研究人員開發(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捕獲微米或納米尺度的棒狀或球狀顆粒，而這一進展可以將基于光的捕獲擴大到更廣泛的物體，如細胞群、細菌和微塑料。

研究小組負責(zé)人、日本東京大學(xué)的Satoru Takahashi說：“我們的目標(biāo)是開發(fā)一種能夠詳細檢測單個微塑料的環(huán)境測量系統(tǒng)。由于環(huán)境中的微塑料在大小和形狀上千差萬別，我們首先開發(fā)了一種方法來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》（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)從顯微鏡相機圖像中提取目標(biāo)粒子的輪廓，然后自動形成用于捕獲的掃描光模式，以實時匹配提取的輪廓。

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。藍點表示照明點，紅點表示新方法提取的輪廓。

論文第一作者 Ryohei Omine 說：“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)細胞等生物體以及環(huán)境樣本。這樣就能通過精確操作進行觀察和分析，有助于深入了解它們在各種環(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�！�

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稱形狀，因為不對稱或扭曲的形狀會導(dǎo)致光對物體施加的力不平衡。這會導(dǎo)致無法控制的旋轉(zhuǎn)或偏離激光焦點。

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，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。

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Takahashi說：“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，從而可以同時高精度地操縱多個粒子。”

捕捉千差萬別的粒子

研究人員將實時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，以便通過主動操作進行詳細的樣品觀察。他們計劃根據(jù)粒子的運動情況對輪廓形狀進行調(diào)制，從而增強光圖案的生成過程。

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