Лабораторный стенд EDU-OT3/M Оптический пинцет

Лабораторный стенд EDU-OT3/M предназначен для образовательных, демонстрационных и учебных целей, включает всё оборудование, инструменты (компьютер не входит в комплект) и подробное руководство для удобной сборки и использования.

КОМПЛЕКТАЦИЯ:

1) Алюминиевая оптическая плита, 1 шт.
2) Устройство для защиты от ЭСР и компенсации натяжения кабеля, схемы выводов: A и E, прямое напряжение до 3.3 В, совместимо с контроллерами для лазерных диодов, 1 шт.
3) Лазерный диод (P=40 мВт, λ=658 нм), 1 шт.
4) Регулируемый коллиматор с оптикой для лазерных диодов Ø5.6 и Ø9 мм, просветляющее покрытие: 350 - 700 нм, 1 шт.
5) Драйвер лазерного диода K-Cube™, 1 шт.
6) Источник питания для двух устройств серии K-Cube или T-Cubes, ±15 В/5 В, 1 шт.
7) Стержень диаметром 25.0 мм с основанием для крепления прижимом, длина: 90 мм, 1 шт.
8) Универсальныйкороткий прижим, паз: 31.5 мм., 2 шт.
9) Кинематический держатель оптики Ø25.4 мм для каркасных систем: 30 мм, 1 шт.
10) Адаптер для цилиндрических компонентов Ø14.9 мм, 1 шт.
11) Стержень для каркасных систем, длина: 25.4 мм, диаметр: 6 мм, 2 шт.
12) Стержень для каркасных систем, длина: 76.2 мм, диаметр: 6 мм, 6 шт.
13) Стержень для каркасных систем, длина: 152.4 мм, диаметр: 6 мм, 2 шт.
14) Стержень для каркасных систем, длина: 254.0 мм, диаметр: 6 мм, 2 шт.
15) Пластинка для добавления в каркасную систему (30 мм) со съемным сегментом, толщина: 8.9 мм, 2 шт.
16) Пластинка для добавления в каркасную систему (30 мм) со съемным сегментом, толщина: 12.7 мм, 2 шт.
17) Плоско-выпуклая линза из стекла N-BK7, диаметр Ø12.7 мм, f = 20.0 мм, просветляющее покрытие: 350-700 нм, 1 шт.
18) Плоско-выпуклая линза из стекла N-BK7, диаметр Ø25.4 мм, f = 100.0 мм, просветляющее покрытие: 350-700 нм, 1 шт.
19) Переходник с внешней и внутренней резьбой, толщина: 3.8 мм, 1 шт.
20) Тубус для крепления линз со стопорным кольцом, глубина резьбы: 7.6 мм, 1 шт.
21) Стержень для держателей оптики L = 75 мм, 1 шт.
22) Держатель для стержней Ø12.7 мм с подпружиненным винтом, высота: 75 мм, 1 шт.
23) Основания Ø31.8 мм для крепления держателей стержней с помощью прижима, 1 шт.
24) Одноосный моторизованный трансляционный столик, длина: 12 мм, 2 шт.
25) Транслятор с регулировочным винтом 6.4 мм-170, сдвиг: 13 мм, 1 шт.
26) Контроллер коллекторного электродвигателя постоянного тока K-Cube, 2 шт.
27) Источник питания для драйверов One K или T-Cube, 15 В, 2.66 А, разъем: Jack 3.5 мм, 3 шт.
28) Кронштейн для трансляторов, правая ориентация, 1 шт.
29) Адаптер для актуаторов, монтируется на боковой стороне трансляторов, 2 шт.
30) Основание для трансляторов, 1 шт.
31) Угловой кинематический держатель зеркал с отверстиями для стержней без резьбы, для каркасных систем: 30 мм, 2 порта с резьбой, 2 шт.
32) Плоское зеркало с серебряным покрытием, Ø25.4 мм, отражение: 450 нм - 20 мкм, толщина: 6.0 мм, 2 шт.
33) Тубус для крепления линз со стопорным кольцом, глубина резьбы: 12.7 мм, 2 шт.
34) Тубус для крепления линз со стопорным кольцом, глубина резьбы: 25.4 мм, 3 шт.
35) Зажимная соединительная муфта для скрепления тубусов для крепления линз, длина: 25.4 мм, 2 шт.
36) Цветная CMOS камера Zelux™, 1.6 Мп, 1 шт.
37) Соединительный адаптер(26.3 мм-40), внешняя резьба, ширина: 12.7 мм, 2 шт.
38) Фиксирующее кольцо,(26.3 мм-40), внешний диаметр: 31.8 мм, пазы для закручивания ключом, 1 шт.
39) Зажим для крепления оптических элементов с резьбой 6.4 мм-20 (M6) на стержень Ø38.1 мм, 3 шт.
40) Тубус для крепления линз со стопорным кольцом, глубина резьбы: 38.1 мм, 1 шт.
41) Пластинка для каркасных систем (30 мм) с двумя стопорными кольцами, толщина: 8.9 мм, 4 шт.
42) Пластинка для каркасных систем (30 мм) с двумя стопорными кольцами, толщина: 12.7 мм, 1 шт.
43) Держатель-позиционер, точность позиционирования: ±1 мм, смещение в плоскости: XY, для каркасных систем: 30 мм, 1 шт.
44) Держатель с креплением для дихроичных фильтров или любых других оптических элементов прямоугольной формы с параметрами 36x26x3 мм, 1 шт.
45) Коротковолновое дихроичное зеркало 25 мм x 36 мм, длина волны среза: 605 нм, 1 шт.
46) Коротковолновый светофильтр, Ø25.0 мм, длина волны среза: 650 нм, 1 шт.
47) Двояковыпуклая линза из стекла N-BK7, Ø25.4 мм, фокусное расстояние 100.0 мм, без покрытия, 1 шт.
48) Крышка с внешней резьбой для тубусов Ø25.4 мм, 1 шт.
49) Опора с демпфированием, диаметр Ø38.1 мм, длина 355.6 мм, 1 шт.
50) Стержень для каркасных систем, длина: 12.7 мм, диаметр: 6 мм, 4 шт.
51) Стержень для каркасных систем, длина: 38.1 мм, диаметр: 6 мм, 4 шт.
52) Светодиод с теплоотводом, холодный белый свет (6500 K), ток 1300 мА, мин. мощность: 930 мВт, 1 шт.
53) Драйвер для светодиодов T-Cube, макс. рабочий ток 1200 мА, 1 шт.
54) Светорассеиватель из матового стекла, Ø25.4 мм, 1 шт.

Экспериментальная часть дает возможность:

· изучить основополагающие принципы работы оптического пинцета;
· пронаблюдать за броуновским движением и захватом микросфер лазером видимого диапазона;
· пронаблюдать 3D-захват микросфер в водно-кремовой среде.
Оптические пинцеты (оптические ловушки) позволяют манипулировать микрочастицами с помощью лазерного луча. Сфокусированный лазерный пучок создает силы воздействия на электронейтральные частицы размером 1-10 мкм, обеспечивая их захват, перемещение и управление.

Особенности лабораторного стенда:
· оптимизирован для использования в учебных аудиториях и лабораториях;
· простая сборка оптической схемы и позиционирующей платформы;
· встроенная камера для наглядной демонстрации;
· смонтирован на алюминиевой оптической плите;
· сохраняет юстировку при транспортировке.

Набор для подготовки образцов (опционально) содержит все необходимое для создания проб, пригодных для манипуляций с помощью данного лабораторного стенда. Набор специально разработан для совместного использования с данным лабораторным стендом.

Детали стенда:
Лабораторный стенд EDU-OT3/M «Оптический пинцет» предназначен для использования в учебных аудиториях, лабораториях и других образовательных целях. Он оснащен видимым лазерным источником и объективом, не требующим иммерсионного масла. Камера CMOS для наблюдения может быть подключена к ПК для демонстрации. Вся система смонтирована на алюминиевой оптической плите и может быть легко перемещена без необходимости повторной юстировки.

Лазерная и микроскопическая система.

В стенде EDU-OT3(/M) используется лазерный диод с длиной волны 658 нм в качестве источника лазерного пучка для ловушки. Этот видимый лазер мощностью 40 мВт позволяет легко наблюдать пятно через микроскоп во время работы, что делает демонстрации наглядными для аудитории. Лазер фокусируется через объектив Zeiss 63X с апертурой 0.8, который также служит основным объективом микроскопа.
Подсветка образца осуществляется с помощью белого светодиода, а наблюдение ведется через цветную CMOS-камеру Zelux. Лазер, микроскоп и оптическая схема стенда показаны на рисунке выше.

Система позиционирования образца

Образцы размещаются на 3-осевом позиционирующем столике и перемещаются вокруг статичного лазерного пучка во время экспериментов. Столик состоит из двух моторных трансляторов с ходом 12 мм (для осей X и Y) и ручного транслятора для перемещения по оси Z. Моторные трансляторы управляются контроллерами с настраиваемой скоростью. Позиционирующий столик показан на рисунке выше.

Принцип работы оптического пинцета

Сила рассеяния обусловлена давлением излучения: поскольку частицы частично поглощают и/или отражают лазерный свет, происходит передача импульса, заставляющая их двигаться от источника света. Эта сила возрастает с увеличением мощности лазера.
Градиентная сила (более важная) возникает, если лазерный пучок воздействует на частицы с более высоким показателем преломления, чем у окружающей жидкости. В этом случае частицы движутся в область максимальной интенсивности света, что позволяет удерживать их в фокусе лазера. При плотной фокусировке градиентная сила может превзойти силу рассеяния, обеспечивая захват и перемещение частиц во всех трех измерениях.
Для экспериментов используются микроскопические стеклянные или пластиковые шарики (размером 1–10 мкм) или другие объекты, диспергированные в жидкости (вода, спирт) на предметном стекле. Частицы можно перемещать, захватывая их лазерным пучком и двигая стекло с помощью позиционирующего столика.

Объектив, CMOS-камера и дополнительная линза формируют микроскоп, позволяющий наблюдать процесс захвата на мониторе ПК. С лабораторным стендом EDU-OT3/M можно проводить различные эксперименты, включая:

• Захват частиц при разной мощности лазера (до 40 мВт)
• Оценку эффективной вязкости среды через броуновское движение
• Определение сил оптического захвата и их гармонического потенциала
• Статистический анализ вероятности нахождения частиц в ловушке.

Информация по лазерной безопасности

Лазерный диод класса 3B, используемый в стенде, излучает до 42 мВт оптической мощности и может повредить глаза при прямом воздействии. Лазерный драйвер оснащен ключом-выключателем и блокировкой безопасности, которые следует использовать для предотвращения травм. Рекомендуется носить лазерные защитные очки при работе.

Эксперименты:
Для вовлечения студентов особенно полезно подчеркнуть, что данный лабораторный стенд основан на эксперименте, удостоенном Нобелевской премии! Спустя 48 лет после публикации своей работы (Ashkin A. "Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure." Physical Review Letters. 1970 January 26; 24: 156.) Артур Ашкин получил Нобелевскую премию за «оптический пинцет и его применение в биологических системах». Это подчеркивает фундаментальное значение данной технологии для научных исследований.
Ниже описаны несколько экспериментов, которые студенты могут выполнить с помощью лабораторного стенда EDU-OT3/M.

Подготовка образца
Образцы для экспериментов готовятся очень просто. Хорошо подходят растворы со стеклянными микросферами диаметром 1 мкм или 3 мкм — они идеальны для освоения принципов работы с оптическим пинцетом. Альтернативный вариант — эмульсия из сливок и воды, частицы которой также можно захватывать.

Необходимые материалы:
Предметное стекло с лунками глубиной 20 мкм
Покровное стекло
Чашка Петри
Пипетка
Образец раствора:
Взвесь стеклянных микросфер (из плавленого кварца) в дистиллированной воде,
Эмульсия сливок и воды.
Процедура:
Нанесите каплю раствора с частицами в чашку Петри и разбавьте дистиллированной водой.
Перенесите смесь в лунку предметного стекла с помощью пипетки.
Накройте образец покровным стеклом, избегая пузырьков воздуха.
Образцы можно готовить перед каждым экспериментом или герметизировать УФ-клеем между стеклами. Мы рекомендуем поручать студентам самостоятельное приготовление образцов — это ценный обучающий опыт.
Дополнительные аксессуары для подготовки образцов содержит набор OTKBTK (опционально).

Манипуляции с частицами сливок в водной эмульсии

Частицы молочных сливок в водной эмульсии имеют оптимальный размер для захвата оптическим пинцетом из данного набора. Образец можно приготовить, смешав каплю сливок с водой до получения слабо мутного раствора. При попытке захватить частицы сливок лазером они исчезают из фокуса и перестают быть четко видны на мониторе. Это явление объясняется составом эмульсии сливок и воды. Сливки состоят преимущественно из жира, который собирается на поверхности при смешивании с водой. Таким образом, частицы сливок располагаются на поверхности воды. Однако лазерный фокус находится глубже: при захвате частицы втягиваются вглубь эмульсии (см. Рисунок а). Этот эффект можно наблюдать, отслеживая частицу, на которую направлен лазер, и регулируя высоту столика по мере погружения частицы в раствор.
После того как захваченная частица сливок сфокусирована (см. Рисунок б)и четко видна на мониторе, лазер можно выключить и продолжить наблюдение. Поскольку частица больше не удерживается оптической ловушкой, она снова поднимется к поверхности воды (см. Рисунок в). Движение частицы можно отслеживать, снова регулируя высоту столика.

Броуновское движение

Броуновское движение - это случайное перемещение (поступательное и вращательное) микроскопических свободных частиц, взвешенных в жидкости, возникающее в результате их столкновений с атомами или молекулами жидкости. Под микроскопом траектории частиц выглядят как короткие прямые линии (см. Рисунок а). Броуновское движение можно наблюдать в экспериментах с оптическим пинцетом. Стеклянные шарики находятся в среде, состоящей из молекул, которые постоянно движутся во всех направлениях. В результате молекулы сталкиваются с шариками, вызывая их колебательное движение, которое можно наблюдать с помощью оптического пинцета. Чем выше температура, тем интенсивнее движение молекул. Вначале используется образец со стеклянными шариками диаметром 3 мкм. Сначала необходимо выключить лазер, чтобы наблюдать только броуновское движение. Для анализа необходимо записать видеопоследовательность длительностью не менее 2 минут. В течение этого времени в кадре должно находиться около 5 частиц, не соприкасающихся друг с другом. Аналогичное видео следует записать для шариков диаметром 1 мкм. Видео можно анализировать с помощью программного обеспечения для обработки изображений, которое определяет координаты x и y частицы во времени. Рекомендуется обработать и визуализировать полученные данные с помощью табличного редактора. Сначала необходимо определить среднеквадратичное смещение шариков. Его можно рассчитать по координатам шариков (xᵢ(tᵢ), yᵢ(tᵢ)) в разные моменты времени tᵢ, измеренным по видео:

 Среднее значение положения для каждого момента времени tₙ можно рассчитать, усреднив все измеренные значения положения по времени. Чтобы исключить статистические отклонения отдельных частиц, среднее значение также следует усреднить по M частицам:

 Рекомендуется использовать не менее 5 частиц для этого расчета. На рисунке б показаны значения среднеквадратичного смещения <r²>(tₙ) в зависимости от времени для трех размеров стеклянных шариков. Обратите внимание, что наклон линий уменьшается с увеличением диаметра шариков, то есть более крупные шарики движутся меньше. Этот результат легко объясняется броуновским движением: шарики диаметром 1 мкм легче приводятся в движение столкновениями с молекулами воды, чем более крупные шарики. Поэтому за определенный интервал времени 1-мкм шарик перемещается больше, чем крупный шарик.

Максимальная удерживающая сила оптической ловушки

На стеклянные шарики, движущиеся в растворе со скоростью v, действуют силы трения со стороны окружающей жидкости, которые препятствуют их движению. Эта сила пропорциональна размеру шарика и вязкости жидкости: Здесь R — радиус шарика. Эффективная вязкость η_eff описывает, насколько «густой» является смесь воды и шариков, и различается для разных образцов. Ее можно рассчитать по среднеквадратичному смещению частиц в жидкости, определенному экспериментально в описанном выше эксперименте по броуновскому движению. Наклон m линии, описывающей среднеквадратичное смещение, связан с вязкостью следующим уравнением: 

 где η_eff - эффективная вязкость, R - радиус шарика, T - температура образца в кельвинах, а k_B- постоянная Больцмана, примерное значение которой составляет 1.38×10⁻²³ Дж/К. Эффективная вязкость должна быть порядка 10⁻³ Н·с/м². Если шарик находится в оптической ловушке, на него действуют две силы: сила трения F_R, обусловленная суспензией, в которой находится шарик, и удерживающая сила F_H оптической ловушки. Максимальная удерживающая сила определяется как сила, необходимая для поддержания скорости v_max, при которой шарик еще удерживается ловушкой. Это случай, когда максимальная удерживающая сила и сила трения уравновешиваются: 

 Для лабораторного стенда EDU-OT3(/M) удерживающая сила обычно составляет несколько пиконьютонов и зависит от разницы показателей преломления захваченной частицы и окружающей жидкости.

Лабораторный стенд поставляется в упаковочных кейсах с ложементом, методическим описанием, комплектом крепёжных
элементов, набором для чистки оптики и инструментами.