Los investigadores han desarrollado nuevas pinzas ópticas que pueden atrapar de forma estable partículas grandes (alrededor de 0,1 mm) y de forma irregular. Mientras que las pinzas ópticas convencionales utilizan rayos láser altamente enfocados para atrapar partículas esféricas o con forma de varilla a micro o nanoescala, el avance podría ampliar la captura basada en luz a una gama más amplia de objetos, como grupos de células, bacterias y microplásticos.
"Nuestro objetivo es desarrollar un sistema de medición ambiental que pueda inspeccionar microplásticos individuales en detalle", afirmó el líder del equipo de investigación Satoru Takahashi de la Universidad de Tokio en Japón.
"Dado que los microplásticos en el medio ambiente varían mucho en tamaño y forma, comenzamos desarrollando un método para controlar la posición y orientación de las partículas, incluidas aquellas que son grandes y de forma irregular".
En la revista Optics Letters , los investigadores describen lo que llaman pinzas ópticas de seguimiento de contornos. Estas pinzas utilizan procesamiento de imágenes para extraer el contorno de la partícula objetivo de las imágenes de la cámara del microscopio y luego dan forma automáticamente al patrón de luz de escaneo que se utiliza para atraparlo para que coincida con el contorno extraído en tiempo real.
"Nuestras nuevas pinzas ópticas podrían usarse potencialmente con organismos vivos como plancton y células cultivadas en 3D, así como con muestras ambientales", afirmó el primer autor del artículo, Ryohei Omine.
"Esto permitiría la observación y el análisis con manipulación precisa, lo que contribuiría a una comprensión más profunda de sus comportamientos en diversos entornos. Por ejemplo, analizar el comportamiento de los microplásticos podría informar medidas más efectivas para mitigar la contaminación, mejorando así la salud humana y la conservación del medio ambiente. "
Trampa que se adapta
Las pinzas ópticas convencionales normalmente sólo pueden atrapar formas simétricas como esferas y varillas porque las formas que son asimétricas o distorsionadas hacen que las fuerzas ejercidas por la luz sobre el objeto se desequilibren. Esto provoca una rotación o desplazamiento incontrolable del punto focal del láser.
Las nuevas pinzas ópticas superan esta limitación escaneando el punto focal del láser a lo largo del contorno extraído de la partícula objetivo, equilibrando las fuerzas ópticas alrededor de partículas de forma irregular. Además, el tamaño de los patrones de luz de escaneo se puede ajustar automáticamente para adaptarse al tamaño objetivo, lo que permite su uso en partículas de más de 0,1 mm.
"Aunque se ha demostrado que los haces de contrapropagación atrapan partículas grandes, carecen de la estabilidad y controlabilidad necesarias para las partículas de forma irregular", afirmó Takahashi.
"Nuestro esquema de extracción de contornos ofrece una alternativa viable y también se puede aplicar a pinzas ópticas holográficas, que utilizan moduladores de luz espacial para dar forma al rayo láser en patrones 3D, permitiendo así la manipulación simultánea de múltiples partículas con alta precisión".
Los investigadores fabricaron las pinzas ópticas de seguimiento de contornos integrando una unidad de procesamiento de imágenes en tiempo real con un sistema de pinzas ópticas manipuladas en 2D basado en espejos galvanométricos. Luego utilizaron esta configuración para atrapar partículas de poliestireno de forma irregular, de 0,05 a 0,12 mm de tamaño, creadas puliendo una cuchara de poliestireno con una lima.
Los resultados mostraron que las nuevas pinzas ópticas podrían proporcionar una captura estable de partículas grandes y de forma irregular que son difíciles de atrapar con pinzas ópticas convencionales. Esto se logró sin conocimientos previos de la morfología de las partículas y sin necesidad de iluminación láser de doble cara, lo que demuestra la versatilidad y escalabilidad de este enfoque.
Aunque los investigadores han demostrado que es posible una captura estable, ahora están trabajando para controlar las posiciones y orientaciones de las partículas con precisión para permitir observaciones detalladas de las muestras con manipulación activa. Planean hacer esto mejorando el proceso de generación de patrones de luz incorporando modulación de la forma del contorno basada en el movimiento de las partículas.
Más información: Ryohei Omine et al, Manipulación de partículas grandes y de forma irregular utilizando pinzas ópticas de seguimiento de contornos, Optics Letters (2024). DOI:10.1364/OL.524424
Información de la revista: Letras de Óptica
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