安全なリモート ・ ラボを使用して帯電液滴の光の浮上実験
2019年1月10日
光の浮上は、レーザ光を用いたマイクロ メートル サイズの誘電体を浮上の方法です。コンピューター ・ オートメーション ・ システム、光の浮上実験を利用したをリモートで制御することができます。ここでは、我々 の存在は、リモートで制御される光浮上システムの両方で使用教育および研究目的。
このプロトコルは、光子圧力や電荷を帯びた粒子が電界でどのように動くかなど、多くの基本的な物理的概念を視覚化するために使用できます。さらに、これらのタスクはすべてリモートで実行できます。主な利点は、レーザーゴーグルを直接使用するか、またはWebカメラを使用してコンピュータ画面上で、唯一の検出器として私たちの裸目で物理的現象を視覚化できることです。
実験システムは、例えば、ラマン分光法を用いて液滴や液滴の化学組成との相関関係を調べたことで、大気科学の洞察を提供することができる。リモート アクセス プロトコルは、さまざまな種類の実験に適用できます。実験の主な課題は、高出力レーザーを使用することです。
そのため、厳しいレーザー安全規制を適用する必要があります。この実験の全体のアイデアは、通常、ブラックボックス実験や理論的な処理を通じて実証されている物理学の概念を視覚化することです。実験はオスカー・イサクソンとアンドレアス・ヨハンソンによって実証されます。
二人とも地元の高校で教えることと、PHを目指す研究を行うことの間に時間を共有しています。D.Degree. 強力なレーザーが関与しているときはいつでも、安全が最優先事項でなければなりません。これらのレーザーは目に見えるレーザー放射の2ワットを提供する。
したがって、すべての人員はレーザー安全コースに参加する必要があります。まず、ラボエリアの全員にレーザーの電源が入ることを知らせることから始めます。その後、実験室内のレーザー警告ランプをオンにします。
次に、4枚の光吸収ボードを配置し、レーザーと吸収ボードの間のスペースが障害物から解放されていることを確認します。また、トラッピング セルとビーム ブロックの間のスペースがオブジェクトから解放されていることを確認します。レーザーを始める前に、時計や金属のリングも取り外し、適切な目の保護を行います。
次に、ラボ コンピュータの電源を入れ、動作が整うまで待ちます。デスクトップからリモートスタートアップフォルダを開き、アイコンMain1806をクリックします。VI.左上の矢印を押してプログラムを実行します。
EJS変数の下で、レーザーリモート有効2電源という名前のチェックボックスをオンにし、レーザー電流2を25に設定して、レーザーパワーが25%で終わるように、レーザーパワーが25%で終わるようにして、ビームがビームdomで終わることを確認します。ない場合は、ビーム dom の位置を調整します。次に、プログラムVI.のDrops2をチェックし、そのベースで駆動ネジを回すことによって、そのベースで駆動ネジを回すことによって、液滴がレーザービームに落ちるまで液滴ディスペンサーの先端を移動するように変換段階を調整します。
ソフトウェアに戻り、レーザー電流2入力フィールドを使用してレーザーパワーを約66%に引き上げて、液滴をトラップします。ドロップレットがトラップされるとすぐに、Drops2 のチェックを外します。テキストプロトコルに従って液滴の大きさと極性を決定した後、その密度を持つ既知のサイズを掛けることによって液滴の電荷を決定する。
次に、E-Field DC コントロール 2 をゼロに設定し、チャート波形の PSD 正規化位置トレースによる液滴の位置の平均値を推定して記録します。方程式2でF-Read1として与えられたレーザーパワーの値を計算します。次に、E-Field DC コントロール 2 を 1 ~ 5 ボルトまたは 1 ~ 5 ボルトの間に設定して、ドロップが上に移動するようにします。
液滴は新しい位置にあります。液滴が元の位置に戻るまで、レーザーパワーをゆっくりと減らします。新しいレーザーパワーをF-Read 2と書き留めます。
リモートラボラトリーにアクセスするには、Webブラウザでユニラボのウェブページを開きます。接続したら、ヘッダーの下のメニューの最初の項目で目的の言語を選択します。次に、次のデータを使用してログインします。
コース領域で、ログイン領域の隣にあるヨーテボリ大学のロゴを左クリックします。次に、光学浮上をクリックして、この実験の材料にアクセスします。光浮上のリモートラボをクリックしてリモートラボにアクセスします。
その後、Web ページのメインフレームが次のように表示され、リモート ラボラトリーのユーザー インターフェイスが表示されることを確認します。次に、[接続] ボタンをクリックします。接続が成功すると、ボタンのテキストが [接続済み] に変わります。
次に、ドロップレットの追跡をクリックし、PSDデータが受信されていることを確認します。次に、一般表示をクリックして、設定のすべての要素(レーザー、液滴ディスペンサー、トラッピングセル、PSD)を特定します。ドロップレットをトラップするには、まずトラップ液滴ボタンをクリックしてピペットとドロップレットディスペンサーノズルを視覚化します。
次に、レーザーボタンをクリックしてレーザーへの接続を確立します。ここから、レーザーボタンをオンにする下にあるコントロールストリップの第1四半期の周りにレーザーパワーを設定します。緑色のライトが表示されるまで待ちます。
レーザーが正しく位置合わせされている場合は、薄い緑色のビームライトが見えます。アライメントが正しくない場合は、プロトコルに記載されている保守サービスにお問い合わせください。レーザーが揃ったら、バーの4分の3にパワーを上げます。
次に、ドロップレットディスペンサーをオンにするには、[ドロップの開始]ボタンをクリックします。ウェブカメラの画像を見て、フラッシュが生成されるまで待ちます。その瞬間、液滴が捕獲されました。
ウェブカメラの画像をもう一度確認し、トラップセルの中央にドロップレットが浮かっていることを確認します。次に、ドロップドロップボタンを押して、ドロップレットディスペンサーをオフにします。ドロップレットのサイズを決定するには、サイズ変更液滴を押して、付随するテキストプロトコルのセクション8の手順に従います。
キャプチャした液滴の電荷を確認するには、まず[トラッキング]ドロップレットビューをクリックします。次に、電界メニューを選択し、DC電圧数値フィールドを使用して、DC電界をゼロに設定します。グラフを使用して、ドロップレット位置の平均値を推定してメモし、レーザーパワーにも注意してください。
DC電界を500ボルト間の値に設定して、液滴の位置を変更します。位置が変わったら、ドロップレットが元の位置に戻るまでスライダでレーザーパワーを変更し、レーザーパワーの新しい値を書き留めます。最後に、付随するテキストプロトコルの数式2を使用して、液滴の電荷を計算します。
ここに示されているのは、閉じ込められた液滴浮上です。セットアップのセルの内側に浮く液滴の1つを見ることができます。緑色はレーザーによるもので、1点ではなく2つのドットの視力は、細胞のガラス上の液滴の反射によるものです。
この場合、上の点は反射、下の点は液滴です。トラップしようとする最も重要なことは、忍耐を持っていることです。マイクロメートルサイズの液滴は、液滴自体よりもわずかに広い光のビームに着陸することになっています。
充電の精度を高めるために、制御ループを使用できます。電界を適用している間、制御ループは、液滴が元の位置に戻るまでレーザーパワーを変えます。この実験セットアップからのさらなる発展は、高速カメラとの液滴衝突を研究し、また、液滴が高真空チャンバーでどのように動作するかを調査することです。
この実験では、クラス4レーザーが使用されます。ラボや環境の人員を保護するために、すべての安全対策を講じる必要があります。
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概要
本記事では、レーザー光を用いてマイクロメートルサイズの誘電体物体を浮遊させることができる、遠隔操作可能な光レビテーションシステムを紹介します。このシステムは教育および研究の両方の目的向けに設計されており、基礎的な物理概念の可視化を可能にします。
研究の主要構成要素
科学分野
- 光レビテーション
- 光子圧
- 遠隔実験
背景
- 光レビテーションは、レーザー光を用いて微小粒子を操作する技術です。
- このシステムは、コンピュータとオートメーションを用いて遠隔制御が可能です。
- これにより、物理現象を可視化するユニークな機会が得られます。
- 応用分野には、大気科学や化学分析が含まれます。
研究目的
- 光レビテーションの原理を実証すること。
- 実験装置へのリモートアクセスを可能にすること。
- 最小限の設備で物理的概念を可視化すること。
使用方法
- 高出力レーザーを用いた浮遊の実現。
- コンピュータシステムによるリモートコントロール。
- レーザーゴーグルまたはウェブカメラを用いた可視化。
- ラマン分光法を用いた液滴の挙動の調査。
主な結果
- マイクロメートルサイズの誘電体物体の浮遊に成功。
- 光子圧効果の可視化。
- リモートアクセスにより、多様な実験的応用が可能。
- 大気科学および液滴化学への知見。
結論
- 光レヴィテーションシステムは、教育および研究目的において有効です。
- リモート実験により、アクセシビリティとエンゲージメントが向上します。
- 物理現象の可視化は、シンプルな検出方法で実現可能です。
よくある質問
産業上の重要性
帯電した液滴のリモート光レビテーションにより、光圧や帯電粒子のダイナミクスなど、バイオ医薬品の研究開発に関連する基礎的な物理プロセスの直接的な可視化と定量的な測定が可能になります。このシステムは、制御された再現可能な環境での仮説駆動型の実験をサポートし、初期探索におけるメカニズムのデリスキング（リスク低減）とターゲットバリデーションを促進します。また、リモートラボのインフラストラクチャは、運用上の安全性やリソースの制約という課題にも対応し、高度な物理測定ワークフローへのアクセスを拡大します。
バイオ医薬品研究開発における戦略的応用
初期創薬およびターゲットバリデーション
- 制御された電場における荷電粒子の運動を解析し、メカニズム的な知見を得ることが可能です。
- 粒子ベースの輸送または検出システムに関連する物理的仮説の機能的検証をサポートします。
- 物理パラメータの測定およびシステム挙動における予測信頼性のためのプラットフォームを提供します。
スクリーニングおよびアッセイ開発
- 後続の分析ワークフローに向けて、検証済みの液滴システムの調製および操作を容易にします。
- 光学的な読み出しと電気的な読み出しを用いて、液滴のサイズと電荷の再現性のある定量的な測定を可能にします。
- ソフトウェアによるリモート操作とデータキャプチャを通じて、標準化とスケールアップをサポートします。
トランスレーショナルおよび前臨床研究
- 液滴の挙動が重要となる大気またはエアロゾルベースの前臨床モデルとの整合性を図れる可能性がある。
- 粒子ベースのシステムにおける物理的測定からトランスレーショナルリサーチへの連続性を提供する。
- 液滴操作の基礎となる物理的メカニズムを明確にすることで、リスクを調整した研究の進展を可能にする。
パイプラインおよびワークフローの統合
この遠隔光学浮遊プラットフォームは、帯電した液滴の仮説検証、定量測定、および再現性のある操作を可能にすることで、発見から前臨床に至る一連のプロセスに統合されます。
- 発見生物学：微小液滴に対する光子圧および電場効果に関する仮説検証をサポートします。
- スクリーニング：液滴のサイズと電荷に関する定量的な出力を提供し、アッセイへの適用準備を支援します。
- 分析：条件間の比較分析のために、位置および出力のリアルタイム読み出しを提供します。
- トランスレーショナルリサーチ：関連する場合、液滴の物理的挙動をより広範な前臨床モデルや環境モデルへと結びつけます。
- エンタープライズ再利用：物理的測定およびトレーニングのための、リモートアクセス可能な再利用可能プラットフォームを構築します。
運用および企業への影響
- 科学的価値： 物理システム研究における予測の信頼性を高め、メカニズムの曖昧さを軽減します。
- 運用の価値： 標準化、再現性、および高リスク機器への安全なリモートアクセスの向上を実現します。
- 戦略的価値： 堅牢な初期段階の測定を可能にすることで、Go/No-Go判断の質と資本効率を向上させます。
- ポートフォリオへの影響： 粒子ベースまたは物理的な測定プロジェクトのリスク調整後の優先順位付けおよび推進をサポートします。
実施上の留意点
- 光学物理学、レーザー安全、および遠隔計装制御に関する専門知識が必要です。
- 高出力レーザー、液滴ディスペンサー、およびリアルタイムデータ収集システムへのアクセスが必要です。
- 遠隔操作のための安全プロトコルの厳守およびチーム間での標準化が不可欠です。
- 用途に応じて、異なる液滴の種類や環境条件への適応が必要になる場合があります。
- 運用上の制限として、アライメントの感度や堅牢なリモート接続の必要性が挙げられます。
