研究人员开发出了新型光学镊子，它能稳定地捕获大颗粒（约 0.1 毫米）和不规则形状的粒子。传统的光学镊子使用高度集中的激光束来捕获微米或纳米尺度的棒状或球状颗粒，而这一进展可以将基于光的捕获扩大到更广泛的物体，如细胞群、细菌和微塑料。
研究小组负责人、日本东京大学的Satoru Takahashi说：“我们的目标是开发一种能够详细检测单个微塑料的环境测量系统。由于环境中的微塑料在大小和形状上千差万别，我们首先开发了一种方法来控制颗粒的位置和方向，包括那些大颗粒和形状不规则的颗粒。"
研究人员在《光学快报》（Optics Letters）杂志上介绍了他们所谓的轮廓跟踪光学镊子。这些镊子利用成像处理技术从显微镜相机图像中提取目标粒子的轮廓，然后自动形成用于捕获的扫描光模式，以实时匹配提取的轮廓。
轮廓跟踪光学镊子可以捕捉到像图中这样形状不规则的大颗粒。蓝点表示照明点，红点表示新方法提取的轮廓。
论文第一作者 Ryohei Omine 说：“我们的新型光学镊子有可能用于浮游生物和三维培养细胞等生物体以及环境样本。这样就能通过精确操作进行观察和分析，有助于深入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采取更有效的措施减轻污染提供信息，从而改善人类健康和环境保护。”
自适应捕捉
传统的光学镊子通常只能捕捉球体和棒状物体等对称形状，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。这会导致无法控制的旋转或偏离激光焦点。
新型光学镊子克服了这一限制，它能沿着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。此外，扫描光型的大小可以自动调整，以适应目标的大小，从而可以用于大于 0.1 毫米的颗粒。
Takahashi说：“虽然反向传播光束已被证明可用于捕获大颗粒，但这些光束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，也可应用于全息光镊，这种光镊使用空间光调制器将激光束塑造成三维模式，从而可以同时高精度地操纵多个粒子。”
捕捉千差万别的粒子
研究人员将实时图像处理装置与基于振镜的二维操纵光镊系统集成在一起，制成了轮廓跟踪光镊。然后，他们利用这种装置捕获了聚苯乙烯勺子用锉刀抛光后产生的形状不规则的聚苯乙烯颗粒，颗粒大小从 0.05 毫米到 0.12 毫米不等。
结果表明，这种新型光学镊子可以稳定地捕获传统光学镊子难以捕获的不规则形状的大颗粒。这是在事先不了解颗粒形态的情况下实现的，而且不需要双面激光照射，从而证明了这种方法的多功能性和可扩展性。
虽然研究人员已经证明了稳定捕获是可能的，但他们现在正致力于精确控制粒子的位置和方向，以便通过主动操作进行详细的样品观察。他们计划根据粒子的运动情况对轮廓形状进行调制，从而增强光图案的生成过程。
相关链接：https://phys.org/news/2024-05-optical-tweezers-large-irregularly-particles.html
论文链接：https://dx.doi.org/10.1364/OL.524424