Development of optical tools for biological applications based on acousto-optic
- Autores: Raul Bola Sampol
- Directores de la Tesis: Mario Montes Usategui (dir. tes.), Estela Martín Badosa (codir. tes.), Artur Carnicer González (tut. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2021
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Jordi Ignés Mullol (presid.), Diego Megias Vazquez (secret.), Serge Monneret (voc.)
- Programa de doctorado: Programa Oficial de Doctorado en Física
- Materias:
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- Resumen
Los grandes avances en el campo de la biomedicina y el desarrollo de fármacos hace que la complejidad, variedad y volumen de ensayos y experimentos sea cada vez mayor. Para poder garantizar el avance de las ciencias de la vida, con la gran repercusión en la salud mundial que esto conlleva, es necesario que dichos avances vayan de la mano de nuevas herramientas que permitan a los científicos mejorar la calidad de los datos extraídos. Así como también ofrecer suficiente flexibilidad para poder implementar futuros protocolos y experimentos.
Esta tesis se centra en el desarrollo de dos herramientas fotónicas con gran aplicación en el campo de la biología: un sistema de atrapamiento óptico y medida de fuerzas, y un novedoso y flexible módulo de imagen confocal. Ambas basadas en un elemento modulador de luz común: los deflectores acústo-ópticos (AODs). El uso combinado de estos dos aparatos permiten al biólogo realizar experimentos de manipulación y medida de fuerzas, al mismo tiempo que poder visualizar muestras fluorescentes con alto contraste y a altas velocidades.
Los AODs son dispositivos de carácter difractivo en los que se usan ondas mecánicas para poder deflectar y modular un haz incidente con extrema precisión y rapidez, del orden de cientos de kiloherzios. En la tesis se realiza un estudio minucioso sobre el funcionamiento de los AODs, que culmina en un nuevo modo de entender y utilizar estos dispositivos, la holografía acústo-óptica.
Mediante una modificación de estos dispositivos, demostramos que es posible modular tanto la amplitud como la fase del frente de onda. Este nuevo enfoque permite a los AODs proyectar patrones de luz arbitrarios, yendo más allá de su uso principal como deflectores láser.
La incorporación de estos dispositivos en un sistema de atrapamiento óptico permite la generación de varias trampas ópticas mediante la compartimentalización temporal de un único haz láser.
Pudiendo atrapar y manipular múltiples objetos en paralelo. Este esquema permite la sincronización del láser con un sistema de medida de fuerza, pudiendo acceder independientemente a la información de cada objeto.
Con todo esto, el sistema de atrapamiento ofrece una gran abanico de experimentos. Gracias a la extrema precisión y velocidad permite ejercer oscilaciones controladas, al mismo tiempo que medir la fuerza ejercida. Resultando una herramienta muy potente para estudiar las propiedades mecánicas de ciertas estructuras o sistemas biológicos, como por ejemplo el citoesqueleto celular o agregados de tubulina.
En segundo lugar, utilizando como base la holografía acústo-óptica, la tesis presenta el desarrollo de un concepto de microscopio confocal: el microscopio de matriz programable. El cual sirve como punto de partida para una nueva generación de microscopios de estado sólido y digitales. Este nuevo concepto propone eliminar todos los elementos mecánicos y móviles de los microscopios convencionales, y sustituirlos por elementos totalmente programables.
El prototipo permite proyectar una infinidad de patrones estructurados de luz a toda velocidad, para luego reconstruir una imagen de alto contraste. Dado el altísimo grado de flexibilidad, esta nueva plataforma de microscopía, permite implementar una infinidad de modos de imágen, para adaptarse a las necesidades de cada experimento y/o muestra. No solamente imitando técnicas de microscopía ya existentes, sino también investigando nuevos esquemas de iluminación y escaneo inteligentes, que permitan sacar información de manera más rápida, eficiente o a mayor resolución.
El desarrollo de esta unidad de microscopía programable se ha basado tanto en el diseño optomecánico del módulo, la generación de patrones de iluminación y esquemas de escaneo.
También se han explorado algoritmos de procesado de imagen que permiten exprimir el potencial de nuestro sistema de iluminación flexible. Para el filtrado confocal, proponemos un método flexible basado en un sensor que permite la lectura arbitraria de píxeles.
Por último, con la misma tecnología, se han explorado dos caminos diferentes en el campo de la super resolución. Por un lado se ha adaptado el sistema confocal para la paralelización de microscopía STED, agilizando el proceso de captura y presentando unos primeros resultados prometedores. Por otro lado, hemos explorado estrategias computacionales basadas en el aprendizaje profundo que permiten recuperar las altas frecuencias y así poder romper el límite de difracción.
