High-speed tunable photonic crystal fiber-based femtosecond soliton source without dispersion pre-compensation

We present a high-speed wavelength tunable photonic crystal fiber-based source capable of generating tunable femtosecond solitons in the infrared region. Through measurements and numerical simulation, we show that both the pulsewidth and the spectral width of the output pulses remain nearly constant over the entire tuning range from 860 to 1160 nm. This remarkable behavior is observed even when pump pulses are heavily chirped (7400 fs^2), which allows to avoid bulky compensation optics, or the use of another fiber, for dispersion compensation usually required by the tuning device.Comment: 8 pages, 11 figure

Biosensado basado en modulación de fluorescencia por calentamiento plasmónico de nanovarillas de oro

ResumenDebido a su carácter poco invasivo, la microscopía óptica es el método de elección para la investigación de procesos celulares. En particular las modalidades basadas en fluorescencia han tenido grandes avances en los últimos años, incluyendo la detección de moléculas individuales y los métodos de super- resolución [1-3]. Sin embargo, una de las grandes limitaciones de esta técnica es el lograr discriminar la señal de interés de contribuciones de fondo como la autofluorescencia o la marcación inespecífica [4]. Un enfoque reciente para abordar este problema consiste en utilizar sondas fluorescentes cuya emisión pueda modularse de manera específica. De este modo es posible usar esquemas de detección que filtren y amplifiquen las componentes de la señal a la frecuencia modulada [4,5]. En este trabajo investigamos esta posibilidad en sondas híbridas compuestas de nano-varillas de oro y fluoróforos orgánicos. Caracterizamos su funcionamiento como sondas fluorescentes modulables y evaluamos su posible aplicación para biosensado homogéneo.Biosensing based on modulation of fluorescence by plasmonic heating of gold nanorods. Due to its low invasive character, optical microscopy is the method of choice for the investigation of cellular processes. In particular, modalities based on fluorescence have shown a tremendous development, including the detection and tracking of single molecules and the super-resolution techniques. [1-3]. However, fluorescence methods find limitations in complex systems where background contributions such as auto-fluorescence or unspecific labelling become non-negligible [4]. A recent approach to tackle this problem consists of using fluorescent probes whose emission could be modulated specifically. In this way, highly sensitive detection schemes that filter and amplify the signal components at the modulation frequency are possible [4-5]. In this work we investigate this possibility using hybrid fluorescent probes made of gold nanorods and organic fluorophores. We characterize their performance as modular fluorescent probes and examine their application for homogeneous biosensing.Fil: Pellegrotti, Jesica Vanesa. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Centro de Investigaciones en Bionanociencias "Elizabeth Jares Erijman"; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; ArgentinaFil: Caldarola, Martín. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Kreuzer, Mark Patrick. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Centro de Investigaciones en Bionanociencias "Elizabeth Jares Erijman"; ArgentinaFil: Cortés, Emiliano. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Centro de Investigaciones en Bionanociencias "Elizabeth Jares Erijman"; ArgentinaFil: Bordenave, Martín Diego. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Centro de Investigaciones en Bionanociencias "Elizabeth Jares Erijman"; ArgentinaFil: Sánchez, Alfredo Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Centro de Investigaciones en Bionanociencias "Elizabeth Jares Erijman"; ArgentinaFil: Ojea, Ignacio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Investigaciones Matemáticas "Luis A. Santaló". Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Investigaciones Matemáticas "Luis A. Santaló"; ArgentinaFil: Bragas, Andrea Veronica. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Stefani, Fernando Daniel. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Centro de Investigaciones en Bionanociencias "Elizabeth Jares Erijman"; Argentin

Design and application of advanced microscopies for problems in cellular mechanotransduction and nanoplasmonics

El estudio de problemas que requieren resolución espacial y especificidad química, en condiciones físico-químicas o biológicas altamente controladas, demanda el desarrollo de herramientas específicas, novedosas, versátiles y de plataforma abierta que permitan la libre elección y control de los parámetros relevantes al problema en cuestión. En esta Tesis se han encarado problemas en campos diversos como son la biofísica y la nanofotónica, pero que utilizan una misma plataforma de microscopía avanzada, adaptada especialmente para cada aplicación. En el campo de la biofísica, se estudió la dinámica de formación y remodelado de adhesiones focales (FA). Las FAs son complejos multiproteicos que sirven a la célula como puntos de anclaje en la matriz extracelular. Su proceso de formación consta de distintas etapas y escalas temporales que dependen sustancialmente de las fuerzas aplicadas a la célula. Para poder estudiar y entender este complejo proceso, altamente dinámico, es necesario realizar mediciones precisas de las fuerzas involucradas y poder correlacionarlas con la respuesta bioquímica de la célula. Se presenta una técnica que permite obtener información cuantitativa de la respuesta de células vivas a estímulos mecánicos locales y con especificidad molecular, basada en la combinación de un microscopio de fuerza atómica (AFM), con un microscopio óptico de fluorescencia. Con esta técnica se estudiaron proteínas citosólicas presentes en las adhesiones focales, tales como vinculina, FAK y zixina. Se observó la formación de una adhesión focal naciente en el caso de la vinculina, se cuantificó el tiempo de reclutamiento para la FAK y se estudió la distribución espacial de la zixina en adhesiones focales maduras. Estos resultados muestran la utilidad de este desarrollo para el estudio de procesos biofísicos complejos involucrados en la mecanotransducción celular. En el campo de la nanofotónica y en particular de la nanoplasmónica, las llamadas nanoantenas metálicas han sido ampliamente utilizadas en los últimos años para intensificar y confinar la luz en volúmenes muy pequeños. Sus diversas aplicaciones van desde el sensado molecular hasta las microscopías de alta resolución. La intensificación local del campo electromagnético se debe a la excitación resonante de los llamados plasmones superficiales en los metales nanoestructurados. Sin embargo, uno de los problemas fundamentales de este esquema consiste en la altísima generación de calor en la nanoesacala, producida por la excitación resonante. La plataforma multifunción desarrollada en esta Tesis admite ser utilizada en la configuración de microscopio confocal de doble haz, que permite el control independiente de la generación de calor en la nanoantena, producido por uno de esos haces. La mencionada configuración fue utilizada en dos problemas de nanoplasmónica relacionados: A) el desarrollo y prueba de principios de un nuevo esquema de sensado molecular, que utiliza como mecanismo de sensado el calentamiento plasmónico de nanocilindros de oro y la consecuente dependencia de la intensidad de fluorescencia con la temperatura. B) El desarrollo de un método de mapeo térmico de alta resolución basado en la disminución de la intensidad de fluorescencia de un film polimérico dopado con moléculas fluorescentes y depositado sobre la muestra a estudiar. Con este método se estudió y comparó el desempeño de nanoantenas plasmónicas metálicas y semiconductoras, arrojando como resultado que las semiconductoras alcanzan menores temperaturas que las metálicas. Esto demuestra que las nanoantenas semiconductoras podrían utilizarse en esquemas de sensado ultrasensible, como ser SERS, sin afectar la muestra por calentamiento. Finalmente, se construyó y caracterizó una fuente de luz solitónica sintonizable por potencia, basada en una fibra óptica de cristal fotónico (PCF), que sirve como fuente de luz alternativa para el microscopio confocal. Se mostró que el ancho de pulso de los solitones se mantiene constante para todo el rango de sintonizabilidad (860-1200 nm) en un valor de 45 fs. También se muestra la robustez de esta fuente de luz ante variaciones del chirp del pulso de entrada. Las particulares características de esta fuente de luz, principalmente su amplia y rápida sintonizabilidad, abre diversas alternativas para el estudio de propiedades físico-químicas de materiales así como propiedades bioquímicas en sistemas biológicos. Palabras clave: Microscopías ópticas de fluorescencia. Microscopía de Fuerza Atómica. Mecanotransducción celular. Nano-antenas. Solitones en fibras ópticas de cristal fotónico.The study of problems that require both spatial resolution and chemical specificity demands the development of specific and adaptable tools for the relevant variables of each problem. In this thesis we have studied two problems from different fields such as biophysics and nanophotonics, using the same platform of advanced microscopy. In the biophysics field, we studied the dynamics of formation and remodeling of Focal Adhesions (FA). FAs are multiprotein complex the cell creates to anchor to the extra cellular matrix. This adhesion process is a highly dynamic force-dependent process that evolves at several temporal scales. An understanding of this process requires precise measurements of forces and its correlation with the biochemical responses in living cells. We present a method that allows to access quantitatively information about live cell responses when a controlled, local and specific mechanical stimulus is applied to live cells. This approach combines atomic force microscopy (AFM) with fluorescence imaging. Using this combined technique, we studied the recruitment of adhesion proteins such as vinculin, FAK and zyxin triggered by applying forces in the nN regime. We observed the development of a nascent adhesion site, which was evident from the accumulation of vinculin at the position where the force was applied. In addition, we quantified the recruitment time for FAK in the formation of a new adhesion site, and analyzed the zyxin spatial distribution remodeling in mature focal adhesion as a function of the applied force. We have demonstrated that this method is a useful tool for the study of a variety of complex biological processes involved in cellular mechanotransduction. In nanophotonics and particularly in nanoplasmonics field, we studied metallic nanoantennas, which have recently been widely used to enhance and confine light in nanometric volumes. Nanoantennas have been proved to be useful in a variety of applications that range from molecular sensing to high resolution microscopies. The local field enhancement is due to so called plasmonic resonances, produced by the collective oscillation of the conducting electrons in metals. However, there is a fundamental problem with this scheme: metallic structures suffer from ohmic losses, leading heating of the structure and its local environment. The multipropose platform developed in this thesis includes a dual beam confocal microscope, which allows the use of one laser to control the heat generation independently from the fluorescence excitation. This configuration was used in two related nanopalsmonic problems: A) the development and proof of principles of a new molecular sensing scheme, based in the plasmonic heating of gold nanorods and its consequent decrease in the fluorescence intensity. B) The development of a method of thermal mapping based in the decrease of fluorescence intensity with increasing temperature, using a polimeric thin film with fluorophores embedded deposited on the samples. We compared the temperature increase in gold and silicon nanoantennas when they are illuminated by a near infrared laser and we show lower temperature increase in the semiconductor structures. This fact demonstrates that semiconductor nanoantennas, unlike the metallic, can be used in ultra-sensitive schemes such as SERS without heating the sample. In addition, we built and characterized a high-speed wavelength tunable photonic crystal fiber-based source, capable of generating tunable femtosecond solitons in the infrared region. This unique light source can be used as an alternative excitation source for the confocal configuration. Through measurements and numerical simulation, we show that both the pulsewidth and the spectral width of the output pulses remain nearly constant over the entire tuning range (860 to 1200 nm). We also show that this source is insensitive to chip variations in the pump pulse, even in the case of heavily chirped pulses. All these remarkable properties open up diverse alternatives to study physical and chemical properties of materials as well as biochemical properties in biological systems. Key words: Optical fluorescence Microscopy. Atomic Force Microscopy. Cellular mechanotransduction. Nanoantennas. Solitons in pohtonic crystal fibers.Fil:Caldarola, Martín. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina

Single molecules and single nanoparticles as windows to the nanoscale

Since the first optical detection of single molecules, they have been used as nanometersized optical sensors to explore the physical properties of materials and light-matter interaction at the nanoscale. Understanding nanoscale properties of materials is fundamental for the development of new technology that requires precise control of atoms and molecules when the quantum nature of matter cannot be ignored. In the following lines, we illustrate this journey into nanoscience with some experiments from our group

Monitoring in real-time focal adhesion protein dynamics in response to a discrete mechanical stimulus

The adhesion of cells to the extracellular matrix is a hierarchical, force-dependent, multistage processthat evolves at several temporal scales. An understanding of this complex process requires a precisemeasurement of forces and its correlation with protein responses in living cells. We present a methodto quantitatively assess live cell responses to a local and specific mechanical stimulus. Our approachcombines atomic force microscopy with fluorescence imaging. Using this approach, we evaluatedthe recruitment of adhesion proteins such as vinculin, focal adhesion kinase, paxillin, and zyxintriggered by applying forces in the nN regime to live cells. We observed in real time the developmentof nascent adhesion sites, evident from the accumulation of early adhesion proteins at the positionwhere the force was applied. We show that the method can be used to quantify the recruitmentcharacteristic times for adhesion proteins in the formation of focal complexes. We also found aspatial remodeling of the mature focal adhesion protein zyxin as a function of the applied force.Our approach allows the study of a variety of complex biological processes involved in cellularmechanotransductionFil: Von Bilderling, Catalina. Universidad de Buenos Aires; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Caldarola, Martín. Leiden University; Países Bajos. Universidad de Buenos Aires; ArgentinaFil: Masip, Martín E.. Universidad de Buenos Aires; Argentina. Institut Max Planck fur Molekulare Physiologie; AlemaniaFil: Bragas, Andrea Veronica. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad de Buenos Aires; ArgentinaFil: Pietrasanta, Lia. Universidad de Buenos Aires; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentin

Plasmonic Photothermal Fluorescense Modulation for Homogeneous Biosensing

Fluorescence readout is uniquely powerful for biological assays and imaging because it combines the detection of specific biotargets with high spatial and temporal resolution. Recently, several strategies for the modulation in time of fluorescence emission have been proven useful to separate the target signal from constant background contributions. Here, we investigate the emission modulation of organic fluorophores located in the nanometric vicinity of plasmonically heated gold nanorods and apply it to a novel, all-optical homogeneous biosensing scheme. The combination of plasmonic heating and temperature sensitive molecular fluorescence enables the robust quantification of surface reactions.Fil: Pellegrotti, Jesica Vanesa. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Centro de Investigaciones en Bionanociencias ; ArgentinaFil: Cortés, Emiliano. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Centro de Investigaciones en Bionanociencias ; ArgentinaFil: Bordenave, Martín Diego. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Centro de Investigaciones en Bionanociencias ; ArgentinaFil: Caldarola, Martín. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; ArgentinaFil: Kreuzer, Mark Patrick. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Centro de Investigaciones en Bionanociencias ; ArgentinaFil: Sánchez, Alfredo Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Centro de Investigaciones en Bionanociencias ; ArgentinaFil: Ojea, Ignacio. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Matemática; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Investigaciones Matemáticas ; ArgentinaFil: Bragas, Andrea Veronica. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Stefani, Fernando Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Centro de Investigaciones en Bionanociencias ; Argentin