numérica [21] .

Si los extremos de la fibra no son convexos, la luz láser se desviará y, por lo tanto, solo se puede crear una trampa óptica estable con dos extremos de fibra a cada lado de la trampa óptica y equilibrando las fuerzas de gradiente y las presiones de la luz. Las fuerzas de gradiente mantienen las partículas en la dirección transversal, mientras que la fuerza óptica axial surge de la presión de dos haces de luz opuestos que salen y se propagan desde dos fibras ópticas. La posición de equilibrio de la esfera a lo largo del eje z en tal trampa es la posición donde las presiones de la luz son iguales entre sí. Estas pinzas láser fueron creadas por primera vez por A. Constable [22] y J. Gyuk [23] , quienes utilizaron esta técnica para estirar micropartículas. Al manipular la potencia de entrada desde ambos extremos de la fibra, es posible controlar la fuerza de tracción. Este sistema se puede utilizar para medir la viscosidad y la elasticidad de las células con suficiente sensibilidad para distinguir entre diferentes citoesqueletos , como los eritrocitos humanos y los fibroblastos de ratón . Estudios recientes han logrado un gran éxito en la diferenciación de las células cancerosas de las normales [24] .

Pinzas ópticas en la clasificación de células

Uno de los sistemas de clasificación de células más comunes utiliza el método de citometría de flujo fluorescente . En este método, una suspensión de células biológicas se clasifica en varios contenedores según las características fluorescentes de cada célula en el flujo. El proceso de clasificación está controlado por un sistema de deflexión electrostática que guía la celda a un contenedor específico variando el voltaje del campo eléctrico aplicado.

En un sistema de clasificación controlado ópticamente, las células pasan a través de rejillas ópticas de dos o tres dimensiones. Sin un voltaje eléctrico inducido, las células se clasifican según sus propiedades de refracción de la luz. Un grupo de investigadores dirigido por Kishan Dolakia ha desarrollado una técnica para utilizar la óptica difractiva y otros elementos ópticos para crear este tipo de redes ópticas [25] . Por otro lado, un grupo de científicos de la Universidad de Toronto construyó un sistema de clasificación automática usando un modulador de luz espacial [26] .

El principal mecanismo de clasificación es la ubicación de los nodos de la red óptica. A medida que el flujo de células pasa a través de las redes ópticas, las fuerzas de fricción de las partículas compiten directamente con la fuerza del gradiente óptico del nodo vecino de la red óptica. Al cambiar la ubicación de los nodos, es posible crear un camino óptico a lo largo del cual se moverán las celdas. Pero tal camino será efectivo solo para células con un cierto índice de refracción, que se desviará efectivamente. Al ajustar la velocidad de flujo de la celda y la potencia de la luz, es posible obtener una buena clasificación de celdas ópticas.

La competencia de fuerzas en el sistema de clasificación debe ajustarse para lograr una alta eficiencia de clasificación óptica. De momento, se ha creado un gran grupo de investigación en la Universidad de St. Andrews para trabajar en este problema. Si tiene éxito, esta tecnología podría reemplazar la clasificación tradicional de células fluorescentes [27] .

Pinzas láser de campo evanescente

Un campo amortiguado  es un campo electromagnético que penetra profundamente en una sustancia, por ejemplo, con reflexión interna total [28] [29] . El campo eléctrico en una onda de luz decae exponencialmente . El campo evanescente ha encontrado una serie de aplicaciones en la microscopía óptica de objetos nanométricos, la micromanipulación óptica (pinzas láser) se está convirtiendo en otra de sus aplicaciones.

En las pinzas láser, se puede crear un campo evanescente continuo cuando la luz se propaga a través de una guía de ondas ópticas (reflexión interna total múltiple). El campo evanescente resultante tiene un momento dirigido y puede mover micropartículas a lo largo de la dirección de su propagación. Este efecto fue descubierto por los científicos S. Kawata y T. Sugiura en 1992 [30] [31] . Demostraron que el campo podía unir partículas que estaban separadas por unos 100 nm . Esta unión de campo directo se considera como un túnel de fotones a través del espacio entre el prisma y las micropartículas. El resultado es una potencia óptica direccional.

Una versión reciente de pinzas láser de campo evanescente utiliza una gran superficie de rejilla óptica que permite unir muchas partículas simultáneamente y dirigirlas en la dirección deseada sin el uso de una guía de ondas. Esta técnica se denomina “trampa óptica sin lente” ( del inglés  lensless optical trapping , LOT) [32] . El movimiento de partículas dirigido con precisión es asistido por una regla de Ronchi  o la creación de claros pozos de potencial óptico en una placa de vidrio. Por el momento, los científicos también están trabajando en enfocar campos evanescentes.

Una aproximación indirecta a las pinzas ópticas

Otra opción para manipular micropartículas con luz fue desarrollada por Ming Wu ,  profesor del Departamento de Ingeniería de Radio y Ciencias de la Computación de la Universidad de California . Su sistema no utiliza el pulso de luz directamente. En cambio, en el sistema que construyó, las partículas a manipular se ubican cerca de una placa de vidrio recubierta con una sustancia fotoconductora. Se aplica un pequeño voltaje a esta placa para crear una carga electrostática en las partículas. La placa fotoconductora está iluminada por LED, cuya potencia se puede modular para proyectar cualquier imagen dinámica sobre la superficie. Bajo la acción de la luz, la superficie fotoconductora se carga, comenzando a atraer o repeler partículas. El proceso de manipulación se lleva a cabo cambiando el campo eléctrico y está habilitado por la imagen proyectada [33] .

Una de las aplicaciones de este método es la clasificación de células vivas y muertas. La clasificación se basa en el hecho de que las células vivas están llenas de electrolitos , mientras que las células muertas no, y se pueden separar fácilmente. Este sistema permite manipular 10.000 células o partículas simultáneamente [34] .

Enlace óptico

Cuando una pluralidad de micropartículas es soportada por un rayo láser monocromático, la ubicación de las micropartículas dentro de la trampa óptica depende de la redistribución de las fuerzas ópticas entre las partículas. Podemos decir que un grupo de micropartículas se une con la luz. Los primeros experimentos sobre acoplamiento óptico se llevaron a cabo en el laboratorio de Evgeniy Golovchenko en la Universidad de Harvard [35] .

Medida de potencias ópticas

En la actualidad, la fuerza de atracción se puede medir con pinzas láser de haz simple o doble ( microscopio de fuerza de fotones ) [36] [37] . Recientemente, se ha comenzado a trabajar en la medición de potencias ópticas en pinzas láser holográficas para lograr una alta precisión en el posicionamiento de trampas para átomos individuales [38] [39] [40] .

El principio básico para medir la potencia óptica de las pinzas láser es la transmisión de un pulso de luz asociado con la refracción de la luz sobre las partículas. Cambiar la dirección de propagación de la luz tanto en la dirección transversal como en la longitudinal proporciona una fuerza que actúa sobre el objeto. Por lo tanto, la fuerza transversal más pequeña puede medirse por la desviación del haz que ha atravesado la partícula. Tal desviación se puede medir fácilmente con un detector de posición axial, el más simple de los cuales es un fotodiodo de cuadrante : una placa dividida en cuatro sectores, con un haz de luz enfocado en su centro. Con una partícula en el centro, la luz de igual potencia cae sobre los sectores, pero si una fuerza actúa sobre la partícula, las potencias ya no serán iguales, y su diferencia es proporcional a esta fuerza.

Este principio se puede aplicar con cualquier pinza láser. El mayor problema con tales medidas será el movimiento browniano (ruido). Sin embargo, normalmente se pueden medir fuerzas del orden de piconewtons y desplazamientos del orden de nanómetros [41] .

Notas

  1. ↑ Aleksey Poniatov. Manipulando la luz  // Ciencia y vida . - 2018. - Nº 12 . - S. 2-9 .
  2. ↑ El Premio Nobel de Física 2018  . Fundación Nobel . Consultado el 2 de octubre de 2018. Archivado desde el original el 22 de mayo de 2020.
  3. ↑ 1 2 3 Ashkin A., "Aceleración y atrapamiento de partículas por presión de radiación", Phys. Rvdo. Letón. 24 , 156 (1970). doi : 10.1103/PhysRevLett.24.156 .
  4. ↑ Ashkin A., Dziedzic JM, Yamane T., "Trampa óptica y manipulación de células individuales mediante rayos láser infrarrojos", Nature 330 , 769 (1987). doi : 10.1038/330769a0 .
  5. ↑ Letokhov VS, et. Alabama. Enfriamiento y atrapamiento de átomos y moléculas por un campo láser resonante. Optar. común 19 , 72 (1976) doi : 10.1016/0030-4018(76)90388-6 .
  6. ↑ Ashkin A. Trampa de átomos por presión de radiación de resonancia Phys. Rvdo. Letón. 40 , 729 (1978) doi : 10.1103/PhysRevLett.40.729 .
  7. ↑ Macdonald MP, Spalding GC, Dholakia K., "Clasificación de microfluidos en una red óptica", Nature 426 , 421 (2003). doi : 10.1038/naturaleza02144 .
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  9. ↑ AC de Luca, G. Volpe, M. Drets, MI. Geli, G. Pesce, G. Rusciano, A. Sasso, D. Petrov. Detección de despolimerización de actina-citoesqueleto en tiempo real en una sola célula utilizando pinzas ópticas. Óptica Express 15(13), 7922-7932 (2007)
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Sistemas de pinzas ópticas comerciales

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