Resumen de Optical trapping of upconverting particles: fundamentals and applications
- español
El tema fundamental de esta tesis doctoral es el estudio del atrapamiento óptico de partículas de upconversion y su aplicación en ensayos biológicos. El atrapamiento óptico permite la manipulación de objetos, tanto nano como micrométricos, gracias a la presión de radiación que ejerce un haz láser focalizado. De esta manera, se puede controlar la posición del objeto atrapado en las tres dimensiones del espacio, empleando fuerzas ópticas cuya magnitud se encuentra entre unos pocos femtonewtons y cientos de piconewtons. El hecho de que las fuerzas ópticas se encuentren en el intervalo de aquéllas que rigen los procesos biológicos ha propiciado que esta herramienta tenga multitud de aplicaciones en el campo de la biología. Los materiales de upconversion tienen la capacidad de emitir luz en la región visible o ultravioleta tras la absorción de radiación de menor energía (en el infrarrojo) que la emitida. Fue a principios del siglo XXI cuando su utilización se disparó gracias a la aparición de las micro y nanopartículas de upconversion. Entre todas las características que presentan se puede destacar el hecho de que la luminiscencia de ciertas partículas de upconversion dependa de las propiedades del entorno como, por ejemplo, la temperatura. Actualmente, las partículas de upconversion se emplean en multitud de aplicaciones, desde la fabricación de placas solares al desarrollo de tintas de seguridad, pasando por ensayos biomédicos. En esta tesis doctoral se ha querido unir el potencial de la manipulación óptica con las extraordinarias características luminiscentes de las partículas de upconversion. En primer lugar, se desarrolló un sistema de pinzas ópticas modificado para la medida de la luminiscencia de la partícula ópticamente atrapada. Con este equipo experimental se caracterizó tanto las propiedades luminiscentes como el atrapamiento óptico de partículas de upconversion. Se determinó la dependencia de las fuerzas ópticas con las propiedades de la partícula con el fin de determinar las condiciones óptimas de atrapamiento. Además, se realizaron estudios fundamentales sobre la luminiscencia de partículas de upconversion. Gracias al atrapamiento óptico se pudo medir la luminiscencia de una única nanopartícula de upconversion ópticamente aislada. También se determinó la dependencia de la luminiscencia de partículas de upconversion no esféricas con el ángulo de polarización. Estos estudios preliminares permitieron determinar la orientación estable de las partículas en el interior de la trampa óptica. Finalmente, se empleó todo lo aprendido del atrapamiento óptico de partículas de upconversion para la realización de experimentos in vitro. Se midió la extensión y magnitud del gradiente térmico generado en las proximidades de una célula sometida a un tratamiento fototérmico, empleando una partícula de upconversion ópticamente atrapada. También se desarrolló una técnica microreométrica para la medida de la viscosidad intracelular basada en los torques ópticos inducidos sobre la partícula atrapada.
- English
The aim of this doctoral thesis is the analysis of the optical trapping of upconverting particles and its application in biological studies. Optical trapping allows the manipulation of nano and micrometric objects by means of the radiation pressure exerted by a focused laser beam. Thus, the optically trapped object can be three-dimensionally controlled by using optical forces in the range of several femtonewtons to hundreds of piconewtons. Optical trapping has multitude of applications in the biological field, since optical forces lie in the range of those ruling the biological processes. Upconverting materials have the ability to emit light in the ultraviolet and visible ranges of the electromagnetic spectrum after the absorption of radiation of lower energy (infrared) than that emitted. Such materials boosted their use at the beginning of the 21th century, when the fist upconverting micro and nanoparticles appeared. Among all the characteristics they present, it is worth mentioning that the luminescence of certain upconverting particles depends on the properties of the surrounding medium, such as the temperature. Nowadays, upconverting particles are used in lots of different applications, form the construction of solar cells to the development of security inks, including biomedical studies. This doctoral thesis joins together the potential of optical manipulation and the outstanding characteristics of the upconverting particles. In the first place, an optical tweezers setup, which allows the detection and analysis of the luminescence of the optical trapped particle, has been developed. By using this experimental setup, the luminescent features of the upconverting particles, as well as their optical manipulation, have been studied. The dependence of the optical trapping forces on the particle characteristics has been determined in order to find the best optical trapping conditions. In addition, fundamental studies on the upconverting particle luminescence have been carried out. The luminescence of an optically isolated upconverting particle has been measured. Moreover, the dependence of the upconversion luminescence of non-spherical particles with the polarization state has been studied. These preliminary studies allowed to determine the stable orientation of the particles inside the optical trap. Finally, all the acquired knowledge about the optical trapping of upconverting particles has been used in the development of in vitro experiments. The extension and magnitude of thermal gradients created in the surroundings of a photothermally treated cell have been measured by means of an optically trapped upconverting particle. In addition, a microrheometry technique has been developed for the characterization of the intracellular viscosity. This method is based on the optical troques exerted over the trapped particle.
