بررسي پتانسيل انبرك نوري به روش پردازش تصوير

Investigation of Optical Tweezers Potential by Image Processing

تله ي نوري عبارت است از باريكه ي شديدة كانوني شده ليزر توسط عدسي شيئي با گشودگي عددي بالا، كه قابليت تله اندازي ذرات كلوييدي را فراهم مي كند. روند رو به تكامل انبرك نوري در سال هاي اخير در بهينه شدن تله اندازي و سيستم اندازه گيري و نمايش آن، كاربردهاي متنوع و وسيعي را براي اين وسيله به همراه داشته است. امكان تله اندازي ذراتي در ابعاد چند ده نانومتر تا چند ميكرومتر و اندازه گيري نيروهايي از مرتبه پيكو نيوتون به مشاهده و ثبت همزمان مكان دره با دقت نانومتري نياز دارد. اين مشخصه هاي منحصر به فرد انبرك نوري، آن را به يك ابزار مفيد و پركاربرد در زمينه هاي تحقيقاتي مختلف از جمله علوم زيستي و ديناميك ميكرو شاره ها تبديل كرده است. از اين رو شناخت نوع پتانسيل تله ي نوري بسيار حياتي است، در حالت كلي اين پتانسيل همانند يك فنر عمل كرده و از روش طيف تواني براي بدست آوردن ضريب سختي تله استفاده مي شود. مطالعات ما نشان مي دهد كه سختي تله در راستاي عرضي براي جابجايي هاي بزرگ و كوچك، در بعضي موارد رفتار متفاوتي دارد و براي مقادير بيشتري از جابجايي به صورت قابل ملاحظه افزايش مي يابد، همچنين نيروي پراكندگي باعث ايجاد يك عدم تقارن در پتانسيل در راستاي محوري مي شود. بررسي موارد فوق با روش مرسوم استفاده از فوتوديود ممكن نيست، زيرا اين پديده ها در خارج از ناحيه خطي قابل مشاهده فوتوديود اتفاق مي افتند. در اين كار از روش پردازش تصوير براي ثبت جابجايي ذره از مركز تله استفاده شده است. به عنوان يك كاربرد، از اين روش براي ذره اي به قطر 01 / 1 ميكرومتر در راستاي محوري و ذره اي به قطر 48 / 1 ميكرومتر در راستاي عرضي رفتار پتانسيل تله نوري مورد بررسي قرار گرفته است. نتايج حاصل از آزمايشات انجام شده با نتايج محاسبات عددي همخواني خوبي دارد.

An optical trap consists of a tightly focused laser beam using a high numerical aperture objective lens which provides an optically trapping of colloidal beads. Recently; rapid improvements of Optical Tweezers, including: optimization of the trap, measurement and visualization of the systems has accompanied with wide variety of applications for this instrument. The nanometer and micron sized particle trapping ability along with piconewton ranged force measurements, need to simultaneous observation and recording of events with nanometer precision. These individual characteristics of Optical Tweezers have turned it into an indispensable tool in variety of science fields such as biology and microfluidics. Therefore, the mapping of Optical Tweezers potential will be vital. In general, this potential behaves similar to a spring for which the power spectrum method is used to obtain the stiffness of trap. Our recent investigations have revealed that the lateral stiffness of trap for small and large displacements of the bead in some cases shows different behavior and for larger displacements increases considerably. Also the scattering force causes asymmetry in the axial trapping potential. Investigation of these issues is not possible using regular photodiode based detection methods as these events falls out of the linear rang of detection system. In this letter, the image processing method is introduced for recording the displacements of beads from the trap center. As an application of this method for polystyrene beads with diameter of 1.01 micrometer in axial direction, and also for polystyrene beads with diameter of 1.48 micrometer in lateral direction, the behavior of trap potential is extracted. There is a good agreement between our theoretical and experimental results