远程实验室对带电液滴光学悬浮的安全实验
January 10th, 2019
光悬浮是利用激光悬浮微米大小的介电物体的一种方法。利用计算机和自动化系统, 可以远程控制光学悬浮实验。在这里, 我们提出了一个远程控制的光学悬浮系统, 用于教育和研究目的。
我们的协议可用于可视化许多基本的物理概念，如光子压力或带电粒子在电场中如何移动。更重要的是，所有这些任务都可以远程执行。主要优点是，我们可以用光眼作为唯一的探测器来可视化物理现象，或者直接使用激光护目镜，或者使用网络摄像头在计算机屏幕上。
例如，实验系统可以通过使用拉曼光谱分析调查液滴或液滴的化学成分之间的相关性，提供大气科学方面的见解。远程访问协议适用于各种实验类型。主要的实验挑战是我们使用高功率激光器。
因此，必须实施严格的激光安全法规。这个实验的全部想法是可视化物理概念，这些概念通常通过黑盒实验或理论处理来演示。实验将由奥斯卡·伊萨克松和安德里亚斯·约翰逊进行演示。
他们都在当地一所高中教书和做旨在攻读博士学位的研究之间分享时间。每当涉及强大的激光时， 安全必须成为重中之重。这些激光器提供两瓦的可见激光辐射。
因此，所有人员必须参加激光安全课程。首先通知实验室区域的每个人激光将打开。然后打开实验室内的激光警示灯。
接下来，定位四个吸光板，检查激光和吸收板之间的空间是否无障碍物。此外，检查陷印单元和光束块之间的空间是否不受对象。在启动激光之前，还要取下任何手表和金属环，并戴上适当的眼睛保护。
现在，打开实验室计算机并等待，直到它准备好运行。从桌面打开"远程启动"文件夹，然后单击图标 Main1806。VI.按左上角的箭头来运行程序。
在 EJS 变量下，标记名为"激光远程启用 2 电源"的复选框，并设置激光电流 2 到 25，以便右侧的激光功率幻灯片以 25% 结束，使用对齐激光护目镜观察激光束，以确保光束最终进入光束 dom。如果没有，请调整梁组的位置。接下来，检查程序 VI 中的 Drops2，然后，通过转动底座上的驱动螺钉来调整转换阶段，移动液滴分配器的尖端，直到液滴落入激光束中。
回到软件中，使用激光电流 2 输入场将激光功率提升至约 66%以捕获液滴。一旦液滴被捕获，取消选中 Drops2。在按照文本协议确定液滴的大小和极性后，通过将其已知大小及其密度相乘来确定液滴的电荷。
接下来，将 E-Field DC 控制 2 设置为零，并在图表波形中通过 PSD 规范化位置跟踪估计并记录液滴位置的平均值。计算在方程 2 中以 F 读取 1 表示的激光功率值。现在，将 E-Field 直流控制 2 设置为 1 和 5 伏特或 1 和 5 伏特之间，以便下降向上移动。
液滴现在处于一个新的位置。慢慢降低激光功率，直到液滴回到原来的位置。将新的激光功率作为 F-Read 2 写下来。
要访问远程实验室，请打开 Unilab 的网页。连接后，在标题下菜单的第一项中选择所需的语言。然后使用以下数据登录。
在课程区域，在登录区域旁边，左键单击哥德堡大学的标志。然后，单击光学悬浮器访问此实验的材料。单击光学悬浮远程实验室，访问远程实验室。
之后，确保网页的主机如下所示，并显示远程实验室的用户界面。然后，单击"连接"按钮。如果连接成功，按钮文本将更改为"已连接"。
接下来，单击"跟踪液滴"并检查是否收到 PSD 数据。然后单击"常规视图"以识别设置的所有元素:激光、液滴分配器、陷印单元和 PSD。要捕获液滴，请先单击"陷液"按钮以可视化移液器和液滴分配器喷嘴。
然后，单击"打开激光"按钮以建立与激光的连接。从这里，将激光功率设置在控制条的第一季度周围，控制条位于"打开激光"按钮下。等待绿灯可见。
如果激光正确对齐，就会看到一束细绿光束。如果对齐不正确，请与协议中描述的维护服务联系。一旦激光对齐，将其功率增加至柱的四分之三。
然后，单击"开始"下降按钮以打开液滴分配器。观看网络摄像头图像，等待，直到产生闪光灯。那一刻，一滴水被捕捉到了。
再次检查网络摄像头图像并验证陷印单元中心是否悬浮液滴。然后，按"停止下降"按钮关闭液滴分配器。要确定液滴的大小，请按"大小液滴"，然后按照随附的文本协议第 8 节中的过程操作。
要确定捕获液滴的电荷，请先单击"跟踪液滴"视图。然后，选择"电气"字段菜单，然后使用直流电压数值将直流电场设置为零。使用图表，估计和注意液滴位置的平均值，并注意激光功率。
现在，将直流电场设置为介于或 500 伏特之间的值，以使液滴改变其位置。一旦位置改变，使用滑块修改激光功率，直到液滴回到其原始位置，并记下激光功率的新值。最后，使用随附文本协议中的公式 2 计算液滴的电荷。
此处显示的是一个被困的液滴悬浮。可以看到设置单元内部的一个液滴悬浮。绿色是由于激光和两个点的视线，而不是一个，是由于在细胞的玻璃上的液滴反射。
在这种情况下，上点是反射，下点是液滴。试图陷害时最重要的是要有耐心。千分尺大小的液滴应该降落在比液滴本身稍宽的光束中。
为了获得更准确的电荷值，可以使用控制环路。在施加电场时，控制回路将改变激光功率，直到液滴回到其原始位置。这一实验装置的进一步发展是研究液滴与高速摄像机的碰撞，并研究液滴在高真空室中的行为。
本实验使用4类激光。采取一切安全措施保护实验室人员和环境非常重要。
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概览
本文介绍了一个远程控制的光学悬浮系统，可使用激光光实现微米级介电物体的悬浮。该系统适用于教育和研究目的，能够可视化基本物理概念。
主要研究组成部分
科学领域
- 光学悬浮
- 光子压力
- 远程实验
背景
- 光学悬浮利用激光光来操控小颗粒。
- 该系统可以通过计算机和自动化技术进行远程控制。
- 它提供了可视化物理现象的独特机会。
- 应用包括大气科学和化学分析。
研究目的
- 展示光学悬浮的原理。
- 实现对实验设置的远程访问。
- 用最少的设备可视化物理概念。
所用方法
- 使用高功率激光进行悬浮。
- 通过计算机系统进行远程控制。
- 通过激光护目镜或网络摄像头进行可视化。
- 使用拉曼光谱分析液滴行为。
主要结果
- 成功悬浮微米级介电物体。
- 可视化光子压力效应。
- 远程访问允许多样化的实验应用。
- 洞察大气科学和液滴化学。
结论
- 光学悬浮系统对教育和研究目的有效。
- 远程实验提高了可访问性和参与度。
- 通过简单的检测方法可以实现物理现象的可视化。
常见问题
Executive Industry Relevance
Remote optical levitation of charged droplets enables direct visualization and quantitative measurement of fundamental physical processes relevant to biopharma R&D, such as photon pressure and charged particle dynamics. This system supports hypothesis-driven experimentation in a controlled, reproducible environment, facilitating mechanistic de-risking and target validation in early discovery. The remote lab infrastructure also addresses operational safety and resource constraints, expanding access to advanced physical measurement workflows.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of charged particle motion under controlled electric fields for mechanistic insight.
- Supports functional validation of physical hypotheses relevant to particle-based delivery or detection systems.
- Provides a platform for predictive confidence in physical parameter measurement and system behavior.
Screening & Assay Development
- Facilitates preparation and manipulation of validated droplet systems for downstream analytical workflows.
- Enables reproducible, quantitative measurement of droplet size and charge using optical and electrical readouts.
- Supports standardization and scalability through remote, software-controlled operation and data capture.
Translational & Preclinical Research
- Offers potential for alignment with atmospheric or aerosol-based preclinical models where droplet behavior is relevant.
- Provides continuity from physical measurement to translational research in particle-based systems.
- Enables risk-adjusted advancement by clarifying physical mechanisms underlying droplet manipulation.
Pipeline & Workflow Integration
This remote optical levitation platform integrates into the discovery-to-preclinical continuum by enabling hypothesis testing, quantitative measurement, and reproducible manipulation of charged droplets.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing on photon pressure and electric field effects on microdroplets.
- Screening: Delivers quantitative outputs for droplet size and charge, supporting assay readiness.
- Analytics: Provides real-time position and power readouts for comparative analysis across conditions.
- Translational Research: Connects physical droplet behavior to broader preclinical or environmental models when relevant.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable, remotely accessible platform for physical measurement and training.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in physical system studies.
- Operational Value: Enhances standardization, reproducibility, and safe remote access to high-risk instrumentation.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision quality and capital efficiency by enabling robust early-stage measurements.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of particle-based or physical measurement projects.
Implementation Considerations
- Requires expertise in optical physics, laser safety, and remote instrumentation control.
- Demands access to high-powered lasers, droplet dispensers, and real-time data acquisition systems.
- Necessitates strict adherence to safety protocols and cross-team standardization for remote operation.
- May require adaptation for different droplet types or environmental conditions depending on application.
- Operational limitations include alignment sensitivity and the need for robust remote connectivity.
