Pinzas ópticas con microlentes para manipular nanopartículas

Se ha inventado un sistema de pinzas ópticas que mejora la manipulación estable de nanopartículas y su detección hasta los 90ºC. El sistema, basado en la incorporación de microlentes, podría facilitar aplicaciones biológicas en entornos celulares.

El avance es obra de un grupo de físicos de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) en España.

Una de las líneas de investigación de NanoBig (Nanomaterials for Bioimaging), grupo asociado al Departamento de Física de Materiales de la Universidad Autónoma de Madrid, consiste en manipular micropartículas y nanopartículas con aplicaciones biológicas mediante la utilización de pinzas ópticas.

Para el grupo, la manipulación de nanopartículas resulta especialmente interesante, ya que estas presentan propiedades como sensores del entorno donde se encuentran (por ejemplo, como sensores biológicos de temperatura, pH o presión).

Pero la manipulación de nanopartículas es algo complicado: las fuerzas ópticas que se emplean son muy pequeñas, y cualquier perturbación puede desestabilizar o liberar el objeto atrapado.

Por esta razón, gran parte de los esfuerzos de NanoBig se han concentrado en estudiar las fuerzas ópticas que se ejercen sobre nanopartículas e intentar mejorar su estabilidad.

Ahora, fruto de estas investigaciones, el grupo ha desarrollado un sistema de pinzas ópticas que permite la manipulación estable de nanopartículas y su detección hasta los 90 grados Celsius (ºC).

Microlente generando un foco del láser que permite la manipulación de nanopartículas. (Imagen: UAM)

La luz tiene capacidad de ejercer fuerza mecánica sobre los objetos con los que interactúa. El fenómeno fue descrito por Kepler en 1619 para explicar por qué las colas de los cometas siempre apuntan en dirección opuesta al sol.

Hoy, esta fuerza se conoce como presión de radiación. Su fundamento teórico fue descrito por la teoría del electromagnetismo de Maxwell en el siglo XIX.

Tras la invención del láser, en 1986, esta propiedad de la luz fue utilizada y estudiada por Arthur Ashkin (1922-2020) para atrapar partículas dieléctricas de tamaño nanométrico y microscópico individuales en tres dimensiones; descubrimiento por el que fue galardonado con el premio Nobel de Física en 2018.

Desde entonces la técnica se conoce como ‘pinzas ópticas’, con aplicaciones muy extendidas en biología, física, química y ciencia de materiales, ya que permite aplicar fuerzas bien definidas, así como torsiones y manipulación de objetos a nano y microescala de forma no invasiva.

El sistema desarrollado por el grupo de la UAM se basa en la incorporación de microlentes, pequeñas esferas transparentes capaces de magnificar los efectos de unas pinzas ópticas convencionales.

El sistema logra de esta manera obtener tamaños de trampa óptica mucho más pequeños, producir un aumento en las fuerzas ópticas e incrementar la intensidad de luz registrada.

“Los resultados experimentales del trabajo demostraron un incremento de 7 veces en las fuerzas ópticas aplicadas, un factor 2 de aumento en la intensidad de luz registrada y una estabilidad de las nanopartículas hasta los 90ºC”, describen los autores.

En suma, el sistema permite una manipulación más sencilla de las nanopartículas, lo cual permitirá su extensión a medios más complejos, como entornos celulares.

El trabajo fue realizado por el laboratorio de Atrapamiento Óptico, a cargo de la Dra. Patricia Haro González del grupo NanoBig. Fue financiado por la Comunidad de Madrid a través del Convenio Plurianual con la UAM, en su línea de actuación “Estímulo a la investigación de jóvenes doctores”, en el marco del V Plan Regional de Investigación Científica e Innovación Tecnológica (V PRICIT).

El equipo de investigación y desarrollo ha publicado en la revista académica Small los detalles del nuevo sistema, bajo el título “Nanojet Trapping of a Single Sub‐10 nm Upconverting Nanoparticle in the Full Liquid Water Temperature Range”. (Fuente: UAM)