Диссертация (Фотонно-силовая микроскопия магнитных частиц, клеток крови и волноводных мод фотонных кристаллов), страница 12

Броуновское движение в данной методике может являтьсяиндикатором для выявления сил взаимодействия [9].2. Экспериментальное изучение броуновского движения оптически захваченных магнитных микрочастиц2.1. Экспериментальная установкаСхема экспериментальной установки для изучения магнитного взаимодействия микрочастиц показана на рисунке 20. В установке оптического пинцета реализуются одновременно две оптических ловушки, совмещенные с системой приложения магнитногополя в области образца. Для формирования оптических ловушек используются дванепрерывных инфракрасных лазера (элементы 1, 2 на рисунке 20) с длиной волныизлучения 975 нм.

Мощность лазеров может плавно изменяться в пределах 0–330 мВт.Лазеры имеют выходы в поляризационно-сохраняющие одномодовые оптические волокна, поэтому для получения параксиальных лучей используется асферические линзы с фокусным расстоянием 6,24 мм. Луч одного из лазеров проходит через системуконфокально расположенных линз (6–8), которая позволяет управлять положениемоптической ловушки внутри образца путем перемещения линзы (6) перпендикулярно оптической оси. Положение другой ловушки управляется акусто-оптическим дефлектором, или АОД (5). После прохождения через поляризационный делительныйИзучение силового взаимодействия магнитных микрочастиц...65Рис. 20: Схема экспериментальной установки оптического пинцета для изучения взаимодействия микрочастиц. 1,2 — диодные лазеры с волоконным выходом; 3,4 — асферическиелинзы, коллимирующие пучки лазеров; 5 — акусто-оптический дефлектор; 6–8 — системалинз для смещения ловушки; 9–12 — система заведения лазерных пучков в объектив 13; 14— кювета с суспензией исследуемых микрочастиц; 15–19 — осветитель; 21, 30, 31 — дихроичные светоделители; 22 — ахроматический линзовый дуплет; 23 — видеокамера; 26–30 —система заведения излучения лазеров 24, 25 в объектив 13; 32–39 — система регистрациималых смещений микрочастиц на основе квадратнных фотодиодов 38, 39.Изучение силового взаимодействия магнитных микрочастиц...66кубик, который предназначен для сведе́ния лучей обоих инфракрасных лазеров, систему из линз (9, 10, 12) для расширения лазерных пучков до полной входной апертуры объектива, а также дихроичное зеркало (21) лазерные пучки попадают на планполу-апохроматический масляно-иммерсионный объектив (13).

При этом все линзыподобраны таким образом, чтобы смещение лазерных пучков не приводило к существенному изменению засветки входной апертуры объектива (13), и, тем самым, неприводило к изменению мощности излучения, формирующего оптическую ловушку.Объектив (13) имеет фокусное расстояние 1,8 мм, корректирован на бесконечность.На длине волны падающего излучения 975 нм пропускная способность этого объектива составляет около 60%.

Числовая апертура объектива контролируется встроеннойирисовой диафрагмой и может изменяться от 0,55 до 1,3. Рабочее расстояние объектива (13) составляет 0,2 мм при работе с покровными стеклами 0,17 мм. С помощьюданного объектива лазерные лучи фокусируются внутри образца (14), расположенного на предметном столике.

Образец представляет собой суспензию исследуемыхмагнитных композитных микрочастиц диаметром 3 мкм, состоящих из полистирола свкраплениями магнетита (PMPEG-3.0COOH производства компании “Kisker BiotechGmbH&Co”). Предметный столик оборудован автоматизированной системой двухкоординатного смещения. Система позволяет перемещать ячейку с образцом перпендикулярно оптической оси объектива на 17 мм вдоль каждой оси. Минимальный шагсмещения составляет 0,04 мкм.Освещение для визуализации образца проводилось в геометрии “на просвет”.

Система осветителя состоит из массива белых светодиодов (15), коллекторной линзы(16) и полевой ирисовой диафрагмы (17), ахроматического дуплета (18) с фокуснымрасстоянием 200 мм и объектива-микрофлюара (20) с числовой апертурой 0,85. Свет,проходящий через образец, собирается объективом (13) и ахроматической линзой (22)(f=150 мм) на матрице ПЗС-камеры (23), подключенной к персональному компьютеру. ПЗС-камера выдает цветное видеоизображение разрешением 768x576 пикселей счастотой 25 кадров в секунду. Для заведения видимого излучения на ПЗС-камеруиспользуется диэлектрическое зеркало (21). На одну из поверхностей этого зеркалананесено интерференционное покрытие, имеющее хорошее пропускание для инфракрасного излучения и высокий коэффициент отражения для видимого диапазона приугле падения 45◦ .

Вторая поверхность зеркала имеет просветляющее покрытие дляИзучение силового взаимодействия магнитных микрочастиц...67ближнего ИК диапазона длин волн излучения.Для приложения магнитного поля к области, в которой располагался образец,была изготовлена система из четырех электромагнитов (40). Снизу к сердечникамэлектромагнитов прикреплены концентраторы магнитного потока – магнитомягкиепластины толщиной 0,5 мм. К электромагнитам подводится напряжение, управляемоес помощью компьютерной программы.

Система электромагнитов, была расположенанад образцом, как изображено на рисунке 21. Она позволяет создавать магнитноеполе в образце с вектором напряженности, лежащим в плоскости наблюдения.Регистрация малых смещений захваченных в оптические ловушки микрочастицосуществляется с помощью системы на основе четырехсекционных (квадрантных)фотодиодов (КФД) (элементы 38, 39 на рисунке 20). Квадрантные фотодиоды — эточетыре независимых фотодиода, рабочая поверхность которых представляет собойквадранты одного круга.

Независимые измерения сигнала с каждого сектора позволяют определить интенсивности падающих на них лучей. Определение положениячастиц, захваченных ловушками, осуществляется по рассеянному ими излучению дополнительно установленных лазеров (24, 25) с излучением на длине волны 635 и670 нм.

Рассеянное исследуемыми объектами излучение лазеров (24, 25) заводится наквадрантные фотодиоды (38, 39) с помощью делительных поляризационных кубов(28, 33) и дихроичных зеркал (30), (21), (31). Для того чтобы на КФД не попадало переотраженное излучение от светодиода (15), установлен фильтр СЗС-11 (19),поглощающий красную часть спектра излучения светодиода. Используемые КФД сопряжены с блоками электроники. Каждый блок имеет 3 выхода. Напряжения на этихвыходах пропорциональны следующим величинам:V 0 ∼ I1 + I2 + I3 + I4 ,V x ∼ I1 − I2 − I3 + I4 ,(58)V y ∼ I1 + I2 − I3 − I4 ,где Ii – интенсивность света падающего на i-тый сектор КФД.

В линейном диапазоне работы КФД смещения лучей по осям Ox и Oy считаются пропорциональными,соответственно, напряжениям Vx и Vy .Изучение силового взаимодействия магнитных микрочастиц...682.2. Экспериментальные результаты и их анализВ эксперименте проводился захват двух микрочастиц в две оптические ловушки, расположенные на расстоянии 4.5–9 мкм друг от друга и 20 мкм над покровным стекломкюветы с образцом. Процедура оптического захвата частиц заключается в следующем. Сначала фокус захватывающего объектива наводится на образец.

Зная положения ловушек на получаемом с камеры изображении, совмещают предварительновыбранную на экране монитора частицу с положением одной из ловушек с помощью шаговых двигателей, осуществляющих перемещение предметного столика. Приэтом должен наблюдаться захват этой частицы в оптическую ловушку. Аналогично проводится захват частицы во вторую ловушку. После захвата двух частиц в двенезависимые оптические ловушки положение одной из частиц можно изменять в плоскости наблюдения с помощью поворота микрометрических винтов транслятора линзы(6).

Для смещения другой ловушки достаточно изменить напряжение, подаваемое науправляющий вход акусто-оптического дефлектора (5). После захвата частицы фотографировались для определения расстояния между ними R. Типичная фотографиядвух захваченных микрочастиц изображена на вставке рисунка 22. Далее проводились измерения временно́й зависимости величины сигнала с квадрантных фотодиодовVx,1 и Vx,2 , соответствующих смещениям частиц вдоль оси Ox. Измерения проводилисьв течение 100 секунд при частоте сбора данных аналогово-цифровым преобразователем 5 · 105 отсчетов в секунду на каждый канал.

Определялись величины среднихзначений сигнала с каждого фотодиода, дисперсии этих сигналов и нормированнаяна эти дисперсии корреляционная функция сигналов с двух фотодиодов. Результатыбыли усреднены по 5 различным парам микрочастиц. Так как сигнал с фотодетекторалинейно связан со смещением микрочастицы из положения равновесия в оптическихловушках, то полученная корреляционная функция совпадает с выражением (55).На рисунке 22 показаны типичные графики нормированной корреляционнойфункции броуновских смещений микрочастиц из положений равновесия вдоль осиOx. Незакрашенные точки соответствуют корреляционной функции, полученной приизмерении смещений в отсутствии внешнего магнитного поля.

Наличие минимумапри τ ≈ 0, 01 с обусловлено гидродинамическим взаимодействием микрочастиц черезжидкую среду. При наличии вешнего магнитного поля, создаваемого в области образ-Изучение силового взаимодействия магнитных микрочастиц...69Рис. 21: Система электромагнитов для приложения магнитного поля к образцу. 1 — объектив системы освещения образца; 2, 3, 4, 5 — электромагниты; 6 — замыкающий магнитопровод; 7, 8, 9 ,10 — концентраторы магнитного потока;Рис. 22: Нормированные на среденегеометрическию дисперсию корреляционные функциисмещения двух частиц в оптических ловушках.