Lost your password?
Are you a new user?

La micromanipulación óptica no es ciencia-ficción

Optic micromanipulation not a science-fiction

Laura Romero

En aumento, el alcance de sus aplicaciones en ingeniería genética y microcirugía
La posibilidad de atrapar y manipular objetos por medio de la luz no es cosa de ciencia ficción, sino una realidad desde hace un par de décadas. Áreas como ingeniería genética y microcirugía son sólo algunos ejemplos en que estas técnicas no invasivas se utilizan de manera rutinaria.

En la conferencia Nuevas Tendencias en Micro-Manipulación Óptica, Karen Volke Sepúlveda, del Instituto de Física, explicó que en biología molecular y biotecnología, mediante haces de luz es posible hacer una manipulación controlada de especímenes in vivo, desde células (las cuales a pesar de estar atrapadas se reproducen, según se ha observado) hasta organelos celulares y cromosomas.

La científica, integrante del Grupo de Óptica Cuántica y Microcontrol Óptico, añadió que en microcirugía se usan pinzas ópticas –o atrapamiento tridimensional– en combinación con el escalpelo óptico (láseres pulsados o continuos de alta frecuencia) que permiten penetrar la pared celular o cortar material biológico.

En el auditorio del Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico, agregó que dicha técnica se usa en microtransductores (para medir elasticidad y esfuerzos en sistemas microscópicos), micromáquinas (motores ópticos y optomecánicos), así como en física de coloides (para ordenar materia o partículas dentro de los patrones de luz).

En el Instituto de Física, refirió, se ha montado un Laboratorio de Pinzas Ópticas, donde se estudiarán las propiedades dinámicas de haces con diferente geometría, como la elíptica o parabólica. Dijo que por ahora la investigación es teórica, pero eventualmente se llevará a la experimentación para entender el comportamiento de una partícula en presencia de este tipo de haces.

Karen Volke señaló que, operacionalmente, un haz de luz puede definirse como un modo de propagación estable, de extensión transversal finita, de las cuales existen varios tipos.

El atrapamiento óptico tiene su origen en el intercambio del momento lineal que ocurre en cualquier interacción entre luz y materia, lo cual da lugar a fuerzas ópticas que permiten el confinamiento de objetos microscópicos. El momento lineal es una cantidad vectorial definida como el producto de la masa por la velocidad de un cuerpo, pero la teoría de relatividad establece que aún partículas sin masa, como los fotones que componen la luz, tienen momento lineal, cuya magnitud es igual a su energía entre la velocidad de la luz.

Detrás de estos procesos de interacción se encuentran principios físicos fundamentales: la conservación de la energía y del momento lineal, precisó.

Pero además de transportar energía y momento lineal, la radiación electromagnética también puede ser portadora de momento angular (haces rotantes), que al ser transferido a la materia origina rotación de los objetos ópticamente atrapados.

Los haces rotantes se caracterizan porque tienen frentes de onda helicoidales, como un sacacorchos. En la naturaleza estas características se presentan en los haces Laguerre-Gaussianos, en los cuales la curvatura y el ancho cambian con la distancia de propagación y, por lo tanto, sufren una cierta difracción.

Otros haces que también poseen la característica de ser rotantes son los Bessel. En principio tienen extensión infinita aunque en la práctica siempre son finitos.

¿Cómo se forman este tipo de haces en el laboratorio? Hay distintos métodos, pero el más eficiente para propósitos de atrapamiento es por medio de una lente cónica.

Ambos tipos de haces son herramientas para lograr la captura y rotación de partículas, como en el caso de los experimentos de la investigadora del Instituto de Física realizados en la Universidad St. Andrews, en Escocia.

Volke recordó que los inicios del atrapamiento óptico se remontan a la década de los 70, cuando Arthur Ashkin, de los Laboratorios Bell, tuvo la intención original de medir la presión de radiación utilizando fuentes de luz láser, por su intensidad y potencia. Sorpresivamente encontró que las partículas eran atrapadas en dirección transversal y eran aceleradas a lo largo del eje del haz.

Entonces se le ocurrió hacer una trampa óptica con dos haces contra-propagándose de modo que la partícula quedara en medio, suspendida en un punto de equilibrio.

Posteriormente, el mismo Ashkin logró la levitación vertical de partículas dieléctricas; en este caso, el láser se dirige contra la gravedad y por lo tanto la fuerza de la luz equilibra el peso de la partícula.

El avance fundamental y el que abrió el espectro de aplicaciones de este tipo de técnicas, agregó Volke, se dio en 1986 cuando nuevamente Ashkin y sus colaboradores realizaron una trampa óptica con un solo haz, el cual estaba dirigido hacia abajo pero fuertemente enfocado, de tal manera que se generó un gradiente de intensidad en la dirección de propagación que permitió el atrapamiento de la partícula en tres dimensiones.

Al año siguiente hubo otro gran avance. Con anterioridad el haz luminoso se enfocaba con un objetivo de microscopio, pero las partículas se observaban desde otro ángulo, por medio de la luz que dispersaban. A partir de entonces ambos aspectos se combinaron y con el mismo objetivo de microscopio que enfocaba el haz de atrapamiento se observaron las partículas. Esto permitió mucha más libertad en el sistema.

Hasta ese momento se había utilizado luz verde, que para ciertos tipos de partículas y en específico para material biológico es destructiva. En 1987 por primera vez se usó luz infrarroja de modo que, además, se logró atrapar especímenes biológicos vivos.

También se han construido trampas con fibra óptica, cada vez más compactas y eventualmente más portátiles, así como manipulación por medio de un arreglo de fuentes de luz que permite crear varios sitios de atrapamiento.

En general, los parámetros que determinan el atrapamiento y la manipulación óptica son la distribución de intensidad de la luz, potencia del haz, dirección de incidencia, dimensiones características del haz y de las partículas, el índice de refracción relativo entre la partícula y el medio y, en su caso, la transferencia de momento angular.

Con la incorporación de diferentes tipos de haces de luz y otros elementos novedosos, las técnicas de manipulación óptica son cada vez más refinadas y, por consiguiente, el alcance de sus aplicaciones va en aumento, de ahí la importancia de impulsar su uso en el país, abundó Karen Volke.

Entre los proyectos a realizar en el Laboratorio de Pinzas Ópticas de Física mencionó una colaboración con la Universidad de St. Andrews, cuyo objetivo es organizar partículas de distintos radios inmersas en agua, utilizando un haz Bessel.

Al respecto, Volke aclaró que las partículas que pueden ser atrapadas tienen un tamaño que va de decenas de nanómetros a decenas de micras, aunque las más fáciles de atrapar o manipular son las de una a 20 micras. Para hacerlo con las más pequeñas hay mayor dificultad, ya que además de lo complicado que puede resultar su visualización, la luz no puede enfocarse en regiones más pequeñas que la mitad de su longitud de onda, y esto limita la posibilidad de manipulación. En la actualidad se trabaja activamente para desarrollar nuevas técnicas que permitan superar estas dificultades.

Las fuerzas ópticas permiten manipular con absoluta precisión y de manera no invasiva gran cantidad de objetos o sistemas microscópicos, incluyendo muestras biológicas. Además, estas técnicas permiten no sólo investigar acerca de las propiedades de los objetos que se atrapan sino también de la propia luz, finalizó.

Artículo publicado en Gaceta UNAM, Número 3802, 25 de abril de 2005.
Visita la Gaceta UNAM
Para reproducción parcial o total favor de dirigirse a la Gaceta.

Need help?

LiveZilla Live Help

 

Currently online

Error in PHP Block. Function, phpblock_anon_whosonline, does not exist.

 Visitors & Countries

Since 24-04-12 -Site Statistics

Connect & Share