Sicuro sperimentazione in ottica levitazione di goccioline caricate utilizzando Remote Labs
January 10th, 2019
Levitazione ottica è un metodo per levitare oggetti di dielettrico micrometro-dimensioni usando la luce laser. Che utilizzano computer e sistemi di automazione, un esperimento sulla levitazione ottico può essere controllato da remoto. Qui, vi presentiamo un sistema di levitazione ottica comandati a distanza che è utilizzato sia per la didattica e scopi di ricerca.
Il nostro protocollo può essere utilizzato per visualizzare molti concetti fisici fondamentali, come la pressione dei fotoni o come una particella carica si muove in un campo elettrico. Inoltre, tutte queste attività possono essere eseguite in remoto. Il vantaggio principale è che possiamo visualizzare i fenomeni fisici a occhio nudo come l'unico rilevatore, utilizzando direttamente occhiali laser o sullo schermo del computer utilizzando una webcam.
Il sistema sperimentale può, ad esempio, fornire informazioni sulle scienze atmosferiche studiando correlazioni tra goccioline liquide o la composizione chimica di una goccia usando la spettroscopia Raman. Il protocollo di accesso remoto è applicabile a un'ampia gamma di tipi di esperimento. La principale sfida sperimentale è che usiamo laser ad alta potenza.
Pertanto, è necessario applicare rigide norme di sicurezza laser. L'idea di questo esperimento è quella di visualizzare concetti di fisica che normalmente sono dimostrati nell'esperimento black box o attraverso trattamenti teorici. L'esperimento sarà dimostrato da Oscar Isaksson e Andreas Johansson.
Entrambi condividono il loro tempo tra l'insegnamento in un liceo locale e la ricerca mira a un dottorato di ricerca. D.degree. Ogni volta che sono coinvolti potenti laser, la sicurezza deve essere la massima priorità. Questi laser erogano due Watt di radiazione laser visibile.
Pertanto, tutto il personale deve frequentare il corso di sicurezza laser. Inizia informando tutti nell'area di laboratorio che verrà acceso un laser. Quindi accendere la spia laser all'interno del laboratorio.
Successivamente, posizionare le quattro schede che assorbono la luce e verificare che lo spazio tra il laser e le schede assorbenti sia privo di ostacoli. Inoltre, controllare che lo spazio tra la cella di abbondanza e il blocco del fascio sia privo di oggetti. Prima di avviare il laser, rimuovere anche tutti gli orologi e gli anelli metallici e indossare una corretta protezione degli occhi.
Ora accendi il computer da laboratorio e attendi che sia pronto per funzionare. Aprire la cartella Avvio remoto dal desktop e fare clic sull'icona Main1806. VI.Eseguire il programma premendo la freccia nell'angolo in alto a sinistra.
In Variabili EJS contrassegnare la casella di controllo denominata Laser Remote Enable 2 Power e impostare La corrente laser da 2 a 25 in modo che la diapositiva di alimentazione laser a destra finisca al 25%Osserva il raggio laser utilizzando occhiali laser di allineamento per assicurarsi che il raggio finisca nel dom del fascio. In caso meno, regolare la posizione della trave. Quindi, controllare Drops2 nel programma VI.Quindi, regolare lo stadio di traduzione, ruotando le viti di guida alla sua base, per spostare la punta del distributore di goccioline fino a quando le goccioline cadono nel raggio laser.
Di nuovo nel software, aumentare la potenza del laser a circa il 66% utilizzando il campo di ingresso Laser Current 2 per intrappolare una goccia. Non appena una goccia è intrappolata, deselezionare Gocce2. Dopo aver determinato la dimensione e la polarità della goccia seguendo il protocollo di testo, determinare la carica della goccia moltiplicando la sua dimensione nota con la sua densità.
Impostare quindi il controllo DC 2 del campo E su Zero e stimare e annotare un valore medio per la posizione della goccia in base alla traccia di posizione normalizzata PSD nella forma d'onda del grafico. Calcolare il valore della potenza laser fornita come F-Read 1 nell'equazione 2. Ora, impostare l'E-Field DC Control 2 tra 1 e 5 Volt o 1 e 5 Volt in modo che la caduta si muova verso l'alto.
La goccia è ora in una nuova posizione. Ridurre lentamente la potenza del laser fino a quando la goccia non è tornata nella sua posizione originale. Annotare la nuova potenza laser come F-Read 2.
Per accedere al Laboratorio Remoto, aprire la pagina Web dell'Unilab su un browser Web. Una volta connesso, selezionare la lingua desiderata nella prima voce del menu sotto l'intestazione. Quindi accedere utilizzando i dati seguenti.
Nell'area del corso, accanto all'area di accesso, fare clic con il pulsante sinistro del mouse sul logo dell'Università di Göteborg. Quindi, fai clic su Levitazione ottica per accedere al materiale di questo esperimento. Accedere al Laboratorio Remoto cliccando su Laboratorio Remoto di Levitazione Ottica.
Successivamente, assicurarsi che il mainframe della pagina Web sia simile al seguente e mostri l'interfaccia utente del Laboratorio remoto. Quindi, fare clic sul pulsante Connetti. Se la connessione ha esito positivo, il testo del pulsante cambierà in Connesso.
Quindi, fai clic su Tracking Droplets e controlla che i dati PSD vengano ricevuti. Quindi fare clic su Visualizzazione generale per identificare tutti gli elementi dell'insieme: il laser, il distributore di goccioline, la cella di abbondanza e il PSD. Per intrappolare una goccia, fare prima clic sul pulsante Goccioline di intrappolamento per visualizzare la pipetta e l'ugello del distributore di goccioline.
Quindi, fare clic sul pulsante Attiva laser per stabilire la connessione al laser. Da qui, impostare l'alimentazione laser intorno al primo quarto della striscia di controllo, che si trova sotto il pulsante Attiva laser. Attendere che sia visibile la luce verde.
Se il laser è allineato correttamente, verrà vista una sottile luce verde del fascio. In caso di allineamento errato, si prega di contattare i servizi di manutenzione come descritto nel protocollo. Una volta allineato il laser, aumentare la sua potenza a tre quarti della barra.
Quindi, fare clic sul pulsante Avvia gocce per accendere il distributore di goccioline. Guarda l'immagine della webcam e attendi la produzione di un flash. In quel momento, una goccia è stata catturata.
Controllare nuovamente l'immagine della webcam e verificare che una goccia sia levitante al centro della cella di abbondanza. Quindi, premere il pulsante Interrompi gocce per spegnere il distributore di goccioline. Per determinare le dimensioni della goccia, premere Le goccioline di ridimensionamento e seguire la procedura di cui alla sezione 8 del relativo protocollo di testo.
Per determinare l'addebito per la goccioline acquisita, fare prima clic sulla visualizzazione Goccioline di tracciamento. Selezionare quindi il menu campo Elettrico e impostare il campo DC Electric su Zero con il campo numerico Tensione CC. Utilizzando il grafico, stimare e notare un valore medio della posizione della goccia e notare anche la potenza laser.
Ora, imposta il campo DC Electric su un valore compreso tra o 500 Volt per fare in modo che la goccia cambi la sua posizione. Una volta che la posizione cambia, modificare la potenza del laser con il cursore fino a quando la goccia non è tornata nella sua posizione originale e annotare il nuovo valore della potenza laser. Infine, utilizzare l'equazione 2 del protocollo di testo di accompagnamento per calcolare la carica della goccia.
Qui è mostrata una goccia intrappolata che levita. È possibile vedere una delle goccioline che levitano all'interno della cella della configurazione. Il colore verde è dovuto al laser e la vista di due punti, invece di uno, è dovuta al riflesso della goccia sul vetro della cella.
In questo caso, il punto superiore è il riflesso e il punto inferiore è la goccia. La cosa più importante quando si cerca di intrappolare è avere pazienza. Una goccia delle dimensioni di un micrometro dovrebbe atterrare in un raggio di luce leggermente più largo della goccia stessa.
Per ottenere un valore più accurato per la carica, è possibile utilizzare un ciclo di controllo. Durante l'applicazione di un campo elettrico, il circuito di controllo cambierà la potenza del laser fino a quando la goccia non tornerà nella sua posizione originale. Ulteriori sviluppi da questa configurazione sperimentale sono lo studio delle collisioni di goccioline con telecamere ad alta velocità e anche l'indagine su come si comporta la goccia in una camera ad alto vuoto.
In questo esperimento viene utilizzato un laser di classe 4. È importante adottare tutte le misure di sicurezza per proteggere il personale in laboratorio e l'ambiente.
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Panoramica
Questo articolo presenta un sistema di levitazione ottica controllato da remoto che permette la levitazione di oggetti dielettrici di dimensioni micrometriche utilizzando la luce laser. Il sistema è progettato sia per scopi educativi che di ricerca, consentendo la visualizzazione di concetti fisici fondamentali.
Componenti chiave dello studio
Area di scienza
- Levitazione ottica
- Pressione dei fotoni
- Sperimentazione remota
Sfondo
- La levitazione ottica utilizza la luce laser per manipolare piccole particelle.
- Il sistema può essere controllato da remoto utilizzando computer e automazione.
- Fornisce un'opportunità unica per visualizzare fenomeni fisici.
- Le applicazioni includono scienze atmosferiche e analisi chimiche.
Obiettivo dello studio
- Dimostrare i principi della levitazione ottica.
- Consentire l'accesso remoto ai setup sperimentali.
- Visualizzare concetti fisici con attrezzature minime.
Metodi utilizzati
- Utilizzo di laser ad alta potenza per la levitazione.
- Controllo remoto tramite sistemi informatici.
- Visualizzazione attraverso occhiali laser o web camera.
- Indagine sul comportamento delle goccioline liquide utilizzando la spettroscopia Raman.
Risultati principali
- Levitazione con successo di oggetti dielettrici di dimensioni micrometriche.
- Visualizzazione degli effetti della pressione dei fotoni.
- L'accesso remoto permette diverse applicazioni sperimentali.
- Intuition sulle scienze atmosferiche e sulla chimica delle goccioline.
Conclusioni
- Il sistema di levitazione ottica è efficace per scopi educativi e di ricerca.
- La sperimentazione remota migliora l'accessibilità e il coinvolgimento.
- La visualizzazione dei fenomeni fisici può essere realizzata con metodi di rilevamento semplici.
Domande frequenti
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.
