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 una manera similar a las pinzas . Si el objeto se mantiene en el aire o al vacío sin soporte adicional, se puede llamar levitación óptica .
La luz láser proporciona una fuerza atractiva o repulsiva (típicamente del orden de pico newtons ), 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 más pequeñas. Las partículas dieléctricas y absorbentes también pueden quedar atrapadas.
Las pinzas ópticas se utilizan en biología y medicina (por ejemplo, para agarrar y sujetar una sola bacteria o célula como un espermatozoide , glóbulo o ADN ), nanoingeniería y nanoquímica (para estudiar y construir materiales a partir de moléculas individuales ), óptica cuántica y optomecánica cuántica. (estudiar la interacción de partículas individuales con la luz). El desarrollo de la depilación óptica por Arthur Ashkin fue elogiado con el Premio Nobel de Física 2018 .
Historia y desarrollo
La detección de fuerzas de gradiente y dispersión óptica en partículas de tamaño micrométrico fue reportada por primera vez en 1970 por Arthur Ashkin, un científico que trabaja en Bell Labs . [1] Años más tarde, Ashkin y sus colegas informaron de la primera observación de lo que ahora se conoce comúnmente como pinza óptica: un haz de luz muy enfocado capaz de mantener estables partículas microscópicas 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 usando pinzas ópticas en su trabajo sobre el enfriamiento y la captura de átomos neutros. [3] Esta investigación le valió a Chu el Premio Nobel de Física en 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 tocó a Chu extender estas técnicas para atrapar átomos neutros (0.1 nanómetros de diámetro) utilizando luz láser resonante y una trampa de gradiente magnético (cf. . Trampa magneto-óptica ).
A fines 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 la bacteria Escherichia coli . [6] A lo largo de la década de 1990 y posteriormente, 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 ; La espectroscopia de fuerza de trampa óptica ha llevado desde entonces a una mayor comprensión de la naturaleza estocástica de estas moléculas generadoras de fuerza.
Las pinzas ópticas también han demostrado su utilidad 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 investigación 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 patrón de intensidad óptica grande sobre el área de la muestra, las células se pueden clasificar por 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 se propuso un ensayo biomolecular en el que agrupaciones de nanopartículas recubiertas de ligando quedan atrapadas y detectadas ópticamente después de la agrupación inducida por la molécula diana [14] y se demostró experimentalmente en 2013 [15].
El efecto Kapitsa-Dirac demostrado eficazmente durante 2001 utiliza ondas estacionarias de luz para afectar un haz de partículas.
Los investigadores también han trabajado para convertir pinzas ópticas de instrumentos grandes y complejos en instrumentos más pequeños y simples, para que las usen aquellos con presupuestos de investigación más pequeños. [3] [16]
Física
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Descripción general
Las pinzas ópticas son capaces de manipular partículas dieléctricas de tamaño nanométrico y micrónico ejerciendo fuerzas extremadamente pequeñas a través de un rayo láser altamente enfocado . El haz se enfoca típicamente enviándolo a través de un objetivo de microscopio . El punto más estrecho del rayo enfocado, conocido como cintura del rayo , contiene un gradiente de campo eléctrico muy fuerte . Las partículas dieléctricas son atraídas a lo largo del gradiente hacia la región de campo eléctrico más fuerte, que es el centro del haz. 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 impulso a la partícula dieléctrica. Esto se conoce como fuerza de dispersión y hace que la partícula se desplace ligeramente hacia 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 de partículas dieléctricas submicrométricas. [17] Por esta razón, a menudo se utilizan para manipular y estudiar moléculas individuales al interactuar con una cuenta que se ha adherido a esa molécula. El ADN y las proteínas [18] y las enzimas que interactúan con él se estudian comúnmente de esta manera.
Para las mediciones científicas cuantitativas, la mayoría de las trampas ópticas se operan 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 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 sean mucho mayores que la longitud de onda, un simple tratamiento de óptica de rayos es suficiente. Si la longitud de onda de la luz supera con creces las dimensiones de las partículas, 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 involucran el tratamiento de ecuaciones de Maxwell dependientes del tiempo o armónicas del tiempo usando condiciones de contorno apropiadas.
Óptica de rayos
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En los casos en los que el diámetro de una partícula atrapada es significativamente mayor que la longitud de onda de la luz, el fenómeno de la captura se puede explicar mediante la óptica de rayos. Como se muestra en la figura, los rayos de luz individuales emitidos por el láser se refractarán cuando ingresen y salgan 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 a ella, 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 operan 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 más grande hacia el centro de la trampa que los haces menos intensos, que imparten un cambio de impulso más pequeño lejos del centro de la trampa. El cambio de impulso neto, o fuerza, devuelve la partícula al centro de la trampa.
Si la partícula está ubicada en el centro del haz, los rayos de luz individuales se refractan simétricamente a través de la partícula, lo que no genera una fuerza lateral neta. La fuerza neta en este caso es 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 forma 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 [19] y las pinzas invertidas funcionan contra la gravedad.
Aproximación dipolo eléctrico
En los casos en los 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 ,
La fuerza sobre el dipolo se puede calcular sustituyendo el campo eléctrico por dos términos en la ecuación anterior, uno para cada carga. La polarización de un dipolo es dónde 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
Note que el cancelar. Multiplicando por la carga,, convierte posición, , en polarización, ,
donde en la segunda igualdad, se ha supuesto que la partícula dieléctrica es lineal (es decir, ).
En los pasos finales, se utilizarán dos igualdades: (1) Una igualdad de análisis vectorial , (2) Ley de inducción de Faraday .
Primero, se insertará la igualdad del vector para el primer término en la ecuación de fuerza anterior. La ecuación de Maxwell sustituirá al segundo término de la igualdad vectorial. Luego, los dos términos que contienen derivadas del tiempo se pueden combinar en un solo término. [20]
El segundo término de la última igualdad es la derivada en el tiempo de una cantidad que se relaciona 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 al muestrear 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 [21]
donde en la segunda parte hemos incluido el momento dipolar inducido (en unidades MKS) de una partícula dieléctrica esférica: , dónde 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 rayo 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 descrita aquí tiende a atraer la partícula a la región de mayor intensidad. En realidad, la fuerza de dispersión de la luz actúa contra 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
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 hacia adelante en la que se crean y aniquilan simultáneamente fotones idénticos, mientras que en la fuerza de dispersión (radiación) los fotones incidentes viajan en la misma dirección y se 'dispersan' isotrópicamente. Mediante la conservación del momento, la partícula debe acumular los momentos originales de los fotones, provocando una fuerza de avance en este último. [22]
Aproximación de potencial armónico
Una forma útil de estudiar la interacción de un átomo en un rayo 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 ,
dónde es el ancho de línea natural del estado excitado, es el acoplamiento dipolo eléctrico, es la frecuencia de la transición, y es la desafinación o diferencia entre la frecuencia del láser y la frecuencia de transición.
La intensidad de un perfil de haz gaussiano se caracteriza por la longitud de onda , cintura mínima , y el poder del rayo . Las siguientes fórmulas definen el perfil de la viga:
Para aproximar este potencial gaussiano en las direcciones radial y axial del haz, el perfil de intensidad debe expandirse a segundo orden en y por y respectivamente y equiparado al potencial armónico . Estas expansiones se evalúan asumiendo potencia fija.
Esto significa que al resolver las frecuencias armónicas (o frecuencias de trampa cuando se consideran trampas ópticas para átomos), las frecuencias se dan como:
de modo que las frecuencias de trampa relativas para las direcciones radial y axial en función de solo la escala de cintura de la viga como:
Levitación óptica
Para hacer levitar la partícula en el aire, la fuerza descendente de la gravedad debe ser contrarrestada por las fuerzas derivadas de la transferencia de la cantidad de movimiento de los fotones . Normalmente, la presión de radiación de fotones de un rayo láser enfocado de suficiente intensidad contrarresta la fuerza descendente de la gravedad al tiempo que 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 experimento 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 fijarse 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 dependientes de la morfología 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, [23] y puede mejorarse con nanoestructuración. [24]
Los materiales que se han levitado con éxito incluyen licor negro, óxido de aluminio, tungsteno y níquel. [25]
Configuraciones
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 la muestra. plano de muestra, un detector de posición (por ejemplo, un 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 tales muestras (que son principalmente agua) tienen un coeficiente de absorción bajo en esta longitud de onda. [26] Es aconsejable una baja absorción para minimizar el daño al material biológico, a veces denominado como óptica . 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 un NA entre 1,2 y 1,4. [27]
Si bien hay alternativas disponibles, quizás el método más simple para la detección de posición implica obtener imágenes del láser de captura que sale de la cámara de muestra en un fotodiodo de cuadrante. Las deflexiones laterales del rayo se miden de manera similar a como se hace usando 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 difracción. [28] Si bien la traslación lateral de la trampa en relación con 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 dar un grado extra de libertad de traslación. Esto se puede hacer traduciendo la primera de las dos lentes etiquetadas como "Beam Steering" 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 la muestra. La posición de la cintura del rayo, 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 rayo diverja o converja ligeramente, cuyo resultado final es una posición desplazada axialmente de la cintura del rayo en la cámara de muestra. [29]
La visualización del plano de la muestra generalmente se logra mediante la iluminación a través de una fuente de luz separada acoplada al camino óptico en la dirección opuesta utilizando espejos dicroicos . Esta luz incide en una cámara CCD y puede verse en un monitor externo o usarse para rastrear la posición de las partículas atrapadas a través del rastreo de video .
Modos de rayo láser alternativos
La mayoría de las pinzas ópticas utilizan haces gaussianos TEM 00 convencionales . Sin embargo, se han utilizado otros tipos de rayos para atrapar partículas, incluidos rayos láser de alto orden, es decir, rayos Hermite-Gaussianos (TEM xy ), rayos Laguerre-Gaussianos (LG) (TEM pl ) y rayos Bessel .
Las pinzas ópticas basadas en rayos Laguerre-Gaussianos tienen la capacidad única de atrapar partículas que son ópticamente reflectantes y absorbentes. [30] [31] [32] Los haces Laguerre-Gaussianos también poseen un momento angular orbital bien definido que puede rotar partículas. [33] [34] Esto se logra sin dirección externa mecánica o eléctrica de la viga.
Tanto los Bessel Beam de orden cero como los de orden superior también poseen una capacidad de depilación única. Pueden atrapar y rotar múltiples partículas que están a milímetros de distancia e incluso alrededor de obstáculos. [35]
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. [36]
Pinzas ópticas multiplexadas
Una configuración típica usa un láser para crear una o dos trampas. Por lo general, se generan dos trampas dividiendo el rayo láser en dos rayos 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, [37] o dividiendo difractivamente el rayo en múltiples trampas. Con deflectores acústico-ópticos o espejos impulsados por galvanómetro , un solo rayo láser se puede compartir entre cientos de pinzas ópticas en el plano focal, o bien esparcirse 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 que forma la trampa 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. [38] Cuando se implementan con un modulador de luz espacial , estas trampas ópticas holográficas también pueden mover objetos en tres dimensiones. [39] 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 . [40] Los átomos ultrafríos también podrían usarse para la realización de computadoras cuánticas. [41]
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 tal ensamblaje generalmente no es suficiente para permitir una trampa óptica 3D completa, sino solo una trampa 2D (la trampa óptica y la manipulación de objetos solo serán posibles cuando, por ejemplo, estén en contacto con una superficie). [42] 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, se ha realizado en base a una disposición de fibra de núcleo anular no estándar y una reflexión interna total. geometría. [43]
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, solo se puede realizar 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 propagación contraria que emergen de las dos fibras. La posición z de equilibrio de tal perla atrapada es donde las dos fuerzas de dispersión son iguales entre sí. Este trabajo fue iniciado por A. Constable et al. , Opc. Letón. 18 , 1867 (1993), y seguido por J. Guck et al. , Phys. 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 una sensibilidad suficiente para distinguir entre diferentes fenotipos citoesqueléticos individuales. es decir, eritrocitos humanos y fibroblastos de ratón. Una prueba reciente ha tenido un gran éxito en diferenciar las células cancerosas de las no cancerosas de los dos rayos láser opuestos no enfocados. [44]
Trampas multimodo basadas en fibra
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Si bien la versión anterior de las trampas láser basadas en fibra utilizaba exclusivamente haces de modo único, 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 atrapamiento 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 tecnología denominada "rotador de celda óptica" sobre las pinzas ópticas estándar es el desacoplamiento del atrapamiento de la óptica de formación de imágenes. Esto, su diseño modular y la alta compatibilidad de las trampas láser divergentes con material biológico indica el gran potencial de esta nueva generación de trampas láser en la investigación médica y las ciencias de la vida. [45] Recientemente, se implementó la tecnología de rotador de celda óptica sobre la base de la óptica adaptativa , lo que permite reconfigurar dinámicamente la trampa óptica durante el funcionamiento y adaptarla a la muestra. [46]
Clasificación celular
Uno de los sistemas de clasificación de células más comunes hace uso de 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, basándose en las características fluorescentes específicas de cada célula durante un flujo asistido. Mediante el uso de una carga eléctrica en la que la célula está "atrapada", las células se clasifican en función de las medidas de intensidad de fluorescencia. El proceso de clasificación se lleva a cabo mediante un sistema de deflexión electrostática que desvía las células a contenedores en función de su carga.
En el proceso de clasificación actuado ópticamente, las células fluyen a través de un paisaje óptico, es decir, retículas 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 elementos ópticos y ópticos difractivos. [11]
Por otro lado, K. Ladavac et al. utilizó un modulador de luz espacial para proyectar un patrón de intensidad para permitir el proceso de clasificación óptica. [47] 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 el tamaño y el índice de refracción. [48]
El principal mecanismo de clasificación es la disposición de los puntos de celosía 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 (ver 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 en la que las fuerzas ópticas son dominantes y sesgadas. Con la ayuda del flujo de las células, hay una fuerza resultante que se dirige a lo largo de esa trayectoria óptica preferida. Por tanto, existe una relación del caudal con 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 necesita un ajuste fino para tener éxito en una clasificación óptica de alta eficiencia. La necesidad es principalmente en lo que respecta 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. [49]
Campos evanescentes
Un campo evanescente [50] es un campo óptico residual que se "filtra" durante la reflexión interna total . Esta "fuga" de luz se desvanece a un ritmo exponencial. El campo evanescente ha encontrado una serie de aplicaciones en imágenes de resolución nanométrica (microscopía); La micromanipulación óptica (pinzas ópticas) son cada vez más relevantes 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 y propulsará micropartículas a lo largo de su trayectoria de propagación. Este trabajo fue iniciado por primera vez por S. Kawata y T. Sugiura, en 1992, quienes demostraron que el campo se puede acoplar a las partículas en proximidad del orden de 100 nanómetros. [51]
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 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 atrapamiento óptico sin lente ("LOT"). El movimiento ordenado de las partículas se ve favorecido por la introducción de Ronchi Ruling 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. En este momento, también hay científicos trabajando en campos evanescentes enfocados.
Otro enfoque que se ha propuesto recientemente hace uso de plasmones de superficie, que es una onda evanescente mejorada localizada en una interfaz metal / dieléctrico. El campo de fuerza mejorado experimentado por las partículas coloidales expuestas a plasmones superficiales en una interfaz plana metal / dieléctrico se ha medido por primera vez utilizando un microscopio de fuerza fotónica, encontrándose la magnitud de la fuerza total 40 veces más fuerte en comparación con una onda evanescente normal. [52] Al modelar la superficie con islas microscópicas de oro, es posible tener trampas selectivas y paralelas en estas islas. Las fuerzas de estas últimas pinzas ópticas se encuentran en el rango de femtonewton. [53]
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 . [54] [55]
Enfoque indirecto
Ming Wu, profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación 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 se puede transformar fácilmente a través de la proyección óptica, este método permite una gran flexibilidad para cambiar diferentes paisajes ópticos.
The manipulation/tweezing process is done by the variations between the electric field actuated by the light pattern. The particles will be either attracted or repelled from the actuated point due to its induced electrical dipole. Particles suspended in a liquid will be susceptible to the electrical field gradient, this is known as dielectrophoresis.
One clear advantage is that the electrical conductivity is different between different kinds of cells. Living cells have a lower conductive medium while the dead ones have minimum or no conductive medium. The system may be able to manipulate roughly 10,000 cells or particles at the same time.
See comments by Professor Kishan Dholakia on this new technique, K. Dholakia, Nature Materials 4, 579–580 (01 Aug 2005) News and Views.
"The system was able to move live E. coli bacteria and 20-micrometre-wide particles, using an optical power output of less than 10 microwatts. This is one-hundred-thousandth of the power needed for [direct] optical tweezers".[56]
Optical binding
When a cluster of microparticles are trapped within a monochromatic laser beam, the organization of the microparticles within the optical trapping is heavily dependent on the redistributing of the optical trapping forces amongst the microparticles. This redistribution of light forces amongst the cluster of microparticles provides a new force equilibrium on the cluster as a whole. As such we can say that the cluster of microparticles are somewhat bound together by light. One of the first experimental evidence of optical binding was reported by Michael M. Burns, Jean-Marc Fournier, and Jene A. Golovchenko,[57] though it was originally predicted by T. Thirunamachandran.[58] One of the many recent studies on optical binding has shown that for a system of chiral nanoparticles, the magnitude of the binding forces are dependent on the polarisation of the laser beam and the handedness of interacting particles themselves,[59] with potential applications in areas such as enantiomeric separation and optical nanomanipulation.
Fluorescence optical tweezers
In order to simultaneously manipulate and image samples that exhibit fluorescence, optical tweezers can be built alongside a fluorescence microscope.[60] Such instruments are particularly useful when it comes to studying single or small numbers of biological molecules that have been fluorescently labelled, or in applications in which fluorescence is used to track and visualize objects that are to be trapped.
This approach has been extended for simultaneous sensing and imaging of dynamic protein complexes using long and strong tethers generated by a highly efficient multi-step enzymatic approach[61] and applied to investigations of disaggregation machines in action.[62]
Ver también
- Levitation
- List of laser articles
- Quantum optics
- Atom optics
- Quantum control
Referencias
- ^ Ashkin, A. (1970). "Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure". Phys. Rev. Lett. 24 (4): 156–159. Bibcode:1970PhRvL..24..156A. doi:10.1103/PhysRevLett.24.156.
- ^ Ashkin A, Dziedzic JM, Bjorkholm JE, Chu S (1986). "Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles". Opt. Lett. 11 (5): 288–290. Bibcode:1986OptL...11..288A. CiteSeerX 10.1.1.205.4729. doi:10.1364/OL.11.000288. PMID 19730608.
- ^ a b Matthews J.N.A. (2009). "Commercial optical traps emerge from biophysics labs". Physics Today. 62 (2): 26–28. Bibcode:2009PhT....62b..26M. doi:10.1063/1.3086092.
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enlaces externos
- Video: Levitating DIAMONDS with a laser beam