物理科技生物学-PHYICA

科学家提出反馈控制光镊的概念

物理学 2022-12-15 23:59:01

弗赖堡大学 工作原理

OFI跟踪的设置草图和原理

由近红外激光束照射的空间光调制器在焦平面(FP,红色)周围产生几个光阱,这些光阱用两个透镜(D1和L)远心成像到CCD照相机上

b . FP内的物体——细胞簇或珠子——散射聚焦的光,导致照相机处强度Idn(bn)Idn(bn)的重新分布,其编码相对于光束中心的物体位置bn

向量tn表示相对于FP中心的陷阱位置

底部:一个170米大细胞群的明场图像,由八个光学陷阱(用八个绿色十字标记

盲和非盲光学捕获

一个扩展的刚性物体(盲目地)被三个不稳定的光学陷阱捕获

在根据OFI信号调整聚焦位置tn之后,陷印变得稳定(非盲陷印)

通过移动激光焦点的物体旋转,使陷印再次变得不稳定(盲目或受挫陷印)

信用:DOI: 10

1038/s 1467-021-27262-z 我们可以用手指测试水果和蔬菜的质量和新鲜度,甚至工业机器人多年来在触觉应用方面也取得了成功

但是怎么可能抓取和旋转人类头发宽度的物体呢?教授

博士;医生

弗赖堡大学微系统工程系的亚历山大·罗巴赫和他的团队已经在《自然通讯》杂志上发表了一项关于这个问题的研究

他们的工作展示了几个由高度聚焦的激光制成的光镊如何有朝一日能够以可控的方式抓取细胞群,并将其向任何所需的方向旋转

这将允许像微型肿瘤这样的微小物体在显微镜下被更具体地研究

激光制成的手指 在实验室里,抓取的手指相当于所谓的光镊,由高度聚焦的激光产生

光镊的独特优势在于,与机械镊子不同,它们甚至可以在抓取透明物体时施加力或扭矩

多年来,能够以任意和倍增的配置逐像素聚焦激光的计算机全息光镊已经被用于在三维空间中同时控制几个抓取光的手指的位置

这种方法已经在研究实验室中存在了近二十年,但是不能对较大的物体,即直径大于大约1/10毫米的物体施加力和扭矩

镊子遇到困难,因为物体太大且太慢,不能在水溶液中以任意和稳定的方式旋转,因为光镊不够坚固或者不能找到良好的抓取位置,因此会滑落

值得注意的是,他们之所以找不到最佳抓取位置,是因为他们根本不寻找,而是盲目抓取,依靠研究人员试图定位光镊的能力

非盲光镊的概念 “非盲镊通过测量和分析物体上散射的光,可以看到它们在抓取什么,”罗巴赫解释道

“我们用眼睛看到各种各样的物体,因为阳光或室内光线会在它们身上散射,并在我们的视网膜上复制

“激光镊子可以通过透明物体抓取

然而,科学家在显微镜下研究的生物研究对象,如像微型肿瘤或小苍蝇胚胎这样的细胞簇,并不是完全透明的,而是表现得像浴室窗户上的磨砂玻璃,光线在透射后会扩散,因此难以分析

观察镊子到达哪里的新概念是分析物体后面的快速照相机上的散焦激光散射光,它用作反馈信号

照相机上各个光镊的光点越不对称,焦点处的光散射得越多,导致物体中各个点的折射率发生更大的变化

这些是光镊可以有效抓取物体的点

从物理学的角度来看,物质极化的局部变化会导致光偶极子力的增加

根据罗巴赫的说法,定位最佳抓取位置的原理令人震惊的是,光散射——也就是动量的变化——直接在激光焦点中比焦点前面或后面强得多

大约五到十个光镊中的每一个都应该根据散射光感觉到最佳的抓取位置,以便在不同的方向上旋转物体

然而,如果其中一个镊子施加太大的力,另一个镊子可能会失去它们的夹持

“这是一个高度复杂的优化问题,我们将在未来几年内对此困惑不解,”Rohrbach说

他的设想是,在成功的情况下,非接触式样品保持的原理将被集成到未来的显微镜中

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