Caja fuerte experimentación en levitación óptica de gotitas cargadas usando laboratorios remotos
10 de enero de 2019
Levitación óptica es un método para levitar objetos dieléctricos tamaño micrómetro utilizando luz láser. Utilizando equipos y sistemas de automatización, un experimento de levitación óptica puede ser controlado remotamente. Aquí, presentamos un sistema de levitación óptica controlado remotamente que es utilizado tanto para la educación y propósitos de investigación.
Nuestro protocolo se puede utilizar para visualizar muchos conceptos físicos fundamentales, como la presión de fotones o cómo se mueve una partícula cargada en un campo eléctrico. Aún más, todas estas tareas se pueden realizar de forma remota. La principal ventaja es que podemos visualizar fenómenos físicos con nuestro ojo desnudo como el único detector, ya sea directamente usando gafas láser, o en la pantalla del ordenador usando una cámara web.
El sistema experimental puede, por ejemplo, proporcionar información sobre las ciencias atmosféricas mediante la investigación de correlaciones entre gotas líquidas o la composición química de una gota utilizando la espectroscopia raman. El protocolo de acceso remoto es aplicable a una amplia gama de tipos de experimentos. El principal desafío experimental es que utilizamos láseres de alta potencia.
Por lo tanto, se deben aplicar estrictas normas de seguridad láser. La idea con este experimento es visualizar conceptos de física que normalmente se muestran en el experimento de la caja negra o a través de tratamientos teóricos. El experimento será demostrado por Oscar Isaksson y Andreas Johansson.
Ambos están compartiendo su tiempo entre la enseñanza en una escuela secundaria local y la investigación con el objetivo de un PH. D.degree. Cada vez que los potentes láseres están involucrados, la seguridad tiene que ser la máxima prioridad. Estos láseres proporcionan dos vatios de radiación láser visible.
Por lo tanto, todo el personal tiene que asistir al Curso de Seguridad Láser. Comience informando a todos en el área del laboratorio que se encenderá un láser. A continuación, encienda la lámpara de advertencia láser dentro del laboratorio.
A continuación, coloque las cuatro tablas absorbentes de luz y compruebe que el espacio entre el láser y las placas absorbentes está libre de obstáculos. Además, compruebe que el espacio entre la celda de reventado y el bloque de viga esté libre de objetos. Antes de arrancar el láser, también retire los relojes y anillos metálicos, y póngase la protección adecuada para los ojos.
Ahora, encienda la computadora de laboratorio y espere hasta que esté lista para funcionar. Abra la carpeta Inicio remoto desde el escritorio y haga clic en el icono Main1806. VI.Ejecutar el programa pulsando la flecha en la esquina superior izquierda.
En Variables EJS, marque la casilla de verificación Laser Remote Enable 2 Power y establezca Laser Current 2 en 25 de modo que la corredera de potencia láser hacia la derecha termine en 25%Observe el rayo láser usando gafas láser de alineación para asegurarse de que el haz termina en el dom del haz. Si no es así, ajuste la posición del dom de la viga. A continuación, marque Drops2 en el programa VI.Then, ajuste la etapa de traducción, girando los tornillos de conducción en su base, para mover la punta del dispensador de gotas hasta que las gotas caigan en el rayo láser.
De vuelta en el software, aumente la potencia del láser a aproximadamente 66%utilizando el campo de entrada Laser Current 2 para atrapar una gota. Tan pronto como una gota esté atrapada, desmarque Drops2. Después de determinar el tamaño y la polaridad de la gota siguiendo el protocolo de texto, determine la carga de la gota multiplicando su tamaño conocido con su densidad.
A continuación, establezca el Control de CC de campo electrónico 2 en Cero y calcule y observe un valor promedio para la posición de la gota por el seguimiento de posición normalizada PSD en la forma de onda del gráfico. Calcular el valor de la potencia láser dada como F-Read 1 en la Ecuación 2. Ahora, establece el E-Field DC Control 2 entre 1 y 5 Voltios o 1 y 5 Voltios para que la caída se mueva hacia arriba.
La gota está ahora en una nueva posición. Reduzca lentamente la potencia del láser hasta que la gota vuelva a su posición original. Anota la nueva potencia láser como F-Read 2.
Para acceder al Laboratorio Remoto, abra la página web del Unilab en un navegador web. Una vez conectado, seleccione el idioma deseado en el primer elemento del menú debajo del encabezado. A continuación, inicie sesión con los siguientes datos.
En el área del curso, junto al área de inicio de sesión, haga clic izquierdo en el logotipo de la Universidad de Gotemburgo. A continuación, haga clic en Levitación óptica para acceder al material de este experimento. Acceda al laboratorio remoto haciendo clic en Laboratorio remoto de levitación óptica.
Después de eso, asegúrese de que el mainframe de la página web se ve así y muestra la interfaz de usuario del laboratorio remoto. A continuación, haga clic en el botón Conectar. Si la conexión se realiza correctamente, el texto del botón cambiará a Conectado.
A continuación, haga clic en Tracking Droplets y compruebe que se están recibiendo los datos PSD. A continuación, haga clic en Vista general para identificar todos los elementos de la configuración: el láser, el dispensador de gotas, la celda de reventado y el PSD. Para atrapar una gota, primero haga clic en el botón Reventado de gotas para visualizar la pipeta y la boquilla del dispensador de gotas.
A continuación, haga clic en el botón Activar láser para establecer la conexión con el láser. Desde aquí, ajuste la potencia láser alrededor del primer cuarto de la tira de control, que se encuentra debajo del botón Activar láser. Espere hasta que la luz verde sea visible.
Si el láser está correctamente alineado, se verá una luz de haz verde delgada. En caso de alineación incorrecta, póngase en contacto con los servicios de mantenimiento como se describe en el protocolo. Una vez que el láser está alineado, aumente su potencia a tres cuartos de la barra.
A continuación, haga clic en el botón Iniciar gotas para activar el dispensador de gotas. Mira la imagen de la cámara web y espera hasta que se produzca un flash. En ese momento, una gota ha sido capturada.
Compruebe la imagen de la cámara web de nuevo y verifique que una gota está levitando en el centro de la celda de reventado. A continuación, pulse el botón Stop drops (Detener caídas) para apagar el dispensador de gotas. Para determinar el tamaño de la gota, presione Sizing droplets y siga el procedimiento descrito en la Sección 8 del protocolo de texto adjunto.
Para determinar el cargo por la gota capturada, primero haga clic en la vista Droplets de seguimiento. A continuación, seleccione el menú de campo Eléctrico y establezca el campo DC Electric en Zero con el campo numérico DC Voltage. Usando el gráfico, calcule y observe un valor promedio de la posición de la gota y también observe la potencia del láser.
Ahora, establezca el campo DC Electric en un valor entre o 500 Voltios para hacer que la gota cambie su posición. Una vez que la posición cambia, modifique la potencia del láser con el control deslizante hasta que la gota vuelva a su posición original y anote el nuevo valor de la potencia del láser. Por último, utilice la ecuación 2 del protocolo de texto adjunto para calcular la carga de la gota.
Aquí se muestra una gota atrapada que levita. Es posible ver una de las gotas levitando dentro de la celda de la configuración. El color verde se debe al láser y la vista de dos puntos, en lugar de uno, se debe al reflejo de la gota en el vidrio de la célula.
En este caso, el punto superior es la reflexión y el punto inferior es la gota. Lo más importante cuando se trata de atrapar es tener paciencia. Se supone que una gota del tamaño de un micrómetro aterriza en un haz de luz ligeramente más ancho que la propia gota.
Para obtener un valor más preciso para la carga, se puede utilizar un bucle de control. Al aplicar un campo eléctrico, el bucle de control cambiará la potencia del láser hasta que la gota vuelva a su posición original. Otros desarrollos de esta configuración experimental son estudiar colisiones de gotas con cámaras de alta velocidad, y también investigar cómo se comporta la gota en una cámara de alto vacío.
En este experimento se utiliza un láser de clase 4. Es importante tomar todas las medidas de seguridad para proteger al personal en el laboratorio y el medio ambiente.
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Descripción general
Este artículo presenta un sistema de levitación óptica controlado a distancia que permite la levitación de objetos dieléctricos del tamaño de un micrómetro mediante luz láser. El sistema está diseñado tanto para fines educativos como de investigación, posibilitando la visualización de conceptos físicos fundamentales.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Levitación óptica
- Presión de fotones
- Experimentación remota
Antecedentes
- La levitación óptica utiliza luz láser para manipular partículas pequeñas.
- El sistema puede controlarse a distancia mediante computadoras y automatización.
- Ofrece una oportunidad única para visualizar fenómenos físicos.
- Las aplicaciones incluyen ciencias atmosféricas y análisis químico.
Objetivo del estudio
- Demostrar los principios de la levitación óptica.
- Permitir el acceso remoto a montajes experimentales.
- Visualizar conceptos físicos con equipo mínimo.
Métodos Utilizados
- Uso de láseres de alta potencia para la levitación.
- Control remoto mediante sistemas informáticos.
- Visualización mediante gafas láser o cámaras web.
- Estudio del comportamiento de gotas líquidas utilizando espectroscopía Raman.
Resultados principales
- Levitación exitosa de objetos dieléctricos de tamaño micrométrico.
- Visualización de los efectos de la presión de fotones.
- El acceso remoto permite diversas aplicaciones experimentales.
- Conocimientos sobre ciencias atmosféricas y química de gotas.
Conclusiones
- El sistema de levitación óptica es efectivo para fines educativos e investigativos.
- La experimentación remota mejora la accesibilidad y el compromiso.
- La visualización de fenómenos físicos puede lograrse con métodos de detección sencillos.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
La levitación óptica remota de gotas cargadas permite la visualización directa y la medición cuantitativa de procesos físicos fundamentales relevantes para la investigación y desarrollo en biofármacos, como la presión de fotones y la dinámica de partículas cargadas. Este sistema posibilita experimentos basados en hipótesis dentro de un entorno controlado y reproducible, facilitando la reducción de riesgos mecanicistas y la validación de objetivos en las fases iniciales del descubrimiento. La infraestructura del laboratorio remoto también aborda cuestiones de seguridad operativa y limitaciones de recursos, ampliando el acceso a flujos de trabajo avanzados de medición física.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Permite investigar el movimiento de partículas cargadas bajo campos eléctricos controlados para obtener una comprensión mecanicista.
- Apoya la validación funcional de hipótesis físicas relevantes para sistemas de entrega o detección basados en partículas.
- Proporciona una plataforma para predecir con confianza la medición de parámetros físicos y el comportamiento del sistema.
Desarrollo de Pruebas y Tamizaje
- Facilita la preparación y manipulación de sistemas de gotas validados para flujos de trabajo analíticos posteriores.
- Permite mediciones reproducibles y cuantitativas del tamaño y la carga de las gotas mediante lecturas ópticas y eléctricas.
- Apoya la estandarización y escalabilidad mediante operación y captura de datos controladas por software y a distancia.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Ofrece potencial para alinearse con modelos preclínicos atmosféricos o basados en aerosoles donde el comportamiento de las gotas es relevante.
- Proporciona continuidad desde la medición física hasta la investigación traslacional en sistemas basados en partículas.
- Permite un avance ajustado al riesgo al aclarar los mecanismos físicos subyacentes a la manipulación de gotas.
Integración de la tubería y flujo de trabajo
Esta plataforma remota de levitación óptica se integra en el continuo desde el descubrimiento hasta la fase preclínica al permitir la comprobación de hipótesis, la medición cuantitativa y la manipulación reproducible de gotas cargadas.
- Biología de descubrimiento: Apoya la comprobación de hipótesis sobre la presión de fotones y los efectos del campo eléctrico en microgotas.
- Cribado: Proporciona resultados cuantitativos sobre el tamaño y la carga de las gotas, favoreciendo la preparación del ensayo.
- Analítica: Ofrece lecturas en tiempo real de posición y potencia para análisis comparativo entre diferentes condiciones.
- Investigación traslacional: Relaciona el comportamiento físico de las gotas con modelos preclínicos o ambientales más amplios cuando es pertinente.
- Reutilización empresarial: Establece una plataforma reutilizable y accesible remotamente para mediciones físicas y formación.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Aumenta la confianza predictiva y reduce la ambigüedad mecanicista en los estudios de sistemas físicos.
- Valor operativo: Mejora la estandarización, la reproducibilidad y el acceso remoto seguro a instrumentación de alto riesgo.
- Valor estratégico: Mejora la calidad de las decisiones de avance o detención y la eficiencia del capital al permitir mediciones robustas en etapas iniciales.
- Impacto en la cartera: Apoya la priorización y el avance ajustados al riesgo de proyectos basados en partículas o en mediciones físicas.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en física óptica, seguridad con láseres y control remoto de instrumentación.
- Exige acceso a láseres de alta potencia, dispensadores de gotas y sistemas de adquisición de datos en tiempo real.
- Necesita estricto cumplimiento de los protocolos de seguridad y estandarización entre equipos para la operación remota.
- Puede requerir adaptación para diferentes tipos de gotas o condiciones ambientales según la aplicación.
- Las limitaciones operativas incluyen la sensibilidad al alineamiento y la necesidad de una conectividad remota robusta.
