Explorando estructuras microscópicas usando video holográfico

Los físicos han desarrollado una técnica para registrar películas tridimensionales de sistemas microscópicos, como moléculas biológicas, mediante videos holográficos. El estudio tiene el potencial de mejorar el diagnóstico médico y el descubrimiento de drogas.

La técnica desarrollada en el laboratorio del profesor de física, David Grier de la Universidad de Nueva York (NYU; NY, EUA) tiene dos componentes: hacer y registrar las imágenes de los sistemas microscópicos y después analizar las imágenes. Para generar y registrar las imágenes, los investigadores crearon un microscopio holográfico, basado en un microscopio tradicional. Sin embargo, en lugar de depender de un iluminador incandescente, usado por los microscopios convencionales, el microscopio holográfico usa un rayo láser colimado que consiste en una serie de rayos paralelos de luz y que es similar a un señalizador láser.

Cuando un objeto se coloca en el camino del rayo del microscopio, el objeto dispersa algo de la luz del rayo en un patrón de difracción complejo. La luz dispersada se sobrepone con el rayo original para crear un patrón de interferencia que recuerda las ondas sobrepuestas en un pozo de agua. El microscopio después magnifica el patrón resultante de luz y oscuridad y lo graba con una grabadora de video digital convencional (DVR). Cada fotografía en la corriente de video resultante es un holograma del objeto original. A diferencia de la fotografía convencional, cada fotografía holográfica almacena datos sobre la estructura tridimensional y la composición del objeto que creó el campo de luz disperso.

Los hologramas grabados, aparecen como un patrón de anillos claros y oscuros concéntricos. El patrón resultante contiene una riqueza de información sobre el material que dispersó originalmente la luz, donde estaba y su composición. El análisis de las imágenes suministró un conjunto diferente de retos. Para hacer esto, los investigadores basaron su investigación en una teoría cuantitativa que explica el patrón de luz que los objetos dispersan. La hipótesis, la teoría de Lorenz-Mie, dice que la forma en que se dispersa la luz puede revelar el tamaño y composición del objeto que la dispersa.

"Usamos esta teoría para analizar el holograma de cada objeto en las fotos de nuestro video”, explicó el Prof. Grier, quien es parte del Centro para la Investigación de Materia Blanda en NYU. "Ajustar la teoría al holograma de una esfera revela la posición tridimensional del centro de la esfera, con gran resolución. Nos permite ver partículas de una micra de tamaño y con precisión nanométrica--o sea, que captura sus rasgos hasta en una millonésima de tamaño. Esto es una cantidad tremenda de información, la que se obtiene, con cada fotografía. Es más de lo que dan otras tecnologías en términos de rastrear partículas y caracterizar su constitución--y el microscopio holográfico puede hacer las dos cosas simultáneamente”.

Debido a que el análisis es computacionalmente intenso, los investigadores emplean el poder de aplastar números de la unidad de procesamiento gráfico (GPU), que se usa en las tarjetas de video de computadores de punta. Originalmente desarrolladas para suministrar video de alta resolución para juegos de computadora, estas tarjetas poseen capacidades adecuadas para el microscopio holográfico.

Los investigadores ya han empleado la técnica en varias aplicaciones, desde investigación en física estadística básica, hasta el análisis de la composición de las gotas de grasa en la leche. Más aún, la técnica crea un nivel fundamental; investigación en estas áreas busca entender sí o no, ciertos componentes moleculares, vgr., los ladrillos de los farmacéuticos permanecen pegados.

Un método, llamado un análisis con perlas, crea perlas del tamaño de micras, cuyas superficies tienen grupos activos que se unen con la molécula blanco. Debido a su tamaño pequeño, el reto para los investigadores es determinar si estas perlas realmente se adhieren a las moléculas blanco. La forma como se hace tradicionalmente es crear otra molécula--o marca--que se une a la molécula blanco. Esta molécula marca, que es engorrosa y cara de producir, se identifica típicamente haciéndola fluorescente o radioactiva.

La técnica de imagenología holográfica con su aumento y capacidades de registro, permite que los investigadores observen uniones a escala molecular, sin necesidad de marcas, ahorrando tanto tiempo como dinero. Requiere apenas una perla microscópica para detectar un tipo de molécula, y la microscopía con video holográfico promete un nivel previamente inalcanzable de miniaturización para las pruebas diagnósticas médicas y crea posibilidades para correr grandes números de pruebas médicas sensibles en paralelo.

El estudio se publicó en la edición del 7 de julio de 2009 de la revista Optics Express.

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New York University