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Las tecnologías cuánticas impulsan la microscopía de altas prestaciones

Una aplicación clave de tecnologías cuánticas supera las restricciones de los microscopios de altas prestaciones, consiguiendo ver las vibraciones moleculares de enlaces débiles y estudiar como nunca procesos biológicos, metabólicos, potenciales de membrana o respuestas a antibióticos.

Alberto Requena (*)

Nuestros órganos perceptivos son elementos preciados, hasta el punto de que propiciaron afirmaciones como la de Aristóteles, que afirmaba que “no había nada en el intelecto que no hubiera estado antes en los sentidos”. Pero, ciertamente, los sensores de los que estamos dotados los humanos, siendo muy valiosos, vitalmente necesarios, no son, precisamente, un dechado de sensibilidad.

Si es el oído, el rango de frecuencias para las que es sensible se encuentra entre 20 y 20.000 hercios, intervalo muy limitado, flanqueado por los ultrasonidos por encima y los infrasonidos por debajo. La separación entre los oídos es directamente proporcional a la frecuencia que pueden captar, como evidencian los elefantes. Las frecuencias sumamente bajas son el medio natural de terremotos, erupciones volcánicas o la propia bomba atómica.

Son frecuencias que se absorben poco y se propagan muy bien. Los ultrasonidos se absorben mucho más, además de la limitación del tamaño de los objetos con los que interactuar, al ser mucho mayor la longitud de onda.

Del olfato y el gusto señalaríamos que, salvo contadas excepciones como la detección de compuestos de azufre, en que es imbatible la nariz, las narices o lenguas electrónicas aventajan en casi todos los registros conocidos.

El tacto ya se recrea en la actualidad con detección de presiones inferiores a 15 kilopascales, que es similar a la fuerza que se emplea en las actividades usuales como sostener un objeto o pulsar sobre la pantalla de nuestro teléfono.

Tacto, algo especial

Pero sí hay que destacar un órgano de un valor extraordinario para la vida animal y, en cambio,  un receptor sumamente deficiente, capaz de captar oscilaciones electromagnéticas,  entre unos 380 nanómetros y unos 750 nanómetros, que es el intervalo más pequeño de longitudes de onda del espectro electromagnético, dejando fuera a la radiación infrarroja, es lo que percibimos a través del tacto. Incluso nosotros mismos la generamos, junto a las microondas y ondas de radio, por un extremo, y por el otro la radiación ultravioleta, rayos X, rayos gamma y rayos cósmicos.

Muchas especies, especialmente insectos, captan luz ultravioleta, como las abejas que la utilizan de forma efectiva para acercarse a las flores y captar el néctar, más que la supuesta atracción por el color. Nuestros sensores no son muy sensibles, ciertamente. Conforme la tecnología avanza y disponemos de dispositivos cada vez más perfeccionados, se hacen más evidente las mejoras que la evolución podría poner en línea.

Los humanos siempre hemos pretendido mejorar la naturaleza, adaptándola a nuestros intereses. Esa es, precisamente, la diferencia entre Ciencia y Tecnología. La primera pretende conocer cómo se producen los procesos, la segunda, una vez conocido esto, lo aplica para transformar la Naturaleza y ponerla a nuestra disposición.

En casos, este proceso pasa por mejorar las cualidades humanas. Ver es esencial en los humanos. Cómo vemos, es objetivo de la Ciencia y mejorar la visión es el objetivo de la tecnología. Y una vez con la tecnología a nuestra disposición, no hay límites ni etapas limitantes, que no sean los conocimientos a disposición en un momento histórico dado.

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El desafío del microscopio

El microscopio ha sido una primera concreción, cuando Zacharias Janssen lo propuso en 1590, al que se sumarían muchos otros nombres, como Hooke o Malpiagi, siempre ligados a la observación de contemplar células vivas. A ellos se suman Abbe o Zeiss. En torno a los años 30 del siglo pasado, se alcanzó el límite teórico para la microscopía óptica, pese a que el interés por observar detalles de las estructuras celulares era creciente.

La gran aportación que restaba, derivaba de cuestionar el uso de la luz directamente, toda vez que desde la Cuántica se había evidenciado que toda partícula material llevaba asociada una onda, en el marco de la dualidad onda corpúsculo que De Broglie puso al descubierto.

Los electrones, como los protones y los neutrones, tienen ondas asociadas, utilizables y concretables en el denominado microscopio electrónico de transmisión, que logró aumentos de 100.000X, cuando los ópticos se habían detenido en 1000X.

En 1931 se desarrolló en Alemania por Knol y Ruska este microscopio, que fue mejorado muy poco después, en 1937, con la propuesta de microscopio electrónico de barrido de von Ardene, que barría superficies de muestra con un haz de electrones: la respuesta que recibía en forma de partículas, la empleaba para construir una imagen tridimensional de la superficie que se analizaba.

Produce imágenes de alta resolución a partir de muestras conductoras, lo que se logra recubriéndolas con un metal, y al barrer la superficie con electrones acelerados, hace desprender partículas de la superficie que alcanzan el detector, constituido por electroimanes que miden la cantidad e intensidad de electrones que llegan a él tras haber interaccionado con la superficie de la muestra y conformando imágenes tridimensionales.

Electrones acelerados bajo una diferencia de potencial de 100.000 voltios tienen asociada una onda electromagnética de unos 4 picómetros, por lo que permiten la observación de los átomos que constituyen un sólido, separados por un par de décimas de nanómetro, pongamos por caso.

Fuerza atómica

El microscopio de fuerza atómica propuesto por Binning y Rohrer rastrea la superficie con una punta afilada de forma piramidal o cónica, acoplada a una palanca microscópica flexible: permite caracterizar muestras nanométricas (10-9nm) e incluso atómicas (10-10nm) para materiales conductores, lo que les valió el Nobel de 1986.

La naturaleza estocástica de la radiación electromagnética limita las prestaciones de los microscopios basados en el empleo de fotones. La sensibilidad de los dispositivos basados en la radiación, exigen un nivel de ruido, ya que incide en la resolución y la sensibilidad.

No se trata de incrementar la intensidad de la radiación, ya que no es posible en muchos casos al observar seres vivos, dado que la radiación láser, que es la apropiada para incrementar la intensidad, al tiempo que controlar la frecuencia que se emplea, puede provocar daños irreparables en los materiales vivos a observar, alterando los procesos biológicos en estudio.

Mejorando imagen

La cuestión consiste en mejorar la imagen de las observaciones de los materiales vivos, sin incrementar la intensidad. Para ello se ha propuesto emplear la correlación cuántica, que permite una relación señal ruido lejos del límite dañino que se sobrepasa en la microscopia convencional.

La propuesta consiste, en primera instancia, en el empleo de la microscopia Raman coherente, cuya resolución se sitúa por debajo de la longitud de onda que se emplea y, al tiempo, utiliza energías para iluminar corrrelacionadas cuánticamente. La correlación permite obtener imágenes de los enlaces moleculares, mejorando de forma importante la señal, con lo que se logra observar estructuras biológicas imposibles de lograr con otras técnicas.

La técnica de la microscopía de absorción mejorada cuánticamente, propuesta por Casacio y col. en la revista Nature, se desarrolla en el marco de la microscopia de dispersión Raman coherente, que conlleva iluminación con energía correlacionada cuánticamente. Por tanto, son procesos no lineales, y como consecuencia no hay una proporcionalidad entre la intensidad incidente y la respuesta.

Por cierto, que el rendimiento en todas las tecnologías Raman es muy bajo y, de hecho, hasta que no estuvieron presentes los láseres no avanzó la espectroscopía Raman. Se ilumina con luz visible de alta intensidad para obtener espectros de muy poca intensidad, en zonas del espectro de menor energía.

Es una forma de microscopía no lineal que permite disponer de una sonda para examinar el espectro vibracional fluorescente, por tanto, de emisión de las biomoléculas. Permite detectar enlaces químicos con gran selectividad, la mayor posible en la actualidad. Abre las puertas para estudiar procesos biológicos, metabólicos, potenciales de membrana o respuestas a antibióticos.

La cuestión a superar es el daño infringido por la intensidad de la iluminación asociada a los procesos Raman, que incide en la sensibilidad y la velocidad de obtención de la imagen y esto limita su aplicación. La microscopía Raman Coherente está limitada por el ruido asociado a la intensidad de la iluminación. No es posible mejorar por esta vía la instrumentación.

Correlación cuántica

La correlación cuántica en la microscopía Raman coherente permite limitar el ruido y mejorar la relación señal-ruido hasta en un 35%, lo que permite sacar a relucir propiedades ocultas por el ruido de la señal. Supone superar esa barrera que presentaba la microscopía Raman coherente, con la correlación cuántica, que permite evitar el daño infringido por la luz.

Al superar el límite del ruido del disparo láser, se abre la oportunidad para obtener imagen de video real, a la velocidad pertinente, de las vibraciones moleculares de enlaces débiles, a los que no se tenía acceso. Los sensores que emplean la correlación cuántica pueden proporcionar unas relaciones señal ruido que soslayan el fotodaño de las técnicas convencionales.

Son una aplicación clave de tecnologías cuánticas, superando las restricciones que existían en las prestaciones de los microscopios de altas prestaciones, con lo que la propuesta puede resultar de gran alcance.

Cada vez nos adentramos más en la explicación de la intimidad de los procesos, incluidos los relacionados con la vida, gracias a unas tecnologías que permiten ver donde no somos incapaces de mirar los humanos, por falta de agudeza. La intimidad tiene mucho de no lineal, como hemos visto. Los procesos nunca son simples. Pero, poco a poco.

 

(*) Alberto Requena es catedrático de Química Física y profesor emérito de la Universidad de Murcia.

 

Referencia

Quantum-enhanced nonlinear microscopy. Catxere A. Casacio et al. Nature volume 594, pages201–206 (2021). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-021-03528-w

Imagen superior: Recreación artística del microscopio cuántico que revela estructuras biológicas imposibles de ver hasta ahora. Crédito: Universidad de Queensland.

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