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研究人员开发出了新型光镊,可以稳定捕获尺寸约0.1毫米且形状不规则的颗粒。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杆状或球形颗粒,但这一进步可以将基于光的捕获扩展到更广泛的物体,例如细胞群、细菌和微塑料。
日本东京大学的研究小组负责人高桥悟(SatoruTakahashi)表示:“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。”
“由于环境中的微塑料在大小和形状上差异很大,我们首先开发一种控制颗粒位置和方向的方法,包括那些大且形状不规则的颗粒。”
在《光学快报》杂志上,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。
该论文的第一作者RyoheiOmine表示:“我们的新型光镊有可能用于浮游生物和3D培养细胞以及环境样本等活生物体。”
“这将使通过精确操作进行观察和分析成为可能,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减轻污染提供更有效的措施,从而改善人类健康和环境保护。”
适应的陷阱
传统的光镊通常只能捕获对称形状,如球体和棒状物体,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。这会导致激光焦点无法控制的旋转或位移。
新型光镊通过沿提取的目标颗粒轮廓扫描激光焦点,平衡不规则形状颗粒周围的光学力,从而克服了这一限制。此外,扫描光图案的尺寸可以自动调整以适应目标尺寸,使其可以用于大于0.1毫米的颗粒。
高桥说:“虽然反向传播光束已被证明可以捕获大颗粒,但它们缺乏不规则形状颗粒所需的稳定性和可控性。”
“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。”
捕获广泛变化的颗粒
研究人员通过将实时图像处理单元与基于检流计镜的二维操纵光镊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,尺寸从0.05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而产生的。
结果表明,新型光镊可以稳定捕获传统光镊难以捕获的大的、不规则形状的颗粒。这是在事先不了解颗粒形态且不需要双面激光照明的情况下实现的,从而证明了该方法的多功能性和可扩展性。
尽管研究人员已经证明稳定捕获是可能的,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本观察。他们计划通过结合基于粒子运动的轮廓形状调制来增强光图案生成过程来实现这一点。
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