新型光镊可以捕获大而形状不规则的颗粒

研究人员开发出了一种新型光镊，可以稳定地捕获较大(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棒状或球形颗粒，但这一进展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。

“我们的目标是开发一种可以详细检查单个微塑料的环境测量系统，”日本东京大学研究小组负责人 Satoru Takahashi 表示。“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，包括那些较大且形状不规则的颗粒。”

在Optica 出版集团的 期刊《光学快报》中，研究人员描述了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粒子的轮廓，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。

“我们的新型光镊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 说道。“这将使我们能够通过精确的作进行观察和分析，从而有助于更深入地了解它们在不同环境下的行为。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。”

适应性诱捕

传统光镊通常只能捕获球体和棒状等对称形状的物体，因为不对称或扭曲的形状会导致光对物体施加的力不平衡。这会导致激光焦点发生不可控的旋转或位移。

新型光镊通过沿目标粒子提取轮廓扫描激光焦点，平衡不规则形状粒子周围的光学力，克服了这一限制。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 毫米的粒子。

Takahashi 表示：“尽管反向传播光束已被​​证明可以捕获大粒子，但它们缺乏捕获不规则形状粒子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，从而可以同时高精度地纵多个粒子。”

捕获各种颗粒

研究人员将实时图像处理单元与基于检流计镜的 2D 纵光镊系统集成在一起，制成了轮廓跟踪光镊。然后，他们利用该装置捕获形状不规则的聚苯乙烯颗粒，这些颗粒的大小为 0.05 至 0.12 毫米，这些颗粒是使用锉刀抛光聚苯乙烯勺子后形成的。

结果表明，新型光镊可以稳定捕获大型、不规则形状的颗粒，而传统光镊很难捕获这些颗粒。这一过程无需事先了解颗粒形态，也无需双面激光照射，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，但他们现在正致力于精确控制粒子的位置和方向，以便通过主动纵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。