Forskare har utvecklat en ny optisk pincett som stabilt kan fånga upp partiklar som är stora - cirka 0,1 mm - och oregelbundet formade. Medan konventionella optiska pincett använder högfokuserade laserstrålar för att fånga stavformade eller sfäriska partiklar i mikro- eller nanoskala, kan framstegen expandera ljusbaserad infångning till ett bredare spektrum av objekt såsom grupper av celler, bakterier och mikroplaster.
"Vårt mål är att utveckla ett miljömätningssystem som kan inspektera enskilda mikroplaster i detalj", säger forskargruppsledaren Satoru Takahashi från Tokyos universitet i Japan.
"Eftersom mikroplaster i miljön varierar mycket i storlek och form började vi med att utveckla en metod för att kontrollera positionen och orienteringen av partiklar, inklusive de som är stora och oregelbundet formade."
I tidskriften Optics Letters , beskriver forskarna vad de kallar konturspårande optisk pincett. Dessa pincett använder bildbehandling för att extrahera konturen av målpartikeln från mikroskopkamerabilder och formar sedan automatiskt det scanningsljusmönster som används för fångst för att matcha den extraherade konturen i realtid.
"Vår nya optiska pincett skulle potentiellt kunna användas med levande organismer som plankton och 3D-odlade celler såväl som miljöprover", sa tidningens första författare Ryohei Omine.
"Detta skulle möjliggöra observation och analys med exakt manipulation, vilket skulle bidra till en djupare förståelse av deras beteenden i olika miljöer. Till exempel kan analys av mikroplasters beteende informera mer effektiva åtgärder för att mildra föroreningar, och därigenom förbättra människors hälsa och miljövård. "
Fångst som anpassar sig
En konventionell optisk pincett kan vanligtvis bara fånga symmetriska former som sfärer och stavar eftersom former som är asymmetriska eller förvrängda gör att krafterna som utövas av ljuset på föremålet blir obalanserade. Detta leder till okontrollerbar rotation eller förskjutning från laserns brännpunkt.
Den nya optiska pincetten övervinner denna begränsning genom att skanna laserns brännpunkt längs den extraherade konturen av målpartikeln och balansera de optiska krafterna runt oregelbundet formade partiklar. Dessutom kan storleken på scanningsljusmönster justeras automatiskt för att passa målstorleken, vilket gör att den kan användas på partiklar större än 0,1 mm.
"Även om strålar som utbreder sig mot varandra har demonstrerats för att fånga in stora partiklar, saknar dessa den stabilitet och kontrollerbarhet som behövs för oregelbundet formade partiklar", säger Takahashi.
"Vårt konturextraktionssystem erbjuder ett hållbart alternativ och kan även användas på holografiska optiska pincett, som använder rumsliga ljusmodulatorer för att forma laserstrålen till 3D-mönster, vilket möjliggör samtidig manipulering av flera partiklar med hög precision."
Forskarna gjorde den konturföljande optiska pincetten genom att integrera en bildbehandlingsenhet i realtid med ett 2D-manipulerat optiskt pincettsystem baserat på galvanometerspeglar. De använde sedan denna inställning för att fånga in oregelbundet formade polystyrenpartiklar, från 0,05 till 0,12 mm i storlek, skapade genom att polera en polystyrensked med en fil.
Resultaten visade att den nya optiska pincetten kunde ge stabil infångning av stora, oregelbundna partiklar som är svåra att fånga med en konventionell optisk pincett. Detta uppnåddes utan förkunskaper om partikelmorfologi och utan behov av dubbelsidig laserbelysning, vilket demonstrerar mångsidigheten och skalbarheten hos detta tillvägagångssätt.
Även om forskarna har visat att stabil infångning är möjlig, arbetar de nu med att kontrollera partiklarnas positioner och orienteringar exakt för att möjliggöra detaljerade provobservationer med aktiv manipulation. De planerar att göra detta genom att förbättra ljusmönstergenereringsprocessen genom att integrera modulering av konturformen baserat på partiklarnas rörelse.
Mer information: Ryohei Omine et al, Manipulering av stora partiklar med oregelbunden form med konturföljande optisk pincett, Optics Letters (2024). DOI:10.1364/OL.524424
Journalinformation: Optikbrev
Tillhandahålls av Optica
