Голографическая система оптических пинцетов на основе SLM с управлением по замкнутому контуру для манипулирования множественными микрочастицами и клетками на микрофлюидном чипе

Манипулирование отдельными микрочастицами связано с низкой эффективностью захвата и сортировки множества клеток, а также с физическими столкновениями и взаимодействиями на микроуровне. Для повышения эффективности и стабильности манипулирования в данной работе предложена голографическая система оптических пинцетов (HOT) с управлением по замкнутому контуру для манипулирования множественными микрочастицами на микрофлюидном чипе. Сначала был разработан адаптивный алгоритм формирования голографических изображений на основе пространственного модулятора света на жидких кристаллах (LC-SLM) для создания множества оптических ловушек; было показано, что взвешенный алгоритм Герцберга–Сакстона (GSW) обеспечивает наиболее высокую однородность ловушек среди четырех алгоритмов. Затем расчеты оптических сил показали, что максимальное поперечное радиационное давление на микрочастицу возникает на расстоянии нескольких микрометров от центра оптической ловушки, образуя «область бублика». Более того, блок-схема и временные задержки системы HOT с управлением по замкнутому контуру были подробно проанализированы и оптимизированы. Время оценки положения оптической ловушки компенсатором (95 мс ± 9 мс) доминировало в процессе захвата по сравнению со временем получения изображения (от 3,1 до 14,5 мс), временем передачи (1,7 мс), временем обработки (22,1 мс), временем работы голографического алгоритма (15,2 мс) и временем отклика SLM (14 мс). Кроме того, были распознаны адгезивные микрочастицы, что позволило эффективно разделить их на отдельные частицы и захватить их. Наконец, была создана система HOT с управлением по замкнутому контуру, с помощью которой были высокоэффективно осуществлены манипуляции положением, ориентацией и взаимодействием множества частиц, включая полистирольные частицы, клетки дрожжей и клетки Rhizopus, на основе обратной связи в реальном времени по измерениям оптических сил, адаптивной корректировки алгоритма и оптимизации условий захвата, что позволило преодолеть проблемы нестабильности частиц. Данная работа повышает точность и надежность оптического захвата и открывает новые возможности для применения микроманипуляций в биомедицине, материаловедении и технологиях «лаборатория на чипе».