声波“搬运”微小粒子过程可视化

　　1、应用背景

　　超声操控技术利用超声波的线性与非线性效应对微纳尺度物体以及分子、原子和电子进行操纵和控制，在纳米复合材料加工、微纳材料测试、纳米传感器功能化、细胞筛选、药物定点定位靶向治疗等领域有着巨大的应用前景。声波是一种弹性波，可在包括流体、固体等任何介质内传播，不受介质透明性、电磁特性等影响，其能量和工作频率与医学领域的超声成像系统参数相当，可实现对单个细胞或纳米颗粒的操控，并确保生物体和目标粒子的安全。通过分析不同超声场下粒子的运动过程，研究超声操控的规律，可以发展超声相位调制声场理论，从而实现超声对粒子的精确控制。

　　在高频超声场的作用下，粒子的运动过程很快，普通相机的曝光时间太长，无法有效锁定粒子的瞬时位置参数。本次实验采用中智科仪IsCMOS时间分辨像增强相机TRC411，借助其纳秒级的光学门宽，可以瞬间“冻结”运动粒子的位置，通过多帧图像对比，可以研究粒子在持续超声场作用下的运动过程。

　　2、实验方案

　　利用TRC411相机拍摄液体中的粒子和气泡在超声场作用下的运动过程。将制备好的样品滴于压电材料基底制成的样品台上;压电材料与超声驱动器连接，样品台整体置于显微镜上，打开超声驱动器后，粒子将在超声场作用下开始移动。TRC411相机配合显微镜可以拍摄粒子在超声作用下的运动过程，通过相机的超窄门控功能可以瞬间冻结粒子，获取粒子在某一瞬态时刻的位置。在对相机进行时序控制并连续多帧拍摄后，可以分析粒子在特定超声场作用下的运动轨迹和运动过程，为超声操控技术在医学方面的应用提供实验参考。

　　实验设备：中智科仪IsCMOS时间分辨像增强相机 TRC411-S-H20-U;

　　实验流程：

　　1.取适量制备好的样品，将其置于压电材料基底制成的样品台上;

　　2.打开照明光源，利用TRC411相机的外触发端口同步触发照明光源，并精确调整显微镜系统和TRC411相机的曝光时间、门宽、触发延时和增益参数，使粒子成像清晰;

　　3.启动超声驱动器并设置合适的超声频率，使粒子开始移动;

　　4.逐渐降低相机的门宽，并调节增益，优化照明光源和相机之间的延时，采集粒子运动过程中的图像;

　　5.切换不同倍数的成像镜头，并优化成像参数和相机参数，采集不同倍数成像镜头下的粒子运动图像。

　　3、实验结果

　　增益:2200，门宽:10us，累加10帧

　　增益:2400，门宽:3ns，20X

　　增益:2400，门宽:10ns，20X

　　增益:2400，门宽:3ns，40X

　　4、结论

　　采用TRC411相机对粒子在超声场作用下的运动特性进行拍摄。未施加超声场时，粒子为静态，通过调整相机增益、曝光时间等参数，借助相机的智能降噪功能，采用多帧累加的方式，可以获得清晰的粒子分布图像。施加超声场后，粒子开始高速运动，此时粒子图像呈现出明显的拖尾现象;逐渐降低相机拍摄门宽，拖尾现象逐渐好转。通过优化照明光源参数并增加相机增益，在相机门宽设置小于10ns时，可以获得粒子瞬态的位置图像，且粒子的位置可清晰分辨。

　　结果表明：中智科仪IsCMOS相机的超窄光学门宽，可以冻结粒子的运动过程，相机的外触发同步输出端口可以保证照明光源与相机曝光时间精确同步，从而保证相机在超窄门宽工作时具有足够的照明强度。通过相机的序列采集功能进行等间距多帧连续采集，可以获得特定时序下粒子运动的多帧图像，对各帧图像中的粒子进行像素坐标定位后，可以拟合出粒子的运动轨迹。

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　　5、解决方案

　　由中智科仪自主研发生产的逐光IsCMOS像增强相机采用高量子效率低噪声的2代Hi-QE以及第3代GaAs像增强器，光学门宽短至500皮秒;全分辨率帧速高达98幅/秒;内置皮秒精度的多通道同步时序控制器，由SmartCapture软件进行可视化时序设置，完全适合时间分辨快速等离子现象。

　　1. 500皮秒光学快门

　　以皮秒精度捕捉瞬态现象，并大幅降低背景噪声。

　　2.超高采样频率

　　逐光IsCMOS相机目前全分辨率下可达98帧，提供高速数据采集速率，同时可提供实验效率。此外设置使用其中16行的区域下，可以达到1300帧以上。

　　3.精准的时序控制

　　逐光IsCMOS像增强相机具有三路独立输入输出的时序同步控制器，最短延迟时间为10皮秒，内外触发设置可实现与激光器以及其他装置精准同步。

　　4. 创新“零噪声”技术

　　得益于单光子信号的准确识别，相机的暗噪声及读出噪声被完全去除。