Wetenschap
Nieuwe optische pincetten kunnen grote en onregelmatig gevormde deeltjes opvangen
"Ons doel is om een milieumeetsysteem te ontwikkelen dat individuele microplastics tot in detail kan inspecteren", zegt onderzoeksteamleider Satoru Takahashi van de Universiteit van Tokio in Japan.
"Aangezien microplastics in het milieu sterk variëren in grootte en vorm, zijn we begonnen met het ontwikkelen van een methode om de positie en oriëntatie van deeltjes te controleren, inclusief deeltjes die groot en onregelmatig gevormd zijn."
In het tijdschrift Optics Letters beschrijven de onderzoekers wat zij contourvolgende optische pincetten noemen. Dit pincet maakt gebruik van beeldverwerking om de contouren van het doeldeeltje uit microscoopcamerabeelden te extraheren en vervolgens automatisch het scannende lichtpatroon vorm te geven dat wordt gebruikt voor het vangen, zodat het in realtime overeenkomt met de geëxtraheerde contour.
"Ons nieuwe optische pincet zou mogelijk kunnen worden gebruikt bij levende organismen zoals plankton en 3D-gekweekte cellen, maar ook bij omgevingsmonsters", aldus Ryohei Omine, de eerste auteur van het artikel.
“Dit zou observatie en analyse met nauwkeurige manipulatie mogelijk maken, wat zou bijdragen aan een dieper begrip van hun gedrag in verschillende omgevingen. Het analyseren van het gedrag van microplastics zou bijvoorbeeld kunnen leiden tot effectievere maatregelen om de vervuiling te verminderen, waardoor de menselijke gezondheid en het milieubehoud worden verbeterd. "
Trapping die zich aanpast
Conventionele optische pincetten kunnen doorgaans alleen symmetrische vormen zoals bollen en staven opvangen, omdat vormen die asymmetrisch of vervormd zijn ervoor zorgen dat de krachten die door het licht op het object worden uitgeoefend, uit balans zijn. Dit leidt tot oncontroleerbare rotatie of verplaatsing vanuit het brandpunt van de laser.
Het nieuwe optische pincet overwint deze beperking door het laserbrandpunt langs de geëxtraheerde contour van het doeldeeltje te scannen, waardoor de optische krachten rond onregelmatig gevormde deeltjes in evenwicht worden gebracht. Bovendien kan de grootte van de scanlichtpatronen automatisch worden aangepast aan de doelgrootte, waardoor deze kunnen worden gebruikt op deeltjes groter dan 0,1 mm.
"Hoewel is aangetoond dat tegengestelde voortplantingsbundels grote deeltjes kunnen vangen, missen deze de stabiliteit en beheersbaarheid die nodig is voor onregelmatig gevormde deeltjes", zegt Takahashi.
"Ons contourextractieschema biedt een haalbaar alternatief en kan ook worden toegepast op holografische optische pincetten, die ruimtelijke lichtmodulatoren gebruiken om de laserstraal in 3D-patronen te vormen, waardoor gelijktijdige manipulatie van meerdere deeltjes met hoge precisie mogelijk wordt."
Het vastleggen van zeer uiteenlopende deeltjes
De onderzoekers maakten het contourvolgende optische pincet door een real-time beeldverwerkingseenheid te integreren met een 2D-gemanipuleerd optisch pincetsysteem op basis van galvanometerspiegels. Vervolgens gebruikten ze deze opstelling om onregelmatig gevormde polystyreendeeltjes op te vangen, van 0,05 tot 0,12 mm groot, die ontstonden door een polystyreen lepel met een vijl te polijsten.
De resultaten toonden aan dat het nieuwe optische pincet een stabiele opvang van grote, onregelmatig gevormde deeltjes kon bieden die moeilijk te vangen zijn met conventionele optische pincetten. Dit werd bereikt zonder voorafgaande kennis van deeltjesmorfologie en zonder de noodzaak van dubbelzijdige laserbelichting, wat de veelzijdigheid en schaalbaarheid van deze aanpak aantoont.
Hoewel de onderzoekers hebben aangetoond dat stabiel vangen mogelijk is, werken ze nu aan het nauwkeurig controleren van de posities en oriëntaties van deeltjes om gedetailleerde monsterobservaties met actieve manipulatie mogelijk te maken. Ze zijn van plan dit te doen door het generatieproces van lichtpatronen te verbeteren door modulatie van de contourvorm op basis van de beweging van de deeltjes op te nemen.