Bezpieczne eksperymenty z lewitacją optyczną naładowanych kropel przy użyciu zdalnych laboratoriów
January 10th, 2019
Lewitacja optyczna to metoda lewitacji obiektów dielektrycznych o rozmiarach mikrometra za pomocą światła laserowego. Wykorzystując komputery i systemy automatyki, eksperyment dotyczący lewitacji optycznej może być sterowany zdalnie. Prezentujemy tutaj zdalnie sterowany system lewitacji optycznej, który wykorzystywany jest zarówno w celach edukacyjnych, jak i badawczych.
Nasz protokół może być wykorzystany do wizualizacji wielu podstawowych pojęć fizycznych, takich jak ciśnienie fotonów lub sposób, w jaki naładowana cząstka porusza się w polu elektrycznym. Co więcej, wszystkie te zadania można wykonywać zdalnie. Główną zaletą jest to, że możemy wizualizować zjawiska fizyczne gołym okiem jako jedynym detektorem, albo bezpośrednio za pomocą gogli laserowych, albo na ekranie komputera za pomocą kamery internetowej.
System eksperymentalny może na przykład dostarczyć informacji w dziedzinie nauk o atmosferze poprzez badanie korelacji między kropelkami cieczy lub składem chemicznym kropli za pomocą spektroskopii Ramana. Protokół dostępu zdalnego ma zastosowanie do wielu typów eksperymentów. Głównym wyzwaniem eksperymentalnym jest to, że używamy laserów o dużej mocy.
Dlatego należy przestrzegać surowych przepisów bezpieczeństwa dotyczących lasera. Cała idea tego eksperymentu polega na wizualizacji pojęć fizycznych, które zwykle są demonstrowane w eksperymencie z czarną skrzynką lub poprzez teoretyczne zabiegi. Eksperyment zostanie zademonstrowany przez Oscara Isakssona i Andreasa Johanssona.
Oboje dzielą swój czas między nauczanie w lokalnej szkole średniej i prowadzenie badań mających na celu uzyskanie doktoratu. Za każdym razem, gdy w grę wchodzą potężne lasery, bezpieczeństwo musi być najwyższym priorytetem. Lasery te dostarczają dwa waty widzialnego promieniowania laserowego.
Dlatego cały personel musi wziąć udział w kursie bezpieczeństwa lasera. Zacznij od poinformowania wszystkich osób w laboratorium, że laser zostanie włączony. Następnie włącz laserową lampę ostrzegawczą wewnątrz laboratorium.
Następnie ustaw cztery tablice pochłaniające światło i sprawdź, czy przestrzeń między laserem a płytami pochłaniającymi jest wolna od przeszkód. Należy również sprawdzić, czy przestrzeń między komórką pułapki a blokiem belki jest wolna od obiektów. Przed uruchomieniem lasera należy również zdjąć wszelkie zegarki i metalowe pierścienie oraz założyć odpowiednią ochronę oczu.
Teraz włącz komputer laboratoryjny i poczekaj, aż będzie gotowy do działania. Otwórz folder Uruchamianie zdalne z pulpitu i kliknij ikonę Main1806. VI.Uruchom program, naciskając strzałkę w lewym górnym rogu.
W obszarze Zmienne EJS zaznacz pole wyboru o nazwie Laser Remote Enable 2 Power i ustaw Prąd lasera od 2 do 25, aby moc lasera przesuwała się w prawo i kończyła się na 25%Obserwuj wiązkę laserową za pomocą gogli laserowych do wyrównywania, aby upewnić się, że wiązka kończy się w domu wiązki. Jeśli nie, dostosuj położenie kopuły belki. Następnie sprawdź Drops2 w programie VI. Następnie wyreguluj Translation Stage, obracając wkręcające u jego podstawy, aby przesunąć końcówkę dozownika kropel, aż kropelki wpadną w wiązkę lasera.
Wróć do oprogramowania, zwiększ moc lasera do około 66%używając pola wejściowego Laser Current 2, aby uwięzić kroplę. Gdy tylko kropla zostanie uwięziona, odznacz Drops2. Po określeniu wielkości i polaryzacji kropli zgodnie z protokołem tekstowym, określ ładunek kropli, mnożąc jej znaną wielkość przez gęstość.
Następnie ustaw E-Field DC Control 2 na Zero i oszacuj i zanotuj średnią wartość pozycji kropli przez znormalizowany ślad pozycji PSD na wykresie Waveform. Obliczyć wartość mocy lasera podaną jako F-Read 1 w równaniu 2. Teraz ustaw E-Field DC Control 2 między 1 a 5 woltów lub od 1 do 5 woltów, aby kropla poruszała się w górę.
Kropla znajduje się teraz w nowej pozycji. Powoli zmniejszaj moc lasera, aż kropla powróci do swojej pierwotnej pozycji. Zapisz nową moc lasera jako F-Read 2.
Aby uzyskać dostęp do zdalnego laboratorium, otwórz stronę internetową Unilab w przeglądarce internetowej. Po nawiązaniu połączenia wybierz żądany język w pierwszej pozycji menu pod nagłówkiem. Następnie zaloguj się, korzystając z poniższych danych.
W obszarze kursu, obok obszaru logowania, kliknij lewym przyciskiem myszy na logo Uniwersytetu w Göteborgu. Następnie kliknij Lewitacja optyczna, aby uzyskać dostęp do materiału tego eksperymentu. Uzyskaj dostęp do Zdalnego Laboratorium, klikając Zdalne Laboratorium Lewitacji Optycznej.
Następnie upewnij się, że komputer mainframe strony internetowej wygląda tak jak ten i pokazuje interfejs użytkownika laboratorium zdalnego. Następnie kliknij przycisk Połącz. Jeśli połączenie się powiedzie, tekst przycisku zmieni się na Połączono.
Następnie kliknij Tracking Droplets i sprawdź, czy odbierane są dane PSD. Następnie kliknij Widok ogólny, aby zidentyfikować wszystkie elementy konfiguracji: laser, dozownik kropel, komórkę pułapkującą i PSD. Aby wychwycić kroplę, najpierw kliknij przycisk Wychwytywanie kropel, aby wyświetlić wizualizację pipety i dyszy dozownika kropel.
Następnie kliknij przycisk Włącz laser, aby nawiązać połączenie z laserem. W tym miejscu ustaw moc lasera wokół pierwszej ćwiartki paska kontrolnego, który znajduje się pod przyciskiem Włącz laser. Poczekaj, aż pojawi się zielone światło.
Jeśli laser jest prawidłowo ustawiony, widoczna będzie cienka zielona wiązka. W przypadku nieprawidłowego ustawienia należy skontaktować się ze służbami serwisowymi w sposób opisany w protokole. Po wyrównaniu lasera zwiększ jego moc do trzech czwartych paska.
Następnie kliknij przycisk Start drops, aby włączyć dozownik kropel. Obejrzyj obraz z kamery internetowej i poczekaj, aż pojawi się lampa błyskowa. W tym momencie przechwycona została kropla.
Sprawdź ponownie obraz z kamery internetowej i upewnij się, że kropla lewituje w środku komórki pułapki. Następnie naciśnij przycisk Zatrzymaj krople, aby wyłączyć dozownik kropli. Aby określić rozmiar kropli, naciśnij przycisk Określanie rozmiaru kropel i postępuj zgodnie z procedurą opisaną w sekcji 8 dołączonego protokołu tekstowego.
Aby określić opłatę za przechwyconą kroplę, najpierw kliknij widok Śledzenie kropel. Następnie wybierz menu Pole elektryczne i ustaw pole elektryczne prądu stałego na zero za pomocą pola numerycznego napięcia prądu stałego. Korzystając z wykresu, oszacuj i zanotuj średnią wartość położenia kropli, a także zanotuj moc lasera.
Teraz ustaw pole elektryczne prądu stałego na wartość między lub 500 woltów, aby kropla zmieniła swoje położenie. Gdy pozycja się zmieni, zmodyfikuj moc lasera za pomocą suwaka, aż kropla powróci do swojej pierwotnej pozycji i zapisz nową wartość mocy lasera. Na koniec użyj równania 2 z dołączonego protokołu tekstowego, aby obliczyć ładunek kropli.
Pokazana tutaj jest uwięziona lewitująca kropla. Możliwe jest zobaczenie jednej z kropel lewitujących wewnątrz komórki konfiguracji. Zielony kolor jest spowodowany laserem, a widok dwóch kropek, zamiast jednej, wynika z odbicia kropli na szkle komórki.
W tym przypadku górny punkt to odbicie, a dolny punkt to kropla. Najważniejszą rzeczą przy próbie złapania w pułapkę jest cierpliwość. Kropla o rozmiarach mikrometra powinna wylądować w wiązce światła nieco szerszej niż sama kropla.
Aby uzyskać dokładniejszą wartość ładunku, można zastosować pętlę sterowania. Podczas przykładania pola elektrycznego pętla sterująca zmieni moc lasera, aż kropla powróci do swojej pierwotnej pozycji. Dalsze postępy w tym eksperymentalnym układzie polegają na badaniu zderzeń kropel za pomocą szybkich kamer, a także na zbadaniu zachowania kropli w komorze wysokopróżniowej.
W tym eksperymencie używany jest laser klasy 4. Ważne jest, aby podjąć wszelkie środki bezpieczeństwa w celu ochrony personelu w laboratorium i środowiska.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
Ten artykuł przedstawia zdalnie sterowany system lewitacji optycznej, który pozwala na lewitacje obiektów dielektrycznych wielkości mikrometrów za pomocą światła laserowego. System jest przeznaczony zarówno do celów edukacyjnych, jak i badawczych, umożliwiając wizualizacje podstawowych koncepcji fizycznych.
Kluczowe elementy badań
Dziedzina nauki
- Lewitacja optyczna
- Ciśnienie fotonowe
- Zdalne eksperymentowanie
Tło
- Lewitacja optyczna wykorzystuje światło laserowe do manipulowania małymi cząstkami.
- Systemem można sterować zdalnie za pomocą komputerów i automatyki.
- Przedstawia unikalną możliwość wizualizacji zjawisk fizycznych.
- Zastosowania obejmują nauki atmosferyczne i analizę chemiczną.
Cel badań
- Aby przedstawić zasady lewitacji optycznej.
- Aby umożliwić zdalny dostęp do zestawów eksperymentalnych.
- Aby wizualizować koncepcje fizyczne przy użyciu minimalnego sprzętu.
Stosowane metody
- Wykorzystanie wysokoenergetycznych laserów do lewitacji.
- Zdalne sterowanie za pomocą systemów komputerowych.
- Wizualizacja za pomocą gogli laserowych lub kamer internetowych.
- Badanie zachowania kropel płynów za pomocą Spektroskopii Ramana.
Główne wyniki
- Udana lewitacja obiektów dielektrycznych wielkości mikrometrów.
- Wizualizacja efektów ciśnienia fotonowego.
- Zdalny dostęp umożliwia różnorodne zastosowania eksperymentalne.
- Wgląd w nauki atmosferyczne i chemię kropel.
Wnioski
- System lewitacji optycznej jest skuteczny w celach edukacyjnych i badawczych.
- Zdalne eksperymentowanie poprawia dostępność i zaangażowanie.
- Wizualizacja zjawisk fizycznych może być osiągnięta za pomocą prostych metod wykrywania.
Często zadawane pytania
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.
