Láseres de pulso ultracortos para el estudio de procesos químicos y biológicos



Ciencias físicas

Dentro de los procesos biológicos y químicos, un aspecto importante es la relación entre la estructura de los materiales y su función, así como la dinámica de los procesos químicos y físicos que puedan sufrir como parte de esa función.

En el seminario “Láseres de pulso ultracorto para el estudio de procesos químicos y biológicos”, el Dr. Raúl Rangel, investigador del Departamento de Óptica del CICESE, explicó distintas técnicas ópticas basadas en este tipo de láseres para el estudio de la morfología de materiales y la dinámica de procesos químicos y biológicos en escalas de tiempo que abarcan desde los femtosegundos a los milisegundos.

El más claro ejemplo de esto es la estructura del ADN (ácido desoxirribonucleico), cuya estructura se logró obtener con base en la cristalografía de rayos X, y de ahí deducir cómo es que funciona, ya que en su estructura está la clave de su función.

Dentro del proceso de visión se encuentra la rodopsina, que es la molécula responsable de traducir los estímulos ópticos a corrientes eléctricas, que son las que procesa el cerebro. Cuando la luz incide en esta molécula sufre ciertas transformaciones que se pueden seguir en el tiempo mediante técnicas como la espectroscopia ultrarrápida y así elucidar este mecanismo.

La espectroscopia consiste en el estudio de la transmisión de luz a través de los materiales como función de su longitud de onda (color), y es una forma de entender la estructura de niveles energéticos del material. Existen diferentes tipos de espectroscopia, como la no lineal, la ultrarrápida y la espectroscopia normal. Usualmente se tiene une fuente de luz blanca y un prisma o algún elemento que separe la luz en componentes de color, se hace pasar cada color por el material y se mide la cantidad de luz que lo traspasa.

¿Cómo funciona la espectroscopia ultrarrápida?

Para ello, se necesita un haz (conjunto de partículas o rayos luminosos de un mismo origen) intenso de luz que llamamos de bombeo, que se usará para excitar al material, y un haz de luz blanca de baja intensidad que permite obtener el espectro de transmisión y que llamaremos de prueba. Ambos haces son constituidos por pulsos de luz con duración de unos pocos femtosegundos (1 fs =10-15 s), de manera que el espectro de absorción es medido en esa escala de tiempo. Se coloca el material y se le hace incidir el haz de prueba de luz blanca y con ayuda de un espectrómetro se puede ver el espectro de absorción normal del material sin ninguna excitación. Al hacer incidir  el haz de bombeo sobre el mismo punto de la muestra se pueden observar cambios en el espectro de absorción producidos por cambios físicos y químicos inducidos por la luz. Esto sirve para obtener una indicación precisa de qué pasa con los estados electrónicos, rotacionales y vibracionales del material. Se toman varios espectros, primero cuando los pulsos de bombeo y de prueba llegan al material al mismo tiempo, donde el efecto del primero será máximo y luego cuando se va introduciendo un retraso temporal del haz de prueba con respecto al de bombeo. Este retraso temporal se controla simplemente aumentando el camino óptico de la luz de prueba y se puede controlar muy precisamente, un aumento de una micra (1 micra=10-6 m, fácilmente lograble con una mesa de traslación mecánica), produce un retraso temporal de 3.3 fs. De esta manera, los cambios en el espectro de absorción observados como función del tiempo de retraso del pulso de luz blanca de prueba, nos dirán que procesos son inducidos por la luz, así como su dinámica, en escalas de tiempo de fs. Es importante mencionar que esta escala de tiempos no es accesible por ningún otro método.

Un ejemplo de esto, es el estudio de la bacterio-rodopsina, una variante de la rodopsina producida por ciertas bacterias. Este material tiene una banda de absorción alrededor de los 570 nanómetros (nm), cuando se hace incidir luz a 400 nanómetros, la absorción en esta banda disminuye y aparece otra banda de absorción a longitudes de onda más cortas. Este nuevo pico (alrededor de los 400 nm) de absorción está asociado a otra conformación espacial del retinol, que es una molécula alargada contenida dentro de la bacterio-rodopsina. Al cambio de conformación inducida por la luz se le conoce como foto-isomerización cis-trans.

Otra vez, al ir variando el retraso temporal entre ambos pulsos, los cambios en absorción nos permiten ver la dinámica de este cambio en conformación. En este  caso, cómo desaparece la absorción a 400 nm y cómo se recupera la absorción original a 570 nm con un cierto desfase, indicando un tiempo de recuperación de 250 fs.

Estos estudios nos permiten entender cómo es el proceso de visión y cuál es del detalle de su dinámica. Esto es igualmente aplicable a diferentes materiales y diferentes procesos, ya sean químicos, físicos, de evolución electrónica en semiconductores, etc. También se pueden usar otras técnicas ultra-rápidas para estudiar el orden en un material, por ejemplo el CS2 (disulfuro de carbono) que es un líquido formado por moléculas anisotrópicas, A temperatura ambiente, estas moléculas se encuentran en movimiento continuo sin ningún orden macroscópico producto de la agitación térmica.

 “Cuando se hace incidir un haz con cierta polarización, la polarización del campo eléctrico de la luz tiende a alinear las moléculas en dirección del campo y eso cambia las propiedades ópticas del material, particularmente el índice de fracción. Este índice es una medida de la velocidad de luz en el material, y el hecho de que la podamos cambiar aplicando la misma luz, crea efectos muy divertidos”, expuso el Dr. Rangel.

En el caso del CS2, un haz intenso puede alinear las moléculas y por ende cambiar su índice de refracción, y un haz débil de prueba puede sensar esos cambios. Otra vez, retrasando el haz de prueba respecto al de excitación, podemos ver cómo se relaja la alineación creada por el haz de excitación; sucede con una vida media de 1.7 ps.

Por otro lado, la microscopía de generación de segundo armónico es otra técnica basada en pulsos de luz ultracortos que permite estudiar la estructura de materiales.

La generación de segundo armónico es el primer fenómeno óptico no-lineal observado. En el experimento original de 1961 los investigadores hicieron incidir luz de un láser de rubí a una placa de cuarzo y observaron que ésta generaba luz del doble de la frecuencia incidente, es decir, la mitad de la longitud de onda. Este fenómeno se da en medios no centrosimétricos, es decir, medios cuya estructura cristalina carece de simetría por inversión en algún plano. El mejor ejemplo de esta carencia de simetría ante reflexiones es la interfase entre dos medios.

“Comenzamos por estudiar un material compuesto de un vidrio, en este caso sílice, conteniendo nanopartículas alargadas de plata. Las partículas, de unos 5 nm de largo, están ubicadas al azar dentro del vidrio, pero fueron hechas de tal modo que están todas alineadas en la misma dirección. Se hizo un experimento sencillo. Se pone la muestra y se hace incidir luz, así se puede ver si se tiene segundo armónico o no. Se estudia la dependencia con la polarización, estas nanopartículas tienen una orientación muy bien definida y estudiamos cómo es el segundo armónico en función a la dirección de luz con respecto a esa estructura. Con ello se nos ocurrió ¿qué tal si destruimos las nanopartículas?”, explico el Dr. Raúl Rangel.

Para realizar el experimento se usó un microscopio de generación de segundo armónico armado en el CICESE. Se introducen los pulsos de femtosegundos al microscopio, y en vez de formar una imagen, lo que se hace es enfocarlos en el material que generará segundo armónico en dirección hacia adelante y se pone un filtro de color para eliminar la luz incidente para posteriormente medir la señal de SA. Después se hace un barrido de la posición del haz sobre la lente de enfoque, de manera que el punto de iluminación sea barrido sobre la muestra. Esto genera algo similar a una imagen de televisión.

“Encontramos que si aumentábamos la potencia del láser, podíamos destruir las nanopartículas y con potencias más bajas, ver la señal de SA para visualizar el daño que hicimos a la muestra. Este proceso nos permite ‘escribir’ y visualizar diferentes estructuras en el material”, agregó el Dr. Raúl Rangel.

Con ayuda de estas técnicas, se puede estudiar el colágeno, que es una molécula de gran importancia en procesos biológicos, ya que se encuentra en la piel, tendones, músculos, etc. Esta proteína tiene tres hélices que están entrelazadas, y por esta estructura helicoidal presenta actividad óptica, la capacidad de rotar la polarización de luz; esta actividad está íntimamente relacionada con la generación de segundo armónico. Por ello, se puede estudiar la estructura de esas fibras por generación de segundo armónico.

Esto tiene una complicación. Si se analiza un tendón, se tiene una fibra de una sola molécula. Ésta a su vez, está organizada con otras fibras para finalmente formar algo macroscópico. En este caso se puede usar el segundo armónico como una sonda de la estructura y el orden.

“Para realizar este experimento se consiguió fibra de colágeno y se hizo una imagen de segundo armónico. Se estudió la dependencia de la polarización de esta señal, y después se tomaron fibras que se hacen in vitro para hacer imagen de segundo armónico”, indicó el Dr. Raúl Rangel.

Actualmente, en el caso del estudio del colágeno, el Dr. Raúl Rangel se encuentra escribiendo un artículo sobre el tema en colaboración con Israel Rocha y Jacob Licea, ambos investigadores del Departamento de Óptica de CICESE. 

 

Palabras clave: láseres, espectroscopia ultrarrápida, segundo armónico, Raúl Rangel

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