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Nuevos láseres penetran en las células
Los ingenieros de la Universidad de Harvard han construido un láser que podría permitir a los investigadores mirar dentro de las células con una resolución ultra alta y observar los eventos celulares a medida que ocurren. Al agregar nano antenas a los láseres infrarrojos, los investigadores han hecho posible enfocar la luz con mucha más precisión. De hecho, los láseres podrían generar imágenes con una resolución al menos 100 veces mayor.
Punto brillante: Estas dos barras de oro en un láser de cascada cuántica tienen 1,2 micrómetros de largo cada una. Las barras actúan como antenas, enfocando la luz del infrarrojo medio a un tamaño de punto equivalente al espacio entre ellas, 100 nanómetros.
Hasta ahora, la resolución de los microscopios utilizados para observar la composición química de los tejidos se ha visto limitada por una propiedad física de la luz llamada límite de difracción. Utilizando lentes tradicionales, la luz solo puede enfocarse en un haz tan ancho como la mitad de su longitud de onda; si un microscopio utiliza luz infrarroja media con una longitud de onda de 24 micrómetros, solo se puede enfocar en un punto de 12 micrómetros de ancho. Teniendo en cuenta el tamaño de las células animales (10 micrómetros), las bacterias (1 micrómetro) y los virus (decenas de nanómetros), esto es demasiado grande.
El año pasado, los investigadores de Harvard fueron los primeros en desarrollar un sistema práctico para superar el límite de difracción. Federico Capasso y Kenneth Crozier aplicó la técnica a los láseres utilizados para leer y escribir discos en computadoras personales. Este trabajo puede dar lugar a discos de almacenamiento similares a DVD muy densos que contienen cientos de películas. (Ver TR10: Un nuevo enfoque para la luz). Ahora, los investigadores de Harvard han recurrido a un tipo diferente de instrumento, llamado láser de cascada cuántica, y a un nuevo campo, las imágenes biológicas.
Los láseres de cascada cuántica fueron desarrollados por Capasso y otros en Bell Labs en 1994. Estos láseres son compactos y resistentes y pueden construirse para emitir luz en cualquier longitud de onda en todo el rango del espectro llamado infrarrojo medio. Con un rango de 3 a 24 micrómetros, esta luz es útil para identificar diferentes productos químicos porque la luz del infrarrojo medio hace que las moléculas resuenen a frecuencias identificables. Los láseres de cascada cuántica se utilizan para detectar pequeñas cantidades de gases, en particular contaminantes, a niveles tan bajos como una parte por mil millones.
Crozier y Capasso crearon un enfoque más nítido para los láseres de cascada cuántica preexistentes tallando dos diminutas barras de oro donde se emite la luz. Colocan una fina capa de oro, luego la tallan para dejar dos antenas rectangulares, cada una de aproximadamente un micrómetro de ancho. Cuando el láser emite luz, se forma un campo eléctrico intenso en el espacio entre las antenas doradas, que concentra la luz en un rayo del mismo ancho que el espacio, alrededor de 100 nanómetros. Un microscopio que utilice un láser de este tipo también tendría una resolución de unos 100 nanómetros.
Una aplicación en la que todavía no se utilizan láseres de cascada cuántica son las imágenes de alta resolución, dice Claire Gmachl , ingeniero eléctrico de la Universidad de Princeton que participó en el desarrollo de láseres de cascada cuántica en Bell Labs. Gmachl dice que la técnica es la más prometedora para la obtención de imágenes biológicas a nivel celular. Los microscopios que utilizan los nuevos láseres deberían poder detectar, por ejemplo, cambios en proteínas individuales en la superficie de las células.
Usando las antenas ópticas, dice Crozier, el tamaño del punto de luz láser está limitado solo por el espacio entre las barras de oro. A medida que mejoren las técnicas de nanofabricación, debería ser posible fabricar microscopios ópticos de resolución aún mayor.