MÉTODO PARA MANIPULAR MUESTRAS MICROSCÓPICAS Y MEDIR LAS FUERZAS QUE ACTÚAN SOBRE ELLAS.

Método para manipular muestras microscópicas y medir las fuerzas que actúan sobre ellas.

Comprende polarizar un haz láser en una dirección que es substancialmente diferente a la dirección del índice de refracción extraordinario de un modulador espacial de luz difractivo que modula el haz láser polarizado para generar un patrón de trampas ópticas holográficas que permite manipular una pluralidad de muestras microscópicas; crear una trampa óptica, distinta del patrón de trampas holográficas, para una muestra microscópica distinta usando la componente del haz polarizado que es ortogonal a la dirección del índice de refracción extraordinario; separar por polarización la luz dispersada por el patrón de trampas holográficas y por la trampa óptica distinta; captar la imagen de la luz dispersada por la trampa óptica distinta con un detector; y medir las fuerzas ópticas que actúan sobre la muestra microscópica distinta a partir de las señales proporcionadas por el detector.

Método para manipular muestras microscópicas y medir las fuerzas que

actúan sobre ellas

La invención está relacionada con pinzas ópticas, y más concretamente con

5 un método para manipular muestras microscópicas y también para medir las

fuerzas que se ejercen sobre ellas, que comprende las etapas de generar un

haz láser y modular el haz láser mediante un modulador espacial difractivo,

con el fin de generar un patrón de trampas holográficas para manipular una

pluralidad de muestras microscópicas

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ESTADO DE LA TÉCNICA

Las pinzas ópticas usan luz para manipular muestras microscópicas mediante

la creación de una trampa óptica para partículas pequeñas. La trampa óptica

15 se crea en un punto en el que un haz láser está altamente focal izado. La

presión de radiación es capaz de atrapar partículas dieléctricas porque el

perfil transversal del haz crece hacia su centro (la luz es más brillante en el

centro que en los bordes del haz) , por lo cual hay un fuerte gradiente del

campo eléctrico que atrae a las partículas dieléctricas al centro del haz y

2 o puede compensar la fuerza que actúa sobre las partículas en la dirección de

propagación de la luz (la llamada fuerza de dispersión, que puede actuar en

sentidos opuestos, dependiendo de si la luz es reflejada o refractada por la

partícula) . La fuerza de dispersión y la de gradiente son proporcionales a la

intensidad de la luz pero, como se ha comentado, la fuerza de gradiente

2 5 actúa en la dirección del gradiente de intensidad mientras la fuerza de

dispersión actúa en la dirección de la luz incidente.

El principio básico de las pinzas ópticas es la transferencia de momento

asociada con la luz que cambia de dirección. La luz lleva un momento que es

3 o proporcional a su energía y apunta en la dirección de propagación. Cualquier

cambio en la dirección de la luz, por reflexión o refracción, resulta en un

cambio del momento de la luz. Si un objeto desvía la luz, cambiando su

momento, la conservación del momento requiere que el objeto deba sufrir un

cambio de momento igual y opuesto. Esto da lugar a una fuerza actuando

3 5 sobre el objeto.

Con las pinzas ópticas, se pueden detectar y medir pequeños

desplazamientos de una partícula, lo que permite medir la fuerza ejercida

sobre la partícula. Los métodos estándar para medir fuerzas en trampas

ópticas convencionales únicas se basan en la relación lineal entre la fuerza

ejercida (F) y la posición de la muestra en la trampa (x) , F =-kx. En esta

5 aproximación armónica, que es válida para pequeños desplazamientos

respecto al centro, la trampa actúa como un muelle, con una constante

elástica k, denominada normalmente rigidez ("stiffness" en inglés) de la

trampa. Entre los diferentes métodos de detección precisa de la posición, la

interferometría en el plano focal ("BFP, back focal plane" en inglés) ha

1 o conseguido una gran aceptación porque proporciona tanto un ancho de

banda temporal grande como una alta resolución espacial, y es fácil de

implementar. La rigidez se determina analizando el espectro de potencia del

movimiento browniano de una microesfera atrapada. Un sensor de posición

lee la intensidad de las interferencias entre el láser y la luz dispersada por la

15 muestra atrapada, que está relacionada con el desplazamiento x cuando el

sensor se sitúa en un plano conjugado del plano focal del condensador o de

la lente que recoge la luz del láser y de la muestra.

Las pinzas ópticas se han usado mucho como una herramienta poderosa

2 o para asir y ejercer fuerzas precisas sobre muestras microscópicas, y han

encontrado aplicación en numerosos campos de la ciencia, desde la física de

colides hasta la biología celular y molecular. En un sistema convencional de

pinzas ópticas, un haz láser altamente focal izado constituye una trampa

óptica única. En los últimos diez años, el uso de hologramas representados

2 5 en un modulador espacial de luz antes de la focalización ha permitido la

generación de patrones de trampas 30 programables. Estas pinzas ópticas

holográficas han aumentado enormemente la capacidad de manipulación de

la técnica.

3 o La patente US 6055106 describe la disposición de un elemento óptico

difractivo ("OOE, diffractive optical element" en inglés) en un plano conjugado

de la pupila de entrada de la lente objetivo usada para focal izar el haz láser.

El haz de entrada incidente sobre el OOE se divide en un haz de salida

estructurado característico de la naturaleza del OOE. El OOE puede incluir

3 5 hologramas generados por ordenador que dividen el haz de entrada en un

OOE puede ser una matriz de cristal líquido de fase que sufre cambios

grabados con patrones holográficos generados por ordenador.

Sin embargo, las aplicaciones de las pinzas ópticas holográficas son

restringidas debido a la imposibilidad de medir con precisión la fuerza ejercida

5 cuando se usa más de una trampa porque, cuando se generan múltiples

trampas con las pinzas ópticas holográficas, la señal recibida por el

fotodetector contiene información mezclada de la luz dispersada por más de

una muestra atrapada, y a partir de ella no se pueden extraer las posiciones

individuales.

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Existen técnicas para calibrar más de una trampa que consisten en captar

imágenes de toda la muestra con una cámara y seguir el movimiento de cada

objeto individualmente. Sin embargo, las cámaras convencionales tienen una

resolución temporal limitada para ser utilizadas en el análisis del espectro de

15 potencia, que es, por tanto, substituido por otros métodos de medida menos

precisos. Recientemente se han usado cámaras de alta velocidad con ancho

de banda comparable al de los fotodetectores, aunque tienen menos

resolución que éstos y son muy caras.

2 o EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

Es objeto de la presente invención proporcionar un método para manipular

una pluralidad de muestras microscópicas que permite a la vez una medida

precisa y económica de la fuerza ejercida por las pinzas ópticas. El método

2 5 compatibiliza la manipulación de muestras microscópicas con pinzas ópticas

holográficas con la medida precisa de fuerza.

La invención incluye la generación de trampas ópticas holográficas con

polarizaciones ortogonales, como se detalla a continuación. En el sistema de

3 o detección de posiciones para medida de fuerzas, un poi a rizador selecciona la

luz de una única partícula atrapada, mientras la luz de todas las otras

muestras atrapadas se anula. Esto permite la manipulación múltiple mientras

una de las trampas actúa como un sensor de fuerza, usando un método

preciso como la interferometría por BFP y el análisis del espectro de potencia.

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Las trampas ópticas se generan mediante un modulador espacial de luz

refracción (ordinario o extraordinario) dependiendo de la polarización de la luz

incidente. Los inventores han señalado que, mientras la componente

propagada en la dirección del índice de refracción extraordinario es modulada

por el modulador espacial de luz difractivo, la componente ortogonal en

5 dirección del índice de refracción ordinario se mantiene nomodulada después

de atravesar el dispositivo.

De acuerdo con un aspecto de la invención, el método además comprende

las siguientes etapas:

1 o polarizar el haz láser incidente en una dirección que sea substancialmente

diferente a la dirección del índice de refracción extraordinario del modulador

espacial de luz difractivo (este paso se hace antes de la modulación del haz

láser) ;

crear una trampa óptica, distinta del patrón de trampas ópticas holográficas

15 generadas gracias a dicha modulación, para una muestra microscópica

distinta utilizando la componente del haz polarizado que es ortogonal a la

dirección del índice de refracción extraordinario del modulador espacial de luz

difractivo y que, de ese modo, no esté modulada (ésta es la trampa que actúa

como un sensor de fuerza) ;

2 o separar la polarización de la luz dispersada por el patrón de trampas ópticas

holográficas y por la trampa óptica distinta;

captar la imagen de la luz dispersada por la trampa óptica distinta con un

detector después de ser separada por polarización; y

medir las fuerzas ópticas que actúan sobre...

1. Método para manipular muestras microscópicas y medir las fuerzas que

actúan sobre ellas, que comprende las etapas de generar un haz láser y

5 modular el haz láser mediante un modulador espacial de luz difractivo para

generar un patrón de trampas ópticas holográficas para manipular una

pluralidad de muestras microscópicas; caracterizado porque además

comprende las etapas de: polarizar el haz láser incidente en una dirección

que es substancialmente diferente a la dirección del índice de refracción

1 o extraordinario del modulador espacial de luz difractivo, antes de la etapa de

modulación; crear una trampa óptica, distinta del patrón de trampas ópticas

holográficas, para una muestra microscópica distinta usando la componente

del haz polarizado que es ortogonal a la dirección del índice de refracción

extraordinario del modulador espacial de luz difractivo y que, de ese modo, no

15 esté modulada; separar por polarización la luz dispersada por el patrón de

trampas ópticas holográficas y por la trampa óptica distinta; captar la imagen

de la luz dispersada por la trampa óptica distinta con un detector después de

ser separada por polarización; y medir las fuerzas ópticas que actúan sobre la

muestra microscópica distinta a partir de las señales proporcionadas por el

2 o detector.

2. Método según la reivindicación 1, donde el modulador espacial de luz

difractivo es un dispositivo de cristal líquido nemático alineado paralelamente,

como un dispositivo de cristal líquido sobre silicio, LCoS.

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3. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, donde el haz láser

incidente está linealmente polarizado y su dirección se puede seleccionar

mediante una lámina de media onda situada antes del modulador espacial de

luz difractivo.

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4. Método según la reivindicación 3, donde la dirección de polarización

seleccionable del haz láser está inclinad.

30. 60° respecto a la dirección del

índice de refracción extraordinario.

35 5. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la luz

dispersada por el patrón de trampas ópticas holográficas y la trampa óptica

distinta se recoge con una lente condensadora.

6. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el detector es un fotodetector de posiciones.

5 7. Método según la reivindicación 6, donde el fotodetector de posiciones es un detector de cuatro cuadrantes o un sensor de posiciones de efecto lateral.

10 8. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde el detector es una cámara. 9. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el movimiento de la muestra microscópica distinta en la trampa óptica distinta se analiza mediante interferometría en el plano focal.

15 1O. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la separación por polarización se realiza mediante un polarizador lineal.

2 o 11. Método según cualquier de las reivindicaciones 1 o 1 O, donde la separación por polarización y la detección están integradas en un único dispositivo

12. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende la etapa de corregir las aberraciones de la trampa óptica distinta.

2 5 13. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el modulador espacial de luz difractivo se sitúa en una plataforma móvil que permite mover la trampa distinta no modulada en el plano de la muestra.

3 o 14. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la medida de las fuerzas ópticas se hace directamente a partir de cambios en el momento de la luz.

35 15. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, donde la medida de las fuerzas ópticas se hace indirectamente mediante la medida de posiciones.