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Atrapan con láser cristal, virus y células
Grupo Reforma / Ciencia / Patricia López Suárez. Utilizando únicamente luz, es posible atrapar partículas de vidrio o látex, de células y de virus.
No es una misión cualquiera. Es una tecnología llamada de pinzas ópticas, que se desarrolla en México para profundizar los estudios sobre la luz y para ofrecer una herramienta útil en el manejo de pequeñísimos fragmentos de materiales delicados sin dañarlos.
"Una pinza óptica es un dispositivo que, mediante un láser, permite atrapar objetos microscópicos de tamaños que van desde fracciones hasta decenas de micra, medida equivalente a una milésima de milímetro", explica la doctora en física Karen Volke Sepúlveda, responsable del Laboratorio de Pinzas Ópticas del Instituto de Física de la UNAM, sitio donde se experimenta la técnica desde 2003. "Son partículas mucho más pequeñas que un cabello humano, cuyo grosor es de 50 a 150 micras".
Las pinzas ópticas se basan en la manipulación de un haz de luz que utiliza sus cualidades eléctricas para atraer y atrapar moléculas en las que puede penetrar (por ejemplo, si son paredes celulares), o a las que puede cortar o transportar, como el material genético (ADN), que no se atrapa directamente pero se puede conducir con las pinzas utilizando como vehículo a partículas de vidrio.
"Se les llama pinzas por su capacidad de atrapar, no porque tengan forma de tenazas. Se trata de un solo láser que se dirige de forma muy precisa para atrapar partículas de interés", explica Volke, quien pertenece al grupo de Óptica Cuántica y Microcontrol Óptico.
Para los biólogos las pinzas ópticas se perfilan como una herramienta de trabajo para estudiar tejidos como los organelos de una célula, las moléculas de un virus o el mecanismo de transporte de una enzima, mientras para los médicos es una tecnología de alta precisión útil en microcirugía y en la aplicación de métodos de reproducción asistida.
"Para los físicos son una forma de estudiar teórica y experimentalmente la propagación de la luz y su interacción con materiales microscópicos, sean biológicos o inorgánicos", enfatiza Volke sobre el eje de su investigación.
Atracción por lo intenso
La acción de atrapar es posible por las propiedades de la luz, que se comporta, a la vez, como una onda y como una partícula.
"Como onda, la luz tiene campos electromagnéticos que están vibrando con una frecuencia muy alta. Los átomos que componen la partícula también tienen propiedades eléctricas, una carga positiva concentrada en el núcleo y otra negativa en los extremos", dice Volke.
Estas interacciones eléctricas hacen que las partículas se vayan hacia la región de máxima intensidad de luz, ubicada en el centro luminoso.
"Si enfocamos un haz de luz, como hacen los niños al dirigir la luz del Sol con una lupa hasta quemar a una hormiga, pero utilizamos lentes de microscopio muy potentes que enfocan la luz en un punto extremadamente pequeño, logramos atrapar las partículas en el punto focal, que es el mismo donde los niños logran quemar a la hormiga", afirma.
El desarrollo de una pinza óptica se logra en un laboratorio con equipo de alta precisión. El proceso inicia con la emisión de un láser, que puede ser verde para atrapar material inorgánico, pero requiere ser infrarrojo para capturar tejido biológico vivo sin dañarlo.
El haz se conduce a través de un camino de al menos tres espejos.
"Utilizamos dos espejos normales, que dirigen casi toda la luz que reciben; y un tercer espejo dicroico, el cual es selectivo y sólo refleja la emisión del láser y deja pasar la que no proviene de ese haz", dice la experta.
Al final del camino de espejos, el láser llega a un microscopio dotado de una lente extremadamente potente.
"El microscopio cumple dos funciones: por un lado enfoca al láser para lograr la intensidad que requiere la pinza óptica y por otro nos permite ver las partículas mientras son atraídas y atrapadas por la luz", dice Volke.
Las partículas a analizar se colocan en el portaobjetos del microscopio, hacia donde se enfoca el láser.
Una cámara adaptada al microscopio registra el proceso de captura y conduce su señal hacia una computadora que amplifica el proceso en un monitor.
Las aplicaciones de pinzas ópticas incluyen usos en ingeniería genética y microcirugía, pero Volke centra su estudio en las propiedades dinámicas de los haces luminosos, que tienen diferentes geometrías, como la elíptica y la parabólica.
"Nos interesa saber cómo la luz hace rotar a las partículas", finaliza.
Parten de la presión
Las pinzas ópticas fueron creadas en 1986 por el físico estadounidense Arthur Ashkin en los Laboratorios Bell.
En 1970, interesado en medir la presión que ejerce la radiación luminosa sobre ciertas partículas, el científico reportó que éstas se pueden empujar en la dirección de propagación de un haz de luz láser luego de ser atraídas hacia el eje del haz. Durante sus experimentos, Ashkin también observó que además de atraerlas y empujarlas, el láser también puede atrapar las partículas. Así ideó el concepto de "pinza óptica", un haz de luz láser que, en intensidades muy elevadas, captura partículas de origen inorgánico o biológico.
Desde 1986, científicos de varios países prueban aplicaciones de estas pinzas para manipular pequeñísimas porciones de materiales delicados sin dañarlos ni contaminarlos.
Precisión lumínica
Para lograr una pinza óptica se requiere un laboratorio de alta precisión con los siguientes elementos:
1 Un haz láser se emite desde una fuente.
2 Tres espejos que conducen el láser por una trayectoria definida.
3 Un microscopio de lente muy potente enfoca al láser y ve las partículas que se están atrapando con luz.
4 El material a atrapar se coloca en el portaobjetos del microscopio, hacia el cual se dirige el haz de luz láser.
5 Una cámara registra y graba el proceso.
6 Una computadora capta la señal de la cámara y muestra cómo las partículas son atrapadas por el láser.
Cómo funciona
Las partículas son atraídas hacia el centro del láser, donde está la mayor intensidad de luz. En ese sitio la pinza óptica las atrapa.
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