PL239525B1 - Mikronarzędzie do pęsety optycznej - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest mikronarzędzie do pęsety optycznej, które można zastosować do pomiaru siły. Mikronarzędzie do pęsety optycznej, które jest złożone z mikrokulek połączonych poprzez mikrobelki, charakteryzuje się tym, że składa się z leżących we wspólnej osi podłużnej, stanowiącej oś mikronarzędzia (1), pierwszej mikrokulki (2), połączonej poprzez pierwszą mikrobelkę (3) z drugą mikrokulką (4), zaś druga mikrokulka (4) przez drugą mikrobelkę (5) połączona jest z mikroelementem wykonawczym (6), oś drugiej mikrokulki (4), prostopadła do osi mikronarzędzia (1) stanowi zaś oś obrotu (7) mikronarzędzia, ponadto do drugiej mikrokulki (4) poprzez mikrobelki boczne (8) dołączone są mikrokulki boczne (9), leżące naprzeciw siebie we wspólnej osi, tworzącej kąty proste z osią mikronarzędzia (1) oraz z osią obrotu mikronarzędzia (7).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest mikronarzędzie do pęsety optycznej, które można zastosować do pomiaru siły.

Z publikacji Micro-Dumbbells - A Versatile Tool for Optical Tweezers, W. Lamperska, S. Drobczyński, M. Nawrot, P. Wasylczyk, J. Masajada, Micromachines 2018 znane są mikronarzędzia do pęsety optycznej w postaci mikrohantli, które są zbudowane w ten sposób, że posiadają pierwszą mikrokulkę, połączoną pierwszą mikrobelką z drugą mikrokulką, do której z kolei przyłączona jest druga mikrobelka zakończona szpicem.

Z publikacji “Multiplying optical tweezers force using a micro-lever”, Chih-Lang Lin, Yi-Hsiung Lee, Chin-Te Lin, Yi-Jui Liu, Jiann-Lih Hwang, Tien-Tung Chung,Patrice L. Baldeck, Optical Society of America 2011, znane jest mikronarzędzie do pęsety optycznej, działające jak dźwignia, które jest zbudowane w ten sposób, że ma mikrobelkę, w przekroju przypominającą literę „H”, zakończoną z jednej strony mikrokulką, która stanowi punkt obrotu, na przeciwległym zaś końcu znajdują się kolejne mikrokulki, przy czym w środkowej części mikrobelki przyłączony jest jeden koniec mikrosprężyny.

Istota mikronarzędzia według wynalazku polega na tym, że składa się z leżących we wspólnej osi podłużnej, stanowiącej oś mikronarzędzia, pierwszej mikrokulki, połączonej poprzez pierwszą mikrobelkę z drugą mikrokulką, zaś druga mikrokulką przez drugą mikrobelkę połączona jest z mikroelementem wykonawczym, oś drugiej mikrokulki, prostopadła do osi mikronarzędzia stanowi zaś oś obrotu mikronarzędzia, ponadto do drugiej mikrokulki poprzez mikrobelki boczne dołączone są mikrokulki boczne, leżące naprzeciw siebie we wspólnej osi, tworzącej kąty proste z osią mikronarzędzia oraz z osią obrotu mikronarzędzia.

Korzystnie, mikroelement wykonawczy to prostokątna płytka.

W wariancie wynalazku wektor normalny płaszczyzny płytki jest prostopadły do osi obrotu mikronarzędzia i do osi mikronarzędzia.

W innym wariancie wynalazku wektor normalny płaszczyzny płytki leży w osi mikronarzędzia.

W wariancie wynalazku mikroelement wykonawczy to mikrorurka otwarta jednostronnie od strony poddawanej sile nacisku.

W wariancie wynalazku oś symetrii mikrorurki jest prostopadła do osi obrotu mikronarzędzia i do osi mikronarzędzia.

W innym wariancie oś symetrii mikrorurki leży w osi mikronarzędzia.

Główną zaletą wynalazku jest pomiar siły wywieranej na łopatkę w zakresie od pojedynczych pikonewtonów do setek pikonewtonów (zakres charakterystyczny dla pęsety optycznej). Mikroelement wykonawczy umożliwia zastosowanie mikronarzędzia jako dynamometru lub mikrowiosła. Źródłem siły mogą być organizmy żywe zdolne do poruszania się. Po funkcjonalizacji łopatki/rurki związkami przyciągającymi te organizmy możliwy jest również pomiar pracy wykonanej przez badany organizm w zadanym czasie. Wiosło działa wtedy jak mikro-kierat. Zaletą proponowanej konstrukcji jest także jej skalowalność oraz możliwość zmiany wymiarów poszczególnych elementów.

Mikronarzędzie do pęsety optycznej jest bliżej przedstawione w przykładach realizacji i w oparciu o rysunek, którego fig. 1 przedstawia wariant z mikroelementem wykonawczym w postaci płytki działającej jako mikrowiosło, fig. 2 przedstawia wariant z płaszczyzną płytki prostopadłą do osi mikronarzędzia, fig. 3 przedstawia wariant z mikroelementem wykonawczym w postaci rurki, fig. 4 wariant, w którym oś symetrii rurki leży w osi mikronarzędzia.

P r z y k ł a d 1

Mikronarzędzie składa się z leżących we wspólnej osi podłużnej, stanowiącej oś mikronarzędzia 1, pierwszej mikrokulki 2, połączonej poprzez pierwszą mikrobelkę 3 z drugą mikrokulką 4, zaś druga mikrokulką 4 przez drugą mikrobelkę 5 połączona jest z m ikroelementem wykonawczym 6, oś drugiej mikrokulki 4, prostopadła do osi mikronarzędzia 1 stanowi zaś oś obrotu mikronarzędzia 7, ponadto do drugiej mikrokulki 4 poprzez mikrobelki boczne 8 dołączone są mikrokulki boczne 9, leżące naprzeciw siebie we wspólnej osi, tworzącej kąty proste z osią mik ronarzędzia 1 oraz z osią obrotu mikronarzędzia 7. Mikroelement wykonawczy to prostokątna płytka, której wektor normalny płaszczyzny jest prostopadły do osi obrotu mikronarzędzia i do osi mikronarzędzia. Tym samym mikronarzędzie jest mikrowiosłem. Płytka 6 ma przekątną o długości 15 μm, druga mikrokulką ma średnicę 13 μm, pierwsza mikrokulką ma średnicę 8 μm, mikrokulki boczne mają średnicę 5 μm.

PL 239 525 B1

P r z y k ł a d 2

Mikronarzędzie jak w przykładzie 1, z tą różnicą, że wektor normalny płaszczyzny płytki leży w osi mikronarzędzia. W tym wariancie urządzenie działa jako mikrodynamometr liniowy.

P r z y k ł a d 3

Mikronarzędzie jak w przykładzie 1, z tą różnicą, że mikroelementem wykonawczym 6 jest mikrorurka otwarta jednostronnie od strony poddawanej sile nacisku. Oś symetrii mikrorurki jest prostopadła do osi obrotu mikronarzędzia 7 i do osi mikronarzędzia 1. Średnica wewnętrzna mikrorurki to 8 μm, średnica zewnętrzna 10 μm, długość to 10 μm. Funkcją mikrorurki jest otoczenie mikroorganizmu i utrudnienie jego ucieczki z otoczenia mikronarzędzia.

P r z y k ł a d 4

Mikronarzędzie jak w przykładzie 3, z tą różnicą, że oś symetrii mikrorurki leży w osi mikronarzędzia 1. Mikronarzędzie działa jako mikrodynamometr liniowy.

Działanie wynalazku wykorzystuje pęsetę optyczną. Poruszanie narzędziem odbywa się poprzez skierowanie dwóch wiązek laserowych na obszar pierwszej mikrokulki oraz drugiej mikrokulki, a następnie przemieszczenie pułapek optycznych. W efekcie narzędzia mogą być przemieszczane w całej objętości próbki - w płaszczyźnie próbki dzięki ruchowi pułapek, natomiast w kierunku normalnym do powierzchni próbki dzięki przesunięciu ogniska obiektywu (tj. ruchu obiektywu wzdłuż kierunku propagacji światła). Pomiar sił w wariancie narzędzia będącego mikrowiosłem odbywa się przez pomiar wychylenia pierwszej mikrokulki w stosunku do centrum pułapki ustawionej w obszarze tejże mikrokulki gdy jest ona w położeniu neutralnym. Wartość siły uzyskuje się poprzez przemnożenie wartości wychylenia przez stałą pułapki optycznej, tzw. sztywność pułapki. Siła = sztywność · wychylenie. W przybliżeniu małych wychyleń pomiar ten jest analogiczny do prawa Hooke’a dla sprężyny, gdzie siła = stała sprężyny · wychylenie. Przy czym rozmiar drugiej mikrokulki jest taki, że cała zogniskowana wiązka przechodzi przez tę mikrokulkę, przez co pierwsza i druga mikrobelką nie zaburzają pomiaru. Z kolei pomiar siły w wariancie mikro-dynamometru, a więc gdy siła działa na powierzchnię płytki lub denka rurki, liniowo, powoduje wychylenie obu mikrokulek z położenia równowagi, która zachodzi gdy obie mikrokulki znajdują się w swoich pułapkach optycznych. Kulki boczne pełnią funkcję uchwytów stabilizujących, które pomagają w horyzontalnym ustawieniu narzędzia w cieczy. W stanie równowagi, dzięki opisanej budowie i wyważeniu, narzędzie umieszczone w cieczy ustawia się samoistnie w horyzontalnej pozycji.

Zastrzeżenia patentowe

Claims (7)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Mikronarzędzie do pęsety optycznej, które składa się z leżących we wspólnej osi podłużnej, stanowiącej oś mikronarzędzia (1), pierwszej mikrokulki (2), połączonej poprzez pierwszą mikrobelkę (3) z drugą mikrokulką (4), zaś do drugiej mikrokulki (4) przyłączona jest druga mikrobelka (5), znamienne tym, że do drugiej mikrobelki (5) przyłączony jest mikroelement wykonawczy (6), oś drugiej mikrokulki (4), prostopadła do osi mikronarzędzia (1) stanowi zaś oś obrotu (7) mikronarzędzia, ponadto do drugiej mikrokulki (4) poprzez mikrobelki boczne (8) dołączone są mikrokulki boczne (9), leżące naprzeciw siebie we wspólnej osi, tworzącej kąty proste z osią mikronarzędzia (1) oraz z osią obrotu mikronarzędzia (7).
2. 2. Mikronarzędzie według zastrz. 1, znamienne tym, że mikroelement wykonawczy (6) to prostokątna płytka.
3. 3. Mikronarzędzie według zastrz. 2, znamienne tym, że wektor normalny płaszczyzny płytki jest prostopadły do osi obrotu (7) mikronarzędzia i do osi mikronarzędzia (1).
4. 4. Mikronarzędzie według zastrz. 2, znamienne tym, że wektor normalny płaszczyzny płytki leży w osi mikronarzędzia (1).
5. 5. Mikronarzędzie według zastrz. 1, znamienne tym, że mikroelement wykonawczy (6) to mikrorurka otwarta jednostronnie od strony poddawanej sile nacisku.
6. 6. Mikronarzędzie według zastrz. 5, znamienne tym, że oś symetrii mikrorurki jest prostopadła do osi obrotu (7) mikronarzędzia i do osi mikronarzędzia (1).
7. 7. Mikronarzędzie według zastrz. 5, znamienne tym, że oś symetrii mikrorurki leży w osi mikronarzędzia (1).