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Miden la fuerza microscópica con luz y un algoritmo

Carlos A. Sánchez
23/abr/2019

Un equipo del Laboratorio de Micromanipulación Óptica del IFUNAM publicó en la revista Nature Communications un artículo en el que reportan una metodología que permite reconstruir los campos de fuerza a escala microscópica de manera muy precisa y eficiente.

El método denominado FORMA (Force Reconstruction by Maximum Likelihood Estimator Analysis) es básicamente un algoritmo que se basa en las propiedades del estimador de máxima verosimilutud, con el cual es posible reconstruir el campo de fuerzas completo de un campo óptico.

En el estudio participó el investigador del Instituto de Física, Alejandro Vásquez Arzola y dos de sus alumnos: Laura Pérez García, quien finalizó con este trabajo sus estudios de su maestría en 2018, y Jaime Donlucas Pérez, alumno de licenciatura. Ellos trabajaron en colaboración con Giorgio Volpe, de la Universidad Colegio de Londres y Giovanni Volpe, de la Universidad de Gotemburgo.

La investigación fue publicada en Nature Communications en diciembre de 2018 y se tituló “High-performance reconstruction of microscopic force fields from Brownian trajectories”, que propone una nueva forma de medir la fuerza a nivel microscópico.

Con pincitas… ópticas

Para demostrar el rendimiento de esta nueva metodología, los investigadores utilizaron un dispositivo conocido como pinzas ópticas: un arreglo de varios lentes por los que hacen pasar luz láser con el fin de dirigirla y concentrarla con precisión en un punto. El trabajo del láser es generar una fuerza capaz de atrapar partículas microscópicas en el espacio para observarlas con mayor precisión con la ayuda de un microscopio.

La importancia de las pinzas ópticas para la manipulación de la materia es tan grande que en 2018 el investigador Arthur Ashkin ganó el Premio Nobel de Física por desarrollarlas en 1986 y aplicarlas en los sistemas biológicas. Ashkin compartió el Nobel con sus colegas, la canadiense Donna Strickland y el francés Gérard Mourou, reconocidos por su método de generar pulsos ópticos ultracortos de alta intensidad.

Así que el grupo mexicano utilizó este dispositivo con el fin de aplicar el láser a un conjunto de partículas de óxido de silicio disueltas en agua. Es importante que sea en este líquido debido a que en él es posible identificar un fenómeno llamado “movimiento browniano” (en honor al investigador escocés que lo descubrió, Robert Brown). Básicamente, se trata de un movimiento errático de partículas microscópicas inmersas en algún líquido o gas.

Objetivo: estimar la fuerza microscópica

El primer paso para estimar la fuerza de las partículas microscópicas fue preparar la muestra. La cual “está hecha por dos cubre objetos, en medio ponemos agua y ahí están las partículas flotando”, dice Laura Pérez, desde la Universidad de Gotemburgo, Suecia, donde actualmente realiza su doctorado en el tema de microscopía 3D para estudios de materia suave.

Luego, aplican el láser. “Usamos una serie de lentes para dirigir la luz desde abajo hacia nuestra muestra”, dice Pérez. Así, “las partículas se empiezan a ver afectadas por la fuerza de la luz”.

Esquema de la versión 2D de FORMA para una partícula contenida en una pinza óptica. Imagen: artículo publicado en Nature Communications.

Gracias a la fuerza óptica que genera la luz, los investigadores pueden analizar y medir el comportamiento de las partículas de manera controlada.

Una vez que las partículas quedan atrapadas por el láser, los investigadores adaptan un microscopio hacia un sensor de cámara de video para lograr observar con mayor precisión el diminuto movimiento de las partículas cuadro por cuadro. Tener esta información registrada permite medir la posición de la partícula en función del tiempo para generar estimaciones de la fuerza que ejerce la luz sobre la partícula.

“Observamos la trayectoria de la partícula y calculamos sus desplazamientos a partir de los cuales podemos estimar la fuerza en cada punto”, explicó Laura Pérez. "Lo interesante es que con esto podemos medir cualquier fuerza microscópica”.

De acuerdo con el artículo publicado en Nature Communications, el algoritmo que diseñaron está basado en una ecuación lineal muy simple, definido por un pequeño número de operaciones computacionales que permite que el tiempo de procesamiento sea de unos pocos milisegundos en una computadora portátil, órdenes de magnitud menores al tiempo de ejecución de métodos convencionales.

Además, necesita diez veces menos datos que otras técnicas disponibles, lo que lo hace un proceso más eficiente y arroja un margen de error menor si se aplica este algoritmo a situaciones que requieren una respuesta rápida como en aplicaciones en tiempo real.

De acuerdo con los investigadores mexicanos, esta investigación permitirá desarrollar metodologías más convenientes, por ejemplo, para el estudio de sistemas biológicos y acelerar el desarrollo de transductores de fuerza capaces de medir y aplicar fuerzas en escalas microscópicas y nanoscópicas que no son exclusivos de la física.

La reconstrucción de los puntos de equilibrio en un patrón de moteado.FORMA identifica varios puntos de equilibrio estables (círculos completos) e inestables (círculos vacíos), y mide parámetros como su rigidez, longitud y frecuencia angular. Se muestran cómo los campos de fuerza son reconstruidos alrededor de un punto estable (b) e inestable (c). Y cómo actúan de forma distinta (d). Imagen: artículo publicado en Nature Communications.