研究人員開(kāi)發(fā)出了新型光學(xué)鑷子，它能穩(wěn)定地捕獲大顆粒（約 0.1 毫米）和不規(guī)則形狀的粒子。傳統(tǒng)的光學(xué)鑷子使用高度集中的激光束來(lái)捕獲微米或納米尺度的棒狀或球狀顆粒，而這一進(jìn)展可以將基于光的捕獲擴(kuò)大到更廣泛的物體，如細(xì)胞群、細(xì)菌和微塑料。

研究小組負(fù)責(zé)人、日本東京大學(xué)的Satoru Takahashi說(shuō)：“我們的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種能夠詳細(xì)檢測(cè)單個(gè)微塑料的環(huán)境測(cè)量系統(tǒng)。由于環(huán)境中的微塑料在大小和形狀上千差萬(wàn)別，我們首先開(kāi)發(fā)了一種方法來(lái)控制顆粒的位置和方向，包括那些大顆粒和形狀不規(guī)則的顆粒。"

研究人員在《光學(xué)快報(bào)》（Optics Letters）雜志上介紹了他們所謂的輪廓跟蹤光學(xué)鑷子。這些鑷子利用成像處理技術(shù)從顯微鏡相機(jī)圖像中提取目標(biāo)粒子的輪廓，然后自動(dòng)形成用于捕獲的掃描光模式，以實(shí)時(shí)匹配提取的輪廓。

圖片:搜狗截圖20240515091845.png

輪廓跟蹤光學(xué)鑷子可以捕捉到像圖中這樣形狀不規(guī)則的大顆粒。藍(lán)點(diǎn)表示照明點(diǎn)，紅點(diǎn)表示新方法提取的輪廓。

論文第一作者 Ryohei Omine 說(shuō)：“我們的新型光學(xué)鑷子有可能用于浮游生物和三維培養(yǎng)細(xì)胞等生物體以及環(huán)境樣本。這樣就能通過(guò)精確操作進(jìn)行觀察和分析，有助于深入了解它們?cè)诟鞣N環(huán)境中的行為。例如，分析微塑料的行為可以為采取更有效的措施減輕污染提供信息，從而改善人類健康和環(huán)境保護(hù)�！�

自適應(yīng)捕捉

傳統(tǒng)的光學(xué)鑷子通常只能捕捉球體和棒狀物體等對(duì)稱形狀，因?yàn)椴粚?duì)稱或扭曲的形狀會(huì)導(dǎo)致光對(duì)物體施加的力不平衡。這會(huì)導(dǎo)致無(wú)法控制的旋轉(zhuǎn)或偏離激光焦點(diǎn)。

新型光學(xué)鑷子克服了這一限制，它能沿著提取的目標(biāo)顆粒輪廓掃描激光焦點(diǎn)，平衡不規(guī)則形狀顆粒周圍的光學(xué)力。此外，掃描光型的大小可以自動(dòng)調(diào)整，以適應(yīng)目標(biāo)的大小，從而可以用于大于 0.1 毫米的顆粒。

圖片:搜狗截圖20240515092654.png

Takahashi說(shuō)：“雖然反向傳播光束已被證明可用于捕獲大顆粒，但這些光束缺乏不規(guī)則形狀顆粒所需的穩(wěn)定性和可控性。我們的輪廓提取方案提供了一種可行的替代方案，也可應(yīng)用于全息光鑷，這種光鑷使用空間光調(diào)制器將激光束塑造成三維模式，從而可以同時(shí)高精度地操縱多個(gè)粒子。”

捕捉千差萬(wàn)別的粒子

研究人員將實(shí)時(shí)圖像處理裝置與基于振鏡的二維操縱光鑷系統(tǒng)集成在一起，制成了輪廓跟蹤光鑷。然后，他們利用這種裝置捕獲了聚苯乙烯勺子用銼刀拋光后產(chǎn)生的形狀不規(guī)則的聚苯乙烯顆粒，顆粒大小從 0.05 毫米到 0.12 毫米不等。

結(jié)果表明，這種新型光學(xué)鑷子可以穩(wěn)定地捕獲傳統(tǒng)光學(xué)鑷子難以捕獲的不規(guī)則形狀的大顆粒。這是在事先不了解顆粒形態(tài)的情況下實(shí)現(xiàn)的，而且不需要雙面激光照射，從而證明了這種方法的多功能性和可擴(kuò)展性。

雖然研究人員已經(jīng)證明了穩(wěn)定捕獲是可能的，但他們現(xiàn)在正致力于精確控制粒子的位置和方向，以便通過(guò)主動(dòng)操作進(jìn)行詳細(xì)的樣品觀察。他們計(jì)劃根據(jù)粒子的運(yùn)動(dòng)情況對(duì)輪廓形狀進(jìn)行調(diào)制，從而增強(qiáng)光圖案的生成過(guò)程。

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論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1364/OL.524424