Nanometre mertebesinde optik cımbızlama kalibrasyonu için yeni yöntemler
Novel techniques for the calibration of optical tweezers with nanometer scale
Yazar: HARUN YÜCEL
Danışman: PROF. DR. NAZMİ TURAN OKUMUŞOĞLU
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Mikro sistemlerin mekaniksel özelliklerinin belirlenebilmesi için mikro, nano ve nanoaltı boyutta kuvvet ve döndürücü kuvvet ölçüm yöntem ve sistemlerine ihtiyaç vardır. Ghislain ve arkadaşlarının 1993'te geliştirdikleri optiksel tuzaklanmış bir mikro küreyi prob olarak kullanan taramalı mikroskop sistemi bu ihtiyacı karşılayan önemli bir sistemdir. Daha sonra Fotonik Kuvvet Mikroskobu olarak da adlandırılan bu sistem kısaca, optiksel tuzağın oluşturduğu potansiyel kuyusunda tuzaklanan mikro boyutlu probun hareketinin izlenerek analiz edilmesine dayanır. Probun hareketi pozisyon algılama sistemi yardımı ile takip edilir ve hareketin analizi sonucu parçacık üzerine etki eden yerel kuvvetler hakkında bilgi edinmemiz sağlanır. Probun hareketinin izlenmesi için çeşitli yöntemler vardır. Bunların başında, prob olarak kullanılan mikro küreden ileri veya geri saçılan lazer demetini pozisyona duyarlı fotodetektör ile takip etmek gelir. Ancak bu teknik birden fazla mikro kürenin prob olarak kullanıldığı sistemler için yetersizdir. Bu durumda probun hareketinin izlenmesinde dijital video mikroskobu (DVM) kullanılmaktadır ve tuzaklanmış mikro kürenin, beyaz ışık aydınlatması altında dijital kamera ile alınan mikroskop görüntüsü incelenmektedir. Bu tezde dijital video kamera ile alınan bir yada daha fazla mikro kürenin görüntüsü üzerinde parçacıkların pozisyonlarının belirlenmesi ve izlenmesi için yöntemler önerilmektedir. İlk olarak, modifiye ettiğimiz radyal simetri merkezleri (RSM) metodu ile parçacığın şiddet dağılımının bir kısmının gözlenebildiği durumlarda da pozisyonun belirlenebileceği ve optiksel tuzağın kalibre edilebileceği, 100x mikroskop altında çıkış gücü maksimum $40mW$ olan $532nm$ dalga boylu lazer ile tuzaklanmış $2.06\mu m$ çaplı silika parçacığının DVM ile alınmış $172.60sn$'lik deneysel video görüntüsü kullanılarak gösterilmiştir. Bu video görüntüsünden kesilerek elde edilen, parçacığın şiddet dağılımının bir kısmının gözlenebildiği farklı kamera konfigürasyonları ile elde edilen parçacık yörüngeleri, pozisyon dağılımları incelenmiş ve kalibrasyon sonucu elde edilen sertlik değerleri arasındaki maksimum farkın $0.03fN/nm$ olduğu görülmüştür.  Ayrıca bu tezde RSM metodu temelli geliştirilen bir algoritma ile bir birine değmeye yakın $2.06\mu m$ çaplı iki silica parçacığın posizyonlarının, dolayısıyla aralarındaki mesafenin daha hassas bir şekilde kestirebileceği deneysel görüntü üzerinden türetilen simülasyon görüntüleri kullanılarak saptanmıştır.

Abstract:
In order to examine the mechanical properties of micro systems, we must have ability to detect and measure the micro, nano and subnano scale forces and torques. In 1993 Ghislain and coworkers developed a new scanning force microscopy system which was later called Photonic Force Microscope (PFM). They used an optically trapped micro sphere, a dielectric or metallic particle, as a probe. The optical trap forms a potential well in which the probe moves randomly and makes a Brownian motion that is followed by a sensing system. The analysis of that motion gives information about the local forces acting on the probe. The probe position can be recorded by different devices detecting the forward or backward scattered laser light. Usually position sensing fotodetectors are used for this purpose. However, fotodetectors are not sufficient in the  tracking of multi trapped particles and some other cases . In such cases digital video microscopes (DVM), where the particles are illuminated by white light and the  images of the trapped particles are taken by digital video camera, are used. In this thesis, new techniques are suggested in order to detect, accurately, the positions of the particles in optical tweezers by using the images of the micro sized particles under DVM. These techniques are verified by using experimental data and by using the simulations. First, in the experimental system, we used 100x objective and $532nm$ wave length laser which its output power is $40mW$ and we observed $2.06\mu m$ sized silica particles suspended in water for $172.60sn$. We applied the modified algorithm to different camera image configurations which are obtained from cutting the same experimental video frame by selecting a different part of it each time and we calibrated the trap stiffness for each camera configurations. Then we compared the trap stiffness values (the maximum difference among them is only $0.03fN/nm$) and the position distributions. As a result, it is shown that the particle positions can be accurately determined and the optical tweezers can be calibrated by using a part of the intensity distribution of the trapped particle with radial symmetry centers method (RSM). In this thesis, it is also shown that the RSM can be used to predict the positions more accurately when the particles are close to contact.