Produkcja i testowanie miniaturowych automatycznych urządzeń do pułapkowania fotoforetycznego
November 23rd, 2021
Ta praca opisuje i charakteryzuje wytwarzanie miniaturowych automatycznych urządzeń do odłowu fotoforetycznego.
Protokół ten pozwala prawie każdemu wziąć udział w procesie badawczym. Ta metoda demokratyzuje najnowocześniejsze badania w sposób, który nie był wcześniej prowadzony. Stanowisko do testowania pułapek fotoforetycznych jest niedrogie i można je łatwo wyprodukować, w przeciwieństwie do wielu innych stanowisk używanych do pułapkowania fotoforetycznego.
Instrukcje są napisane tak, aby każdy mógł być zaangażowany w tę technologię. Nasz protokół koncentruje się na tworzeniu naszych stanowisk testowych. Pewna wcześniejsza wiedza na temat optyki lub narzędzi produkcyjnych może pomóc, ale nie jest konieczna.
Rozpocznij konfigurację drewnianych zestawów, umieszczając podstawę w dół z emblematem Y skierowanym do góry, a następnie przytrzymaj dwie długie boczne części po obu stronach podstawy, podczas gdy pierwszy uchwyt laserowy jest wsunięty na miejsce na jednym końcu, a pierwszy uchwyt probówki na drugim końcu. Umieść dwa uchwyty elektromagnesów na uchwycie kamery, upewniając się, że uchwyty magnesów są oddalone od siebie o jeden centymetr z każdej strony, a następnie włóż uchwyty magnesów i uchwyt kamery jako jednostkę obok pierwszego uchwytu probówki w odstępie jednego centymetra. Następnie umieść drugi uchwyt probówki za uchwytami elektromagnesu, tak aby między drugim uchwytem probówki a drugim uchwytem elektromagnesu był jeden centymetr odstępu.
Jeśli używasz opcjonalnej osłony światła lub blokady, przesuń osłonę światła na przeciwną stronę niż uchwyt kamery. Wsuń drugi uchwyt lasera na miejsce w żądanej odległości w zależności od długości lasera. Pod wszystkimi uchwytami można umieścić szynę optyczną w celu wyrównania innych elementów systemu pułapkowania.
Umieszczenie pomoże wyrównać soczewkę z laserem i probówką. Następnie umieść elektromagnes w uchwytach elektromagnesów. Zbuduj obwód sterujący elektromagnesem za pomocą regulatora napięcia, płytki stykowej i kilku przewodów.
W tym celu umieść regulator napięcia na płytce stykowej tak, aby każdy pin znajdował się w innym rzędzie i podłącz pin wejściowy regulatora napięcia do jednego z pięciu pinów zasilania V na płytce mikrokontrolera. Podłącz wyregulowany pin regulatora napięcia do wejścia i wyjścia ogólnego przeznaczenia lub GPIO23 na płytce mikrokontrolera. Następnie podłącz przewód wejściowy elektromagnesu do pinu wyjściowego regulatora napięcia, a przewód wyjściowy elektromagnesu do pinu uziemiającego na mikrokontrolerze.
W celu przygotowania do testu umieść soczewkę w uchwycie obiektywu za pomocą gorącego kleju. Po zakończeniu umieść uchwyt obiektywu na szynie optycznej, a laser w uchwycie lasera. Następnie użyj soczewki i lasera, aby znaleźć ogniskową lasera i przesuń uchwyt soczewki wzdłuż szyny optycznej, aż punkt ogniskowy zostanie wyśrodkowany nad elektromagnesem.
Zaznacz ołówkiem punkt centralny na drewnianej podstawie. Aby przygotować miejsce pułapki, upewnij się, że laser jest prawidłowo wyłączony, a następnie użyj gorącego pistoletu do klejenia, aby przykleić mały magnes guzikowy o tej samej biegunowości co elektromagnes do płaskiej powierzchni platformy, aby elektromagnes odpychał platformę. Pokryj wydrukowaną w 3D platformę przypominającą wspornik czarną folią aluminiową, aby chronić platformę przed stopieniem.
Po nałożeniu powłoki umieść wybrany typ cząstek po pochyłej stronie platformy w celu przetestowania, a następnie włóż ramiona wspornikowe do okrągłego uchwytu stroną magnesu skierowaną na zewnątrz i włóż probówkę do tego samego okrągłego uchwytu. Jeśli zrobisz to poprawnie, magnes będzie prawie dotykał szkła. Umieść probówkę na uchwycie probówki, aby wyśrodkować platformę nad elektromagnesem.
Wspornik powinien sprawiać wrażenie, jakby znajdował się w pozycji skierowanej do góry, odpychany przez elektromagnes. Zakończ konfigurację, umieszczając kamerę w uchwycie kamery, aby uchwycić i obserwować wszelkie pułapki nad platformą lub wokół niej. Po dwukrotnym sprawdzeniu wszystkich pozycji rozpocznij test, naciskając Start w środowisku programistycznym lub uruchom plik normalnie z terminala.
Jeśli używasz opcji kodu alternatywnego, uruchom test za pomocą polecenia terminala z odpowiedniego katalogu. Podczas uruchamiania z terminala polecenie powinno zawierać liczbę testów i parametr, na którym koncentruje się test. Przeprowadzono test na 10 różnych cząstkach, aby znaleźć cząstkę o najlepszym współczynniku wychwytywania.
Okazało się, że nanocząstki diamentu i toner do drukarki to dwa najlepsze typy cząstek. Drugi test typu cząstek został przeprowadzony za pomocą systemu detekcji kamer i przetestowano cztery najlepsze z oryginalnych 10 cząstek. Nanocząstki diamentu były nadal najlepsze, ale miały nieco niższy współczynnik wychwytywania niż wcześniej.
Szybkość wychwytywania dla różnych poziomów mocy lasera została zmierzona podczas testu mocy lasera. Zaobserwowano, że wysoka moc wyjściowa optyczna korespondowała z wyższym współczynnikiem pułapkowania. Laser o pełnej mocy miał najwyższy zarejestrowany współczynnik chwytania w tym teście.
Najważniejszą rzeczą, o której należy pamiętać w całym protokole, jest bezpieczeństwo, w szczególności bezpieczeństwo lasera. Należy przestrzegać odpowiednich wytycznych dotyczących bezpieczeństwa lasera. Ta procedura ułatwia zmianę małych zmiennych.
Przetestowaliśmy moc lasera i rodzaj cząstek, ale wszelkie inne zmienne, takie jak typ soczewki, można łatwo zmienić. Naukowcy mogą wdrożyć swoją wersję techniki do celów akademickich i edukacyjnych. Umożliwia ludziom przeprowadzanie szybkich, znaczących badań.
Przegląd
Niniejsza praca opisuje i charakteryzuje produkcję miniaturowych automatycznych urządzeń do uwięziwania fotoforetycznego. Protokół umożliwia dostęp do najnowocześniejszych badań poprzez zapewnienie tanie i łatwo do wykonania metody uwięziwania fotoforetycznego.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauki
- Biofizyka
- Optyka
Tło
- Uwięziwanie fotoforetyczne to technika używana do manipulacji cząsteczkami za pomocą światła.
- Tradycyjne urządzenia do uwięziwania mogą być złożone i drogie.
- Celem niniejszego badania jest uproszczenie procesu budowy takich urządzeń.
- Wcześniejsza wiedza na temat optyki lub narzędzi do produkcji jest korzystna, ale nie konieczna.
Cel badania
- Stworzenie przyjaznego dla użytkownika protokołu budowy urządzeń do uwięziwania fotoforetycznego.
- Umożliwienie szerszego udziału w badaniach fotoforetycznych.
- Ocenienie efektywności uwięziwania różnych rodzajów cząstek.
Zastosowane metody
- Krokowe instrukcje montażu urządzenia do uwięziwania.
- Użycie podstawowych materiałów i narzędzi do konstrukcji.
- Testowanie różnych rodzajów cząstek pod kątem efektywności uwięziwania.
- Pomiar szybkości uwięziwania na różnych poziomach mocy lasera.
Główne wyniki
- Nanocząstki diamentowe i toner drukarki wykazały najlepszą efektywność uwięziwania.
- Wyższa moc wyjściowa lasera korelowała z większą efektywnością uwięziwania.
- Protokół umożliwia łatwe modyfikacje w celu przetestowania różnych zmiennych.
Wnioski
- Opracowany protokół umożliwia szybkie i znaczące badania.
- Bezpieczeństwo, szczególnie bezpieczeństwo laserowe, jest podkreślane w całym postępowaniu.
- Ta metoda może być dostosowana do celów akademickich i edukacyjnych.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Automated photophoretic trapping rigs enable rapid, reproducible testing of particle manipulation parameters, supporting early-stage technology evaluation in biopharma R&D. The platform's accessibility and modularity facilitate hypothesis-driven experimentation and scalable assay development for optical manipulation workflows. This democratized approach accelerates the validation of optical trapping systems relevant to advanced screening and analytical applications.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables systematic interrogation of particle trapping parameters for mechanistic de-risking.
- Supports functional validation of optical manipulation targets through controlled variable testing.
- Facilitates rapid prototyping and hypothesis testing for new optical trapping modalities.
Screening & Assay Development
- Provides a standardized platform for evaluating particle type, trap type, and numerical aperture.
- Delivers high-throughput, quantitative outputs with automated data capture and analysis.
- Enables reproducible assay conditions for downstream compound or particle screening workflows.
Translational & Preclinical Research
- Allows adaptation of trapping parameters to model system requirements for translational continuity.
- Supports alignment of optical manipulation techniques with disease-relevant particle systems when applicable.
- Facilitates risk-adjusted advancement of optical trapping technologies toward preclinical validation.
Pipeline & Workflow Integration
This automated rig integrates into the discovery-to-screening continuum, enabling iterative optimization of optical trapping parameters before broader preclinical application.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification for optical manipulation strategies.
- Screening: Delivers assay-ready, reproducible, and quantitative outputs for comparative analysis.
- Analytics: Provides machine vision-enabled measurement and statistical readouts for robust data interpretation.
- Translational Research: Offers parameter flexibility to align with evolving preclinical models.
- Enterprise Reuse: Modular design allows broad adoption and adaptation across research teams and projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in optical trapping workflows.
- Operational Value: Standardizes fabrication and testing, enabling reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Accelerates go/no-go decisions and optimizes resource allocation for technology development.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of optical manipulation platforms within R&D pipelines.
Implementation Considerations
- Requires basic scientific and fabrication expertise for assembly and operation.
- Needs access to laser cutters, 3D printers, and standard laboratory electronics.
- Demands adherence to laser safety and cross-team standardization protocols.
- Allows adaptation of test parameters and model systems with minimal modification.
- Limited to non-biological particle trapping unless further validated for biological applications.
