Name: ミニチュア自動フォトフォレティックトラップリグの製造とテスト (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-11-23T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 57 s
Description: 学ぶ：光泳動トラッピングのミニチュア自動リグ製造法。ダイヤモンドナノ粒子やトナー粒子の捕獲効率を測定し、低コストで誰でも最先端研究に参加できるプロトコルを解説します。

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著者らは、米国国立科学財団からの財政的支援に感謝の意を表している。NSFアワードID-1846477。

1.3D必要な材料の印刷とレーザー切断
<ol><li>下記の資料を3Dプリント<ol>
<li>補足ファイル1に記載されている情報に従って、フィラメントFDM(溶融蒸着モデリング)3Dプリンタ(材料表を参照)を使用してレンズホルダーを印刷します。このレンズホルダーは、30mm(直径)のレンズ用です(図2)。 注:このファイルは、他のレンズに合わせて簡単にカスタマイズできます。</li>
		<li>次に、片持ち梁プラットフォームとホルダー(図2)を印刷します(補足ファイル2と補足ファイル3)。 注:これは、プリントの詳細に応じて、〜2〜14時間かかることがあります。十分な量のトラップ物質が配置されていれば、プリントの詳細はトラップ速度に影響を与えないはずです(ステップ5.3.4)。</li>
	</ol>
</li>
	<li>3Dレーザーカッター( 材料表を参照)を使用して、リグ片を切り取ります(図3)(補足ファイル4-5)。 注:このカットは、厚さ4分の1インチのどの材料でも行うことができますが、木材が推奨材料です。 補足ファイル 4 には、12 x 12 インチの木片に収まる必要なリグ部品が含まれています。 補足ファイル5 には、オプションのライトシールド/ブロッカーが含まれています。</li>
	<li>ガラスカッター( 材料表を参照)を使用して、標準的な試験管(直径約2.5 cm)を約半分に切断し、2つの開いた端を持つ半分の長さが約6.5 cmになるようにします。</li>
</ol>2. 木製リグの組み立て
メモ: 木製リグの組み立て中に、手順 2.1 ~ 2.5 の指示に「スライド」と表示される場合がありますが、部品を適切に配置して構築するには、より多くの力が必要になる場合があります。
<ol><li>Yエンブレムを上に向けてベースピースを下に置きます(図1A)。</li>
	<li>1番目のレーザーホルダーをスライドさせて一方の端に配置し、最初の試験管ホルダーを他方の端に配置しながら、ベースの両側に2つの長いサイドピースを保持します(図1B、C)。</li>
	<li>両方の電磁石ホルダーを横にスライドさせて、カメラホルダーにスライドさせます。マグネットホルダーが両側に約1cm離れていることを確認します(図1D)。<ol>
<li>マグネットホルダーとカメラホルダーをユニットとして第1試験管ホルダーの隣にスライドさせ、間隔をあけて移動させます。したがって、試験管ホルダーと第1電磁石ホルダーの間に1cm(電磁石ホルダーを過ぎたカメラホルダーの端が1cmの基準として役立つことがあります)(図1E)。 メモ:カメラホルダーとライトシールドは、ミニチュアトラップシステムの主な使用には必要ありませんが、リグのセットアップの均一性のために両方をお勧めします。</li>
	</ol>
</li>
	<li>次に、第2の試験管ホルダと第2の電磁石ホルダとの間に〜1cmの間隔があるように、両方の電磁石ホルダの後に第2の試験管ホルダを配置する。 メモ:合計で、2つの試験管ホルダーの間には約4cmのスペースがあります(カメラマウントの幅は4cmで、位置決めの参考にしています)(図1F)。<ol>
<li>オプションのライトシールド/ブロッカー(補足ファイル5)を使用する場合は、カメラホルダーから試験管ホルダーと電磁石ホルダーの反対側の端にライトシールドをスライドさせます。これは、試験管と電磁石ホルダーを中央に配置し、整列させるのに役立ちます。</li>
	</ol>
</li>
	<li>2番目のレーザーホルダーを所定の位置にスライドさせます。正確な距離は必要ありません。推奨される距離は3〜4cmですが、これはレーザーの長さによって異なる場合があります。</li>
	<li>必要に応じて、光レール( 材料表を参照)をすべてのホルダの下にスライドさせて、トラップシステムの他の要素を整列させることができます。これは、レンズをレーザーおよび試験管に合わせるのに特に有用です(図1G)。</li>
	<li>電磁石( 材料表を参照)を電磁石ホルダーに入れます(図1H)。</li>
</ol>3. 指定マイコン基板との回路の接続
<ol><li>コンピュータのモニタ、キーボード、およびマウスをマイクロコントローラボードに接続します( 材料表を参照)。マイクロコントローラボードを起動し、オペレーティングシステムが機能していることを確認します。元のマイクロコントローラ構成を変更する必要はありませんが、必要に応じてVNC(仮想ネットワーク接続)とSSH(セキュアシェル)の両方を選択できます。これにより、マイクロコントローラへのリモートアクセスが可能になります。</li>
	<li>電圧レギュレータ( 材料表を参照)、ブレッドボード、および数本のワイヤ(図4A)を使用して電磁石制御回路を構築します。 メモ:マイクロコントローラボードのピン番号はすべてGPIO(汎用入出力)ピンです。<ol>
<li>電圧レギュレータをブレッドボードに配置して、各ピンが別々の列に並ぶようにして、適切に使用できるようにします。</li>
		<li>電圧レギュレータの入力ピンをマイクロコントローラボードの5V電源ピンの1つに配線します。</li>
		<li>電圧レギュレータの調整ピンをマイクロコントローラボード上のGPIO 23に配線します。</li>
		<li>電磁石の入力ワイヤを電圧レギュレータの出力ピンに接続します。次に、電磁石の出力ワイヤをマイクロコントローラのグランドピンに接続します。これは、ブレッドボードの別の行を使用して、追加のワイヤを使用して2つを接続する場合に最も効果的です。</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. システムを動作させるためのコードのアップロード
注: コードをアップロードするには、ステップ 4.1 またはステップ 4.2 のいずれかに従う必要があります。ステップ 4.1 では、カメラを使用しないコードの簡易バージョンについて説明します。ステップ 4.2 では、カメラを使用するバージョンについて説明します。
<ol><li>補足ファイル 6 に示されている手順に従って、手順を実行します。<ol>
<li>ターミナルを開き、必要なファイルを保存する場所に移動します。マイクロコントローラボード上に新しいディレクトリを作成するには、ターミナルコマンド 「mkdir」 に続いて目的のディレクトリ名を入力します。このディレクトリは、トラップリグを実行するためのファイルを保存するために使用されます。</li>
		<li>補足ファイル 6 を新しいディレクトリーに挿入します。詳細については、ファイルの先頭セクションの readme セクションを参照してください。テスト番号を希望の量に変更すると、プログラムを実行する準備が整います。 メモ: このファイルには、1 回の実行で実行するテストの数を制御する num_tries という必要な変数が 1 つ含まれています。このファイルには、常に数回の一時停止が含まれているため、テストを迅速化するために短縮できます。</li>
	</ol>
</li>
	<li>以下の手順に従って、マイクロコントローラボード上でSQLiteを実行して表示します。これには 、補足ファイル7-11 とカメラと関連する専門知識が必要です。<ol>
<li>「Sudo apt-get install SQLite browser」と「Sudo apt-get install sqlite3」の ターミナルに入力して、必要なデータベースライブラリをマイクロコントローラボードにインストールします。これにより、マイクロコントローラボードは 、補足ファイル9を使用してテストからのすべてのデータを自動的に保存することができます。</li>
		<li>補足ファイル 11 をカメラ スクリプトとして保存し、カメラに main.py します。これは、ファイルエクスプローラまたはカメラ用に開発された統合開発環境(IDE)を介して行うことができます(材料表を参照)。 メモ: IDE は、カメラの出力をユーザーが確認できるため、カメラが正しくピントが合っていることを確認するのに役立ちます。</li>
		<li>カメラをマイクロコントローラボードに接続します。カメラのアースピンを含む4本のピンを使用します。グランドピンをマイクロコントローラボードのグランドに接続する必要があります。次のピンは、次のように一致する必要があります。<ol>
<li>カメラ ピン 8 を GPIO 19 に接続する: このピンは、各トラップの結果を pi に送り返します。</li>
			<li>カメラ ピン 9 を GPIO 17 に接続する: このピンは、カメラに検索を開始する許可を与えます。</li>
			<li>カメラ ピン 7 を GPIO 5 に接続する: これはカメラのステータス ピンです。</li>
		</ol>
</li>
		<li>すべてのファイルを保存するディレクトリを作成します。このディレクトリを作成したら、 補足ファイル 7 ~ 10 で提供されているファイルをディレクトリに保存します。それぞれ readme.txt、main.py、electromagnet.py、test_insert.py の名前を変更します。</li>
		<li>補足ファイル 7 (ReadMe.txt) をお読みください。 メモ: readme ファイルには、各ファイルの機能と、データベースのディレクトリパスなど、各ファイルで必要になる可能性のある変更について、よく説明されています。</li>
		<li>ステップ 4.2.1 でインストールしたデータベース・ビューアーを開きます。[ 新しいデータベース ] ボタンをクリックし、他のファイルと同じディレクトリにデータベースを保存します。新しいデータベースは、test_insert.py で見つかったデータベース・ファイルの名前と一致している必要があります。</li>
		<li>データベース内で、新しいデータベース内にテーブルを作成してデータを保存します。データベースには、parameter_type、トラップ、テスト名、テスト番号、rigID の 5 つのフィールドがあります。 メモ: テーブルセクションは、指定したとおりに正確でなければ、Main.py とtest_insert.pyでさらに多くの変更を行う必要があります。</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. テスト準備
<ol><li>レンズホルダーの内側にレンズを入れてレンズを準備します。テスト中は、レンズがホルダーの内側にとどまっていることを確認します。いくつかのホットグルーがここで必要かもしれません。 メモ: リグでは、トラップ領域を適切に形成するために球形の両凸を使用する必要があります。</li>
	<li>レンズを準備した後(ステップ5.1)、レンズホルダーを光学レールの上に置き、レーザーホルダーにレーザー( 材料表を参照)を置きます。 注:材料リストで推奨されているレーザーは、使用前に校正する必要はありません。安全メガネは、レーザーの使用中はいつでも着用する必要があります。<ol>
<li>レンズとレーザーまたはその他の光源を使用して、レーザーの焦点を見つけ、焦点が電磁石の中央になるまでレンズホルダーを光学レールに沿ってスライドさせます。 メモ: この手順はトラップに重要です。焦点が電磁石の中央にない場合、片持ち梁プラットフォームは粒子を焦点に上昇させません。</li>
		<li>この点に,後で参照できるように,木の土台に鉛筆で印を付けます。 メモ:各レンズには既に焦点距離測定が付属していますが、これらの測定値が常に正しいとは限りません。</li>
	</ol>
</li>
	<li>トラップ引用を準備する<ol>
<li>レーザーが再び正しくオフになっていることを確認します。</li>
		<li>ホットグルーガンを使用して、電磁石と同じ極性の小さなボタンマグネット( 材料表を参照)をプラットフォームの平らな面に接着し、電磁石がプラットフォームをはじくようにします。 注:プラットフォームが電磁石によって反発され、トラップが発生するように粒子をレーザーのビームに押し込むように、磁石の極性を適切に一致させる必要があります。</li>
		<li>3Dプリントされた片持ち梁のようなプラットフォームを取り、プラットフォームを黒いアルミホイルでコーティングし、プラットフォームを溶融から保護します。 メモ:通常のホイルを使用できますが、カメラシステムを使用するにはグレアが多すぎます。黒いホイルテープ( 材料表を参照)を使用してみます。これは、カメラで正常に動作します(図5A)。ホイルは、他の物質の試験に簡単に交換できるため推奨されますが、必要に応じて同様の製品を使用できます。</li>
		<li>プラットフォームをアルミホイルで覆った後、ユーザーがテスト用に選択した選択したパーティクルタイプをプラットフォームの斜め側に置きます(パーティクルタイプのオプションについては 材料表 を参照するか、 図6Aを参照)。</li>
		<li>片持ち梁アームを円形ホルダーにそっと挿入し、磁石側が外側を向くようにします。次に、試験管を同じホルダーに静かに挿入します。これが正しく行われていれば、磁石がガラスにほとんど触れていることになります(図5B)。</li>
		<li>プラットフォームが電磁石の中央になるように、試験管を試験管ホルダーの上に置きます。磁石が片持ち梁プラットフォームに適切に取り付けられている場合、片持ち梁は電磁石によってはじかれた上向きの位置にあるように見えるはずです。</li>
	</ol>
</li>
	<li>カメラホルダーにカメラを置き、プラットフォームの上/周辺で発生するトラップをキャプチャします。次に、他のすべての位置を再確認します(図1I-J)。</li>
</ol>6. テストの開始
メモ: テストでは、手順 6.1 または手順 6.2 のいずれかに従う必要があります。
<ol><li>ステップ 4.1 の指示を使用する場合は、ファイル内の start を押すか、端末からファイルを正常に開始します。</li>
	<li>ステップ4.2の指示を使用する場合は、以下のようなパラメータでターミナルからこのテストを開始します。<ol>
<li>ターミナルコマンドを使用して、適切なディレクトリ内で "python3 main.py test_num parameter_type exact_parameter"コマンドでファイルシステムを一度実行します。ファイル main.py は、 補足ファイル 8 に示されています。</li>
		<li>test_numを必要なテスト数に置き換えます。Parameter_typeを、テストが焦点を当てているパラメーターの種類に置き換えます。 注:たとえば、どのパワーレーザーが最適かを判断するためのテストが行われていた場合、Parameter_typeはlaser_powerに置き換えられ、exact_parameterは現在のレーザーの光出力パワーに置き換えられます。</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol><li>Smalley, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+photophoretic-trap+volumetric+display%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">A photophoretic-trap volumetric display.</a> Nature. 553 (7689), 486-490 (2018).</li>
<li>Rohatschek, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direction%2C+magnitude+and+causes+of+photophoretic+forces%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Aerosol+Science%22%5BJournal%5D)">Direction, magnitude and causes of photophoretic forces.</a> Journal of Aerosol Science. 16 (1), 29-42 (1985).</li>
<li>Desyatnikov, A. S., Shvedov, V. G., Rode, A. V., Krolikowski, W., Kivshar, Y. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photophoretic+manipulation+of+absorbing+aerosol+particles+with+vortex+beams%3A+theory+versus+experiment%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Photophoretic manipulation of absorbing aerosol particles with vortex beams: theory versus experiment.</a> Optics Express. 17 (10), 8201-8211 (2009).</li>
<li>Ke, P. C., Gu, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+trapping+force+in+the+presence+of+spherical+aberration%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Modern+Optics%22%5BJournal%5D)">Characterization of trapping force in the presence of spherical aberration.</a> Journal of Modern Optics. 45 (10), 2159-2168 (1998).</li>
<li>Blundell, B. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+the+uncertain+future+of+the+volumetric+3D+display+paradigm%5BTitle%5D)+AND+%223D+Research%22%5BJournal%5D)">On the uncertain future of the volumetric 3D display paradigm.</a> 3D Research. 8, 11(2017).</li>
<li>Smalley, D., Nygaard, E., Rogers, W., Gneiting, S. A., Qaderi, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Progress+on+photophoretic+trap+displays%5BTitle%5D)+AND+%22Frontiers+in+Optics+%2F+Laser+Science%22%5BJournal%5D)">Progress on photophoretic trap displays.</a> Frontiers in Optics / Laser Science. , OSA Technical Digest. paper FM4C.2 (2018).</li>
<li>Rogers, W., Laney, J., Peatross, J., Smalley, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improving+photophoretic+trap+volumetric+displays%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Optics%22%5BJournal%5D)">Improving photophoretic trap volumetric displays.</a> Applied Optics. 58 (34), 363-369 (2019).</li>
<li>Peatross, J., Smalley, D., Rogers, W., Nygaard, E., Laughlin, E., Qaderi, K., Howe, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Volumetric+display+by+movement+of+particles+trapped+in+a+laser+via+photophoresis%5BTitle%5D)+AND+%22SPIE+Proceedings%22%5BJournal%5D)">Volumetric display by movement of particles trapped in a laser via photophoresis.</a> SPIE Proceedings. 10723, 02(2018).</li>
<li>Smalley, D., Poon, T., Gao, H., Kvavle, J., Qaderi, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Volumetric+Displays%3A+Turning+3-D+inside-out%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+and+Photonics+News%22%5BJournal%5D)">Volumetric Displays: Turning 3-D inside-out.</a> Optics and Photonics News. 29 (6), 26-33 (2018).</li>
<li>Shvedov, V. G., Hnatovsky, C., Rode, A. V., Krolikowski, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Robust+trapping+and+manipulation+of+airborne+particles+with+a+bottle+beam%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Robust trapping and manipulation of airborne particles with a bottle beam.</a> Optics Express. 19 (18), 17350-17356 (2011).</li>
</ol>

著者らは開示するものは何もありません。

現在のプロトコルには、トラップリグの自動実行に不可欠ないくつかの重要なステップが含まれています。まず、電磁石は、指定された回路を介してマイクロコントローラボードに適切に取り付ける必要があります。電磁石がなければ、小型テストリグの全体的な有用性が失われます。電磁石は、片持ち梁プラットフォーム上の粒子リザーバをレーザーの経路に引き上げることによって、各捕捉試行を制御する。各トラップの試行は、プラットフォームを上下させる別のサイクルです。
カメラは、プロトコルで説明されているようにステップ4.2でのみ使用されますが、そのオプションでは重要です。ステップ4.2では、粒子がトラップされているかどうかを検出するためにカメラが必要であり、複数のリグからのデータ収集を可能にします。カメラが正しく取り付けられていない場合、リグはトラップを試行できません。
3番目の最も重要なステップであるステップ5.2.1は、レーザーの位置合わせと集束です。焦点が電磁石の上に生じるようにレンズを配置する必要があります。片持ち梁プラットフォームは電磁石上の焦点を通過し、粒子が捕捉することを可能にする。焦点が電磁石の中央より上の中心にないとします。その場合、粒子を運ぶ片持ち梁プラットフォームが焦点を通過してトラップを作成することを保証することは困難になります。これはトラップの欠如につながる可能性があります。また、レーザー経路が常にプラットフォームに接触しないように、プラットフォームを電磁石上に上昇させることも不可欠です。これにより、カメラが誤検知を報告する可能性があります。焦点の位置をより簡単に調整するには、リグのセットアップに光レールを使用することをお勧めします。これにより、ユーザーはレンズホルダーを後方または前方に簡単にスライドさせて、焦点を適切に配置できます。レーザーと試験管/片持ち梁の部分は、リグが適切に構築されていればすでに整列されています。光学レールを使用すると、レンズが他の部品と整列したままになります。
プロトコルでは、ステップ 4.1 とステップ 4.2 の 2 つの別個のオプションが詳述されています。最初のオプションであるステップ4.1は、ミニチュアタッピングリグを実行するための元の簡単な方法です。このオプションは、カメラシステムの代わりに人間の目に依存して粒子を検出します。このオプションは、小さなデータセットをすばやく収集する場合や、ライブデモが必要な状況で収集する場合に最適です。最初のオプションは、2 番目のオプションが作成される前に、最初の 2 つの実験で使用されました。2番目のオプションであるステップ4.2は、カメラを使用して自動検出とトラップを行い、何千ものテストを実行し、人間の監督なしにデータベースに入力できるようにします。カメラの精度は、正確なテスト条件によって異なります。特定のより反射性の高い材料は、試験されたとき、人間の検出で行われた同様の試験と比較して、より正確な捕捉率を有するように見えた。ただし、カメラスクリプトのいくつかのパラメータを変更して、カメラの精度を上げることができます。カメラの正確な精度は改善できるものですが、ミニチュアリグは初期テスト用であるため、大きな問題でもありません。2番目のオプションは、1つのマイクロコントローラボードから2つのテストリグを実行するように簡単に変更することもできます。この変更の詳細については、 補足ファイル 7 を参照してください。
現在の研究は、機械学習を通じて、より正確で一貫性のある自動トラップ検出形式を開発しています。この新しい機械学習検出システムは、完成すると、畳み込みニューラルネットワークを使用して、捕捉された粒子をはるかに高い精度(95%以上)でより正確に検出し、このような小型テストリグの使用と効果をさらに強化します光泳動トラップディスプレイ研究の将来。 
現在のベースフォームでは、ミニチュアトラップリグはいくつかの点で制限されています。これらのミニチュアリグは、トラップが発生した後にパーティクルをスキャンして実際のOTDを作成することはできません。この設計により、OTDの作成に将来使用するためにスキャナが追加される可能性も制限されます。設計のもう 1 つの制限は、特定のテストを実行するために追加のコンポーネントが必要であることです。例えば、可変光減衰器を使用して、レーザー出力試験中に異なる光出力パワーレベルでデータセットを収集しました。同様に、研究者が将来のテストでレーザー波長をテストしたい場合、この研究で使用されるレーザーに加えて、異なる波長を持つ同等の光パワーの他のいくつかのレーザーが必要になります。リグは各レーザーを保持するために追加の修正を必要とする可能性が最も高く、このプロセスはそのようなテストを実施できる速度を制限するが、それでも可能である。この設計は、レンズごとに新しいレンズホルダーを3Dプリントする必要があることによっても決定されます。設計と用途は球面両凸レンズにも限定され、球面収差が生じてトラップが発生する可能性のある領域を形成します。
今後のアプリケーションには、光泳動トラップパラメータの継続的なテストと最適化が含まれます。上記で簡単に述べたように、小型トラップリグは、y軸およびx軸制御用のスキャナを追加することで、基本的な安価なOTDシステムに簡単に変更できます。小型トラップリグで使用される電磁石制御粒子送達は、将来の高度なOTDシステムにも実装される可能性があります。
ミニチュアトラップリグは、安価かつ迅速に製造でき、迅速な大量試験を可能にするため、この研究分野では最終的にユニークで独特です。これらのリグは、光泳動トラップパラメータの初期テストと最適化のために設計されたリーンシステムであることを意図しています。個々のリグは、1 時間あたり約 250 回の試行速度でテストできます。他の多くのタイプの光泳動トラップシステムまたはリグは、より良い自動システムを持つか、トラップが成功した後に画像を作成するために粒子をスキャンすることによってより多くのことを達成するために開発されました1,8。これらのミニチュアトラップシステムは、そのようなシステムの使用を置き換えるものではありません。これらは、光泳動トラップのパラメータと条件を迅速にテストして、研究者が良好な光泳動トラップを可能にするものをよりよく理解することを目的としています。ミニチュアトラップリグは、光恐怖トラップ研究を民主化し、この研究分野におけるエジソンの実験と進歩の新しい波を可能にします。

光学トラップディスプレイ(OTD)は、SFで見られるディスプレイ形状を可能にします。これは、光フェレーシスを介して粒子を捕捉し、粒子1,2,3,4を照らすことによって動作する。次に、その粒子を空間にドラッグすると、視覚の持続性に従って連続していると視聴者が知覚する空気中の画像が形成されます5。このスクリーンレス3D技術により、長投射、背の高い砂のテーブル、ラップアラウンドディスプレイなどの形状を表示できます1。これらのジオメトリは、画面を必要とせず、ほぼすべての角度から見ることができるコンテンツを作成するため、ユニークに魅力的です。
ブリガム・ヤング大学の研究者は、ビームエキスパンダーとガルバノメータースキャナー、およびいくつかのミラーと1つ以上の球面レンズを使用して球面収差による光泳動トラップを作成することによって、第1世代の光泳動トラップで最初の成功を収めました1,4。この第1世代のトラップリグには、正確な色付きディスプレイ照明を可能にするRGB(赤-緑-青)レーザーも含まれていました。このトラップシステムを使用して、OTDは、複雑な経路を介して単一の粒子を移動することによって作成されます。このアプローチでは、画像のサイズを立方センチメートル未満に制限し、リアルタイム画像の複雑さをワイヤーフレームやその他のまばらなコンテンツに制限します6,7。さらに、この技術のスケーリングは、光泳動トラップの不整合によって制限されます8。単一のトラップ/パーティクルシステムを最適化できる場合、最適化されたトラップを複製し、複数のパーティクルを同期的にトラップおよびスキャンすることで、ディスプレイのスケーリングを実現できます9。単一トラップの問題はマルチトラップシステムで複合化されるため、トラップとパーティクルパラメータを慎重に最適化することが重要です。
個々のトラップ/トラップシステムの最適化には、光泳動トラップシステムのすべてのパラメータに対して広範なテストを行う必要があります7。このようなパラメータには、粒子タイプ(物質、形状、サイズ)、レーザー出力、レーザー波長、および開口数(焦点距離、直径、傾き)が含まれる。各パラメータの試行錯誤によるテストと実験により、個々のトラップと複数の同期トラップが最適化されます。それでも、大量のデータを収集する必要があります。
過去には、球面収差による光泳動トラップを最適化するための研究と試験プロセスは、世界中のほんの一握りの研究者によってのみ行われていました1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 .最近まで,ブリガム・ヤング大学の研究者は,必要なデータを収集するために,大規模で高価な単一のトラップシステムに頼っていたため,データのテストと収集のプロセスが遅くなっていました1,7。しかし、2018年に3D可視化のソリューションとして光学トラップディスプレイを導入して以来1、あらゆる年齢層およびいくつかの大陸の個人が研究に参加したいという願望を表明しています。OTDへの関心が高まったため、研究者はすべての利害関係者が研究プロセスに参加できるようにする方法を見つけたいと考えていました。ビームスプリッターとガルバノメーターを含む前世代の光泳動トラップリグは、大量生産とクラウドソーシングには高価で時間がかかりすぎたため1,6、別のソリューションが必要でした。
新しい小型光泳動トラップリグが開発され、すべての利害関係者が研究に参加し、上記のすべての重要なパラメータのデータを迅速にテストおよび収集することができます。3Dプリンタとレーザーカッターにアクセスできる人なら誰でも迅速に製造できます。この設計では、コストと複雑さを最小限に抑え、リスクを軽減し、自動化、相互接続性、柔軟性を最大化しようとしています(図1)。この新しいリグは、フォトフォレティックトラップに最も簡単な光学セットアップを採用しています:単一のレーザーとレンズ10。小型リグは一度セットアップすれば使いやすく、1 時間あたり約 250 回の試行速度でテストできます。
将来の市民科学者や研究者のテストからこれらのリグから収集されたデータは、トラップパラメータと個々のトラップの最適化を可能にすることにより、3D視覚化に使用する際の光恐怖トラップの開発に大きく役立ちます。

<table><tbody><tr><td>1/4In 合板</td><td>NA</td><td></td><td>レーザーカッターに収まるサイズ(通常は1 x 1フィート)</td></tr><tr><td>3D FDMプリンター</td><td>3D</td><td>Pro 2</td><td>同等の機器で十分です</td></tr><tr><td>3Dレーザーカッタープリンター</td><td>グローフォージ</td><td>ベーシック</td><td>同等の機器であれば十分です</td></tr><tr><td>5V電源</td><td></td><td></td><td>AC / DCアダプター</td></tr><tr><td>アルミウナムパウダー</td><td>バイオワールド</td><td>10576</td><td>APS 17-30ミクロン</td></tr><tr><td>ブラックアルミホイルテープ</td><td></td><td>LLTP BF255(Amazonで)</td><td>他の種類のホイル(黒箔)は、必要に応じて代わりに使用できます</td></tr><tr><td>黒液</td><td></td><td></td><td>木材のパルプ化中に形成されるリサイクル副産物</td></tr><tr><td>ボタンマグネット</td><td>Mealos</td><td></td><td>8 x 2 mm</td></tr><tr><td>クラス3Bレーザー 405 nm(チューブレーザー)</td><td></td><td>M-16A405-300-G</td><td>任意の光出力電力と波長をテストに使用できます。この作品を再現するには、405 nmと~120 mWを使用する必要があります</td></tr>ダイヤモンド<tr><td>ナノ粒子55-75%</td><td>SkySpringナノマテリアル</td><td>0512HZ55-75</td><td>%純度、APS 4-15 nm</td></tr><tr><td>ダイヤモンドナノ粒子95%</td><td>SkySpringナノマテリアル</td><td>0510HZ</td><td>95%純度、APS 3-4 nm</td></tr><tr><td>電磁石</td><td>Wuxue Wn Fang Electric</td><td>WP-P25 / 20</td><td></td></tr>ガラス<tr><td>カッター</td><td>ダイナカット</td><td>モデル500-1</td><td>任意の標準的なガラスカッターやウェットカッターは、</td></tr><tr><td>グラファイト粉末</td><td>AeroMarine製品</td><td></td><td>325メッシュ、APS 44ミクロン</td></tr>ジャン<tr><td>パーワイヤーElegoo</td><td></td><td></td><td>オスからメスワイヤーとオスからオスワイヤーが必要です</td></tr>レンズ<tr><td></td><td>サープラスシェッド</td><td>L8435</td><td>32ミリメートルダイメートル、80ミリメートル焦点距離。任意の32ミリメートルレンズは、現在のレンズホルダーの設計ニ</td></tr><tr><td>グロシン(ホルマリン-ニグロシン)</td><td>Innovating Science</td><td>IS5818</td><td>30 mLに収まります、実際にはアマゾンオープン</td></tr><tr><td>MVカメラ</td><td>オープンMV</td><td>M7</td>で発見任意の<td>同等のオープンMVカメラは、</td></tr><tr>OpenMV光学減衰器(可変ND)<td>から統合開発環境をダウンロードするためのオープン</td><td>MV IDE</td><td>オープンMV</td><td></td>オプション</tr>無料で動作する必要があります<tr><td>フィルター)</td><td>THORLABS</td><td>NDC-100C-2</td><td></td></tr>光学<tr><td>レール</td><td>THORLABS</td><td>RLA1200</td><td>12インチ光学レール</td></tr><tr><td>プリンタートナー(CISinksユニバーサルトナー)</td><td>CISinks</td><td></td><td>TN420、TN450、TN540、TN660、TN720トナーパウダー。Amazon</td></tr><tr><td>Raspberry Pi</td><td>Raspberry</td> PI <td>Pi-4 Model B</td><td>Pi 3 または 4、モデル B または B+ で十分です (テキストではマイクロコントローラー ボードとして参照されています)</td></tr> <tr><td>タングステン パウダー 12 ミクロン</td><td>アルファ Aesar</td><td>10401-22</td><td>APS 12 ミクロン</td></tr><tr><td>タングステン パウダー 1-5 ミクロン</td><td>アルファ Aesar</td><td>10400-22</td><td>APS 1-5 ミクロン</td></tr><tr><td>USB からマイクロ USB コード</td><td></td><td></td><td>まで 任意の会社/モデル</td></tr>で十分です<tr><td>電圧レギュレータ</td><td>STMicroelectronics</td><td>LM317t</td><td></td></tr></tbody></table>

ミニチュア自動フォトフォレティックトラップリグの製造とテスト

Fabrication and Testing of Miniature Automatic Photophoretic Trapping Rigs

このホワイトペーパーでは、体積ディスプレイ研究の民主化とクラウドソーシングを可能にするために、自動化された高速ファブ互換のフォトフォレティックトラップテストリグを紹介します。リグは、レーザーカッター、3次元(3D)プリンタ、および一般的なハンドツールを使用して2時間以内に構築できます。現在の形式では、リグを使用して、粒子タイプ、トラップタイプ、開口数、およびエアフローの重要なパラメータを1時間あたり約250サンプルの速度でテストできます。リグを少し変更するだけで、ユーザーのニーズに応じて、レーザー出力やレーザー波長など、さらに大きなパラメータセットをテストできます。リグはマシンビジョンを使用して、自動データキャプチャと分析を行うことができます。テストリグの操作と構造は、簡潔でわかりやすい手順で説明されています。出力とパーティクル タイプのパラメータをカバーする 4 ユニットのテスト リグ「ファーム」の結果が報告されます。このプラットフォームは、アクセシビリティと民主化を通じて、光学トラップディスプレイパラメータと研究者の範囲と構成を広げます。

この研究は、小型自動フォトフォレティックトラップリグの製造を説明し、特徴付けます。

This paper presents an automated, rapid-fab-compatible, photophoretic trap test rig to enable the democratization and crowdsourcing of volumetric display ...

このプロトコルにより、ほぼすべての人が研究プロセスに参加できます。この方法は、これまでにない方法で最先端の研究を民主化します。光泳動トラップテストリグは安価で、フォトフォレティックトラップに使用される他の多くのリグとは異なり、簡単に製造できます。説明書は、誰でもこの技術に参加できるように書かれています。当社のプロトコルは、テストリグの作成に焦点を当てています。光学系や製造ツールに関する予備の知識が役立つかもしれませんが、必須ではありません。木製のリグのセットアップを開始するには、Yエンブレムを上に向けてベースピースを下に置き、2つの長いサイドピースをベースの両側に保持し、最初のレーザーホルダーを一方の端にスライドさせ、最初の試験管ホルダーをもう一方の端にスライドさせます。2つの電磁石ホルダーをカメラホルダーの上に置き、マグネットホルダーが両側で1センチメートル離れていることを確認し、マグネットホルダーとカメラホルダーをユニットとして1センチ間隔で最初の試験管ホルダーの隣に挿入します。次に、第2の試験管ホルダを電磁石ホルダの後に置き、第2の試験管ホルダと第2の電磁石ホルダとの間に1センチメートルの間隔が空くようにする。オプションのライトシールドまたはブロッカーを使用する場合は、カメラホルダーとは反対側にライトシールドをスライドさせます。2 番目のレーザーホルダーを、レーザーの長さに応じて希望の距離で所定の位置にスライドさせます。光レールをすべてのホルダの下に配置して、トラップシステムの他の要素を整列させることができます。配置は、レンズをレーザーと試験管に合わせるのに役立ちます。次に、電磁石を電磁石ホルダーに入れます。電圧レギュレータ、ブレッドボード、および数本のワイヤを使用して電磁石制御回路を構築します。これを行うには、各ピンが別々の列になるように電圧レギュレータをブレッドボードに配置し、電圧レギュレータの入力ピンをマイクロコントローラボード上の5ボルトの電源ピンの1つに配線します。電圧レギュレータの調整されたピンをマイクロコントローラボード上の汎用入出力またはGPIO23に配線します。次に、電磁石の入力配線を電圧レギュレータの出力端子に接続し、電磁石の出力配線をマイクロコントローラのグランド端子に接続します。テストの準備のために、ホットグルーの助けを借りてレンズホルダーの内側にレンズを置きます。完了したら、レンズホルダーを光学レールに置き、レーザーをレーザーホルダーに置きます。次に、レンズとレーザーを使用してレーザーの焦点を見つけ、焦点が電磁石の中央になるまでレンズホルダーを光学レールに沿ってスライドさせます。木のベースの焦点に鉛筆で印を付けます。トラップサイトを準備するには、レーザーが正しくオフになっていることを確認し、ホットグルーガンを使用して電磁石と同じ極性の小さなボタンマグネットをプラットフォームの平らな面に接着し、電磁石がプラットフォームを撃退するようにします。3D プリントされた片持ち梁のようなプラットフォームを黒いアルミ箔でコーティングして、プラットフォームを溶融から保護します。コーティング後、選択した粒子タイプを試験用のプラットフォームの斜め側に置き、磁石側を外側にして片持ち梁アームを円形ホルダに挿入し、試験管を同じ円形ホルダに挿入します。正しく行うと、磁石はほとんどガラスに触れます。試験管をチューブホルダーの上に置き、プラットフォームを電磁石の中央に配置します。片持ち梁は、電磁石によってはじかれた上向きの位置にあるように見えるはずです。カメラをカメラホルダーに置き、プラットフォームの上または周りのトラップをキャプチャして観察して、セットアップを完了します。すべての位置を再確認した後、開発環境でStartを押してテストを開始するか、ターミナルからファイルを正常に起動します。代替コード・オプションを使用する場合は、適切なディレクトリーから端末コマンドを使用してテストを開始します。ターミナルから実行する場合、コマンドにはテストの数とテストが焦点を当てているパラメーターを含める必要があります。10種類の粒子の試験を実施して、最も捕捉率の高い粒子を見つけました。ダイヤモンドナノ粒子とプリンタートナーが2つの最良の粒子タイプであることが判明した。2番目の粒子タイプテストをカメラ検出システムで実施し、元の10個の粒子のうち最良の4個をテストしました。ダイヤモンドナノ粒子は依然として最高でしたが、以前よりもわずかに低い捕捉率を有していました。異なるレーザーパワーレベルに対するトラップの速度は、レーザーパワーテスト中に測定された。高い光パワー出力は、より高いトラップ率に対応することが観察された。フルパワーのレーザーは、このテストで最も高い記録トラップ率を記録しました。プロトコル全体を通して覚えておくべき最も重要なことは、安全性、特にレーザーの安全性です。適切なレーザー安全ガイドラインに従う必要があります。この手順により、小さな変数を簡単に変更できます。レーザー出力とパーティクルタイプをテストしましたが、レンズタイプのような他の変数は簡単に変更できます。研究者は、学術的および教育的目的のために技術の彼らのバージョンを実装することができます。それは人々が迅速に有意義な研究をすることを可能にします。

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JoVE Journal

Engineering

工学

この記事では、流体力学的流れに基づいて粒子の閉じ込めのためのマイクロ流体ベースの手法を提案する。我々はそれによって統合されたマイクロデバイスの任意の粒子の閉じ込めとマイクロマニピュレーションを可能にする、フィードバック制御のメカニズムを使用して流体よどみ点での安定した粒子のトラッピングを示しています。...

単一粒子のためのマイクロ流体ベースの流体力学的トラップ

誘電体の低電力光トラッピング次のセットアップアプローチの詳細は金属膜でダブルナノホールを用いたナノ粒子。...

ナノ粒子の光トラッピング

ここに記載されているシステムでは、複数のトラップを作成し、操作することのできる伝統的な光学トラップと同様に、独立したホログラフィック光トラッピングラインを採用。また、生物学的酵素活性の同時高速·高分解能な測定を可能にしつつ、屈折率粒子の複合幾何学的配置の作成を可能にする。...

従来のホログラフィック光トラッピング機能を備えた高分解能顕微鏡の構成

選択した誘電体微粒子を空中に発射し、安定して捕捉するためのプロトコルが提示されます。...

空気中の誘電体微粒子の光学トラップのロード

部屋の温度環境でイッテルビウム イオンをトラップの詳細な実験手順と同様に、表面のイオン...

微細加工を用いたイオンを捕集する実験方法表面イオン トラップ

金ナノロッドのプラズモンを液体の中に閉じ込めし、円偏光の光ピンセットによる kHz...

金ナノロッドの光駆動ロータリー モーター システムの構築と運用

ここでは、光学トラップによる直接力測定を用いて、3次元閉じ込めで単離した胚ゼブラフィッシュ細胞の細胞内の機械的特性を調べるプロトコルを提示する。...

光ピンセットを用いた閉じ込めにおける細胞下力学の直接力測定

夜間の人工光(ALAN)が夜行性の飛行昆虫に与える影響を研究するには、サンプリングを夜間に限定する必要があります。このプロトコルは、研究者が複製を増やしてユーザー定義の期間にサンプリングすることを可能にする低コストの自動飛行傍受トラップを記述しています。...

夜間に人工光に引き寄せられた飛行昆虫の時間的サブサンプリングのための低コスト自動飛行傍受トラップ

本プロトコルは、光トラップと表面増強ラマン分光法(SERS)を統合してプラズモニックナノ粒子を操作して高感度分子検出を行うための便利なアプローチを記載しています。凝集剤なしで、トラッピングレーザーはプラズモニックナノ粒子を組み立てて、 in situ...

In situ表面増強ラマン分光特性評価のためのプラズモニックナノ粒子の光学的トラップ

マイクロ流体チャンバーを介して研究される視覚的な単一分子生化学は、ガラスバレル、気密シリンジ、チューブとフローセルへのチューブの安定した接続、およびシリンジとチューブの間に切り替えバルブを配置することによる気泡の除去を使用して大幅に促進されます。このプロトコルは、DNAトランザクションと分子間相互作用の視覚化を可能にするデュアルオプティカルトラップを記述します。...

1分子研究のためのデュアル光ピンセットとマイクロ流体工学の使用

本論文では、動的でボート型の光泳トラップを用いて、空気中の大きな金属粒子を長時間安定に捕獲し、正確な位置決めを実現する実験的方法について説明しています。このシステムはプラズモニック相互作用研究に適した制御された操作を可能にします。...

直接引き出された側面壁を持つ「ボート」トラップを用いて、空気中の大きな金属粒子を光学的に捕捉する方法

学ぶ：光泳動トラッピングのミニチュア自動リグ製造法。ダイヤモンドナノ粒子やトナー粒子の捕獲効率を測定し、低コストで誰でも最先端研究に参加できるプロトコルを解説します。

ミニチュア自動フォトフォレティックトラップリグの製造とテスト

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