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:
|
Название |
Описание |
|
Тип лазера |
Диодный |
|
Длина волны излучения (тип.) |
658 нм |
|
Выходная мощность лазера |
40 мВт |
|
Числовая апертура объектива |
0.8 |
|
Рабочее расстояние |
0.3 мм |
|
Камера |
|
|
Разрешение камеры |
1440 x 1080 пикс. |
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:
|
Наименование |
Описание |
Кол-во |
|
Источник лазерного излучения |
||
|
L658P040 a |
Лазерный диод, длина волны излучения 658 нм, мощность 40 мВт |
1 |
|
Крепления и комплектующие |
|
|
|
1 |
||
|
1 |
||
|
1 |
||
|
1 |
||
|
1 |
||
|
1 |
||
|
1 |
||
|
1 |
||
|
Расширитель пучка |
||
|
Плоско-выпуклая линза, Ø1/2", f = 20.0 мм |
1 |
|
|
Плоско-выпуклая линза, Ø1", f = 100.0 мм |
1 |
|
|
Крепления и комплектующие |
|
|
|
1 |
||
|
2 |
||
|
2 |
||
|
2 |
||
|
2 |
||
|
2 |
||
|
2 |
||
|
1 |
||
|
1 |
||
|
1 |
||
|
1 |
||
|
1 |
||
|
Система позиционирования образца |
||
|
Одноосный моторизированный транслятор, сдвиг 1/2" (12 мм) |
2 |
|
|
Транслятор с регулировочным винтом, сдвиг 1/2" (13 мм) |
1 |
|
|
Крепления и комплектующие |
|
|
|
2 |
||
|
KPS101 a |
2 |
|
|
1 |
||
|
2 |
||
|
1 |
||
|
Зеркала под прямым углом |
||
|
Плоское зеркало с серебряным покрытием, Ø1" (Ø25.4 мм) |
2 |
|
|
Крепления и комплектующие |
|
|
|
2 |
||
|
2 |
||
|
2 |
||
|
2 |
||
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.
|
Наименование |
Описание |
Кол-во |
|
Микроскоп |
||
|
Цветная CMOS камера Zelux™, 1.6 Мп |
1 |
|
|
Коротковолновое дихроичное зеркало, 25 мм x 36 мм, длина волны среза: 605 нм |
1 |
|
|
Коротковолновый светофильтр, Ø1", длина волны среза: 650 нм |
1 |
|
|
Двояковыпуклая линза, Ø1", f = 100 мм |
1 |
|
|
Светодиод с теплоотводом, холодный белый свет (6500 K) |
1 |
|
|
Светорассеиватель из матового стекла, Ø1", N-BK7 |
1 |
|
|
- |
Объектив микроскопа Zeiss, 63X, 0.8 NA |
1 |
|
Крепления и комплектующие |
|
|
|
2 |
||
|
1 |
||
|
3 |
||
|
1 |
||
|
4 |
||
|
1 |
||
|
1 |
||
|
1 |
||
|
1 |
||
|
1 |
||
|
4 |
||
|
4 |
||
|
4 |
||
|
1 |
||
|
KPS101 a |
1 |
|
|
1 |
||
|
1 |
||
|
Установка системы |
||
|
Алюминиевая оптическая плита, размеры: 300 мм x 600 мм x 12.7 мм |
1 |
|
|
Крепления и комплектующие |
|
|
|
1 |
||
|
1 |
||
|
1 |
||
|
1 |
||
|
1 |
||
Примечание:
а. Вилка поставляется с блоком питания в зависимости от страны пользователя.
В каждом комплекте поставляются все необходимые материалы для сборки, в том числе ключи, отвертки и винты.
|
Поставщик
|
Thorlabs |
Оплата продукции производится по безналичному расчету на основании счета либо договора поставки. Компания АЗИМУТ ФОТОНИКС принимает участие в конкурсных торгах (электронных аукционах) на выполнение заказов от бюджетных организаций. Для бюджетных организаций предусмотрена работа с частичной предоплатой в рамках договоров по ФЗ.
Доставка оборудования и компонентов во все регионы России осуществляется транспортными компаниями (Major Express, Гарантпост, СДЭК) с обязательным соблюдением требований к транспортировке и хранению, также возможен самовывоз из нашего офиса в Москве. Условия отправки груза в страны СНГ и ЕАЭС необходимо уточнять отдельно у специалистов нашей компании.
