Образовательный набор для опытов с оптическим пинцетом

Описание

- Ознакомьтесь с основными принципами работы установки оптического пинцета;

- Изучите броуновское движение и захват микрогранул с помощью лазера, работающего в видимом диапазоне;

- Продемонстрируйте 3D-захват микрогранул с помощью раствора воды и жира;

- Портативный, не требует дополнительной настройки;

- На основе эксперимента, получившего Нобелевскую премию (Артур Ашкин, 2018);

- Комплект для подготовки образцов продается отдельно.

Оптические пинцеты, также известные как оптические ловушки, перемещают мелкие частицы и манипулируют ими, используя только пучок излучения. Сфокусированный лазерный пучок используется для приложения сил к электрически незаряженным частицам размером от 1 до 10 мкм, что позволяет захватывать, перемещать и манипулировать их. Этот лабораторный комплект оптического пинцета оптимизирован для использования в классе и лаборатории. Он имеет простой в сборке оптический путь и столик для позиционирования образца, лазерный источник и систему камер для легкой демонстрации. Учебный комплект собран на алюминиевом оптическом столе 30 x 60 см (1 x 2 дюйма) (входит в комплект) и может быть легко перемещен для демонстрационных целей без необходимости повторной юстировки.

Комплект для подготовки образцов, доступный отдельно, включает дополнительные принадлежности, которыми можно манипулировать с помощью демонстрационного комплекта оптического пинцета. Этот комплект оптимизирован для использования с образовательным набором.

Также предлагается модульная система оптических пинцетов с широкими возможностями настройки для исследовательских и передовых лабораторий.

Подробнее об образовательном наборе

Образовательный набор оптических пинцетов Thorlabs EDU-OT3 (/M) – это обновленная версия набора EDU-OT2 (/M) с несколькими изменениями для улучшения производительности и сборки. Камера была обновлена ​​до CMOS-камеры Zelux™ CS165CU (/M) для улучшения качества изображения. Куб светоделитель был заменен на дихроичный светоделитель DMSP605R, чтобы направить больше лазерной мощности на ловушку. Пластины каркаса были обновлены до последних версий с помощью более крупных винтов для более надежного удержания стержней.

Установка набора оптических пинцетов на плате

Система лазера и микроскопа

В наборе EDU-OT3 (/M) в качестве источника излучения используется лазерный диод L658P040 с длиной волны 658 нм. Этот лазер мощностью 40 мВт позволяет легко наблюдать пятно через микроскоп во время работы для интуитивно понятных демонстраций в аудитории. Лазер фокусируется через объектив Zeiss 63X, 0.8 NA, который также служит объективом для микроскопа. Освещение образца осуществляется с помощью белого светодиода MCWHL5 предыдущего поколения, и образец просматривается через CMOS-камеру CS165CU (/M).

Сборка микроскопа и камеры с ходом пучков лучей

Система позиционирования образца

Образцы помещаются на 3-осевой столик позиционирования и перемещаются вокруг статического лазерного пучка во время экспериментов. Столик состоит из двух моторизованных трансляторов MT1-Z8 (MT1/M-Z8)12 мм для перемещения по осям X и Y, а также ручного транслятора MT1B (MT1B/M) для перемещения по оси Z. Моторизованные трансляторы управляются контроллерами электродвигателей KDC101 с настраиваемыми настройками скорости.

Столик позиционирования образца

Технические характеристики образовательного набора:

Оптический пинцет

Оптические пинцеты можно охарактеризовать двумя видами сил: силой рассеяния и градиентной силой. Сила рассеяния может быть объяснена принципом радиационного давления. Поскольку входящее лазерное излучение частично поглощается и / или отражается частицами, происходит передача импульса, которая заставляет частицы удаляться от источника. Таким образом, сила рассеяния увеличивается с увеличением мощности лазера.

Вторая, более важная сила – это градиентная сила. Если лазерный луч воздействует на частицы с более высоким показателем преломления, чем водная среда, в которой они диспергированы, они движутся в направлении максимальной интенсивности света, позволяя частицам задерживаться в фокальной плоскости лазера. Если лазер сильно сфокусирован, градиентная сила может превысить силу рассеяния, так что частицы могут быть захвачены и перемещены во всех трех пространственных измерениях.

Для экспериментальных целей микроскопические стеклянные или пластиковые гранулы (примерно от 1 до 10 мкм) или различные другие предметы диспергируют в жидкости (воде, спирте) на предметном стекле. Затем частицы можно перемещать и манипулировать ими, захватывая их сфокусированным лазерным пучком и перемещая слайд, прикрепленный к позиционирующему столику. Объектив, камера CMOS и дополнительная линза составляют микроскоп, который позволяет наблюдать за процедурой захвата на мониторе ПК. С помощью этой установки можно проводить различные эксперименты, включая захват частиц с различной мощностью лазера (до 40 мВт), оценку эффективной вязкости дисперсии через броуновское движение, определение оптических сил захвата и их гармонического потенциала, а также статистический анализ. вероятности нахождения частиц в пинцете.

Эксперименты

Чтобы заинтересовать студентов, особенно полезно отметить, что этот набор основан на эксперименте, удостоенном Нобелевской премии! Через 48 лет после публикации своей статьи (Ашкин А. «Ускорение и захват частиц под действием радиационного давления. Physical Review Letters. 1970, 26 января; 24: 156.) Артур Ашкин был удостоен Нобелевской премии «за оптические пинцеты и их применение. к биологическим системам». Это подчеркивает глубокое значение этой технологии в фундаментальных исследованиях.

Ниже описаны несколько экспериментов, которые студенты могут провести в рамках лабораторного курса. В дополнение к этим упражнениям, руководство содержит инструкции по дополнительным действиям, таким как настройка установки, поиск правильной плоскости фокусировки камеры и лазера, и расположение захваченных частиц в образце.

Набор оптических пинцетов, используемых для улавливания и манипулирования различными частицами, включая шарики размером 1 мкм и 3 мкм, а также крупные частицы крахмала и жира

Подготовка образца

Образцы для набора оптического пинцета приготовить несложно. Полезен образец, содержащий стеклянные гранулы размером 1 или 3 мкм, так как они хорошо подходят для ознакомления с работой и обращением с оптическим пинцетом. В качестве альтернативы эмульсия жира в воде также будет производить частицы, которые можно улавливать с помощью набора оптического пинцета.

Для создания образца необходимы следующие материалы:

- Предметное стекло для микроскопа с лунками глубиной 20 мкм;

- Защитное стекло;

- Стеклянная тарелка для часов;

- Пипетка;

- Раствор со стеклянными гранулами (плавленым кварцем) и дистиллированной водой или сливки и водная эмульсия.

Частицы жира в водной эмульсии имеют соответствующий размер, чтобы их можно было уловить с помощью оптического пинцета из этого набора. Образец можно создать, смешав каплю молочных сливок с достаточным количеством воды, чтобы получился слегка молочный на вид раствор. Если попытаться уловить частицы жира с помощью лазера, они исчезнут из фокуса и больше не будут четко видны на мониторе. Наблюдение можно объяснить составом эмульсии жир / вода. Сливки состоят в основном из жира, который накапливается на поверхности при смешивании с водой. Таким образом, частицы жира располагаются на поверхности воды. Однако фокус лазера находится на более глубоком уровне: когда частицы жира захватываются, они втягиваются в эмульсию. Этот эффект можно наблюдать, когда частица, на которую направлен лазер, отслеживается путем регулировки высоты ступени по мере того, как частица перемещается глубже в раствор.

После того, как частица жира, находящаяся в оптической ловушке, будет сфокусирована и будет четко видна на мониторе, можно выключить лазер и наблюдать за частицей. Поскольку после выключения лазера частица жира не удерживается на месте оптической ловушкой, она снова поднимется вверх к поверхности воды. Опять же, движение частицы можно отслеживать, регулируя высоту сцены.

Поведение частиц жира при работе оптическим пинцетом

Броуновское движение

Броуновское движение – это случайное движение (поступательное движение и вращение) микроскопических свободных частиц, взвешенных в жидкости, в результате их столкновений с атомами или молекулами жидкости. Под микроскопом пути частиц видны как короткие прямые линии. Броуновское движение можно наблюдать в экспериментах с помощью оптического пинцета. Стеклянные гранулы находятся в среде, состоящей из молекул, которые постоянно движутся во всех направлениях. Из-за этого молекулы постоянно сталкиваются с шариками, что вызывает колебательное движение шариков, которое можно наблюдать под оптическим пинцетом. Чем выше температура, тем больше движутся молекулы.

Иллюстрация броуновского движения

Можно использовать образец со стеклянными гранулами 3 мкм. Необходимо сначала выключить лазер, чтобы можно было наблюдать только броуновское движение. Для оценки необходимо записать видеопоследовательность продолжительностью 2 минуты и более. За этот период на изображении должно быть около 5 частиц, которые не соприкасаются друг с другом. Аналогичное видео должно быть записано со гранулами размером 1 мкм. Видео можно оценить с помощью программного обеспечения для анализа изображений, которое предоставляет координаты x и y частицы с течением времени.

Комплектация набора:

Примечание:

a. Это лазер класса 3B, поэтому все пользователи должны пройти обучение и соблюдать все необходимые протоколы безопасности, в том числе носить очки для защиты от лазера.