WO2010130852A1 - Método y aparato de medida de las fuerzas ópticas que actúan sobre una partícula - Google Patents

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WO2010130852A1
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lens
particle
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optical
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PCT/ES2010/000210
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Mario Montes Usategui
Arnau Farré Flaquer
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Universidad De Barcelona
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/25—Measuring force or stress, in general using wave or particle radiation, e.g. X-rays, microwaves, neutrons
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/32—Micromanipulators structurally combined with microscopes
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G21K1/06—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diffraction, refraction or reflection, e.g. monochromators

Definitions

  • the invention relates to a system and methods for measuring the optical forces acting on a microscopic sample and, more particularly, to a system and methods for determining the transverse components of the force acting on a particle trapped in an assembly of optical tweezers. .
  • Indirect methods have, in general, the use of a single laser beam and require a complex mathematical modeling of both the trap (harmonic potential) and its environment (homogeneous refractive index fluid and viscosity, under conditions low Reynolds number) to determine the forces acting on these microscopic samples. In addition, these must be spherical in order for the models to be suitable.
  • the second possibility is to use a "direct” method.
  • the precedents of "direct” methods for measuring optical forces on trapped samples require the use of two opposing propagating laser beams. This method is detailed in US Patent No. 7,133,132 (Bustamante et al.) And in two previous articles entitled “Overstretching B-DNA: The Elastic Response of Individual Double-Stranded and Single-Stranded DNA Molecules", Science, VoI. 271, pp. 795-799 (1996) and "Optical-Trap Forcé Transducer That Operates by Direct Measurement of Light Momentum", Methods of Enzymology, VoI. 361, pp. 134-162 (2003), of S. Smith and others.
  • a system that includes a light source for the generation of a single beam of light, a chamber for containing a particle in a suspension medium, an entrapment objective lens to focus the light beam on the particle in such a way that the photons of the beam of light get caught the particle through the use of high gradient forces, a single lens or lens system positioned to capture both the deflected and non-deflected photons by the particle; and a light sensor device positioned at or near the rear focal plane of the collector lens, or of an optical equivalent thereof.
  • a system that includes a light source for the generation of a single beam of light, a camera for containing a particle in a suspension medium, an objective lens of high numerical aperture entrapment to focus the light beam on the particle in such a way that the photons of the light beam catch the particle by means of the use of high gradient forces, a single lens or system of collector lenses positioned to capture, in the upper hemisphere of the particle that is trapped, both the deflected and non-deflected photons by the particle, said collecting lens having a numerical aperture greater than or equal to the refractive index of the suspension means intended to suspend the particle in the chamber; and a light sensor device positioned at or near the rear focal plane of the collector lens, or of an optical equivalent thereof.
  • a method to measure the optical forces acting on a particle which comprises the suspension of the particle in a suspension medium within a chamber, the focusing of a single beam of light on the particle in such a way that the photons of the light beam get the particle through the use of high gradient forces, the collection of both the deflected and non-deflected photons by the particle by a single lens or system of collector lenses, by means of the control of the distance of the particle with respect to the collecting lens and by controlling the refraction of the photons leaving the chamber; and the redirection of the photons collected towards a light sensor device located in or near the back focal plane of the collecting lens, or of an optical equivalent thereof.
  • an adaptable system for insertion into the optical train of an optical microscope, configured to trap with a single beam of light a particle suspended in a suspension means between the input face and the output face of a chamber, the system comprising a single lens or system of collector lenses that is located at or near the exit face of the suspension chamber, the numerical aperture of the collector lens being greater than or equal to the refractive index of the suspension medium intended to suspend the particle in the chamber, a light sensor device positioned at or near the rear focal plane of the collector lens, or an optical equivalent thereof, the sensor device being able, directly or indirectly, to produce measurements of the optical force acting on the particle, derived from the x and y coordinates of the center of mass of the distribution of light projected on the sensor device of light.
  • the collector lens and the light sensor device are integrated in a single device.
  • an adaptable system for insertion into the optical train of an optical microscope, configured to trap with a single beam of light a particle suspended in a suspension means between the input face and the output face of a camera, comprising the system a single lens or system of collector lenses that is located in or near the exit face of the suspension chamber to collect, in the upper hemisphere of the particle, both the deflected and non-deflected photons by the particle, the opening being number of the selected collector lens so that it is greater than or equal to the refractive index of the suspension means intended to suspend the particle in the chamber, a light sensing device positioned at or near an optical equivalent of the rear focal plane of the Ia collecting lens, the light sensor device being able, directly or indirectly, to produce measurements of the optical force acting on the particle, derived from the x and y coordinates of the center of mass of the distribution of light projected on the light sensor device; and an auxiliary or relay lens, positioned between the collector lens and the light sensor device to create the optical equivalent of the
  • an adaptable system for insertion into the optical train of an optical microscope, configured to trap with a single beam of light a particle suspended in a suspension means between the input face and the output face of a chamber, the system comprising a single lens or system of collector lenses that is located at or near the exit face of the suspension chamber to collect, both in the upper hemisphere of the particle, both the photons deflected and not deflected by the particle , the numerical aperture of the selected collector lens being such that it is greater than or equal to the refractive index of the suspension means intended to suspend the particle in the chamber, a light sensing device positioned at or near an optical equivalent of the plane focal length of the collecting lens, the light sensing device being able, directly or indirectly, to produce measurements of the optical force acting on the particle, derived from the x and y coordinates of the center of mass of the light distribution projected on the light sensor device, an auxiliary or relay lens, positioned between the collector lens and the light sensor device to create the equivalent optical focal back plane;
  • the collector lens, the relay lens, the filter and the light sensor device are integrated in a single device.
  • an adaptable system for insertion into the optical train of an optical microscope, configured to trap with a single beam of light a particle suspended in a suspension means between the input face and the output face of a chamber, the system comprising a single lens or system of collector lenses that is located at or near the exit face of the suspension chamber to collect, both in the upper hemisphere of the particle, both the photons deflected and not deflected by the particle , the numerical aperture of the selected collector lens being such that it is greater than or equal to the refractive index of the suspension means intended to suspend the particle in the chamber, a light sensing device positioned at or near an optical equivalent of the plane focal length of the collecting lens, the light sensing device being able, directly or indirectly, to produce measurements of the optical force acting on the particle, derived from the x and y coordinates of the center of mass of the light distribution projected on the light sensor device,
  • an adaptable system for insertion into the optical train of an optical microscope, configured to trap with a single beam of light a particle suspended in a suspension means between the input face and the output face of a chamber, the system comprising a single lens or collector lens system that is located at or near the exit face of the suspension chamber to collect, both in the upper hemisphere of the particle, both the deflected and non-deflected photons by the particle , the numerical aperture of the selected collector lens being such that it is greater than or equal to the refractive index of the suspension means intended to suspend the particle in the chamber, a light sensing device positioned at or near an optical equivalent of the plane focal back of the collecting lens, the light sensor device being able, directly or indirectly, to produce measures of the optical force acting on the particle, derived from the x and y coordinates of the center of mass of the light distribution projected on the light sensor device, an auxiliary or relay lens, positioned between the collector lens and the sensor device of light to create the optical equivalent of the rear focal
  • an adaptable system for insertion into the optical train of an optical microscope, configured to trap with a single beam of light a particle suspended in a suspension means between the input face and the output face of a chamber, the system comprising a single lens or system of collector lenses that is located at or near the exit face of the suspension chamber to collect, both in the upper hemisphere of the particle, both the photons deflected and not deflected by the particle , the numerical aperture of the selected collector lens being such that it is greater than or equal to the refractive index of the suspension means intended to suspend the particle in the chamber, a light sensing device positioned at or near the rear focal plane of the Ia collector lens, the light sensor device being able, directly or indirectly, to produce measurements of the optical force acting on the part cula, derived from the x and y coordinates of the center of mass of the distribution of light projected on the light sensing device; and a filter positioned between the collecting lens and the light sensor device to prevent saturation of the light sensor device.
  • an adaptable system for insertion into the optical train of an optical microscope, configured to trap with a single beam of light a particle suspended in a suspension means between the input face and the output face of a camera, the system comprising a single lens or collector lens system that is located in or near the exit face of the suspension chamber to collect, in the upper hemisphere of the particle, both the deflected and non-deflected photons by the particle, the numerical aperture of the selected collector lens being so that it is greater than or equal to the index of refraction of the suspension means intended to suspend the particle in the chamber, a light sensor device positioned at or near the rear focal plane of the collecting lens, the light sensor device being able, directly or indirectly, to produce measurements of the optical force acting on the particle, derived from the x and y coordinates of the center of mass of the distribution of light projected on the light sensing device; and a mask that acting by transmission and positioned near or attached to the light sensor device, compensates for the losses caused by reflection produced in the chamber
  • an adaptable system for insertion into the optical train of an optical microscope, configured to trap with a single beam of light a particle suspended in a suspension means between the input face and the output face of a chamber, the system comprising a single lens or system of collector lenses that is located at or near the exit face of the suspension chamber to collect, both in the upper hemisphere of the particle, both the photons deflected and not deflected by the particle , the numerical aperture of the selected collector lens being such that it is greater than or equal to the refractive index of the suspension means intended to suspend the particle in the chamber, a light sensing device positioned at or near the rear focal plane of the Ia collector lens, the light sensor device being able, directly or indirectly, to produce measurements of the optical force acting on the part cula, derived from the x and y coordinates of the center of mass of the light distribution projected on the light sensor device, a filter positioned between the collecting lens and the light sensor device to prevent saturation of the light sensor device; and a mask
  • Figure 1 illustrates a system, in one of the embodiments of the present invention, to trap a particle and measure the optical forces acting on the entrapped particle.
  • Figure 2 illustrates the obtaining of the moment structure of a coherent distribution of light in the back focal plane of a lens.
  • Figures 3A and 3B are examples of converging rays of light that are refracted and reflected by the trapped sample.
  • Figure 4 is a graph of the intensity of light scattered as a function of the angle by a homogeneous glass microsphere suspended in water.
  • Figure 5 illustrates a light collecting system in an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a graph showing the percentage fraction of light captured in the upper hemisphere of a sample as a function of the position of the sample inside the suspension chamber.
  • Figure 7 shows an image of the back focal plane of a microscopy condenser, immersion in oil, capturing the light of the upper hemisphere of a trapped particle, according to the principles of the present invention.
  • Figure 8 shows the results of a measurement experiment in which known forces are applied on polystyrene microspheres of different diameters and refractive indices and laser powers and with different microscope objectives to create the optical trap.
  • Figures 9A and 9B illustrate an embodiment of the present invention that is integrated into an optical microscope.
  • Figure 10 illustrates a system / device in an adaptable embodiment for insertion into the optical train of an optical microscope, which allows the measurement of the optical forces acting on a trapped particle suspended in a medium within a suspension chamber.
  • Figure 11 illustrates a system / device in another adaptable embodiment for insertion into the optical train of an optical microscope, which allows the measurement of the optical forces acting on a trapped particle suspended in a medium within a suspension chamber.
  • Figure 12 illustrates a system / device in another additional embodiment adaptable for insertion into the optical train of an optical microscope, which allows the measurement of the optical forces acting on a trapped particle suspended in a medium within a suspension chamber.
  • Figure 13 illustrates a system / device in an adaptable embodiment for insertion into the optical train of an optical microscope, which allows the measurement of the optical forces acting on a trapped particle suspended in a medium within a suspension chamber.
  • Figure 14 illustrates a system / device in another adaptable embodiment for insertion into the optical train of an optical microscope, which allows the measurement of the optical forces acting on a trapped particle suspended in a medium within a suspension chamber.
  • Figure 15 illustrates a system / device in another additional embodiment adaptable for insertion into the optical train of an optical microscope, which It allows the measurement of the optical forces acting on a trapped particle suspended in a medium inside a suspension chamber.
  • FIG. 1 illustrates a system 100 for measuring the optical forces acting on a particle 108 according to an implementation of the present invention.
  • System 100 includes a chamber 109 for suspending a particle 108 in a suspension fluid, between an inlet face 109a and an outlet face 109b of a chamber, typically made of glass.
  • the entrapment of the particle 108 is achieved by focusing a beam of light 124 on the suspended particle through the use of an objective lens of entrapment 107 of high numerical aperture and typically immersion, so that the photons of the beam of light are achieved trap the particle by using high gradient forces.
  • a laser source 101 creates a laser beam 120 that can be manipulated such that it forms the light beam of the trap 124.
  • the laser source 101 is preferably a high power laser source having an estimated power of between a few hundred milliwatts up to several watts.
  • a Faraday 102 insulator can be placed at the exit of the laser source 101 to prevent the retro-reflections from entering the laser cavity 101 again, causing power fluctuations.
  • a telescope 103 consisting of an ocular lens 130 and an objective lens 132, inserted into the path of the laser beam 120 expands and recolims it.
  • the focal length of the lenses 132 and 130 is selected so that a laser beam 122 is obtained whose diameter covers exactly or slightly exceeds the entrance pupil 106 of the entrapment target 107.
  • a quarter wave sheet 104 can be placed between the objective of the telescope 132 and the objective lens that creates the trap 107 to obtain a beam of light 123 that has circular or substantially circular polarization.
  • a beam of light entering the entrapment target 107 with circular, or substantially circular, polarization allows the target to form an optical trap with equal, or substantially equal, radial elastic constants in two perpendicular directions.
  • the system 100 makes use of a single beam of light 124 to trap the particle 108 through the use of high gradient forces.
  • a high numerical aperture trap 107 is used, which focuses the beam to a point of diffractional dimensions on the particle.
  • the entrapment objective 107 generally includes an entrance pupil 106, a series of internal lenses 140 and an exit lens 142, which is generally in contact with the entrance face 109a of a chamber 109, through an immersion means (which not shown), such as water or immersion oil, preferably oil.
  • the numerical aperture of the trapping target 107 preferably ranges between approximately 0.90 and approximately 1.40.
  • the magnification of the telescope 103 preferably varies between approximately 2.5X and approximately 6X.
  • the measurement of the optical forces acting on the particle 108 is achieved by collecting both the deflected and non-deflected photons by the particle using a high numerical aperture immersion lens 110, which has a numerical aperture greater than or equal to the refractive index of the suspension means intended to suspend the particle 108 in the chamber 109.
  • the collecting lens 110 generally includes a front lens 150 and a series of internal lenses 152 that collide and direct the collected photons towards a light sensing device 115.
  • the front lens 150 It is in contact with the outlet face 109b of the chamber 109 by means of immersion means (which is not shown) such as water or immersion oil, preferably oil.
  • immersion means such as water or immersion oil, preferably oil.
  • the numerical opening of The collector lens 110 preferably varies between approximately 1.32 and approximately 1.40.
  • the ratio between the refractive indices of the immersion medium and the suspension medium varies between approximately 1.13 and approximately 1.2, and the diameter of the front lens 150 varies between approximately 2 millimeters and approximately 20 millimeters.
  • any electromagnetic field can be thought of as a superposition of plane waves, Ae i! Go , with amplitudes A given by Equation 2.
  • the moment structure of the coherent light distribution of the plane 201 that is, the radiant power at the point 203 of the focal plane directly indicates the number of photons that have moment P 1 . Since the moment structure of the light distribution becomes visible in the back focal plane of a lens, any change in this moment structure is easily detectable. This provides a direct method to evaluate the force exerted by the light beam on a particle. In fact, Newton's second law identifies the force exerted on a body with its change of net momentum per unit of time.
  • FIG. 3A 1 shows a beam of converging light 301 that hits a microparticle 305 in order to catch it optically.
  • the microparticle 305 appears centered with respect to the focus of the beam 301.
  • the light can be refracted 302 or reflected 303, resulting in directional changes in the propagation. These changes of direction can be increased when the sample moves laterally with respect to the convergent beam of light 301, as illustrated in Figure 3B. As can be seen, a lateral displacement of the sample can cause the refracted rays 302 and the reflected ones 303 to propagate practically in any direction. As a consequence, to be able to analyze all the changes in the light beam momentum, it would be necessary to collect photons at all points of a surface surrounding the sample, that is, covering a solid angle of 4p stereoradianes.
  • the light scattered in the lower hemisphere of the sample is equivalent to less than 1% of the total light intensity.
  • the present invention takes advantage of this phenomenon by determining the optical forces acting on the sample, maximizing the amount of light collected within the upper hemisphere of the sample and ignoring the back-scattered light.
  • the collection of light in the upper hemisphere is maximized by the use of a numerical high aperture immersion collector lens 110, as described above.
  • This way of proceeding provides numerous advantages and allows a much simpler optical collection of light. It should be noted that, in particular, this method allows the systems and / or devices of the present invention to be incorporated or adapted to the optical trains of conventional optical microscopes, and to the existing optical trap systems.
  • a collecting system is illustrated in accordance with an embodiment of the present invention.
  • the light that after being deflected by the sample 108 propagates in the direction of the collecting lens 110 forming a large angle a (half angle e) with respect to the Optical axis will be refracted at the outlet water interface 109b in accordance with Snell's law:
  • the refracted rays remain within the capture angle? of the collecting lens.
  • the working distance w between the outlet face 109b of the chamber 109 and the front lens 150 of the collector lens system 110 must be controlled.
  • a spacer (not shown) is placed between the outlet face 109b and the collector lens 110 to maintain the working distance at a predetermined value, so that Equation 5 is met.
  • the working distance is preferably maintained below 3.0 millimeters and preferably between approximately 1.0 mm and about 3.0 millimeters, and even more preferably between about 1.5 millimeters and about 2.5 millimeters.
  • the depth of the sample must preferably be between 0 and approximately 200 micrometers, preferably between 0 and approximately 100 micrometers , and even more preferably between 0 and about 50 micrometers.
  • the present invention makes use of thin microfluidic chambers 109 to keep the samples 108 close to both the collector lens 110 and the objective trap lens 107.
  • the thickness of the chamber 109 should preferably be between about 50 and about 200 microns.
  • a water immersion objective lens 107 can be used alternatively. These lenses allow working at distances of several hundred microns without reducing quality in their optical properties, and their use would advantageously facilitate the use of thicker microfluidic chambers 109.
  • a light sensing device is included in the optical path of the beam after the collecting lens 110.
  • the total force acting on the trapped particle 108 can be obtained by adding the individual moment changes that have suffered all photons constituting beam 128.
  • this is achieved by placing a two-dimensional position sensor (PSD) device in English Position Sensitive Device) based on the side effect, on the back focal plane 111 of the collector lens or on an optical equivalent.
  • PSDs are photodetectors that respond with photocurrents proportional to both the radiant power that affects each point of an exposed resistive layer, as well as the distance between the illuminated point and reference electrodes.
  • the two-dimensional PSDs allow, therefore, to measure the position of a luminous point within the exposed area, according to:
  • k is a constant determined by the sensitivity and geometry of the detector and l (x, y) is the irradiance of the incident beam at the coordinate point (x, y) 203 of the sensitive area.
  • l (x, y) is the irradiance of the incident beam at the coordinate point (x, y) 203 of the sensitive area.
  • the light sensor device is located outside the collector lens 110 and an auxiliary or relay lens 114 is used to form the image of the rear focal plane 111 of the collector lens 110 on the sensor device of light 115.
  • the diameter of the relay lens is preferably greater than or equal to the diameter of the aperture diaphragm located in the rear focal plane ( and that is not shown in Figure 1) of the collecting lens and should produce an increase preferably equal to the diameter of the light sensor device divided by the diameter of the aperture diaphragm.
  • the light sensor device can be a camera or other device that is capable of generating a computerized image corresponding to the optical image of the focal plane 111 of the collector lens 110, this image being actionable to obtain optical force measurements on the particle 108.
  • a neutral filter 113 can be inserted in the optical path between the collector lens 110 and the sensor device 115 in order to attenuate the light coming from the trap.
  • the plane can be calibrated according to the numerical aperture forming the image of the aperture diaphragm of several microscope objectives of defined characteristics.
  • a diffraction network of known period illuminated by a collimated beam of known wavelength, diffracts light at well-defined and known angles (diffraction orders), which are finally focused on single points in the rear focal plane, easily identifiable .
  • These orders of Diffraction can also be used to calibrate the focal plane.
  • the intensity of the collected light determined experimentally is close to 95% of the total intensity of the beam (reading without sample, equivalent to the light scattered throughout the sphere of 4p radians).
  • the losses due to reflection in the gap between the outlet face 109b and the suspension means 406, which are dependent on the angle, can be reduced or eliminated with a specific anti-reflective coating for multiple angles and adjusted to the wavelength of the laser, deposited on the internal surface of the exit face 109b.
  • a non-uniform mask that acts by transmission (and that is not shown in Figure 1), with a radial variation of transmittance proportional to the inverse of the reflection factors, can be located in the back focal plane of the collecting lens or in its conjugates (for example, in the PSD plane) for the same purpose, since parallel beams of light within the suspension medium are focused on single points in these planes.
  • the present invention is based on first principles. Once the constant C that relates the PSD readings (in volts, for example) and the light force (in piconewtons, for example) has been determined, measurements can be carried out independently of the experimental conditions, such as temperature, refractive indexes, sample size, laser power and trap geometry, etc.
  • Figure 8 shows the results of an experiment in which known forces are applied on trapped polystyrene microspheres, with different diameters and refractive indices and at laser powers and with different microscope objectives to create the optical trap.
  • the external force is exerted by controlled flows of the suspension medium, created by moving at a preset speed a piezoelectric platform that supports the microcamera 109.
  • Stokes' force induced on the microsphere can be calculated, given that the velocity of the fluid, its viscosity and the radius of the particle are known.
  • the force acts on the particle by displacing it laterally from its resting position, to a point where the force exerted by the trap exactly counteracts the viscous force of the fluid.
  • the graph shows the relationship between the PSD readings (y axis), following a method of the present invention, and the known optical force as explained (Stokes force, x axis), when making sinusoidal movements with the piezoelectric platform.
  • the linear relationship and the independence of the average slope with respect to the changing experimental conditions is evident in Figure 8.
  • the inverse of this slope is the calibration constant C (in pN / V) that allows the PSD readings to be converted in optical force measurements. Therefore, the experiment also establishes a method to measure the C counter.
  • a first and second dichroic mirrors, 105 and 122 respectively, can be added to the system 100 to allow the optical trap to be integrated into the image train of an optical microscope, selectively reflecting the laser light of entrapment and simultaneously allowing the passage of other wavelengths.
  • the dichroic mirror 112 can be integrated into the illumination train of an optical microscope while the dichroic mirror 105 can be integrated into the image train.
  • a collecting lens according to the present invention that collects and decomposes the light in its constituent moments it may very well be an immersion condenser, mounted on an ordinary microscope 600.
  • an optical tweezers device can be mounted simultaneously to form a complete system.
  • optical tweezers equipment compatible with the main brands of research microscopes, and that use the microscope's own objectives to form the optical trap.
  • Figures 9A and 9B illustrate the compatibility of the method and system of the present invention with an ordinary optical microscope 600, by easily fitting into the optical train, for example, of a Kohler illuminator.
  • Figure 9A schematically shows the image train and Figure 9B the lighting train of an inverted optical microscope, similar to those used in conjunction with optical tweezers equipment.
  • the light of a halogen lamp 601 is redirected by a collecting lens 602 through a field diaphragm 603 and focused on the aperture diaphragm 606 of the condensing lens 610, by the collimating lens 604. Since the aperture diaphragm 606 is located in the back focal plane of the condenser lens 610, the light is collimated as it passes through the condenser, illuminating the sample 608 and being focused again by the objective 607 on its aperture diaphragm 609, located in its plane rear focal.
  • collimator 604 and condenser lenses 610 form the image of field diaphragm 603 on the plane of the sample.
  • the two optical trains can be understood as a succession of conjugated planes.
  • the plane of the sample 608 and the field diaphragm 603 are conjugated while in the lighting train, the halogen lamp 601, the opening diaphragm 606 of the condenser 610, and the opening diaphragm 609 of objective 607 are also conjugated.
  • the conjugated planes of the lighting train and those of the image train can be understood as related by Fourier transforms, since they are alternately in back focal planes of intermediate lenses.
  • the opening diaphragm of the condenser 606 forms a Fourier pair with the plane of the sample 608.
  • a high numerical aperture lens 610 can be used naturally, to integrate the measuring system of the present invention in the lighting train, as shown in the Figure 9B.
  • a high numerical aperture lens 610 said numerical aperture being greater than or equal to the refractive index of the medium intended to suspend the sample (a modified oil immersion condenser, for example), replaces the usual condenser, working in the reverse direction as collecting lens
  • a dichroic mirror 605 can be used to redirect the light that arrives from the trap towards a light sensitive detector 612, such as a PSD, which is located in the rear focal plane of the collecting lens, or in an optical equivalent of the same.
  • the light that comes from the illuminator in the opposite direction crosses the dichroic mirror 605 and bathes the sample as before.
  • An auxiliary or relay lens 614 may be necessary when the rear focal plane of the lens 610 is not easily accessible (as shown in Figure 9B), forming the image of the plane on the PSD. With this implementation, the microscope remains fully functional.
  • Figure 10 illustrates an adaptable system / device 700 for insertion into the optical train of a microscope, which allows the measurement of the optical forces acting on a trapped particle suspended in a medium within a suspension chamber 701.
  • the device is configured to replace the condensing lens of the microscope.
  • the device includes a collector lens system 702 that includes a front lens 703 and one or several internal lenses 704.
  • the function and structure of the lens or collector lens system 702 is similar to the collector lens 110 discussed above with the exception that the light sensor device 115, the filter 113 and the relay lens 114 are integrated with the collector lens 702 to preferably form a single device.
  • the light sensor device 115 such as a PSD or a camera, is fixed on one side of the housing 705 that contains the collector lens system. In alternative embodiments, the light sensor device 115 is fixed to the housing 705 containing the collecting lens 702, but separated a certain distance by means of a support or other suitable means. Located inside the housing 705 there is also a relay lens 114 that forms the image of the light distribution located in the rear focal plane 706 on the light sensor device 115. A dichroic mirror 112 redirects the light that comes from the trap towards the light sensor device 115, simultaneously allowing the light of other wavelengths to pass towards the sample.
  • the filter 113 is located between the dichroic mirror 112 and the light sensing device 115 to attenuate the redirected light and prevent saturation of the sensor device
  • the light sensor device 115 is preferably connectable to a computer or other device via one or more connectors or cables 708, or through a wireless transmission, to produce force measurements in a readable format.
  • the collector lens 702 is designed to contact the outlet face 701a of the suspension chamber 701, through a means of immersion, such as water or oil, and is designed to have a numerical aperture greater than or equal to the refractive index of the means intended to suspend the sample within the chamber 701.
  • a spacer can be detachably attached to the collecting lens 702 or structurally integrated in the housing that houses 705, with the function of maintaining The desired working distance w between the collecting lens and the outlet face 701a of the chamber 701.
  • Figure 11 illustrates a system / device 720 adaptable for insertion into the optical train of a microscope, which allows the measurement of the optical forces acting on a trapped particle suspended in a medium within a suspension chamber 701.
  • the device is configured to replace the condensing lens of the microscope.
  • the device includes a collector lens system 702 that includes a front lens 703 and one or several internal lenses 704.
  • the function and structure of the lens or system of collector lenses 702 is similar to the collector lens 110 discussed above with the exception that the light sensor device 115, the relay lens 114 and the transmission mask 721 are integrated with the collecting lens 702 to preferably form a single device.
  • the light sensor device 115 such as a PSD or a camera, is fixed on one side of the housing 705 that contains the collector lens system. In alternative embodiments, the light sensor device 115 is fixed to the housing 705 containing the collecting lens 702 but separated a certain distance by means of a support or other suitable means. Located inside the housing 705 there is also a relay lens 114 that forms the image of the light distribution located in the rear focal plane 706 on the light sensor device 115. A dichroic mirror 112 redirects the light that comes from the trap towards the light sensor device 115, simultaneously allowing the light of other wavelengths to pass towards the sample.
  • the transmission mask 721, positioned near or preferably on the light sensor device 115, is included to compensate for the losses due to reflection that presumably will occur in Ia output face 701a of the sample suspension chamber 701.
  • the light sensor device 115 is preferably connectable to a computer or other device via one or more connectors or cables 708, or through a wireless transmission, to produce force measurements in a readable format
  • the collector lens 702 is designed to contact the outlet face 701a of the suspension chamber 701, through a means of immersion, such as water or oil, and is designed to have a numerical aperture greater than or equal to the refractive index of the means intended to suspend the sample within the chamber 701.
  • a spacer can be detachably attached to the collecting lens 702 or structurally integrated in the housing that houses 705, with the function of maintaining The desired working distance w between the collecting lens and the outlet face 701a of the chamber 701.
  • Figure 12 illustrates a system / device 730 adaptable for insertion into the optical train of a microscope, which allows the measurement of the optical forces acting on a trapped particle suspended in a medium within a suspension chamber 701.
  • the device is configured to replace the condensing lens of the microscope.
  • the device includes a collector lens system 702 that includes a front lens 703 and one or several internal lenses 704.
  • the function and structure of the lens or collector lens system 702 is similar to the collector lens 110 discussed above with the exception that the light sensor device 115, the filter 113, the relay lens 114 and the transmission mask 721 are integrated with the collecting lens 702 to preferably form a single device.
  • the light sensor device 115 such as a PSD or a camera, is fixed on one side of the housing 705 that contains the collector lens system. In alternative embodiments, the light sensor device 115 is fixed to the housing 705 containing the collecting lens 702 but separated a certain distance by means of a support or other suitable means. Located inside the housing 705 there is also a relay lens 114 that forms the image of the light distribution located in the rear focal plane 706 on the light sensor device 115. A dichroic mirror 112 redirects the light that comes from the trap towards the light sensor device 115, simultaneously allowing the light of other wavelengths to pass towards the sample.
  • the filter 113 is located between the dichroic mirror 112 and the light sensing device 115 to dim the light redirected and prevent saturation of the sensor device.
  • the transmission mask 721, positioned near or preferably on the light sensor device 115, is included to compensate for the losses due to reflection that presumably will occur on the outlet face 701a of the sample suspension chamber 701.
  • the light sensor device 115 it is preferably connectable to a computer or other device via one or more connectors or cables 708, or through a wireless transmission, to produce force measurements in a readable format.
  • the collector lens 702 is designed to contact the outlet face 701a of the suspension chamber 701, through a means of immersion, such as water or oil, and is designed to have a numerical aperture greater than or equal to the refractive index of the means intended to suspend the sample within the chamber 701.
  • a spacer can be detachably attached to the collecting lens 702 or structurally integrated in the housing that houses 705, with the function of maintaining The desired working distance w between the collecting lens and the outlet face 701a of the chamber 701.
  • Figure 13 illustrates a system / device 740 adaptable for insertion into the optical train of a microscope, which allows the measurement of the optical forces acting on a trapped particle suspended in a medium within a suspension chamber 701.
  • the device is configured to replace the condensing lens of the microscope.
  • the device includes a collector lens system 702 that includes a front lens 703 and one or several internal lenses 704.
  • the function and structure of the lens or collector lens system 702 is similar to the collector lens 110 discussed above with the exception that the light sensor device 115 and the filter 113 are integrated with the collector lens 702 to preferably form a single device, the light sensor device 115 being located at or near the rear focal plane of The collector lens 702.
  • a dichroic mirror 112 redirects the light that comes from the trap towards the light sensor device 115, simultaneously allowing the light of other wavelengths to pass towards the sample.
  • the filter 113 is located between the dichroic mirror 112 and the light sensor device 115 to attenuate the redirected light and prevent saturation of the sensor device.
  • the light sensor device 115 is preferably connectable to a computer or other device via one or more connectors or cables 708, or through a wireless transmission, to produce force measurements in a readable format.
  • the collector lens 702 is designed to contact the outlet face 701a of the suspension chamber 701, through a means of immersion, such as water or oil, and is designed to have a numerical aperture greater than or equal to the refractive index of the means intended to suspend the sample within the chamber 701.
  • a spacer can be detachably attached to the collecting lens 702 or structurally integrated in the housing that houses 705, with the function of maintaining The desired working distance w between the collecting lens and the outlet face 701a of the chamber 701.
  • Figure 14 illustrates an adaptive system / device 750 for insertion into the optical train of a microscope, which allows the measurement of the optical forces acting on a trapped particle suspended in a medium within a suspension chamber 701.
  • the device is configured to replace the condensing lens of the microscope.
  • the device includes a collector lens system 702 that includes a front lens 703 and one or several internal lenses 704.
  • the function and structure of the lens or system of collector lenses 702 is similar to the collector lens 110 discussed above with the exception that the light sensor device 115 and a transmission mask 721 are integrated with the collector lens 702 to preferably form a single device, the light sensor device 115 being located at or near the focal plane rear of the collecting lens 702.
  • a dichroic mirror 112 redirects the light that comes from the trap towards the light sensing device 115, simultaneously allowing the light of other wavelengths to pass towards the sample.
  • the transmission mask 721, positioned near or preferably on the light sensor device 115, is included to compensate for the losses due to reflection that presumably will occur on the outlet face 701a of the sample suspension chamber 701.
  • the Light sensing device 115 is preferably connectable to a computer or other device via one or more connectors or cables 708, or through a wireless transmission, to produce force measurements in a readable format.
  • the collector lens 702 is designed to contact the outlet face 701a of the suspension chamber 701, through a means of immersion, such as water or oil, and is designed to have a numerical aperture greater than or equal to the refractive index of the means intended to suspend the sample within the chamber 701.
  • a spacer can be detachably attached to the collecting lens 702 or structurally integrated in the housing that houses 705, with the function of maintaining The desired working distance w between the collecting lens and the outlet face 701a of the chamber 701.
  • Figure 15 illustrates a system / device 760 adaptable for insertion into the optical train of a microscope, which allows the measurement of the optical forces acting on a trapped particle suspended in a medium within a suspension chamber 701.
  • the device is configured to replace the condensing lens of the microscope.
  • the device includes a collector lens system 702 that includes a front lens 703 and one or several internal lenses 704.
  • the function and structure of the lens or system of collector lenses 702 is similar to the collector lens 110 discussed above with the exception that the light sensor device 115, a filter 113 and a transmission mask 721 are integrated with the collecting lens 702 to preferably form a single device, the light sensor device 115 being located at or near the rear focal plane of the collecting lens 702.
  • a dichroic mirror 112 redirects the light that comes from the trap towards the light sensor device 115, simultaneously allowing the light of other wavelengths to pass towards the sample.
  • the filter 113 is located between the dichroic mirror 112 and the light sensor device 115 to attenuate the redirected light and prevent saturation of the sensor device.
  • the transmission mask 721, positioned near or preferably on the light sensor device 115, is included to compensate for the losses due to reflection that presumably will occur in the outlet face 701a of the chamber of sample suspension 701.
  • the light sensor device 115 is preferably connectable to a computer or other device via one or more connectors or cables 708, or through a wireless transmission, to produce force measurements in a readable format.
  • the collector lens 702 is designed to contact the outlet face 701a of the suspension chamber 701, through a means of immersion, such as water or oil, and is designed to have a numerical aperture greater than or equal to the refractive index of the means intended to suspend the sample within the chamber 701.
  • a spacer can be detachably attached to the collecting lens 702 or structurally integrated in the housing that houses 705, with the function of maintaining The desired working distance w between the collecting lens and the outlet face 701a of the chamber 701.
  • the system 100 may not include each and every one of the elements shown.
  • other combinations of elements and / or components may constitute a system or device for measuring the optical forces acting on a particle, without thereby deviating from the coverage and scope of the present invention.
  • the system can comprise the light source 101, the camera 109, the high numerical aperture trap lens 107, the collector lens 110 with numerical aperture greater than or equal to the refractive index of the suspension means intended for suspend the sample inside the chamber, and a light sensor device located in or near the rear focal plane of the collecting lens, or in an optical equivalent thereof.
  • Components 102, 104, 105, 112, 114, 130 and 132 can be omitted from the system individually or in combination with other or other components.
  • the system it is not necessary for the system to be integrated into the optical train of a microscope.
  • the laser source 101 and the light sensing device can be aligned directly with the optical axes of the trapping objective 107 and the collecting lens 110, thereby obviating the need to use the dichroic 105 and 112.
  • a laser source 101 can be constructed that produces a collimated beam of light and / or with circular polarization, capable of covering exactly or slightly exceeding directly the entrance pupil 106 of the entrapment target 107, without the need for one or more of the components 102, 103, 130, 132 and 104. It is contemplated which components or additional features can be added to the system 100 to improve its capabilities without thereby deviating from the spirit and scope of the present invention.

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Abstract

Aparato y método para medir las fuerzas ópticas que actúan sobre una partícula atrapada. En una realización, el aparato y método son adaptables para su inserción en el tren óptico de un microscopio óptico configurado para atrapar, con un único haz de luz, una partícula suspendida en un medio de suspensión, entre la cara de entrada y la cara de salida de una cámara dispuesta sobre o dentro del microscopio. El aparato y métodos implican la utilización de un único sistema de lentes colector, teniendo éste una apertura numérica seleccionada de modo que sea mayor o igual que el índice de refracción del medio de suspensión destinado a suspender la partícula en la cámara, y situándose cerca o en contacto con la cara de salida de la cámara de suspensión. Un dispositivo sensor de luz se coloca en o cerca del plano focal trasero de la lente colectora, o en un equivalente óptico del mismo, siendo éste capaz, directa o indirectamente, de producir medidas de la fuerza óptica que actúa sobre la partícula, derivadas de las coordenadas x e y del centro de masas de la distribución de luz proyectada sobre el dispositivo sensor de luz por la lente colectora.

Description

Método v aparato de medida de las fuerzas ópticas que actúan sobre una partícula
La invención se refiere a un sistema y a métodos para medir las fuerzas ópticas que actúan sobre una muestra microscópica y, más particularmente, a un sistema y métodos para determinar las componentes transversales de Ia fuerza que actúa sobre una partícula atrapada en un montaje de pinzas ópticas.
ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR
Existen fundamentalmente dos metodologías en el estado de Ia técnica para medir las fuerzas ópticas que actúan sobre una muestra microscópica atrapada por una pinza óptica, Ia "indirecta" y Ia forma "directa". Los métodos indirectos tienen en común, por Io general, el uso de un único haz de láser y precisan de una modelización matemática compleja tanto de Ia trampa (potencial armónico) como de su entorno (fluido de índice de refracción y viscosidad homogéneas, en condiciones de bajo número de Reynolds) para determinar las fuerzas que actúan sobre dichas muestras microscópicas. Además, éstas deben ser de forma esférica necesariamente para que los modelos sean adecuados.
El método de medida indirecta de fuerzas sobre una muestra atrapada se describe en K. Svoboda y S. M. Block, "Biological Applications of Optical Forces", Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure, VoI. 23, pp. 247-285 (1994) y en Ia bibliografía que contiene, y también en Ia patente de los Estados Unidos de J. Finer, R. Simmons, J. Spudich y S. Chu, Optical trap system and method", Patente de los Estados Unidos núm. 5,512,745 (1996). Además, Ia teoría que explica el método de medida se encuentra en F. Gittes y C. F. Schmidt, "Interference model for back-focal-plane displacement detection ¡n optical tweezers", Optics Letters, VoI. 23, pp. 7-9 (1998) y, finalmente, un procedimiento de calibración para determinar Ia constante elástica de Ia trampa se detalla en K. Berg-Sorensen y H. Flyvbjerg, "Power spectrum analysis for optical tweezers", Review of Scientific Instruments VoI. 75, pp. 594-612 (2004). Los sistemas "indirectos", de haz único, presentan numerosas deficiencias. Por ejemplo, las medidas dependen de múltiples variables experimentales que cambian de experimento en experimento (p. ej. de Ia temperatura, índice de refracción relativo entre muestra y medio, tamaño de Ia muestra, potencia del láser, apertura numérica del objetivo, etc.)- En Ia práctica, es necesario recalibrar estos sistemas cada vez que se utilizan, a través de un procedimiento complejo que precisa de un equipo especializado (actuadores piezoeléctricos) y conocimiento experto, Io que los hace poco prácticos para su uso comercial. Además, existen problemas adicionales en los métodos "indirectos" asociados a las trampas de haz único. En primer lugar, como se ha mencionado, no es posible medir fuerzas sobre muestras que no sean perfectamente esféricas. En caso de objetos irregulares se han de utilizar microesferas que se fijan a las muestras por algún medio y que se utilizan como asas. Además, no es posible hacer medidas con haces láser que no sean gaussianos porque, en general, no producen potenciales armónicos. Esto deja fuera a haces con características interesantes tales como los potenciales periódicos que se utilizan en fraccionamiento óptico ("optical sorting") o a los haces de Bessel o Laguerre-Gauss, capaces de inducir rotaciones. Finalmente, no es posible hacer medidas en medios inhomogéneos, Io que limita los experimentos posibles fundamentalmente a aquellos realizados in vitro. Un ejemplo importante son los experimentos con pinzas ópticas en problemas biológicos que se deban realizan en el interior celular, y que no son actualmente posibles, debido a que las propiedades ópticas del citosol cambian punto a punto. La célula ha de ser recreada de manera simplificada, biomimética. De hecho, parte importante del mérito y del alcance de un experimento con pinzas ópticas en el dominio celular consiste en Ia habilidad para sortear Ia dificultad de hacer experimentos "¡n vivo".
La segunda posibilidad es utilizar un método "directo". Los precedentes de métodos "directos" para medir fuerzas ópticas sobre muestras atrapadas requieren el uso de dos haces láser enfrentados contra-propagantes. Este método se detalla en Ia patente de los Estados Unidos número 7,133,132 (Bustamante y otros) y en dos artículos precedentes titulados "Overstretching B-DNA: The Elastic Response of Individual Double-Stranded and Single- Stranded DNA Molecules", Science, VoI. 271 , pp. 795-799 (1996) y "Optical- Trap Forcé Transducer That Operates by Direct Measurement of Light Momentum", Methods of Enzymology, VoI. 361 , pp.134-162 (2003), de S. Smith y otros. El método ha sido también descrito por Grange y otros en el artículo titulado "Optical tweezers system measuring the change in light momentum flux", Review of Scientific Instruments, VoI. 23, No. 6, pp. 2308- 2316 (2002) y en Ia tesis doctoral de S. Smith "Stretch Transitions Observed in Single Biopolymer Molecules (DNA or Protein) using Láser Tweezers", University of Twente, Holanda (1998).
Los precedentes de métodos "directos" de medida de las fuerzas ópticas que actúan en una partícula atrapada se basan en Ia medida de los cambios de momento. En el estado de Ia técnica, las trampas requeridas están construidas en base a haces duales contra-propagantes, Io que demanda montajes ópticos duplicados y específicos (dos láseres, dos expansores de haz, dos objetivos de microscopio, dos detectores de posición, etc.) y Io que imposibilita su integración en los trenes ópticos de microscopios comerciales y sistemas de pinzas ópticas disponibles actualmente.
Además, el uso de componentes ópticos duplicados hace que estos sistemas sean caros y más difíciles de ajustar, mantener y operar. Un elemento importante en Ia situación descrita es Ia opinión generalizada de los expertos en el campo que sostiene que el método de medida de fuerzas "directo" no es compatible con el uso de trampas de haz único. Bustamante y coautores así Io proclaman en Ia página 140 del artículo titulado "Optical-Trap Forcé Transducer That Operates by Direct Measurement of Light Momentum" discutido anteriormente. Neuman y coautores declaran Io mismo en Ia página 2802 del artículo "Optical trapping (review article)", Review of Scientific
Instruments, 75, 2787-2809 (2004). Williams opina Io mismo en Ia página 5 de Ia tesis titulada "Optical Tweezers: Measuring Piconewton Forces". También, Grange y coautores en el artículo titulado "Optical tweezers system measuring the change in light momentum flux" observa Io mismo en Ia página 2308 y S. Smith en su tesis doctoral "Stretch Transitions Observed in Single Biopolymer Molecules (DNA or Protein) using Láser Tweezers" es de Ia misma opinión en Ia página 17.
Esta opinión negativa de los expertos en el campo se debe a que creen necesario, para el método directo, el uso de haces láser constituidos por un cono de luz estrecho, dado que este haz ha de ser capturado en su totalidad (para su análisis) por una lente colectora. Considerando que el haz de luz sufre importantes deflexiones al atravesar Ia muestra, en su opinión, si se utilizara un haz de alta apertura numérica, los rayos de luz más externos escaparían de Ia lente colectora, produciendo errores en Ia medida. Por otro lado, un único haz formado por un cono de luz estrecho, de baja apertura numérica, sería incapaz de atrapar objetos debido a que Ia fuerza de dispersión asociada a Ia luz que se refleja sería mayor que Ia fuerza de gradiente transversal o fuerza de atrapamiento. La solución que dan a este dilema es emplear un diseño de haces contrapropagantes para crear Ia trampa, aunque al coste de una mayor complejidad experimental.
Se precisa, por tanto, un sistema y método simplificado para medir fuerzas ópticas que actúen sobre muestras atrapadas, que dé solución a los problemas anteriormente mencionados.
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
Según un aspecto de Ia presente invención se proporciona un sistema que incluye una fuente de luz para Ia generación de un único haz de luz, una cámara para contener una partícula en un medio de suspensión, una lente objetivo de atrapamiento para focalizar el haz de luz sobre Ia partícula de tal manera que se consiga que los fotones del haz de luz atrapen Ia partícula mediante el uso de fuerzas de gradiente elevadas, una lente o sistema de lentes colectoras única posicionada para capturar tanto los fotones deflectados como no deflectados por Ia partícula; y un dispositivo sensor de luz posicionado en o cerca del plano focal trasero de Ia lente colectora, o de un equivalente óptico del mismo.
Según otro aspecto de Ia presente invención se proporciona un sistema que incluye una fuente de luz para Ia generación de un único haz de luz, una cámara para contener una partícula en un medio de suspensión, una lente objetivo de atrapamiento de alta apertura numérica para focalizar el haz de luz sobre Ia partícula de tal manera que se consiga que los fotones del haz de luz atrapen Ia partícula mediante el uso de fuerzas de gradiente elevadas, una lente o sistema de lentes colectoras única posicionada para capturar, en Ia semiesfera superior de Ia partícula que se atrapa, tanto los fotones deflectados como no deflectados por Ia partícula, teniendo Ia citada lente colectora una apertura numérica mayor o igual que el índice de refracción del medio de suspensión destinado a suspender Ia partícula en Ia cámara; y un dispositivo sensor de luz posicionado en o cerca del plano focal trasero de Ia lente colectora, o de un equivalente óptico del mismo.
Según otro aspecto de Ia presente invención se proporciona un método para medir las fuerzas ópticas que actúan sobre una partícula, que comprende Ia suspensión de Ia partícula en un medio de suspensión dentro de una cámara, Ia focalización de un único haz de luz sobre Ia partícula de tal manera que se consiga que los fotones del haz de luz atrapen Ia partícula mediante el uso de fuerzas de gradiente elevadas, Ia recogida tanto de los fotones deflectados como no deflectados por Ia partícula por una única lente o sistema de lentes colectoras, mediante el control de Ia distancia de Ia partícula con respecto a Ia lente colectora y mediante el control de Ia refracción de los fotones que abandonan Ia cámara; y Ia redirección de los fotones recogidos hacia un dispositivo sensor de luz localizado en o cerca del plano focal trasero de Ia lente colectora, o de un equivalente óptico del mismo.
Según otro aspecto, se proporciona un sistema adaptable para su inserción en el tren óptico de un microscopio óptico, configurado para atrapar con un único haz de luz una partícula suspendida en un medio de suspensión entre Ia cara de entrada y Ia cara de salida de una cámara, comprendiendo el sistema una única lente o sistema de lentes colectoras que se emplaza en o cerca de Ia cara de salida de Ia cámara de suspensión, siendo Ia apertura numérica de Ia lente colectora mayor o igual que el índice de refracción del medio de suspensión destinado a suspender Ia partícula en Ia cámara, un dispositivo sensor de luz posicionado en o cerca del plano focal trasero de Ia lente colectora, o de un equivalente óptico del mismo, siendo el dispositivo sensor capaz, directa o indirectamente, de producir medidas de Ia fuerza óptica que actúa sobre Ia partícula, derivadas de las coordenadas x e y del centro de masas de Ia distribución de luz proyectada sobre el dispositivo sensor de luz. En una realización, Ia lente colectora y el dispositivo sensor de luz están integrados en un único dispositivo.
Según otro aspecto, se proporciona un sistema adaptable para su inserción en el tren óptico de un microscopio óptico, configurado para atrapar con un único haz de luz una partícula suspendida en un medio de suspensión entre Ia cara de entrada y Ia cara de salida de una cámara, comprendiendo el sistema una única lente o sistema de lentes colectoras que se emplaza en o cerca de Ia cara de salida de Ia cámara de suspensión para recoger, en Ia semiesfera superior de Ia partícula, tanto los fotones deflectados como no deflectados por Ia partícula, estando Ia apertura numérica de Ia lente colectora seleccionada de manera que sea mayor o igual que el índice de refracción del medio de suspensión destinado a suspender Ia partícula en Ia cámara, un dispositivo sensor de luz posicionado en o cerca de un equivalente óptico del plano focal trasero de Ia lente colectora, siendo el dispositivo sensor de luz capaz, directa o indirectamente, de producir medidas de Ia fuerza óptica que actúa sobre Ia partícula, derivadas de las coordenadas x e y del centro de masas de Ia distribución de luz proyectada sobre el dispositivo sensor de luz; y una lente auxiliar o de relé, posicionada entre Ia lente colectora y el dispositivo sensor de luz para crear el equivalente óptico del plano focal trasero. En una realización, Ia lente colectora, Ia lente de relé y el dispositivo sensor de luz están integrados en un único dispositivo.
Según otro aspecto, se proporciona un sistema adaptable para su inserción en el tren óptico de un microscopio óptico, configurado para atrapar con un único haz de luz una partícula suspendida en un medio de suspensión entre Ia cara de entrada y Ia cara de salida de una cámara, comprendiendo el sistema una única lente o sistema de lentes colectoras que se emplaza en o cerca de Ia cara de salida de Ia cámara de suspensión para recoger, en Ia semiesfera superior de Ia partícula, tanto los fotones deflectados como no deflectados por Ia partícula, estando Ia apertura numérica de Ia lente colectora seleccionada de manera que sea mayor o igual que el índice de refracción del medio de suspensión destinado a suspender Ia partícula en Ia cámara, un dispositivo sensor de luz posicionado en o cerca de un equivalente óptico del plano focal trasero de Ia lente colectora, siendo el dispositivo sensor de luz capaz, directa o indirectamente, de producir medidas de Ia fuerza óptica que actúa sobre Ia partícula, derivadas de las coordenadas x e y del centro de masas de Ia distribución de luz proyectada sobre el dispositivo sensor de luz, una lente auxiliar o de relé, posicionada entre Ia lente colectora y el dispositivo sensor de luz para crear el equivalente óptico del plano focal trasero; y un filtro posicionado entre Ia lente colectora y el dispositivo sensor de luz para prevenir Ia saturación del dispositivo sensor de luz. En una realización, Ia lente colectora, Ia lente de relé, el filtro y el dispositivo sensor de luz están integrados en un único dispositivo. Según otro aspecto, se proporciona un sistema adaptable para su inserción en el tren óptico de un microscopio óptico, configurado para atrapar con un único haz de luz una partícula suspendida en un medio de suspensión entre Ia cara de entrada y Ia cara de salida de una cámara, comprendiendo el sistema una única lente o sistema de lentes colectoras que se emplaza en o cerca de Ia cara de salida de Ia cámara de suspensión para recoger, en Ia semiesfera superior de Ia partícula, tanto los fotones deflectados como no deflectados por Ia partícula, estando Ia apertura numérica de Ia lente colectora seleccionada de manera que sea mayor o igual que el índice de refracción del medio de suspensión destinado a suspender Ia partícula en Ia cámara, un dispositivo sensor de luz posicionado en o cerca de un equivalente óptico del plano focal trasero de Ia lente colectora, siendo el dispositivo sensor de luz capaz, directa o indirectamente, de producir medidas de Ia fuerza óptica que actúa sobre Ia partícula, derivadas de las coordenadas x e y del centro de masas de Ia distribución de luz proyectada sobre el dispositivo sensor de luz, una lente auxiliar o de relé, posicionada entre Ia lente colectora y el dispositivo sensor de luz para crear el equivalente óptico del plano focal trasero; y una máscara que actuando por transmisión y posicionada cerca o pegada al dispositivo sensor de luz, compensa las pérdidas por reflexión producidas en Ia cámara. En una realización, Ia lente colectora, Ia lente de relé, Ia máscara y el dispositivo sensor de luz están integrados en un único dispositivo.
Según otro aspecto, se proporciona un sistema adaptable para su inserción en el tren óptico de un microscopio óptico, configurado para atrapar con un único haz de luz una partícula suspendida en un medio de suspensión entre Ia cara de entrada y Ia cara de salida de una cámara, comprendiendo el sistema una única lente o sistema de lentes colectora que se emplaza en o cerca de Ia cara de salida de Ia cámara de suspensión para recoger, en Ia semiesfera superior de Ia partícula, tanto los fotones deflectados como no deflectados por Ia partícula, estando Ia apertura numérica de Ia lente colectora seleccionada de manera que sea mayor o igual que el índice de refracción del medio de suspensión destinado a suspender Ia partícula en Ia cámara, un dispositivo sensor de luz posicionado en o cerca de un equivalente óptico del plano focal trasero de Ia lente colectora, siendo el dispositivo sensor de luz capaz, directa o indirectamente, de producir medidas de Ia fuerza óptica que actúa sobre Ia partícula, derivadas de las coordenadas x e y del centro de masas de Ia distribución de luz proyectada sobre el dispositivo sensor de luz, una lente auxiliar o de relé, posicionada entre Ia lente colectora y el dispositivo sensor de luz para crear el equivalente óptico del plano focal trasero, un filtro posicionado entre Ia lente colectora y el dispositivo sensor de luz para prevenir Ia saturación del dispositivo sensor de luz; y una máscara que actuando por transmisión y posicionada cerca o pegada al dispositivo sensor de luz, compensa las pérdidas por reflexión producidas en Ia cámara. En una realización, Ia lente colectora, Ia lente de relé, el filtro, Ia máscara y el dispositivo sensor de luz están integrados en un único dispositivo.
Según otro aspecto, se proporciona un sistema adaptable para su inserción en el tren óptico de un microscopio óptico, configurado para atrapar con un único haz de luz una partícula suspendida en un medio de suspensión entre Ia cara de entrada y Ia cara de salida de una cámara, comprendiendo el sistema una única lente o sistema de lentes colectoras que se emplaza en o cerca de Ia cara de salida de Ia cámara de suspensión para recoger, en Ia semiesfera superior de Ia partícula, tanto los fotones deflectados como no deflectados por Ia partícula, estando Ia apertura numérica de Ia lente colectora seleccionada de manera que sea mayor o igual que el índice de refracción del medio de suspensión destinado a suspender Ia partícula en Ia cámara, un dispositivo sensor de luz posicionado en o cerca del plano focal trasero de Ia lente colectora, siendo el dispositivo sensor de luz capaz, directa o indirectamente, de producir medidas de Ia fuerza óptica que actúa sobre Ia partícula, derivadas de las coordenadas x e y del centro de masas de Ia distribución de luz proyectada sobre el dispositivo sensor de luz; y un filtro posicionado entre Ia lente colectora y el dispositivo sensor de luz para prevenir Ia saturación del dispositivo sensor de luz. En una realización, Ia lente colectora, el filtro y el dispositivo sensor de luz están integrados en un único dispositivo.
Según otro aspecto, se proporciona un sistema adaptable para su inserción en el tren óptico de un microscopio óptico, configurado para atrapar con un único haz de luz una partícula suspendida en un medio de suspensión entre Ia cara de entrada y Ia cara de salida de una cámara, comprendiendo el sistema una única lente o sistema de lentes colectoras que se emplaza en o cerca de Ia cara de salida de Ia cámara de suspensión para recoger, en Ia semiesfera superior de Ia partícula, tanto los fotones deflectados como no deflectados por Ia partícula, estando Ia apertura numérica de Ia lente colectora seleccionada de manera que sea mayor o igual que el índice de refracción del medio de suspensión destinado a suspender Ia partícula en Ia cámara, un dispositivo sensor de luz posicionado en o cerca del plano focal trasero de Ia lente colectora, siendo el dispositivo sensor de luz capaz, directa o indirectamente, de producir medidas de Ia fuerza óptica que actúa sobre Ia partícula, derivadas de las coordenadas x e y del centro de masas de Ia distribución de luz proyectada sobre el dispositivo sensor de luz; y una máscara que actuando por transmisión y posicionada cerca o pegada al dispositivo sensor de luz, compensa las pérdidas por reflexión producidas en Ia cámara. En una realización, Ia lente colectora, Ia máscara y el dispositivo sensor de luz están integrados en un único dispositivo.
Según otro aspecto, se proporciona un sistema adaptable para su inserción en el tren óptico de un microscopio óptico, configurado para atrapar con un único haz de luz una partícula suspendida en un medio de suspensión entre Ia cara de entrada y Ia cara de salida de una cámara, comprendiendo el sistema una única lente o sistema de lentes colectoras que se emplaza en o cerca de Ia cara de salida de Ia cámara de suspensión para recoger, en Ia semiesfera superior de Ia partícula, tanto los fotones deflectados como no deflectados por Ia partícula, estando Ia apertura numérica de Ia lente colectora seleccionada de manera que sea mayor o igual que el índice de refracción del medio de suspensión destinado a suspender Ia partícula en Ia cámara, un dispositivo sensor de luz posicionado en o cerca del plano focal trasero de Ia lente colectora, siendo el dispositivo sensor de luz capaz, directa o indirectamente, de producir medidas de Ia fuerza óptica que actúa sobre Ia partícula, derivadas de las coordenadas x e y del centro de masas de Ia distribución de luz proyectada sobre el dispositivo sensor de luz, un filtro posicionado entre Ia lente colectora y el dispositivo sensor de luz para prevenir Ia saturación del dispositivo sensor de luz; y una máscara que actuando por transmisión y posicionada cerca o pegada al dispositivo sensor de luz, compensa las pérdidas por reflexión producidas en Ia cámara. En una realización, Ia lente colectora, el filtro, Ia máscara y el dispositivo sensor de luz están integrados en un único dispositivo. A Io largo de Ia descripción y las reivindicaciones Ia palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos.
Para los expertos en Ia materia, otros objetos, ventajas y características de Ia invención se desprenderán en parte de Ia descripción y en parte de Ia práctica de Ia invención. Los siguientes ejemplos y dibujos se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de Ia presente invención. Además, Ia presente invención cubre todas las posibles combinaciones de realizaciones particulares y preferidas aquí indicadas.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La Figura 1 ¡lustra un sistema, en una de las realizaciones de Ia presente invención, para atrapar una partícula y medir las fuerzas ópticas que actúan en Ia partícula atrapada.
La Figura 2 ilustra Ia obtención de Ia estructura de momentos de una distribución coherente de luz en el plano focal trasero de una lente.
Las Figuras 3A y 3B constituyen ejemplos de rayos de luz convergentes que son refractados y reflejados por Ia muestra atrapada.
La Figura 4 es un gráfico de Ia intensidad de luz dispersada en función del ángulo por una microesfera de vidrio homogénea suspendida en agua.
La Figura 5 ilustra un sistema colector de luz en una realización de Ia presente invención.
La Figura 6 es un gráfico que muestra Ia fracción porcentual de luz capturada en Ia semiesfera superior de una muestra en función de Ia posición de Ia muestra en el interior de Ia cámara de suspensión.
La Figura 7 muestra una imagen del plano focal trasero de un condensador de microscopía, de inmersión en aceite, capturando Ia luz de Ia semiesfera superior de una partícula atrapada, según los principios de Ia presente invención. La Figura 8 muestra los resultados de un experimento de medida en el que fuerzas conocidas son aplicadas sobre microesferas de poliestireno de diámetros e índices de refracción distintos y a potencias de láser y con objetivos de microscopio distintos para crear Ia trampa óptica.
Las Figuras 9A y 9B ilustran una realización de Ia presente invención que se integra en un microscopio óptico.
La Figura 10 ilustra un sistema/dispositivo en una realización adaptable para su inserción en el tren óptico de un microscopio óptico, que permite Ia medida de las fuerzas ópticas que actúan sobre una partícula atrapada suspendida en un medio dentro de una cámara de suspensión.
La Figura 11 ilustra un sistema/dispositivo en otra realización adaptable para su inserción en el tren óptico de un microscopio óptico, que permite Ia medida de las fuerzas ópticas que actúan sobre una partícula atrapada suspendida en un medio dentro de una cámara de suspensión.
La Figura 12 ilustra un sistema/dispositivo en otra realización adicional adaptable para su inserción en el tren óptico de un microscopio óptico, que permite Ia medida de las fuerzas ópticas que actúan sobre una partícula atrapada suspendida en un medio dentro de una cámara de suspensión.
La Figura 13 ilustra un sistema/dispositivo en una realización adaptable para su inserción en el tren óptico de un microscopio óptico, que permite Ia medida de las fuerzas ópticas que actúan sobre una partícula atrapada suspendida en un medio dentro de una cámara de suspensión.
La Figura 14 ilustra un sistema/dispositivo en otra realización adaptable para su inserción en el tren óptico de un microscopio óptico, que permite Ia medida de las fuerzas ópticas que actúan sobre una partícula atrapada suspendida en un medio dentro de una cámara de suspensión.
La Figura 15 ilustra un sistema/dispositivo en otra realización adicional adaptable para su inserción en el tren óptico de un microscopio óptico, que permite la medida de las fuerzas ópticas que actúan sobre una partícula atrapada suspendida en un medio dentro de una cámara de suspensión.
EXPOSICIÓN DETALLADA DE MODOS DE REALIZACIÓN
En Ia descripción siguiente se establecen numerosos detalles específicos a fin de facilitar Ia comprensión exhaustiva de Ia presente invención. Será aparente, sin embargo, para aquellos versados en Ia materia, que Ia presente invención puede ser practicada sin alguno o sin Ia totalidad de estos detalles específicos. Por el contrario, en otros casos, procesos y operaciones bien conocidos han sido tratados sin mayor detalle a fin de no oscurecer de forma innecesaria las descripciones de Ia presente invención. Además, es importante señalar que las figuras que acompañan al texto no están confeccionadas a escala.
La Figura 1 ilustra un sistema 100 para medir las fuerzas ópticas que actúan sobre una partícula 108 según una implementación de Ia presente invención. El sistema 100 incluye una cámara 109 para suspender una partícula 108 en un fluido de suspensión, entre una cara de entrada 109a y una cara de salida 109b de una cámara, fabricadas típicamente de vidrio. El atrapamiento de Ia partícula 108 se consigue focalizando un haz de luz 124 sobre Ia partícula suspendida mediante el uso de una lente objetivo de atrapamiento 107 de alta apertura numérica y típicamente de inmersión, de tal manera que se consiga que los fotones del haz de luz atrapen Ia partícula mediante el uso de fuerzas de gradiente elevadas. En Ia realización de Ia Figura 1 , una fuente láser 101 crea un haz de láser 120 que puede ser manipulado de modo tal que forme el haz de luz de Ia trampa 124. La fuente láser 101 es preferiblemente una fuente láser de alta potencia que tenga una potencia estimada de entre algunos cientos de milivatios hasta varios vatios. Se puede colocar un aislador de Faraday 102 a Ia salida de Ia fuente láser 101 para evitar que las retro-reflexiones penetren de nuevo en Ia cavidad láser 101 , causando fluctuaciones de potencia. Un telescopio 103, compuesto por una lente ocular 130 y una lente objetivo 132, insertado en el camino del haz de láser 120 Io expande y recolima. En una realización preferida, Ia distancia focal de las lentes 132 y 130 se selecciona de modo que se obtenga un haz láser 122 cuyo diámetro cubra exactamente o rebase ligeramente Ia pupila de entrada 106 del objetivo de atrapamiento 107. En caso de que el haz láser 122 tenga una polarización lineal, o cualesquiera otra que no sea circular, una lámina de cuarto de onda 104, u otro dispositivo apropiado, puede situarse entre el objetivo del telescopio 132 y Ia lente objetivo que crea Ia trampa 107 para obtener un haz de luz 123 que tenga polarización circular o sustancialmente circular. Un haz de luz que entre en el objetivo de atrapamiento 107 con polarización circular, o sustancialmente circular, permite al objetivo formar una trampa óptica con constante elásticas radiales iguales, o sustancialmente iguales, en dos direcciones perpendiculares.
Como se ha mencionado anteriormente, el sistema 100 hace uso de un único haz de luz 124 para atrapar Ia partícula 108 mediante el uso de fuerzas de gradiente elevadas. Para obtener las altas fuerzas de gradiente necesarias para atrapar Ia partícula de manera efectiva, se emplea un objetivo de atrapamiento 107 de alta apertura numérica, que focaliza el haz hasta un punto de dimensiones difracccionales sobre Ia partícula. El objetivo de atrapamiento 107 generalmente incluye una pupila de entrada 106, una serie de lentes internas 140 y una lente de salida 142, ésta en contacto generalmente con Ia cara de entrada 109a de una cámara 109, a través de un medio de inmersión (que no se muestra), tal como el agua o el aceite de inmersión, preferiblemente aceite. En realizaciones alternativas, Ia apertura numérica del objetivo de atrapamiento 107 preferiblemente varía entre aproximadamente 0.90 y aproximadamente 1.40. Para conseguir cubrir exactamente o rebasar ligeramente el diámetro de Ia pupila de entrada 106, el aumento del telescopio 103 preferiblemente varía entre aproximadamente 2.5X y aproximadamente 6X.
La medida de las fuerzas ópticas que actúan sobre Ia partícula 108 se consigue recogiendo tanto los fotones deflectados como no deflectados por Ia partícula empleando una lente de inmersión de alta apertura numérica 110, que tenga una apertura numérica mayor o igual que el índice de refracción del medio de suspensión destinado a suspender Ia partícula 108 en Ia cámara 109. La lente colectora 110 generalmente incluye una lente frontal 150 y una serie de lentes internas 152 que coliman y dirigen los fotones recogidos hacia un dispositivo sensor de luz 115. La lente frontal 150 está en contacto con Ia cara de salida 109b de Ia cámara 109 mediante un medio de inmersión (que no se muestra) tal como el agua o el aceite de inmersión, preferiblemente aceite. En realizaciones alternativas, Ia apertura numérica de Ia lente colectora 110 preferiblemente varía entre aproximadamente 1.32 y aproximadamente 1.40. En particular, es conveniente que exista una diferencia relativamente grande entre el índice de refracción del medio de suspensión de Ia partícula y el del líquido de inmersión de Ia lente colectora. En realizaciones alternativas, Ia relación entre los índices de refracción del medio de inmersión y del medio de suspensión varía entre aproximadamente 1.13 y aproximadamente 1.2, y el diámetro de Ia lente frontal 150 varía entre aproximadamente 2 milímetros y aproximadamente 20 milímetros.
La medida directa de las fuerzas ópticas que actúan sobre Ia partícula 108 es posible debido a que Ia estructura de momentos de una distribución luminosa se hace visible en el plano focal trasero 111 de una lente colectora 110. La teoría subyacente a este fenómeno se explica en virtud de Ia Figura 2 y de Ia descripción que sigue.
Cualquier solución U(x,y,z) de Ia ecuación de onda de Helmholtz puede escribirse como: ae se
£/(:*, y,z) (i)
Figure imgf000016_0001
-∞ - M donde los pesos A(α, β) cumplen:
Ai*, β) = u(X>yt 0)e-ιΥ^Wdxáy (2)
es decir, son Ia transformada de Fourier del campo original en un plano arbitrario z = 0.
Estas ecuaciones tienen interpretación física: cualquier campo electromagnético puede pensarse como una superposición de ondas planas, Aei!i r, con amplitudes A dadas por Ia Ecuación 2. Las ondas planas son el tipo de onda más simple, ya que cada una de ellas está formada por fotones que viajan en una misma dirección, Ia dada por los cosenos directores s = (α, β, γ). Notoriamente relevante para nuestro método es el hecho de que el momento en una onda plana está determinado por: p = hk ^ (jpχf pyfpz) = h-^ (a,βfγ~) (3) O en otras palabras, una onda plana está compuesta por fotones que tienen el mismo momento p, y Ia Ecuación 1 anterior puede entonces pensarse como Ia descomposición de una determinada distribución luminosa en sus momentos constituyentes. Además, Ia energía por unidad de tiempo (y unidad de superficie) transportada por estas ondas planas es proporcional a las amplitudes A(α, β) al cuadrado (Ia irradiancia l(α, β)) según el teorema de Poynting. Por tanto, las tres ecuaciones anteriores muestran que el número de fotones (proporcional a Ia energía) por unidad de tiempo que en Ia distribución U(x,y,z) tienen momento p, es proporcional al modulo al cuadrado de Ia transformada de Fourier de Ia distribución. Es importante resaltar que, bajo iluminación coherente y descartando factores de fase y de escala ¡rrelevantes, Ia distribución de luz en el plano focal trasero de una lente corresponde a Ia transformada de Fourier del campo antes de Ia lente. Esta capacidad de las lentes para producir transformadas de Fourier es válida incluso a altas aperturas numéricas, si estas lentes se diseñan para cumplir Ia condición del seno de Abbe (r = f sin T , en Ia Figura 2), una corrección de aberraciones, por otro lado, ampliamente utilizada y fácilmente obtenible.
En referencia a Ia Figura 2, en el plano focal trasero 202 de Ia lente 200 podemos ver Ia estructura de momentos de Ia distribución de luz coherente del plano 201 , es decir, Ia potencia radiante en el punto 203 del plano focal indica directamente el número de fotones que tienen momento P1. Dado que Ia estructura de momentos de Ia distribución luminosa se hace visible en el plano focal trasero de una lente, cualquier cambio en esta estructura de momentos es fácilmente detectable. Esto proporciona un método directo para evaluar Ia fuerza ejercida por el haz de luz sobre una partícula. En efecto, Ia segunda ley de Newton identifica Ia fuerza ejercida sobre un cuerpo con su cambio de momento neto por unidad de tiempo. Además, Ia fuerza ejercida por los fotones sobre Ia muestra tiene Ia misma magnitud que Ia ejercida por Ia muestra sobre los fotones (tercera ley de Newton), y es por tanto, igual al cambio de momento de los fotones del haz de luz, que es fácilmente visible en el plano focal trasero como se ha comentado. La diferencia entre los momentos antes y después de que Ia luz atraviese Ia muestra proporcionaría el cambio requerido por Ia segunda ley de Newton. considerando ahora Ia Figura 3A1 se muestra un haz de luz convergente 301 que incide sobre una micropartícula 305 con el fin de atraparla ópticamente. En Ia Figura 3A, Ia micropartícula 305 aparece centrada con respecto al foco del haz 301. Describiendo Ia interacción en términos de óptica de rayos, Ia luz puede refractarse 302 o reflejarse 303, resultando en cambios direccionales de Ia propagación. Estos cambios de dirección pueden incrementarse cuando Ia muestra se desplaza lateralmente con respecto al haz convergente de luz 301 , como se ilustra en Ia Figura 3B. Como se aprecia, un desplazamiento lateral de Ia muestra puede ocasionar que los rayos refractados 302 y los reflejados 303 se propaguen prácticamente en cualquier dirección. Como consecuencia, para ser capaz de analizar todos los cambios de momento del haz de luz, sería preciso recoger fotones en todos los puntos de una superficie que rodeara a Ia muestra, es decir, cubriendo un ángulo sólido de 4p estereoradianes. Sin embargo, los inventores han determinado que el descarte de Ia luz retrodispersada generalmente da lugar a un error pequeño y, por tanto, aceptable. Como ilustración, Ia Figura 4 muestra un gráfico de Ia intensidad de Ia luz dispersada (en unidades arbitrarias y escala logarítmica) en función del ángulo, para una microesfera de vidrio homogénea (r=1 μm, n=1.56) suspendida en agua (n=1.32), atrapada en un haz de láser infrarrojo focalizado (?=1.064 μm, NA=1 ), calculado mediante Ia rigurosa teoría de
Lorenz-Mie. Como se pone de manifiesto en Ia figura, Ia luz dispersada en Ia semiesfera inferior de Ia muestra equivale a menos de un 1% de Ia intensidad total de luz. La presente invención saca partido de este fenómeno al determinar las fuerzas ópticas que actúan sobre Ia muestra, maximizando Ia cantidad de luz recogida dentro de Ia semiesfera superior de Ia muestra e ignorando Ia luz retro-dispersada. La recogida de luz en Ia semiesfera superior se maximiza mediante el uso de una lente colectora 110 de inmersión de alta apertura numérica, tal y como se ha descrito anteriormente. Este modo de proceder proporciona numerosas ventajas y permite un montaje óptico de recogida de luz mucho más sencillo. Debe reseñarse que, en particular, este método posibilita que los sistemas y/o dispositivos de Ia presente invención sean incorporados o adaptados a los trenes ópticos de microscopios ópticos convencionales, y a los sistemas de trampas ópticas existentes.
En referencia a Ia Figura 5, y a modo de ejemplo, se ilustra un sistema colector en concordancia con una realización de Ia presente invención. Como se ha descrito anteriormente, Ia muestra 108 se halla dentro de una cámara 109 que contiene además un medio de suspensión 406, por ejemplo agua (n=1.333), formada por una cara de entrada 109a y una cara de salida 109b. La lente frontal 150 del sistema colector 110 está en contacto con un fluido de alto índice de refracción 407, tal como aceite de cedro o sintético para microscopía (n'=1.515), el cual, en una realización preferida, tiene el mismo índice de refracción que Ia cara de salida 109b y que Ia lente frontal 150. Como se indica, Ia luz que tras ser deflectada por Ia muestra 108 se propaga en Ia dirección de Ia lente colectora 110 formando un ángulo grande a (semiángulo e) con respecto al eje óptico, se refractará en Ia interfase agua- cara de salida 109b de acuerdo con Ia ley de Snell:
n., sinε = n! . sέns' (4)
y entrará sin más cambio de dirección en Ia lente frontal 150 de Ia lente colectora 110 formando un ángulo menor β (semiángulo e'). Dado que Ia apertura numérica de Ia lente colectora 110 se ha seleccionado de manera que sea mayor o igual que el índice de refracción n del medio de suspensión 406, el ángulo de refracción e1 será:
msin9Q3 = n = rísinε' < NA — nfsinθ => ε! < θ (5)
O, en otras palabras, los rayos refractados permanecen dentro del ángulo de captura ? de Ia lente colectora.
Para aprovechar completamente Ia apertura numérica de Ia lente colectora, Ia distancia de trabajo w entre Ia cara de salida 109b de Ia cámara 109 y Ia lente frontal 150 del sistema de lentes colector 110 ha de estar controlada. En una realización, un espaciador (que no se muestra) se coloca entre Ia cara de salida 109b y Ia lente colectora 110 para mantener Ia distancia de trabajo en un valor predeterminado, a fin de que se cumpla Ia Ecuación 5. Cuando Ia distancia de trabajo es demasiado pequeña o demasiado grande, Ia apertura numérica efectiva queda limitada de manera innecesaria, originando pérdidas de luz perjudiciales. En realizaciones alternativas de Ia presente invención, Ia distancia de trabajo se mantiene preferentemente por debajo de 3.0 milímetros y preferiblemente entre aproximadamente 1.0 milímetro y aproximadamente 3.0 milímetros, y aún más preferiblemente entre aproximadamente 1.5 milímetros y aproximadamente 2.5 milímetros.
Otra consideración importante es Ia profundidad h o posición de Ia muestra 108 con respecto a Ia superficie interna de Ia cara de salida 109b de Ia cámara 109. Los resultados de Ia Figura 6 muestran Ia fracción porcentual de Ia luz capturada en Ia semiesfera superior de Ia muestra, en función de Ia profundidad de Ia muestra en Ia cámara 109. Los datos han sido calculados con los siguientes parámetros para Ia lente colectora: (1 ) apertura numérica (NA) de Ia lente colectora NA = 1.40, (2) índice de refracción del aceite de inmersión (n1) entre Ia lente frontal 150 y Ia cara de salida 109b n' = 1.51 , (3) índice de refracción del medio de suspensión de Ia muestra n = 1.33, (4) diámetro de Ia lente frontal d = 9.5020 mm y (5) distancia de trabajo w = 1.92 mm. Como se muestra en Ia Figura 6, para capturar una gran parte de Ia luz que se propaga en direcciones incluidas en Ia semiesfera superior, Ia profundidad de Ia muestra ha de estar preferentemente entre 0 y aproximadamente 200 micrómetros, preferiblemente entre 0 y aproximadamente 100 micrómetros, y aún más preferiblemente entre 0 y aproximadamente 50 micrómetros. Como resultado de estos hallazgos, Ia presente invención hace uso de cámaras microfluídicas delgadas 109 para mantener las muestras 108 cercanas tanto a Ia lente colectora 110 como a Ia lente objetivo de atrapamiento 107. Según realizaciones alternativas de Ia presente invención, el grosor de Ia cámara 109 ha de estar preferiblemente entre aproximadamente 50 y aproximadamente 200 mieras. Para permitir que Ia muestra 108 pueda ser atrapada a una mayor distancia de Ia cara de entrada 109a de Ia cámara 109, se puede utilizar alternativamente una lente objetivo de atrapamiento 107 de inmersión en agua. Estas lentes permiten trabajar a distancias de varios cientos de mieras sin merma de calidad en sus propiedades ópticas, y su utilización facilitaría provechosamente Ia utilización de cámaras microfluídicas 109 de mayor grosor.
En referencia continuada a Ia Figura 1 , se incluye un dispositivo sensor de luz en el camino óptico del haz con posterioridad a Ia lente colectora 110. La fuerza total que actúa sobre Ia partícula atrapada 108 puede obtenerse sumando los cambios de momento individuales que han sufrido todos los fotones que constituyen el haz 128. Según una realización, esto se consigue situando un dispositivo sensor de posición bidimensional (PSD, del inglés Position Sensitive Device) basado en el efecto lateral, en el plano focal trasero 111 de Ia lente colectora o en un equivalente óptico. Los PSD de efecto lateral son fotodetectores que responden con fotocorrientes proporcionales tanto a Ia potencia radiante que incide en cada punto de una capa resistiva expuesta, como a Ia distancia entre el punto iluminado y unos electrodos de referencia. Los PSD bidimensionales permiten, por tanto, medir Ia posición de un punto luminoso dentro del área expuesta, según:
Sx = k J l(x,y~)xdxdy (6) Sy = k ) l(x,y)ydxdy
donde k es una constante determinada por Ia sensibilidad y geometría del detector e l(x,y) es Ia irradiancia del haz incidente en el punto de coordenadas (x,y) 203 del área sensible. Cuando se sitúa en el plano focal trasero de Ia lente analizadora, las coordenadas x e y representan componentes transversales del momento de los fotones en una cierta escala:
JC - λlí h P. X
(7) y = — Υ)
En efecto:
Px = h — a = h-- sinθ (T)
en virtud de Ia Ecuación 3. Finalmente, según Ia condición del seno de Abbe, Io anterior puede escribirse como:
Px = h γ - =? χ = Υ Px (r)
como se pretendía demostrar. El razonamiento es análogo para Ia coordenada y. Dado que l(x,y)dxdy es Ia potencia radiante en el punto (x,y) y por tanto proporcional al número de fotones por unidad de tiempo con momento transversal (px, py), las integrales de Ia Ecuación 6 representan, respectivamente, Ia adición ordenada de las componentes x e y de todos los momentos. El cambio en las señales Sx y Sy antes y después de que Ia luz atraviese Ia muestra es, por consiguiente, proporcional a Ia fuerza luminosa. Una ventaja de Ia presente invención es que las medidas de fuerza se basan exclusivamente en primeros principios. En Ia realización de Ia Figura 1 , el dispositivo sensor de luz se encuentra fuera de Ia lente colectora 110 y se emplea una lente auxiliar o de relé 114 para formar Ia imagen del plano focal trasero 111 de Ia lente colectora 110 sobre el dispositivo sensor de luz 115. En realizaciones donde se usan lentes de relé para crear equivalentes ópticos del plano focal trasero de Ia lente colectora, el diámetro de Ia lente de relé es preferiblemente mayor o igual que el diámetro del diafragma de apertura situado en el plano focal trasero (y que no se muestra en Ia Figura 1 ) de Ia lente colectora y ha de producir un aumento preferiblemente igual al diámetro del dispositivo sensor de luz dividido por el diámetro del diafragma de apertura.
En una realización alternativa, el dispositivo sensor de luz puede ser una cámara u otro dispositivo que sea capaz de generar una imagen computerizada correspondiente a Ia imagen óptica del plano focal 111 de Ia lente colectora 110, siendo esta imagen procesable para obtener medidas de fuerza óptica sobre Ia partícula 108.
Para impedir Ia saturación del dispositivo sensor de luz 115, p. ej. un PSD, puede insertarse un filtro neutro 113 en el camino óptico entre Ia lente colectora 110 y el dispositivo sensor 115 a fin de atenuar Ia luz procedente de Ia trampa.
La Figura 7 muestra una imagen del plano focal trasero de un condensador de microscopio, de inmersión en aceite, con apertura numérica de 1.40, recogiendo Ia luz dispersada por una microesfera de poliestireno de 3 mieras, suspendida en agua (n=1.32 para ?=1.064 μm), atrapada con una trampa de haz único creada por un objetivo de microscopio de inmersión en agua, de apertura numérica 1.20, y puesta en contacto con Ia cara de salida 109b (es decir a h = 0) de Ia cámara 109. El plano puede calibrarse en función de Ia apertura numérica formando Ia imagen del diafragma de apertura de varios objetivos de microscopio de características definidas. Alternativamente, una red de difracción de periodo conocido, iluminada por un haz colimado de longitud de onda conocida, difracta luz en ángulos bien definidos y conocidos (órdenes de difracción), que quedan finalmente focalizados en puntos únicos en el plano focal trasero, fácilmente identificables. Estos órdenes de difracción pueden ser utilizados también para calibrar el plano focal. La imagen muestra que hay luz que está siendo recogida cerca del límite teórico de NA = 1.32 (correspondiente a semiángulos cercanos a 90° dentro del agua de suspensión) como puede verse con facilidad en las esquinas derecha superior e izquierda inferior de Ia figura. La intensidad de Ia luz recogida determinada experimentalmente está cerca del 95% de Ia intensidad total del haz (lectura sin muestra, equivalente a Ia luz dispersada en toda Ia esfera de 4p radianes). Como comparación, cuando Ia apertura numérica efectiva de Ia lente colectora se reduce a 0.95, las pérdidas de luz equivalen a un 15-30% de Ia luz total dispersada por Ia muestra. Es importante hacer notar que las pérdidas de luz constantes y uniformes (que no dependan del ángulo) son irrelevantes para Ia medida de fuerzas, dado que producirían exactamente los mismos patrones en el plano focal trasero de Ia lente colectora, pero más tenues. La señal del PSD sería menor (pero siempre proporcional) Io que podría compensarse en Ia determinación de Ia constante de calibración C, como se discute posteriormente.
En una realización, las pérdidas por reflexión en Ia ¡nterfase entre Ia cara de salida 109b y el medio de suspensión 406, que son dependientes del ángulo, pueden reducirse o eliminarse con un recubrimiento antireflejante específico para múltiples ángulos y ajustado a Ia longitud de onda del láser, depositado en Ia superficie interna de Ia cara de salida 109b. Alternativamente, una máscara no uniforme que actúe por transmisión (y que no se muestra en Ia Figura 1 ), con una variación radial de transmitancia proporcional al inverso de los factores de reflexión, puede situarse en el plano focal trasero de Ia lente colectora o en sus conjugados (por ejemplo, en el plano del PSD) con el mismo propósito, dado que haces paralelos de luz dentro del medio de suspensión quedan focalizados en puntos únicos en estos planos.
Como se menciona con anterioridad, y en contraste con los métodos indirectos de determinación de Ia fuerza (como el de calibración de Ia constante elástica de Ia trampa, basado en modelos), Ia presente invención se basa en primeros principios. Una vez determinada Ia constante C que relaciona las lecturas del PSD (en voltios, por ejemplo) y Ia fuerza luminosa (en piconewtons, por ejemplo), las medidas pueden llevarse a cabo con independencia de las condiciones experimentales, tales como Ia temperatura, los índices de refracción, el tamaño de Ia muestra, Ia potencia del láser y Ia geometría de Ia trampa, etc.
La Figura 8 muestra los resultados de un experimento en el cual fuerzas conocidas son aplicadas sobre microesferas de poliestireno atrapadas, con diámetros e índices de refracción distintos y a potencias láser y con objetivos de microscopio diferentes para crear Ia trampa óptica. La fuerza externa se ejerce mediante flujos controlados del medio de suspensión, creados moviendo a velocidades prefijadas una plataforma piezoeléctrica que sostiene Ia microcámara 109. La fuerza de Stokes inducida sobre Ia microesfera puede calcularse, dado que Ia velocidad del fluido, su viscosidad y el radio de Ia partícula son conocidos. La fuerza actúa sobre Ia partícula desplazándola lateralmente de su posición de reposo, hasta un punto en el que Ia fuerza ejercida por Ia trampa contrarresta exactamente Ia fuerza viscosa del fluido. Con esa identificación, Ia fuerza óptica real ejercida por Ia trampa puede determinarse para estas condiciones particulares. La gráfica muestra Ia relación entre las lecturas del PSD (eje y), siguiendo un método de Ia presente invención, y Ia fuerza óptica conocida según se ha explicado (fuerza de Stokes, eje x), al efectuar movimientos sinusoidales con Ia plataforma piezoeléctrica. La relación lineal y Ia independencia de Ia pendiente promedio con respecto a las cambiantes condiciones experimentales es evidente en Ia Figura 8. Además, Ia inversa de esta pendiente es Ia constante de calibración C (en pN/V) que permite convertir las lecturas del PSD en medidas de fuerza óptica. Por tanto, el experimento establece además un método para medir Ia contante C.
Volviendo de nuevo a Ia Figura 1 , un primer y segundo espejos dicroicos, 105 y 122 respectivamente, pueden añadirse al sistema 100 para permitir a Ia trampa óptica integrarse dentro del tren de imagen de un microscopio óptico, reflejando de manera selectiva Ia luz del láser de atrapamiento y permitiendo simultánemente el paso de otras longitudes de onda. Por ejemplo, el espejo dicroico 112 puede integrarse dentro del tren de iluminación de un microscopio óptico mientras que el espejo dicroico 105 puede integrarse dentro del tren de imagen.
Como se ilustra en las Figuras 9A y 9B, una lente colectora según Ia presente invención que recoja y descomponga Ia luz en sus momentos constituyentes puede muy bien tratarse de un condensador de inmersión, montado sobre un microscopio ordinario 600. En el microscopio puede, por otro lado, montarse simultáneamente un equipo de pinzas ópticas para formar un sistema completo. Existen equipos de pinzas ópticas comerciales disponibles fácilmente, compatibles con las principales marcas de microscopios de investigación, y que utilizan los propios objetivos del microscopio para formar Ia trampa óptica.
Las Figuras 9A y 9B ilustran Ia compatibilidad del método y sistema de Ia presente invención con un microscopio óptico ordinario 600, al encajar con facilidad en el tren óptico, por ejemplo, de un iluminador Kóhler. La Figura 9A muestra esquemáticamente el tren de imagen y Ia Figura 9B el tren de iluminación de un microscopio óptico invertido, similar a los utilizados conjuntamente con equipos de pinzas ópticas.
En Ia Figura 9B, Ia luz de una lámpara halógena 601 es redirigida por una lente colectora 602 a través de un diafragma de campo 603 y focalizada sobre el diafragma de apertura 606 de Ia lente condensadora 610, por Ia lente colimadora 604. Dado que el diafragma de apertura 606 se encuentra en el plano focal trasero de Ia lente condensadora 610, Ia luz queda colimada al atravesar el condensador, iluminando Ia muestra 608 y siendo focalizada de nuevo por el objetivo 607 sobre su diafragma de apertura 609, situado en su plano focal trasero. Además, y en referencia a Ia Figura 9A, el colimador 604 y las lentes del condensador 610 forman Ia imagen del diafragma de campo 603 sobre el plano de Ia muestra. Los dos trenes ópticos pueden entenderse como una sucesión de planos conjugados. Por ejemplo, en el tren de imagen, el plano de Ia muestra 608 y el diafragma de campo 603 son conjugados mientras que en el tren de iluminación, Ia lámpara halógena 601 , el diafragma de apertura 606 del condensador 610, y el diafragma de apertura 609 del objetivo 607 son también conjugados. Es importante señalar que los planos conjugados del tren de iluminación y los del tren de imagen pueden entenderse como relacionados por transformadas de Fourier, ya que se encuentran alternativamente en planos focales traseros de lentes intermedias. En particular, el diafragma de apertura del condensador 606 forma un par de Fourier con el plano de Ia muestra 608. Esta estructura puede utilizarse de manera natural, para integrar el sistema de medida de Ia presente invención en el tren de iluminación, como se muestra en Ia Figura 9B. Una lente de alta apertura numérica 610, siendo dicha apertura numérica mayor o igual que el índice de refracción del medio destinado a suspender Ia muestra (un condensador de inmersión en aceite modificado, por ejemplo), reemplaza al condensador habitual, trabajando en dirección inversa como lente colectora. Se puede utilizar un espejo dicroico 605 para redirigir Ia luz que llega de Ia trampa hacia un detector sensible a Ia luz 612, tal como un PSD, que se halla situado en el plano focal trasero de Ia lente colectora, o en un equivalente óptico del mismo. La luz que proviene del iluminador en dirección opuesta atraviesa el espejo dicroico 605 y baña Ia muestra como antes. Una lente auxiliar o de relé 614 podría ser necesaria cuando el plano focal trasero de Ia lente 610 no se encuentra fácilmente accesible (como se muestra en Ia Figura 9B), formando Ia imagen del plano sobre el PSD. Con esta ¡mplementación, el microscopio permanece totalmente funcional.
La Figura 10 ilustra un sistema/dispositivo 700 adaptable para su inserción en el tren óptico de un microscopio, que permite Ia medida de las fuerzas ópticas que actúan sobre una partícula atrapada suspendida en un medio dentro de una cámara de suspensión 701. El dispositivo está configurado para sustituir a Ia lente condensadora del microscopio. En Ia realización de Ia Figura 10, el dispositivo incluye un sistema de lentes colector 702 que incluye una lente frontal 703 y una o varias lentes internas 704. La función y estructura de Ia lente o sistema de lentes colectoras 702 es similar a Ia lente colectora 110 discutida anteriormente con Ia excepción de que el dispositivo sensor de luz 115, el filtro 113 y Ia lente de relé 114 están integrados con Ia lente colectora 702 para, preferiblemente, formar un único dispositivo. En Ia realización mostrada, el dispositivo sensor de luz 115, tal como un PSD o una cámara, está fijado en un lateral de Ia carcasa 705 que contiene el sistema de lentes colector. En realizaciones alternativas, el dispositivo sensor de luz 115 se fija a Ia carcasa 705 contenedora de Ia lente colectora 702, pero separada una cierta distancia por medio de un soporte u otro medio adecuado. Situada dentro de Ia carcasa 705 se encuentra también una lente de relé 114 que forma Ia imagen de Ia distribución de luz situada en el plano focal trasero 706 sobre el dispositivo sensor de luz 115. Un espejo dicroico 112 redirige Ia luz que proviene de Ia trampa hacia el dispositivo sensor de luz 115, permitiendo simultáneamente que Ia luz de otras longitudes de onda pasen hacia Ia muestra. El filtro 113 se sitúa entre el espejo dicroico 112 y el dispositivo sensor de luz 115 para atenuar Ia luz redirigida e impedir que sature el dispositivo sensor. El dispositivo sensor de luz 115 es preferiblemente conectable a un ordenador u otro dispositivo vía uno o más conectores o cables 708, o a través de una transmisión inalámbrica, para producir medidas de fuerza en un formato legible. La lente colectora 702 está diseñada para ponerse en contacto con Ia cara de salida 701a de Ia cámara de suspensión 701 , a través de un medio de inmersión, tal como agua o aceite, y está diseñado para tener una apertura numérica mayor o igual que el índice de refracción del medio destinado a suspender Ia muestra dentro de Ia cámara 701. En una realización alternativa, un espaciador se puede fijar de manera desmontable a Ia lente colectora 702 o integrarse estructuralmente en Ia carcasa que Ia aloja 705, con Ia función de mantener Ia deseada distancia de trabajo w entre Ia lente colectora y Ia cara de salida 701a de Ia cámara 701.
La Figura 11 ilustra un sistema/dispositivo 720 adaptable para su inserción en el tren óptico de un microscopio, que permite Ia medida de las fuerzas ópticas que actúan sobre una partícula atrapada suspendida en un medio dentro de una cámara de suspensión 701. El dispositivo está configurado para sustituir a Ia lente condensadora del microscopio. En Ia realización de Ia Figura 11 , el dispositivo incluye un sistema de lentes colector 702 que incluye una lente frontal 703 y una o varias lentes internas 704. La función y estructura de Ia lente o sistema de lentes colectoras 702 es similar a Ia lente colectora 110 discutida anteriormente con Ia excepción de que el dispositivo sensor de luz 115, Ia lente de relé 114 y Ia máscara de transmisión 721 están integrados con Ia lente colectora 702 para, preferiblemente, formar un único dispositivo. En Ia realización mostrada, el dispositivo sensor de luz 115, tal como un PSD o una cámara, está fijado en un lateral de Ia carcasa 705 que contiene el sistema de lentes colector. En realizaciones alternativas, el dispositivo sensor de luz 115 se fija a Ia carcasa 705 contenedora de Ia lente colectora 702 pero separada una cierta distancia por medio de un soporte u otro medio adecuado. Situada dentro de Ia carcasa 705 se encuentra también una lente de relé 114 que forma Ia imagen de Ia distribución de luz situada en el plano focal trasero 706 sobre el dispositivo sensor de luz 115. Un espejo dicroico 112 redirige Ia luz que proviene de Ia trampa hacia el dispositivo sensor de luz 115, permitiendo simultáneamente que Ia luz de otras longitudes de onda pasen hacia Ia muestra. La máscara de transmisión 721 , posicionada cerca o preferiblemente sobre el dispositivo sensor de luz 115, se incluye para compensar las pérdidas por reflexión que presumiblemente ocurrirán en Ia cara de salida 701a de Ia cámara de suspensión de muestras 701. El dispositivo sensor de luz 115 es preferiblemente conectable a un ordenador u otro dispositivo vía uno o más conectores o cables 708, o a través de una transmisión inalámbrica, para producir medidas de fuerza en un formato legible. La lente colectora 702 está diseñada para ponerse en contacto con Ia cara de salida 701a de Ia cámara de suspensión 701 , a través de un medio de inmersión, tal como agua o aceite, y está diseñado para tener una apertura numérica mayor o igual que el índice de refracción del medio destinado a suspender Ia muestra dentro de Ia cámara 701. En una realización alternativa, un espaciador se puede fijar de manera desmontable a Ia lente colectora 702 o integrarse estructuralmente en Ia carcasa que Ia aloja 705, con Ia función de mantener Ia deseada distancia de trabajo w entre Ia lente colectora y Ia cara de salida 701a de Ia cámara 701.
La Figura 12 ilustra un sistema/dispositivo 730 adaptable para su inserción en el tren óptico de un microscopio, que permite Ia medida de las fuerzas ópticas que actúan sobre una partícula atrapada suspendida en un medio dentro de una cámara de suspensión 701. El dispositivo está configurado para sustituir a Ia lente condensadora del microscopio. En Ia realización de Ia Figura 12, el dispositivo incluye un sistema de lentes colector 702 que incluye una lente frontal 703 y una o varias lentes internas 704. La función y estructura de Ia lente o sistema de lentes colectoras 702 es similar a Ia lente colectora 110 discutida anteriormente con Ia excepción de que el dispositivo sensor de luz 115, el filtro 113, Ia lente de relé 114 y Ia máscara de transmisión 721 están integrados con Ia lente colectora 702 para, preferiblemente, formar un único dispositivo. En Ia realización mostrada, el dispositivo sensor de luz 115, tal como un PSD o una cámara, está fijado en un lateral de Ia carcasa 705 que contiene el sistema de lentes colector. En realizaciones alternativas, el dispositivo sensor de luz 115 se fija a Ia carcasa 705 contenedora de Ia lente colectora 702 pero separada una cierta distancia por medio de un soporte u otro medio adecuado. Situada dentro de Ia carcasa 705 se encuentra también una lente de relé 114 que forma Ia imagen de Ia distribución de luz situada en el plano focal trasero 706 sobre el dispositivo sensor de luz 115. Un espejo dicroico 112 redirige Ia luz que proviene de Ia trampa hacia el dispositivo sensor de luz 115, permitiendo simultáneamente que Ia luz de otras longitudes de onda pasen hacia Ia muestra. El filtro 113 se sitúa entre el espejo dicroico 112 y el dispositivo sensor de luz 115 para atenuar Ia luz redirigida e impedir que sature el dispositivo sensor. La máscara de transmisión 721 , posicionada cerca o preferiblemente sobre el dispositivo sensor de luz 115, se incluye para compensar las pérdidas por reflexión que presumiblemente ocurrirán en Ia cara de salida 701a de Ia cámara de suspensión de muestras 701. El dispositivo sensor de luz 115 es preferiblemente conectable a un ordenador u otro dispositivo vía uno o más conectores o cables 708, o a través de una transmisión inalámbrica, para producir medidas de fuerza en un formato legible. La lente colectora 702 está diseñada para ponerse en contacto con Ia cara de salida 701a de Ia cámara de suspensión 701 , a través de un medio de inmersión, tal como agua o aceite, y está diseñado para tener una apertura numérica mayor o igual que el índice de refracción del medio destinado a suspender Ia muestra dentro de Ia cámara 701. En una realización alternativa, un espaciador se puede fijar de manera desmontable a Ia lente colectora 702 o integrarse estructuralmente en Ia carcasa que Ia aloja 705, con Ia función de mantener Ia deseada distancia de trabajo w entre Ia lente colectora y Ia cara de salida 701a de Ia cámara 701.
La Figura 13 ilustra un sistema/dispositivo 740 adaptable para su inserción en el tren óptico de un microscopio, que permite Ia medida de las fuerzas ópticas que actúan sobre una partícula atrapada suspendida en un medio dentro de una cámara de suspensión 701. El dispositivo está configurado para sustituir a Ia lente condensadora del microscopio. En Ia realización de Ia Figura 13, el dispositivo incluye un sistema de lentes colector 702 que incluye una lente frontal 703 y una o varias lentes internas 704. La función y estructura de Ia lente o sistema de lentes colectoras 702 es similar a Ia lente colectora 110 discutida anteriormente con Ia excepción de que el dispositivo sensor de luz 115 y el filtro 113 están integrados con Ia lente colectora 702 para, preferiblemente, formar un único dispositivo, estando el dispositivo sensor de luz 115 situado en o cerca del plano focal trasero de Ia lente colectora 702. Un espejo dicroico 112 redirige Ia luz que proviene de Ia trampa hacia el dispositivo sensor de luz 115, permitiendo simultáneamente que Ia luz de otras longitudes de onda pasen hacia Ia muestra. Para trasladar adecuadamente el plano focal trasero al plano del dispositivo sensor de luz, las distancias "s" entre el espejo 112 y el plano focal trasero 706, y entre el espejo 112 y el dispositivo sensor de luz 115, han de hacerse iguales o sustancialmente iguales. El filtro 113 se sitúa entre el espejo dicroico 112 y el dispositivo sensor de luz 115 para atenuar Ia luz redirigida e impedir que sature el dispositivo sensor. El dispositivo sensor de luz 115 es preferiblemente conectable a un ordenador u otro dispositivo vía uno o más conectores o cables 708, o a través de una transmisión inalámbrica, para producir medidas de fuerza en un formato legible. La lente colectora 702 está diseñada para ponerse en contacto con Ia cara de salida 701a de Ia cámara de suspensión 701 , a través de un medio de inmersión, tal como agua o aceite, y está diseñado para tener una apertura numérica mayor o igual que el índice de refracción del medio destinado a suspender Ia muestra dentro de Ia cámara 701. En una realización alternativa, un espaciador se puede fijar de manera desmontable a Ia lente colectora 702 o integrarse estructuralmente en Ia carcasa que Ia aloja 705, con Ia función de mantener Ia deseada distancia de trabajo w entre Ia lente colectora y Ia cara de salida 701a de Ia cámara 701.
La Figura 14 ilustra un sistema/dispositivo 750 adaptable para su inserción en el tren óptico de un microscopio, que permite Ia medida de las fuerzas ópticas que actúan sobre una partícula atrapada suspendida en un medio dentro de una cámara de suspensión 701. El dispositivo está configurado para sustituir a Ia lente condensadora del microscopio. En Ia realización de Ia Figura 14, el dispositivo incluye un sistema de lentes colector 702 que incluye una lente frontal 703 y una o varias lentes internas 704. La función y estructura de Ia lente o sistema de lentes colectoras 702 es similar a Ia lente colectora 110 discutida anteriormente con Ia excepción de que el dispositivo sensor de luz 115 y una máscara de transmisión 721 están integrados con Ia lente colectora 702 para, preferiblemente, formar un único dispositivo, estando el dispositivo sensor de luz 115 situado en o cerca del plano focal trasero de Ia lente colectora 702. Un espejo dicroico 112 redirige Ia luz que proviene de Ia trampa hacia el dispositivo sensor de luz 115, permitiendo simultáneamente que Ia luz de otras longitudes de onda pasen hacia Ia muestra. Para trasladar adecuadamente el plano focal trasero al plano del dispositivo sensor de luz, las distancias "s" entre el espejo 112 y el plano focal trasero 706, y entre el espejo 112 y el dispositivo sensor de luz 115, han de hacerse iguales o sustancialmente iguales. La máscara de transmisión 721 , posicionada cerca o preferiblemente sobre el dispositivo sensor de luz 115, se incluye para compensar las pérdidas por reflexión que presumiblemente ocurrirán en Ia cara de salida 701a de Ia cámara de suspensión de muestras 701. El dispositivo sensor de luz 115 es preferiblemente conectable a un ordenador u otro dispositivo vía uno o más conectores o cables 708, o a través de una transmisión inalámbrica, para producir medidas de fuerza en un formato legible. La lente colectora 702 está diseñada para ponerse en contacto con Ia cara de salida 701a de Ia cámara de suspensión 701 , a través de un medio de inmersión, tal como agua o aceite, y está diseñado para tener una apertura numérica mayor o igual que el índice de refracción del medio destinado a suspender Ia muestra dentro de Ia cámara 701. En una realización alternativa, un espaciador se puede fijar de manera desmontable a Ia lente colectora 702 o integrarse estructuralmente en Ia carcasa que Ia aloja 705, con Ia función de mantener Ia deseada distancia de trabajo w entre Ia lente colectora y Ia cara de salida 701a de Ia cámara 701.
La Figura 15 ilustra un sistema/dispositivo 760 adaptable para su inserción en el tren óptico de un microscopio, que permite Ia medida de las fuerzas ópticas que actúan sobre una partícula atrapada suspendida en un medio dentro de una cámara de suspensión 701. El dispositivo está configurado para sustituir a Ia lente condensadora del microscopio. En Ia realización de Ia Figura 15, el dispositivo incluye un sistema de lentes colector 702 que incluye una lente frontal 703 y una o varias lentes internas 704. La función y estructura de Ia lente o sistema de lentes colectoras 702 es similar a Ia lente colectora 110 discutida anteriormente con Ia excepción de que el dispositivo sensor de luz 115, un filtro 113 y una máscara de transmisión 721 están integrados con Ia lente colectora 702 para, preferiblemente, formar un único dispositivo, estando el dispositivo sensor de luz 115 situado en o cerca del plano focal trasero de Ia lente colectora 702. Un espejo dicroico 112 redirige Ia luz que proviene de Ia trampa hacia el dispositivo sensor de luz 115, permitiendo simultáneamente que Ia luz de otras longitudes de onda pasen hacia Ia muestra. Para trasladar adecuadamente el plano focal trasero al plano del dispositivo sensor de luz, las distancias "s" entre el espejo 112 y el plano focal trasero 706, y entre el espejo 112 y el dispositivo sensor de luz 115, han de hacerse iguales o sustancialmente iguales. El filtro 113 se sitúa entre el espejo dicroico 112 y el dispositivo sensor de luz 115 para atenuar Ia luz redirigida e impedir que sature el dispositivo sensor. La máscara de transmisión 721 , posicionada cerca o preferiblemente sobre el dispositivo sensor de luz 115, se incluye para compensar las pérdidas por reflexión que presumiblemente ocurrirán en Ia cara de salida 701a de Ia cámara de suspensión de muestras 701. El dispositivo sensor de luz 115 es preferiblemente conectable a un ordenador u otro dispositivo vía uno o más conectores o cables 708, o a través de una transmisión inalámbrica, para producir medidas de fuerza en un formato legible. La lente colectora 702 está diseñada para ponerse en contacto con Ia cara de salida 701a de Ia cámara de suspensión 701 , a través de un medio de inmersión, tal como agua o aceite, y está diseñado para tener una apertura numérica mayor o igual que el índice de refracción del medio destinado a suspender Ia muestra dentro de Ia cámara 701. En una realización alternativa, un espaciador se puede fijar de manera desmontable a Ia lente colectora 702 o integrarse estructuralmente en Ia carcasa que Ia aloja 705, con Ia función de mantener Ia deseada distancia de trabajo w entre Ia lente colectora y Ia cara de salida 701a de Ia cámara 701.
Volviendo de nuevo a Ia Figura 1 , es importante hacer notar que el sistema 100 puede no incluir todos y cada uno de los elementos mostrados. Además, otras combinaciones de elementos y/o componentes pueden constituir un sistema o dispositivo para medir las fuerzas ópticas que actúan sobre una partícula, sin por ello desviarse de Ia cobertura y del alcance de Ia presente invención. En una realización, el sistema puede comprender Ia fuente de luz 101 , Ia cámara 109, Ia lente objetivo de atrapamiento de alta apertura numérica 107, Ia lente colectora 110 con apertura numérica mayor o igual que el índice de refracción del medio de suspensión destinado a suspender Ia muestra dentro de Ia cámara, y un dispositivo sensor de luz situado en o cerca del plano focal trasero de Ia lente colectora, o en un equivalente óptico del mismo. Los componentes 102, 104, 105, 112, 114, 130 y 132, pueden individualmente o en combinación con otro u otros componentes, ser omitidos del sistema. Por ejemplo, no es necesario que el sistema se integre en el tren óptico de un microscopio. En tales sistemas, Ia fuente láser 101 y el dispositivo sensor de luz pueden alinearse de manera directa con los ejes ópticos del objetivo de atrapamiento 107 y de Ia lente colectora 110, obviando de ese modo Ia necesidad de utilizar los dicroicos 105 y 112. Adicionalmente se contempla Ia posibilidad de que pueda construirse una fuente láser 101 que produzca un haz de luz colimado y/o con polarización circular, capaz de cubrir exactamente o rebasar ligeramente de manera directa Ia pupila de entrada 106 del objetivo de atrapamiento 107, sin necesidad de uno o más de los componentes 102, 103, 130, 132 y 104. Se contempla que componentes o características adicionales puedan ser añadidos al sistema 100 para mejorar sus capacidades sin por ello desviarse del espíritu y alcance de Ia presente invención.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Sistema que comprende: una fuente láser para generar un único haz de luz, una cámara para contener una partícula en un medio de suspensión, una lente objetivo de atrapamiento de alta apertura numérica para focalizar el haz de luz sobre Ia partícula, de tal manera que se consiga que los fotones del haz de luz atrapen Ia partícula mediante el uso de fuerzas de gradiente elevadas, una lente o sistema de lentes colectora única posicionada para capturar en Ia semiesfera superior de Ia partícula tanto los fotones deflectados como no deflectados por Ia partícula, teniendo Ia lente colectora una apertura numérica mayor o igual que el índice de refracción de un medio de suspensión destinado a suspender Ia partícula en Ia cámara; y un dispositivo sensor de luz posicionado en o cerca del plano focal trasero de Ia lente colectora, o de un equivalente óptico del mismo.
2. Sistema según Ia reivindicación 1 , donde Ia fuente de luz es una fuente de luz láser de alta potencia.
3. Sistema según Ia reivindicación 1 , donde Ia lente colectora tiene una apertura numérica entre aproximadamente 1.32 y aproximadamente 1.40.
4. Sistema según Ia reivindicación 1 , donde Ia lente objetivo tiene una apertura numérica entre aproximadamente 0.90 y aproximadamente 1.40.
5. Sistema según Ia reivindicación 1 , donde el haz de luz producido por Ia fuente de luz tiene polarización lineal, comprendiendo el aparato además una lámina de media onda colocada entre Ia fuente de luz y Ia lente objetivo de atrapamiento, para convertir Ia polarización lineal en circular o en sustancialmente circular.
6. Sistema según Ia reivindicación 1 , donde el dispositivo sensor de luz es un dispositivo sensor de posición o una cámara.
7. Sistema según Ia reivindicación 6, donde el dispositivo sensor de posiciones es del tipo duolateral, generando dos señales eléctricas proporcionales a las coordenadas x e y del centro de masas de Ia distribución de luz proyectada en el dispositivo sensor de posiciones.
8. Sistema según Ia reivindicación 1 , que además comprende un filtro colocado entre Ia lente frontal del sistema de lentes colector y el dispositivo sensor de luz para impedir Ia saturación del dispositivo sensor de luz.
9. Sistema según Ia reivindicación 1 , donde Ia cámara posee una cara de salida, el aparato además comprende una máscara que, actuando por transmisión, y colocada cerca o pegada al dispositivo sensor de luz, compensa las pérdidas por reflexión producidas en Ia cara de salida.
10. Sistema según Ia reivindicación 1 , que demás comprende una lente auxiliar o de relé para generar una copia de Ia distribución de luz en o cerca del plano focal trasero de Ia lente colectora sobre el dispositivo sensor de luz.
11. Sistema según Ia reivindicación 1 , donde Ia lente objetivo de atrapamiento tiene una pupila de entrada, el aparato además comprende una o más lentes colocadas entre Ia fuente de luz y Ia pupila de entrada, dicha lente o lentes configuradas para modificar el diámetro del haz de luz para cubrir exactamente o rebasar ligeramente el diámetro de Ia pupila de entrada de Ia lente objetivo de atrapamiento.
12. Sistema según Ia reivindicación 1 , donde Ia cámara posee una cara de salida con una propiedad antireflejante que minimiza las reflexiones de los fotones luminosos en dicha cara de salida.
13. Sistema según Ia reivindicación 12, donde Ia propiedad antireflejante hace que Ia pérdida de fotones debida a Ia reflexión en Ia cara de salida permanezca constante en cualquier punto de dicha cara de salida, independientemente del ángulo de incidencia de los fotones que llegan a ese punto.
14. Sistema según Ia reivindicación 1 , donde el dispositivo sensor de luz es capaz, directa o indirectamente, de producir medidas de Ia fuerza óptica que actúa sobre Ia partícula, derivadas de las coordenadas x e y del centro de masas de Ia distribución de luz proyectada sobre el dispositivo sensor de luz.
15. Sistema según Ia reivindicación 1 , donde el dispositivo sensor de luz es capaz de generar una imagen computerizada correspondiente a Ia imagen óptica del plano focal trasero de Ia lente colectora, siendo esta imagen procesable para obtener medidas de fuerza óptica sobre Ia partícula.
16. Sistema según Ia reivindicación 1 que además comprende un espaciador dispuesto para mantener una distancia de trabajo particular entre Ia muestra y Ia lente frontal del sistema de lentes colector.
17. Método para medir las fuerzas ópticas que actúan sobre una partícula que comprende: suspender Ia partícula en un medio de suspensión dentro de una cámara, focalizar un haz único de luz sobre Ia partícula de tal manera que se consiga que los fotones del haz de luz atrapen Ia partícula mediante el uso de fuerzas de gradiente elevadas, capturar en Ia semiesfera superior de Ia partícula tanto los fotones deflectados como no deflectados por Ia partícula por una única lente o sistema de lentes colectoras, teniendo el sistema colector una apertura numérica mayor o igual que el índice de refracción del medio de suspensión; y dirigir los fotones recogidos hacia un dispositivo sensor de luz posicionado en o cerca del plano focal trasero de Ia lente colectora, o de un equivalente óptico del mismo.
18. Método según Ia reivindicación 17 que además comprende generar señales eléctricas proporcionales a las coordenadas x e y del centro de masas de Ia distribución de luz proyectada sobre el dispositivo sensor de luz.
19. Método según Ia reivindicación 17, donde al haz de luz focalizado sobre Ia partícula se Ie induce una polarización circular o sustancialmente circular.
20. Método según Ia reivindicación 17, donde Ia cámara posee una cara de entrada y una cara de salida, estando Ia partícula suspendida más cerca de Ia cara de salida que de Ia de entrada.
21. Método según Ia reivindicación 17, donde el equivalente óptico del plano focal trasero es generado por una lente auxiliar o de relé colocada entre Ia lente colectora y el dispositivo sensor de luz.
22. Método según Ia reivindicación 17, donde Ia cámara posee una cara de salida, comprendiendo el método además Ia compensación de las pérdidas por reflexión en Ia cara de salida, mediante una máscara de transmisión no uniforme colocada en o cerca del plano focal trasero o en un equivalente del mismo.
23. Método según Ia reivindicación 17, donde Ia cámara posee una cara de salida, el método además comprende Ia compensación de las pérdidas por reflexión en Ia cara de salida, mediante el uso de un material antireflejante fijado o incorporado a Ia cara de salida.
24. Método según Ia reivindicación 17, donde Ia cámara posee una cara de salida, el método además comprende Ia provisión de que Ia pérdida de fotones debida a Ia reflexión en Ia cara de salida permanezca constante en cualquier punto de dicha cara de salida, independientemente del ángulo de incidencia de los fotones que llegan a ese punto.
25. Método según Ia reivindicación 17, donde Ia lente objetivo de atrapamiento tiene una pupila de entrada, el método además comprende Ia provisión de cubrir exactamente o rebasar ligeramente el diámetro de Ia pupila de entrada de Ia lente objetivo de atrapamiento, modificando el diámetro del haz de luz dirigido a dicha pupila de entrada.
26. Método según Ia reivindicación 17, donde los fotones recogidos se dirigen a un dispositivo sensor de posiciones o a una cámara, formando una imagen óptica en el dispositivo sensor de luz que corresponde con Ia imagen óptica en o cerca del plano focal trasero de Ia lente colectora.
27. Sistema adaptable para su inserción en el tren óptico de un microscopio óptico, configurado para atrapar con un único haz de luz una partícula suspendida en un medio de suspensión entre Ia cara de entrada y Ia cara de salida de una cámara, comprendiendo el sistema: una única lente o sistema de lentes colectoras que se emplaza en o cerca de Ia cara de salida de Ia cámara de suspensión para capturar en Ia semiesfera superior de Ia partícula tanto los fotones deflectados como no deflectados por Ia partícula, siendo Ia apertura numérica de Ia lente colectora mayor o igual que el índice de refracción del medio de suspensión destinado a suspender Ia partícula en Ia cámara; y un dispositivo sensor de luz posicionado en o cerca del plano focal trasero de Ia lente colectora, o de un equivalente óptico del mismo, siendo el dispositivo sensor capaz, directa o indirectamente, de producir medidas de Ia fuerza óptica que actúa sobre Ia partícula, derivadas de las coordenadas x e y del centro de masas de Ia distribución de luz proyectada sobre el dispositivo sensor de luz.
28. Sistema según Ia reivindicación 27, donde el dispositivo sensor de luz es capaz de generar señales eléctricas proporcionales a las coordenadas x e y del centro de masas de Ia distribución de luz proyectada en el dispositivo sensor de posiciones.
29. Sistema según Ia reivindicación 27, donde el dispositivo sensor de luz es capaz de generar una imagen computerizada correspondiente a Ia imagen óptica del plano focal trasero de Ia lente colectora, siendo esta imagen procesable para obtener medidas de fuerza óptica sobre Ia partícula.
30. Sistema según Ia reivindicación 27, donde el dispositivo sensor de luz es un dispositivo sensor de posiciones o una cámara.
31. Sistema según Ia reivindicación 27, que además comprende una lente auxiliar o de relé colocada entre Ia lente colectora y el dispositivo sensor de luz para generar un equivalente óptico del plano focal trasero.
32. Sistema según Ia reivindicación 27, que además comprende un filtro colocado entre Ia lente frontal del sistema de lentes colector y el dispositivo sensor de luz para impedir Ia saturación del dispositivo sensor de luz.
33. Sistema según Ia reivindicación 27, donde Ia lente colectora tiene una apertura numérica entre aproximadamente 1.32 y aproximadamente 1.40.
34. Sistema según Ia reivindicación 27, que además comprende una máscara que, actuando por transmisión, y colocada cerca o pegada al dispositivo sensor de luz, compensa las pérdidas por reflexión producidas en Ia cara de salida.
35. Sistema según Ia reivindicación 30, donde el dispositivo sensor de posiciones es del tipo duolateral, generando dos señales eléctricas proporcionales a las coordenadas x e y del centro de masas de Ia distribución de luz proyectada en el dispositivo sensor de posiciones.
36. Sistema según Ia reivindicación 27, donde Ia lente colectora es una lente de inmersión en aceite o una lente de inmersión en agua.
37.Sistema según Ia reivindicación 27, donde Ia lente colectora y el dispositivo sensor de luz están integrados en un único dispositivo.
38. Sistema según Ia reivindicación 27, donde Ia lente colectora, Ia lente de relé y el dispositivo sensor de luz están integrados en un único dispositivo.
39. Sistema según Ia reivindicación 27, donde Ia lente colectora, el filtro y el dispositivo sensor de luz están integrados en un único dispositivo.
40. Sistema según Ia reivindicación 27, donde Ia lente colectora, Ia máscara que actúa por transmisión y el dispositivo sensor de luz están integrados en un único dispositivo.
41. Sistema adaptable para su inserción en el tren óptico de un microscopio óptico, configurado para atrapar con un único haz de luz una partícula suspendida en un medio de suspensión entre Ia cara de entrada y Ia cara de salida de una cámara, comprendiendo el sistema:
una única lente o sistema de lentes colectoras que se emplaza en o cerca de Ia cara de salida de Ia cámara de suspensión para capturar en Ia semiesfera superior de Ia partícula tanto los fotones deflectados como no deflectados por Ia partícula, siendo Ia apertura numérica de Ia lente colectora mayor o igual que el índice de refracción del medio de suspensión destinado a suspender Ia partícula en Ia cámara, un dispositivo sensor de luz posicionado en o cerca del plano focal trasero de Ia lente colectora, o de un equivalente óptico del mismo, siendo el dispositivo sensor capaz, directa o indirectamente, de producir medidas de Ia fuerza óptica que actúa sobre Ia partícula, derivadas de las coordenadas x e y del centro de masas de Ia distribución de luz proyectada sobre el dispositivo sensor de luz, una lente auxiliar o de relé, posicionada entre Ia lente colectora y el dispositivo sensor de luz para crear el equivalente óptico del plano focal trasero; y un filtro posicionado entre Ia lente colectora y el dispositivo sensor de luz para prevenir Ia saturación del dispositivo sensor de luz.
42. Sistema según Ia reivindicación 41 , donde Ia lente colectora, Ia lente de relé, el filtro y el dispositivo sensor de luz están integrados en un único dispositivo.
43. Sistema adaptable para su inserción en el tren óptico de un microscopio óptico, configurado para atrapar con un único haz de luz una partícula suspendida en un medio de suspensión entre Ia cara de entrada y Ia cara de salida de una cámara, comprendiendo el sistema:
una única lente o sistema de lentes colectora que se emplaza en o cerca de Ia cara de salida de Ia cámara de suspensión para capturar en Ia semiesfera superior de Ia partícula tanto los fotones deflectados como no deflectados por Ia partícula, siendo Ia apertura numérica de Ia lente colectora mayor o igual que el índice de refracción del medio de suspensión destinado a suspender Ia partícula en Ia cámara, un dispositivo sensor de luz posicionado en o cerca del plano focal trasero de Ia lente colectora, o de un equivalente óptico del mismo, siendo el dispositivo sensor capaz, directa o indirectamente, de producir medidas de Ia fuerza óptica que actúa sobre Ia partícula, derivadas de las coordenadas x e y del centro de masas de Ia distribución de luz proyectada sobre el dispositivo sensor de luz, una lente auxiliar o de relé, posicionada entre Ia lente colectora y el dispositivo sensor de luz para crear el equivalente óptico del plano focal trasero; y una máscara que, actuando por transmisión, y colocada cerca o pegada al dispositivo sensor de luz, compensa las pérdidas por reflexión producidas en Ia cámara.
44. Sistema según Ia reivindicación 43, donde Ia lente colectora, Ia lente de relé, Ia máscara que actúa por transmisión y el dispositivo sensor de luz están integrados en un único dispositivo.
45. Sistema adaptable para su inserción en el tren óptico de un microscopio óptico, configurado para atrapar con un único haz de luz una partícula suspendida en un medio de suspensión entre Ia cara de entrada y Ia cara de salida de una cámara, comprendiendo el sistema:
una única lente o sistema de lentes colectoras que se emplaza en o cerca de Ia cara de salida de Ia cámara de suspensión para capturar en Ia semiesfera superior de Ia partícula tanto los fotones deflectados como no deflectados por Ia partícula, siendo Ia apertura numérica de Ia lente colectora mayor o igual que el índice de refracción del medio de suspensión destinado a suspender Ia partícula en Ia cámara, un dispositivo sensor de luz posicionado en o cerca del plano focal trasero de Ia lente colectora, o de un equivalente óptico del mismo, siendo el dispositivo sensor de luz capaz, directa o indirectamente, de producir medidas de Ia fuerza óptica que actúa sobre Ia partícula, derivadas de las coordenadas x e y del centro de masas de Ia distribución de luz proyectada sobre el dispositivo sensor de luz, una lente auxiliar o de relé, posicionada entre Ia lente colectora y el dispositivo sensor de luz para crear el equivalente óptico del plano focal trasero un filtro posicionado entre Ia lente colectora y el dispositivo sensor de luz para prevenir Ia saturación del dispositivo sensor de luz; y una máscara que, actuando por transmisión, y colocada cerca o pegada al dispositivo sensor de luz, compensa las pérdidas por reflexión producidas en Ia cámara.
46. Sistema según Ia reivindicación 45, donde Ia lente colectora, Ia lente de relé, el filtro, Ia máscara que actúa por transmisión y el dispositivo sensor de luz están integrados en un único dispositivo.
47. Sistema adaptable para su inserción en el tren óptico de un microscopio óptico, configurado para atrapar con un único haz de luz una partícula suspendida en un medio de suspensión entre Ia cara de entrada y Ia cara de salida de una cámara, comprendiendo el sistema:
una única lente o sistema de lentes colectoras que se emplaza en o cerca de Ia cara de salida de Ia cámara de suspensión para capturar en Ia semiesfera superior de Ia partícula tanto los fotones deflectados como no deflectados por Ia partícula, siendo Ia apertura numérica de Ia lente colectora mayor o igual que el índice de refracción del medio de suspensión destinado a suspender Ia partícula en Ia cámara, un dispositivo sensor de luz posicionado en o cerca del plano focal trasero de Ia lente colectora, siendo el dispositivo sensor capaz, directa o indirectamente, de producir medidas de Ia fuerza óptica que actúa sobre Ia partícula, derivadas de las coordenadas x e y del centro de masas de Ia distribución de luz proyectada sobre el dispositivo sensor de luz; y un filtro posicionado entre Ia lente colectora y el dispositivo sensor de luz para prevenir Ia saturación del dispositivo sensor de luz.
48. Sistema según Ia reivindicación 47, donde Ia lente colectora, el filtro y el dispositivo sensor de luz están integrados en un único dispositivo.
49. Sistema adaptable para su inserción en el tren óptico de un microscopio óptico, configurado para atrapar con un único haz de luz una partícula suspendida en un medio de suspensión entre Ia cara de entrada y Ia cara de salida de una cámara, comprendiendo el sistema:
una única lente o sistema de lentes colectoras que se emplaza en o cerca de Ia cara de salida de Ia cámara de suspensión para capturar en Ia semiesfera superior de Ia partícula tanto los fotones deflectados como no deflectados por Ia partícula, siendo Ia apertura numérica de Ia lente colectora mayor o igual que el índice de refracción del medio de suspensión destinado a suspender Ia partícula en Ia cámara, un dispositivo sensor de luz posicionado en o cerca del plano focal trasero de Ia lente colectora, siendo el dispositivo sensor capaz, directa o indirectamente, de producir medidas de Ia fuerza óptica que actúa sobre Ia partícula, derivadas de las coordenadas x e y del centro de masas de Ia distribución de luz proyectada sobre el dispositivo sensor de luz; y una máscara que, actuando por transmisión, y colocada cerca o pegada al dispositivo sensor de luz, compensa las pérdidas por reflexión producidas en Ia cámara.
50. Sistema según Ia reivindicación 49, donde Ia lente colectora, Ia máscara que actúa por transmisión y el dispositivo sensor de luz están integrados en un único dispositivo.
51. Sistema adaptable para su inserción en el tren óptico de un microscopio óptico, configurado para atrapar con un único haz de luz una partícula suspendida en un medio de suspensión entre Ia cara de entrada y Ia cara de salida de una cámara, comprendiendo el sistema:
una única lente o sistema de lentes colectoras que se emplaza en o cerca de Ia cara de salida de Ia cámara de suspensión para capturar en Ia semiesfera superior de Ia partícula tanto los fotones deflectados como no deflectados por Ia partícula, siendo Ia apertura numérica de Ia lente colectora mayor o igual que el índice de refracción del medio de suspensión destinado a suspender Ia partícula en Ia cámara, un dispositivo sensor de luz posicionado en o cerca del plano focal trasero de Ia lente colectora, siendo el dispositivo sensor capaz, directa o indirectamente, de producir medidas de Ia fuerza óptica que actúa sobre Ia partícula, derivadas de las coordenadas x e y del centro de masas de Ia distribución de luz proyectada sobre el dispositivo sensor de luz un filtro posicionado entre Ia lente colectora y el dispositivo sensor de luz para prevenir Ia saturación del dispositivo sensor de luz; y una máscara que, actuando por transmisión, y colocada cerca o pegada al dispositivo sensor de luz, compensa las pérdidas por reflexión producidas en Ia cámara.
52. Sistema según Ia reivindicación 51 , donde Ia lente colectora, el filtro, Ia máscara que actúa por transmisión y el dispositivo sensor de luz están integrados en un único dispositivo.
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