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Holographic optical tweezers systems for biophysical experiments

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Universitat de Barcelona. Departament de Física Aplicada i Òptica

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[spa] Este trabajo describe el desarrollo de varios sistemas de atrapamiento óptico basados en holografía y su posible aplicación en experimentos de biología molecular.

Se ha desarrollado un sistema de caracterización de pantallas de cristal líquido para encontrar configuraciones de trabajo específicas adecuadas a los sistemas de pinzas ópticas holográficas. Utilizando este sistema hemos encontrado una configuración de trabajo sin modulación en amplitud y con 2pi de modulación en fase.

Se han estudiado las aberraciones introducidas por las pantallas de cristal líquido en el sistema y se han corregido, utilizando el mismo modulador, mediante la introducción de las variaciones de fase adecuadas. Para encontrarlas se han utilizado dos métodos. En el primer caso se ha utilizado la parte central del modulador, la cual introduce aberración de astigmatismo, y se ha compensado introduciendo los valores de fase correspondientes a una lente toroidal. El segundo método, más elaborado, ha consistido en determinar la aberración completa introducida por la pantalla mediante un sensor de frente de onda y determinar, así, los valores necesarios para la corrección.

Se han estudiado los efectos introducidos por cada uno de los elementos del sistema óptico mediante una simulación utilizando el programa de diseño óptico Zemax. A partir de esta simulación se han determinado los factores de diseño más críticos en términos de aberraciones y eficiencia y poder diseñas así un sistema de pinzas ópticas holográficas óptimo.

Se han evaluado las características de los algoritmos de cálculo de hologramas: de rampas y lentes, Gerchberg-Saxton y de máscaras aleatorias. Se han implementado estos algoritmos en una interfaz, programada en Java, que permite la interacción con múltiples partículas de forma dinámica y en tiempo real.

Utilizando toda la información anterior se ha construido un sistema de pinzas ópticas holográficas optimizado y con capacidad de control tridimensional de múltiples partículas en tiempo real.

Se ha utilizado este sistema en la exploración de la aplicación de los sistemas holográficos en dos tipos de experimentos dentro de la biología molecular.

La utilización de pinzas holográficas ha permitido la interacción con vesículas transportadas por motores moleculares en el interior de células vivas de forma dinámica.

Para evaluar la posibilidad de la utilización de holografía en experimentos de estiramiento de molécula individual, se ha comprobado que es posible reproducir resultados compatibles en el estudio de las propiedades elásticas de la molécula de ADN, en comparación con el experimento no holográfico.

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cc by-nc-nd (c) Andilla i Salla, Jordi, 2022

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Tesis Doctorals - Departament - Física Aplicada i Òptica

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Holographic optical tweezers systems for biophysical experiments