Atrapamiento óptico de partículas de upconversion: fundamentos y aplicaciones

Tesis Doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Física de Materiales. Fecha de lectura: 28-07-2017Esta tesis tiene embargado el acceso al texto completo hasta el 28-01-2019El tema fundamental de esta tesis doctoral es el estudio del atrapamiento óptico de partículas de upconversion y su aplicación en ensayos biológicos. El atrapamiento óptico permite la manipulación de objetos, tanto nano como micrométricos, gracias a la presión de radiación que ejerce un haz láser focalizado. De esta manera, se puede controlar la posición del objeto atrapado en las tres dimensiones del espacio, empleando fuerzas ópticas cuya magnitud se encuentra entre unos pocos femtonewtons y cientos de piconewtons. El hecho de que las fuerzas ópticas se encuentren en el intervalo de aquéllas que rigen los procesos biológicos ha propiciado que esta herramienta tenga multitud de aplicaciones en el campo de la biología. Los materiales de upconversion tienen la capacidad de emitir luz en la región visible o ultravioleta tras la absorción de radiación de menor energía (en el infrarrojo) que la emitida. Fue a principios del siglo XXI cuando su utilización se disparó gracias a la aparición de las micro y nanopartículas de upconversion. Entre todas las características que presentan se puede destacar el hecho de que la luminiscencia de ciertas partículas de upconversion dependa de las propiedades del entorno como, por ejemplo, la temperatura. Actualmente, las partículas de upconversion se emplean en multitud de aplicaciones, desde la fabricación de placas solares al desarrollo de tintas de seguridad, pasando por ensayos biomédicos. En esta tesis doctoral se ha querido unir el potencial de la manipulación óptica con las extraordinarias características luminiscentes de las partículas de upconversion. En primer lugar, se desarrolló un sistema de pinzas ópticas modificado para la medida de la luminiscencia de la partícula ópticamente atrapada. Con este equipo experimental se caracterizó tanto las propiedades luminiscentes como el atrapamiento óptico de partículas de upconversion. Se determinó la dependencia de las fuerzas ópticas con las propiedades de la partícula con el fin de determinar las condiciones óptimas de atrapamiento. Además, se realizaron estudios fundamentales sobre la luminiscencia de partículas de upconversion. Gracias al atrapamiento óptico se pudo medir la luminiscencia de una única nanopartícula de upconversion ópticamente aislada. También se determinó la dependencia de la luminiscencia de partículas de upconversion no esféricas con el ángulo de polarización. Estos estudios preliminares permitieron determinar la orientación estable de las partículas en el interior de la trampa óptica. Finalmente, se empleó todo lo aprendido del atrapamiento óptico de partículas de upconversion para la realización de experimentos in vitro. Se midió la extensión y magnitud del gradiente térmico generado en las proximidades de una célula sometida a un tratamiento fototérmico, empleando una partícula de upconversion ópticamente atrapada. También se desarrolló una técnica microreométrica para la medida de la viscosidad intracelular basada en los torques ópticos inducidos sobre la partícula atrapada.The aim of this doctoral thesis is the analysis of the optical trapping of upconverting particles and its application in biological studies. Optical trapping allows the manipulation of nano and micrometric objects by means of the radiation pressure exerted by a focused laser beam. Thus, the optically trapped object can be three-dimensionally controlled by using optical forces in the range of several femtonewtons to hundreds of piconewtons. Optical trapping has multitude of applications in the biological field, since optical forces lie in the range of those ruling the biological processes. Upconverting materials have the ability to emit light in the ultraviolet and visible ranges of the electromagnetic spectrum after the absorption of radiation of lower energy (infrared) than that emitted. Such materials boosted their use at the beginning of the 21th century, when the fist upconverting micro and nanoparticles appeared. Among all the characteristics they present, it is worth mentioning that the luminescence of certain upconverting particles depends on the properties of the surrounding medium, such as the temperature. Nowadays, upconverting particles are used in lots of different applications, form the construction of solar cells to the development of security inks, including biomedical studies. This doctoral thesis joins together the potential of optical manipulation and the outstanding characteristics of the upconverting particles. In the first place, an optical tweezers setup, which allows the detection and analysis of the luminescence of the optical trapped particle, has been developed. By using this experimental setup, the luminescent features of the upconverting particles, as well as their optical manipulation, have been studied. The dependence of the optical trapping forces on the particle characteristics has been determined in order to find the best optical trapping conditions. In addition, fundamental studies on the upconverting particle luminescence have been carried out. The luminescence of an optically isolated upconverting particle has been measured. Moreover, the dependence of the upconversion luminescence of non-spherical particles with the polarization state has been studied. These preliminary studies allowed to determine the stable orientation of the particles inside the optical trap. Finally, all the acquired knowledge about the optical trapping of upconverting particles has been used in the development of in vitro experiments. The extension and magnitude of thermal gradients created in the surroundings of a photothermally treated cell have been measured by means of an optically trapped upconverting particle. In addition, a microrheometry technique has been developed for the characterization of the intracellular viscosity. This method is based on the optical troques exerted over the trapped particle

Multichannel fluorescence microscopy: advantages of going beyond a single emission

Fluorescent microscopy has enabled the study of intracellular processes andrevealed the most intricate details of the subcellular structure. This has benefittednot only the basic biological science, but also has had an impact in numerousbiomedical applications. Basic fluorescent sensing techniques use the change inthe absolute emission of a fluorescent sensor. This entails some disadvantagesas the signal might be influenced by factors not directly related to the processunder study (e.g., fluctuations in the excitation source). To overcome thesedrawbacks, one can use multiple emissions of a single or various fluorophores.There are numerous examples of multichannel fluorescence microscopy tech-niques that have given rise to numerous ratiometric methods and multiplexingassays. Herein, how the use of multiple emission channels has impacted fluo-rescence microscopy in terms of speed, sensitivity, and resolution is reviewed.Using recent examples, how the easy implementation of multichannel detectioncan overcome current limitations of the main used fluorescence techniques andpromote the development of novel microscopy methods is shownThis research was funded by the Science and Innovation Spanish Ministery (grant nos. RTI2018-101050-J-I00, PID2019-106211RB-I00, and EIN2020-112419. P.R.S. is grateful for a Juan de la Cierva Incorporación scholarship (IJC2019-041915-I

Primeros datos sobre los micromamíferos (Roedores, Insectívoros, Quirópteros y Lagomorfos) del Solutrense (Pleistoceno Superior final) de la Cueva de Las Caldas (Oviedo, Asturias)

Depto. de Geodinámica, Estratigrafía y PaleontologíaFac. de Ciencias GeológicasTRUEpu

Optical manipulation of lanthanide-doped nanoparticles: how to overcome their limitations

Since Ashkin's pioneering work, optical tweezers have become an essential tool to immobilize and manipulate microscale and nanoscale objects. The use of optical tweezers is key for a variety of applications, including single-molecule spectroscopy, colloidal dynamics, tailored particle assembly, protein isolation, high-resolution surface studies, controlled investigation of biological processes, and surface-enhanced spectroscopy. In recent years, optical trapping of individual sub-100-nm objects has got the attention of the scientific community. In particular, the three-dimensional manipulation of single lanthanide-doped luminescent nanoparticles is of great interest due to the sensitivity of their luminescent properties to environmental conditions. Nevertheless, it is really challenging to trap and manipulate single lanthanide-doped nanoparticles due to the weak optical forces achieved with conventional optical trapping strategies. This limitation is caused, firstly, by the diffraction limit in the focusing of the trapping light and, secondly, by the Brownian motion of the trapped object. In this work, we summarize recent experimental approaches to increase the optical forces in the manipulation of lanthanide-doped nanoparticles, focusing our attention on their surface modification and providing a critical review of the state of the art and future prospectsThis work was supported by the Ministerio de Ciencia e Innovación de España (PID2019-105195RA-I00) and by Universidad Autónoma de Madrid,Comunidad Autónoma de Madrid(SI1/PJI/2019-00052)

Assessing Single Upconverting Nanoparticle Luminescence by Optical Tweezers

We report on stable, long-term immobilization and localization of a single colloidal Er3+/Yb3+ codoped upconverting fluorescent nanoparticle (UCNP) by optical trapping with a single infrared laser beam. Contrary to expectations, the single UCNP emission differs from that generated by an assembly of UCNPs. The experimental data reveal that the differences can be explained in terms of modulations caused by radiation-trapping, a phenomenon not considered before but that this work reveals to be of great relevanceThis work was supported by the Spanish Ministerio de Educación y Ciencia (MAT2010–16161 and MAT2013–47395-C4–1-R). P.H.G. thanks the Spanish Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO) for the Juan de la Cierva program. P.R.S thanks the Spanish Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO) for the “Promoción 14 del talento y su Empleabilidad en I+D+i” statal program. Fondazione Cariverona (Verona, Italy) is gratefully acknowledged for financial support in the frame of the project “Verona Nanomedicine Initiative

Upconverting nanorockers for intracellular viscosity measurements during chemotherapy

Funding: Ministerio de Economía y Competitividad de España (MAT2016-75362-C3-1-R and MAT2017-83111R); Instituto de Salud Carlos III (PI16/ 00812); Comunidad Autónoma de Madrid (B2017/BMD-3867RENIMCM), and co-financed by the European Structural funds and also by COST action CM1403; Comunidad de Madrid predoctorate contracts and from the Spanish national project FIS2017-86007-C3-1-P (R.D-B and R.P.P).Chemicals capable of producing structural and chemical changes on cells are used to treat diseases (e.g., cancer). Further development and optimization of chemotherapies require thorough knowledge of the effect of the chemical on the cellular structure and dynamics. This involves studying, in a noninvasive way, the properties of individual cells after drug administration. Intracellular viscosity is affected by chemical treatments and it can be reliably used to monitor chemotherapies at the cellular level. Here, cancer cell monitoring during chemotherapeutic treatments is demonstrated using intracellular allocated upconverting nanorockers. A simple analysis of the polarized visible emission of a single particle provides a real-time readout of its rocking dynamics that are directly correlated to the cytoplasmic viscosity. Numerical simulations and immunodetection are used to correlate the measured intracellular viscosity alterations to the changes produced in the cytoskeleton of cancer cells by anticancer drugs (colchicine and Taxol). This study evidences the possibility of monitoring cellular properties under an external chemical stimulus for the study and development of new treatments. Moreover, it provides the biomedical community with new tools to study intracellular dynamics and cell functioning.PostprintPeer reviewe

La enseñanza Bilingüe de la Paleontología en la Universidad Complutense de Madrid. Aplicación android de ayuda para el estudiante

Memoria del Proyecto de Innovación Educativa PIMCD2015-78Depto. de Geodinámica, Estratigrafía y PaleontologíaFac. de Ciencias GeológicasFALSEsubmitte

Nuevas investigaciones sobre los yacimiento paleolíticos de la Sierra Norte de la Comunidad de Madrid

Durante los últimos años se han retomado las investigaciones en la Sierra Norte de la Comunidad de Madrid. Dichas actuaciones partieron de una iniciativa de la Dirección General de Patrimonio Histórico de la CAM que tuvo como primer objetivo evaluar el potencial arqueológico pleistoceno de la orla caliza de la Sierra Norte a través de una campaña de prospecciones. Aquel primer trabajo dejó clara la importancia de la zona E de la orla, destacando el Cerro de la Dehesa de la Oliva (Patones) y el barranco del Arroyo del Monte (El Vellón). La línea de trabajo emprendida, con posterioridad, se ha centrado en el estudio específico de dos enclaves, dado el amplio potencial que presentaban: la Cueva del Reguerillo y el Abrigo del Monte. Por un lado, en la Cueva de El Reguerillo se ha realizado una estrategia de protección, documentación y evaluación de sus bienes a través de diversos trabajos como la prospección de arte rupestre y los sondeos arqueológicos en las diferentes entradas. Por otro, en el Abrigo del Monte se efectuó un sondeo arqueológico que ha dejado clara la importancia de este yacimiento para el Paleolítico Superior final del centro de la Península Ibérica