研究人员开发了一种新的光学镊子，可以稳定地捕获大颗粒(约0.1毫米)和形状不规则的颗粒。虽然传统的光镊使用高度聚焦的激光束来捕获微米或纳米级的棒状或球形颗粒，但这一进步可以将基于光的捕获扩展到更广泛的物体，如细胞群、细菌和微塑料。
“我们的目标是开发一种环境测量系统，可以详细检查单个微塑料，”日本东京大学的研究团队负责人Satoru Takahashi说。“由于环境中的微塑料在大小和形状上差异很大，我们首先开发了一种方法来控制颗粒的位置和方向，包括那些大而形状不规则的颗粒。
在Optica出版集团的期刊《光学快报》(Optics Letters)上，研究人员描述了他们所谓的轮廓跟踪光镊。这些镊子使用成像处理从显微镜相机图像中提取目标颗粒的轮廓，然后自动塑造用于捕获的扫描光图案，以实时匹配提取的轮廓。
“我们的新光学镊子有可能用于浮游生物和3D培养细胞等生物体以及环境样本，”该论文的第一作者Ryohei Omine说。“这将使观察和分析能够进行精确的操作，这将有助于更深入地了解它们在各种环境中的行为。例如，分析微塑料的行为可以为更有效的减少污染的措施提供信息，从而改善人类健康和环境保护。
适应的诱捕
传统的光镊通常只能捕获对称的形状，如球体和棒状物，因为不对称或扭曲的形状会导致光施加在物体上的力不平衡。这会导致激光焦点的旋转或位移无法控制。
研究人员开发了轮廓跟踪光学镊子，可以捕获大而形状不规则的颗粒，如图所示。蓝点表示照明点，而红点表示新方法提取的轮廓。图片来源：东京大学高桥道畑实验室
新的光镊克服了这一限制，沿着目标粒子的提取轮廓扫描激光焦点，平衡不规则形状粒子周围的光力。此外，扫描光图案的大小可以自动调整以适应目标尺寸，使其可用于大于 0.1 mm 的颗粒。
“尽管已经证明反向传播光束可以捕获大颗粒，但这些光束缺乏不规则形状颗粒所需的稳定性和可控性，”Takahashi说。“我们的轮廓提取方案提供了一种可行的替代方案，也可以应用于全息光镊，它使用空间光调制器将激光束塑造成3D图案，从而允许同时高精度地操纵多个粒子。”
捕获变化很大的颗粒
研究人员通过将实时图像处理单元与基于振镜的 2D 操纵光学镊子系统集成来制造轮廓跟踪光镊。然后，他们使用这种装置捕获不规则形状的聚苯乙烯颗粒，大小从0.05毫米到0.12毫米不等，这些颗粒是通过用锉刀抛光聚苯乙烯勺子产生的。
结果表明，新型光镊可以稳定地捕获传统光镊难以捕获的不规则形状的大颗粒。这是在没有粒子形态学知识的情况下实现的，也不需要双面激光照明，从而证明了这种方法的多功能性和可扩展性。
尽管研究人员已经证明稳定的捕获是可能的，但他们现在正在努力精确控制粒子的位置和方向，以便通过主动操作进行详细的样品观察。他们计划通过结合基于粒子运动的轮廓形状的调制来增强光图案的生成过程来做到这一点。
