Оптическое улавливание крупных металлических частиц в воздухе с помощью «лодочной» ловушки с прямыми боковыми стенками
27 марта 2026 г.
В этой статье описывается экспериментальный метод достижения длительного, стабильного захвата и точного позиционирования крупных металлических частиц в воздухе с помощью динамической фотофоретической ловушки лодочной формы. Эта система обеспечивает контролируемое вмешательство, подходящее для исследований плазмонного взаимодействия.
В нашей работе описывается создание и эксплуатация перестраиваемой оптической ловушки в форме лодки для захвата и манипуляции частицами в воздухе. Существующие методы ловли делают компромисс между локализацией ловушки и областью захвата. Этот протокол вводит лодочную ловушку, достигая обоих одновременно.
Этот протокол может применяться в стандартных лабораторных условиях при условиях окружающей среды при соблюдении протоколов безопасности лазеров класса 4. После подготовки микросфер с углеродным покрытием стекла установите оптическую систему с помощью кинематического лучевого лифта и линейки, чтобы установить высоту луча на 23 сантиметра. Уменьшите мощность лазера до менее 50 милливатт.
Используйте поляризатор, чтобы определить, ориентирована ли поляризация вертикально. Настройте микроскоп на высоту луча, направленную в отрицательную сторону Z, на расстоянии более 100 сантиметров от выхода элеватора луча. Разместите линзу преобразования Фурье на 10 сантиметров в отрицательном направлении Z, при этом выпуклая поверхность будет обращена в положительную Z-сторону.
Затем разместить оставшиеся три линзы преобразования Фурье на расстоянии 20 сантиметров друг от друга с чередующимися выпуклостями. Расположить акусто-оптические модуляторы на расстоянии 10 сантиметров в отрицательном направлении Z от линз, ближайших к лазеру, и третьей к лазеру. Убедитесь, что акустооптический модулятор, ближайший к лазеру, ориентирован вертикально.
Разместите акусто-оптический модулятор в двух 10 сантиметрах от линзы, третьей ближе к лазеру. Выровняйте его по горизонтали и поверните примерно на два градуса от оптической оси. Для каждого канала произвольного генератора формы сигнала подключается генератор с управляемым напряжением, усилитель и один акустооптический модулятор.
Затем подключите усилители к акусто-оптическим модуляторам. Используя произвольный генератор формы сигнала, установите напряжение, подаваемое на оба управляемых генератора с управлением напряжением, на уровне пяти вольт, что соответствует частоте 100 мегагерц. Затем уменьшите наклон акусто-оптического модулятора два до нуля.
Постепенно увеличивайте угол, пока луч первого порядка не достигнет максимальной яркости. Выровнять оба луча, выходящие из первого акусто-оптического модулятора, чтобы войти во второй модулятор. Из четырёх лучей, выходящих из второго акусто-оптического модулятора, пропускают через апертуру только правый верхний луч.
Далее установите делитель луча, чтобы направить часть луча на наблюдательную поверхность. С амплитудами генератора произвольных волн, установленными равными нулю, наблюдайте, что полученный пучок на наблюдательной поверхности появляется в виде точки. Установить вертикальный смещение канала на пять вольт, амплитуду на три вольта и частоту на четыре килогерц.
Наблюдайте, как пучок образует вертикальную линию на наблюдательной поверхности. Затем отрегулировать смещение горизонтального канала на пять вольт, амплитуду на три вольта и частоту на четыре килогерц. Пучок должен образовывать диагональную линию на наблюдательной поверхности.
Настройте вертикальный канал на восемь килогерц и смещение фазы на 90 градусов, что приведёт к рисунку Лиссажу на наблюдательной поверхности. Затем нажмите кнопку Align Phase, чтобы преобразовать узор Lissajous в параболическую форму. Отрегулировать вертикальное смещение фазы канала для уточнения параболической формы и наблюдать усовершенствованную параболическую картину на наблюдательной поверхности.
Разместите телецентрическую линзу с фокусным расстоянием 45 миллиметров на линейную ступень, расположив её на 55 миллиметров перед объективом в положительном направлении Z. Затем разместите дихроический фильтр, предназначенный для отражения света диаметром 532 нанометра, перед линзой. Подключите камеру к персональному компьютеру с помощью кабеля Universal Serial Bus с соответствующим программным обеспечением для обработки изображений.
Затем немного наклоните дихроический фильтр между пятью и десятью градусами, пока не появится параболическая ловушка. Осветите распределитель луча с помощью источника волокна и настройте свет так, чтобы он сосредоточил освещение вокруг параболической ловушки. С помощью лабораторной лопатки поместите примерно один грамм частиц внутрь стеклянного цилиндра диаметром 25 миллиметров и диаметром 12 миллиметров, установленного для вращения вдоль оси цилиндра.
Разместите загруженный стеклянный цилиндр по центру 15 миллиметров от объектива, что соответствует рабочему расстоянию объектива. После вращения и постукивания по цилиндру наблюдайте за дисплеем камеры, показывающим по умолчанию или нет захваченных частиц, падающих частиц и захваченных частиц. После установки и настройки программного обеспечения запустите Visual Studio 2022 и откройте файл проекта.
Нажмите зелёную кнопку Run, чтобы запустить программу. Наблюдайте за видеопотоком и терминалом, появляющимися на экране. Убедитесь, что зелёная парабола ловли видна на видеопотоке.
Если она не видна, отрегулируйте питание, фильтрацию или выравнивание, пока не появится область захвата. Нажмите одновременно на Windows, Shift и S, чтобы захватить экран. Нажмите и перетащите указатель мыши из верхнего левого угла в нижний правый угол видеопотока.
Нажмите на всплывающее окно, чтобы открыть редактор скриншотов. Нажмите кнопку «Редактировать» в MS Paint в редакторе. Затем разместите курсор в левом верхнем углу параболы в окне MS Paint.
Запишите координаты, показанные в левом нижнем углу, как минимум X и минимум Y. Затем разместите курсор в правом нижнем углу параболы в окне MS Paint. Запишите координаты, показанные в левом нижнем углу, как максимум X и максимум Y.
После этого закройте видеопоток, нажав клавишу Escape. Введём минимум X, максимум X, минимум Y и максимум Y на строке 280 в функции is_trapped главного значения. CPP внутри проекта.
Для рандомизации частоты тестирования запустите Visual Studio 2022 и откройте файл проекта, если он ещё не открыт. Откройте Windows PowerShell или командную строку. Выполните команду pythonc import random и выведите случайный выборку от нуля до 101.
Затем скопируйте сгенерированный список тестовых номеров. Редактировать строку 443 основного раздела. cpp, вставив сгенерированный список в последовательность тестовых номеров и сохраняя проект в Visual Studio 2022.
Увеличить мощность лазера до уровня, необходимого для эксперимента. Проведите эксперимент, нажав зелёную кнопку запуска и нажимая и вращая трубку с частицами. После завершения эксперимента откройте результаты.
txt в текстовом редакторе. Обратите внимание, что каждый запуск программы генерирует новые результаты под заголовком «Начало новой партии результатов» в формате, номере теста, результате, а затем время ловушки в наносекундах. Для визуализации данных скопируйте номера тестов и время ловушки из файла Значения с разделёнными запятой в example.xlsx.
После применения необходимых фильтров наблюдайте за дополнительными столбцами и графиком рассеяния, который заполняет время ловушки и частоту затяжки. Микросферы, покрытые углеродом, при подсветке образуют тёмные тени. Стеклянные микросферы, частицы размером порядка 100 микрометров, оседали примерно на дне параболической ловушки.
Когда частица была успешно поймана, автоматическое программное обеспечение для обнаружения частиц показывало красную T. Если частица не находилась, программа показывала зелёный N. Скорость захвата и сроки службы могут увеличиваться или уменьшаться в зависимости от переменных окружающей среды, таких как температура или влажность. Частицы цельного золота порядка одного микрометра не наблюдались вдоль оптической оси, но их рассеяние света наблюдалось ортогонально оси. Видеозаписи подтвердили, что частицы сохраняли своё положение длительное время, превышающее несколько минут.
Этот протокол позволяет исследователю быстро нарисовать и быстро модифицировать лодочную ловушку для захвата и перемещения различных частиц в воздухе. Будущие исследования смогут интегрировать управление полевой программируемой вентильной решеткой для программируемой обработки формы ловушки, веса и поперечного сечения в двумерной плоскости.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данной статье представлен метод стабильного оптического захвата крупных металлических частиц в воздухе с использованием фокусированного лазерного луча, сканируемого акустооптическими модуляторами. Благодаря динамическому созданию параболического сечения ловушки в форме лодки, данный метод обеспечивает надежный захват и манипулирование твердыми золотыми частицами и микросферами с проводящим покрытием. Этот подход обеспечивает гибкость и стабильность захвата взвешенных в воздухе частиц, что открывает возможности для применения в плазмонном усилении и левитирующих оптических системах.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Оптический захват
- Лазерная физика
- Плазмоника
- Манипуляция частицами
Теоретическая часть
- Оптический захват широко используется для манипулирования микроскопическими частицами с помощью сфокусированных лазерных лучей.
- Захват крупных металлических частиц в воздухе затруднен из-за их размера и оптических свойств.
- Традиционные оптические пинцеты менее эффективны для металлических и крупных частиц.
- Динамическое формирование луча может повысить стабильность и гибкость захвата.
Цель исследования
- Разработать надежный метод захвата крупных металлических частиц в воздухе.
- Использовать акустооптические модуляторы для сканирования луча и формирования ловушки в режиме реального времени.
- Обеспечить стабильный и длительный захват, а также манипуляцию частицами в воздушной среде.
Используемые методы
- Сфокусированный высокомощный лазерный луч с непрерывным излучением на длине волны 532 nm.
- Акустооптические модуляторы сканируют луч в направлениях x и y для создания параболического, лодкообразного профиля интенсивности.
- Оптимизация частоты сканирования для обеспечения стабильности и непрерывности ловушки.
- Введение частиц (твердых золотых и покрытых проводящим слоем микросфер) в область захвата.
- Подтверждение формирования и стабильности ловушки с использованием микросфер с углеродным покрытием для визуализации.
Основные результаты
- Успешное формирование стабильной оптической ловушки в воздухе в виде «лодочки» с открытым верхом.
- Стабильный захват и манипулирование крупными металлическими частицами без их скачкообразного перемещения.
- Гибкое рисование различных поперечных сечений ловушки в режиме реального времени по запросу.
- Продемонстрированный длительный захват, подходящий для плазмонных исследований.
Выводы
- Описанный метод обеспечивает стабильный и гибкий оптический захват крупных металлических частиц в воздухе.
- Динамическое формирование пучка с помощью акустооптических модуляторов позволяет в режиме реального времени контролировать геометрию ловушки.
- Данный подход расширяет возможности оптического захвата для применения в области плазмоники и изучения взвешенных в воздухе частиц.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Стабильный оптический захват крупных металлических частиц в воздухе позволяет создавать новые экспериментальные платформы для изучения плазмонных взаимодействий и манипулирования частицами в воздушной среде. Эта возможность способствует расширенному анализу свойств материалов и разработке левитирующих оптических систем, актуальных для ранних этапов биофармацевтических исследований и разработок. Гибкость и стабильность данного метода делают его универсальным инструментом для прецизионных исследований, требующих надежного контроля над частицами.
Стратегические приложения в биофармацевтических исследованиях и разработках
Первичный поиск и валидация мишени
- Обеспечивает контролируемое исследование плазмонных свойств металлических частиц для изучения механизмов их функционирования.
- Поддерживает функциональную валидацию оптических систем на основе частиц, применяемых в биосенсорике и диагностике.
- Повышает прогностическую уверенность при манипулировании взвешенными частицами для разработки передовых методов анализа.
Скрининг и разработка анализа
- Предоставляет валидированную платформу для подготовки и манипулирования крупными металлическими частицами в воздушной среде.
- Обеспечивает воспроизводимые условия захвата для проведения количественных оптических измерений.
- Позволяет масштабировать адаптацию метода для скрининга взаимодействий частиц при различных оптических условиях.
Трансляционные и доклинические исследования
- Обеспечивает поддержку трансляционных исследований плазмонного усиления в аэрозольных системах при их совмещении с моделями, релевантными для конкретных заболеваний.
- Обеспечивает преемственность от этапа открытия методов оптического манипулирования до доклинической валидации технологий на основе частиц.
- Снижает риски, связанные с неопределенностью механизмов при разработке левитирующих оптических платформ.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Этот метод оптического захвата интегрируется в континуум от фундаментальных открытий до доклинических исследований, позволяя осуществлять точное манипулирование металлическими частицами в воздухе и их изучение, что способствует как проведению исследований на основе гипотез, так и валидации технологий.
- Открывающая биология: способствует проверке гипотез о плазмонных и оптических свойствах в контролируемых воздушных средах.
- Скрининг: обеспечивает воспроизводимые количественные результаты захвата для сравнительного анализа поведения частиц.
- Аналитика: предоставляет стабильные платформы для измерения оптического отклика и подтверждения стабильности ловушки.
- Трансляционные исследования: связывает результаты ранних открытий с доклинической оценкой систем переносимых по воздуху частиц, где это применимо.
- Корпоративное повторное использование: предлагает гибкую систему захвата с возможностью настройки в реальном времени, адаптируемую для нескольких исследовательских программ.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: повышает достоверность прогнозов при исследовании плазмонных и оптических систем.
- Практическая ценность: стандартизирует манипуляции с частицами в воздушной среде с высокой воспроизводимостью и стабильностью.
- Стратегическая ценность: позволяет принимать обоснованные решения о целесообразности дальнейшей разработки технологических платформ на основе частиц.
- Влияние на портфель проектов: способствует приоритезации инициатив в области оптических и плазмонных исследований с учетом оценки рисков.
Особенности внедрения
- Требуются экспертные знания в области лазерной оптики и акустооптической модуляции.
- Необходим мощный лазер непрерывного действия и оборудование для точного сканирования луча.
- Требуется межкомандная стандартизация протоколов формирования и валидации ловушек.
- Может потребоваться адаптация для различных типов или размеров частиц в зависимости от их оптических свойств.
- Стабильность и время существования ловушки зависят от тщательной оптимизации частоты сканирования и юстировки системы.
