I ricercatori hanno sviluppato nuove pinzette ottiche in grado di intrappolare stabilmente particelle grandi (circa 0,1 mm) e di forma irregolare. Mentre le pinzette ottiche convenzionali utilizzano raggi laser altamente focalizzati per intrappolare particelle sferiche o a forma di bastoncino su scala micro o nano, il progresso potrebbe espandere l'intrappolamento basato sulla luce a una gamma più ampia di oggetti come gruppi di cellule, batteri e microplastiche.
"Il nostro obiettivo è sviluppare un sistema di misurazione ambientale in grado di ispezionare in dettaglio le singole microplastiche", ha affermato il leader del gruppo di ricerca Satoru Takahashi dell'Università di Tokyo in Giappone.
"Poiché le microplastiche nell'ambiente variano notevolmente in termini di dimensioni e forma, abbiamo iniziato sviluppando un metodo per controllare la posizione e l'orientamento delle particelle, comprese quelle grandi e di forma irregolare."
Nella rivista Lettere di ottica , i ricercatori descrivono quelle che chiamano pinzette ottiche per il tracciamento dei contorni. Queste pinzette utilizzano l'elaborazione delle immagini per estrarre il contorno della particella bersaglio dalle immagini della fotocamera del microscopio e quindi modellano automaticamente il modello di luce di scansione utilizzato per l'intrappolamento in modo che corrisponda al contorno estratto in tempo reale.
"Le nostre nuove pinzette ottiche potrebbero essere potenzialmente utilizzate con organismi viventi come plancton e cellule in coltura 3D, nonché campioni ambientali", ha affermato il primo autore dell'articolo Ryohei Omine.
“Ciò consentirebbe l’osservazione e l’analisi con una manipolazione precisa, che contribuirebbe a una comprensione più profonda dei loro comportamenti in vari contesti. Ad esempio, l’analisi del comportamento delle microplastiche potrebbe informare misure più efficaci per mitigare l’inquinamento, migliorando così la salute umana e la conservazione dell’ambiente. "
Trappola che si adatta
Le pinzette ottiche convenzionali in genere possono intrappolare solo forme simmetriche come sfere e aste perché le forme asimmetriche o distorte causano uno sbilanciamento delle forze esercitate dalla luce sull'oggetto. Ciò porta a una rotazione o uno spostamento incontrollabile dal punto focale del laser.
Le nuove pinzette ottiche superano questa limitazione eseguendo la scansione del punto focale del laser lungo il contorno estratto della particella bersaglio, bilanciando le forze ottiche attorno alle particelle di forma irregolare. Inoltre, la dimensione dei modelli di luce di scansione può essere regolata automaticamente per adattarsi alla dimensione del target, consentendone l'utilizzo su particelle più grandi di 0,1 mm.
"Sebbene sia stato dimostrato che i raggi contropropaganti intrappolano particelle di grandi dimensioni, questi non hanno la stabilità e la controllabilità necessarie per particelle di forma irregolare", ha affermato Takahashi.
"Il nostro schema di estrazione dei contorni offre una valida alternativa e può essere applicato anche alle pinzette ottiche olografiche, che utilizzano modulatori spaziali della luce per modellare il raggio laser in modelli 3D, consentendo così la manipolazione simultanea di più particelle con elevata precisione."
I ricercatori hanno realizzato le pinzette ottiche per il tracciamento dei contorni integrando un'unità di elaborazione delle immagini in tempo reale con un sistema di pinzette ottiche manipolate in 2D basato su specchi galvanometrici. Hanno quindi utilizzato questa configurazione per intrappolare particelle di polistirolo di forma irregolare, di dimensioni comprese tra 0,05 e 0,12 mm, create lucidando un cucchiaio di polistirolo con una lima.
I risultati hanno mostrato che le nuove pinzette ottiche potrebbero fornire una cattura stabile di particelle grandi e di forma irregolare che sono difficili da intrappolare utilizzando le pinzette ottiche convenzionali. Ciò è stato ottenuto senza una conoscenza preliminare della morfologia delle particelle e senza la necessità di illuminazione laser bilaterale, dimostrando così la versatilità e la scalabilità di questo approccio.
Sebbene i ricercatori abbiano dimostrato che l'intrappolamento stabile è possibile, stanno ora lavorando per controllare le posizioni e gli orientamenti delle particelle con precisione per consentire osservazioni dettagliate dei campioni con manipolazione attiva. Hanno intenzione di farlo migliorando il processo di generazione del modello di luce incorporando la modulazione della forma del contorno in base al movimento delle particelle.
Ulteriori informazioni: Ryohei Omine et al, Manipolazione di particelle grandi e di forma irregolare utilizzando pinzette ottiche per il tracciamento dei contorni, Lettere ottiche (2024). DOI:10.1364/OL.524424
Informazioni sul giornale: Lettere di ottica
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