空気中の誘電体微粒子の光学トラップのロード
Summary
A protocol for launching and stably trapping selected dielectric microparticles in air is presented.
Abstract
We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly scattered dielectric microparticles adhered to a glass substrate are momentarily detached using ultrasonic vibrations generated by a piezoelectric transducer (PZT). Then, the optical beam focused on a selected particle lifts it up to the optical trap while the vibrationally excited microparticles fall back to the substrate. A particle may be trapped at the nominal focus of the trapping beam or at a position above the focus (referred to here as the levitation position) where gravity provides the restoring force. After the measurement, the trapped particle can be placed at a desired position on the substrate in a controlled manner.
In this protocol, an experimental procedure for selective optical trap loading in air is outlined. First, the experimental setup is briefly introduced. Second, the design and fabrication of a PZT holder and a sample enclosure are illustrated in detail. The optical trap loading of a selected microparticle is then demonstrated with step-by-step instructions including sample preparation, launching into the trap, and use of electrostatic force to excite particle motion in the trap and measure charge. Finally, we present recorded particle trajectories of Brownian and ballistic motions of a trapped microparticle in air. These trajectories can be used to measure stiffness or to verify optical alignment through time domain and frequency domain analysis. Selective trap loading enables optical tweezers to track a particle and its changes over repeated trap loadings in a reversible manner, thereby enabling studies of particle-surface interaction.
Introduction
Ashkinは、物理学や生物物理学の基礎的な研究のための主要なツールとして、光トラッピング技術の開発を進め、1970年1彼の小説成果の加速度と放射圧による微粒子の捕捉を報告しました。これまでに2、3、4、5は 、光トラッピングの適用は、液体環境で主に集中しており、単一の生体分子の機械的特性へのコロイドの挙動から、システムの非常に広い範囲を研究するために使用されて。 6、7、ガス状のメディアへの光トラッピングの8アプリケーションは、しかし、いくつかの新しい技術的な問題を解決する必要があります。
最近では、空気/真空中の光トラッピングはますます基礎研究に応用されています。光学レヴィので、テーションは、潜在的に光学的に浮揚粒子は、小さな物体で4高周波測定重力波、9を量子基底状態を研究し、分数電荷を探索するための理想的な実験室となり、周囲の環境からシステムのほぼ完全な絶縁を提供します。 図10はまた、空気/真空の低い粘度は1つがブラウン粒子11の瞬間速度を測定するための慣性を利用して、線形ばね様体制を超えて動き、広範囲の弾道運動を作成することを可能にします。 12したがって 、気体媒体における光学トラップの詳細な技術情報や慣行は、より広い研究コミュニティにより貴重になってきています。
新しい実験技術は、気体媒体中の光トラップにナノ/マイクロ粒子をロードする必要があります。圧電変換器（PZT）、電動式を変換する装置メカノ音響エネルギーへのICエネルギーは、光浮上の最初の実証以来、空気/真空5、12で光トラップに小さな粒子を送達するために用いられています。 1以来、いくつかのローディング技術は、商業的噴霧器13又は音響波発生器によって生成された揮発性のエアロゾルを用いてより小さな粒子をロードするために提案されています。 14固体含有物（粒子）との浮遊エアロゾルはランダムに焦点近傍を通過し、偶然にトラップされます。エアロゾルがトラップされると、溶媒が出て蒸発し、粒子が光トラップに残ります。しかし、これらの方法は、サンプルの中から所望の粒子を識別する選択された粒子をロードし、トラップから放出された場合、その変更を追跡するのにはあまり適していません。このプロトコルは、実験など、空気中の選択光トラップの読み込み、上の新しい実務に詳細を提供することを目的としますアルセットアップ、PZTホルダーとサンプルエンクロージャの製造、トラップロード、両方の周波数領域および時間領域における粒子運動の解析に関連したデータ収集。液体培地中に捕捉するためのプロトコルも公開されています。 15、16
全体的な実験は、市販の倒立光学顕微鏡上で開発されています。 図1は、選択光トラップの負荷のステップを示すために使用されたセットアップの概略図を示しています、休憩微粒子を解放集束ビームで選ばれた粒子を持ち上げ、その動きを測定し、再び基板上にそれを置きます。まず、並進ステージ（横と縦）は、対物レンズにより集光されたトラッピングレーザー（波長1064 nm）での焦点に、基板上に選択された微小粒子をもたらすために使用されている（近赤外補正後の長い作動距離の目的：NA 0.4、倍率20X、作業D透明基板を通して20ミリメートル）をistance。そして、圧電ランチャー（機械的にプリロードされたリング型PZT）は、微粒子と基板との間の接着を破壊するために超音波振動を発生させます。したがって、任意の解放された粒子は、選択された粒子に着目し、単一のビーム傾斜レーザートラップにより持ち上げることができます。粒子がトラップされると、静電励起するための2つの平行な導電板を含むサンプル容器の中心に変換されます。最後に、データ収集（DAQ）システムは、同時に象限セルの光検出器（QPD）、及び印加電界によって捕捉粒子運動を記録します。測定終了後、粒子を制御可能それが可逆的に再捕捉することができるように、基板上に配置されます。この全体のプロセスは、いくつかの捕捉サイクルにわたって発生する接触帯電などの変化を測定するために、粒子損失なしに数百回も繰り返すことができます。我々の最近の記事Fを参照してくださいまたは詳細。 12
Protocol
Representative Results
Discussion
圧電ランチャは、選択されたPZTの動的性能を最適化するように設計されています。超音波振動のPZT材料と管理の適切な選択が成功した実験を生成する重要なステップです。 PZTは、異なる特性の変換器のタイプに応じて（バルク又は積層）し、構成材料（ハードまたはソフト）を有します。硬質圧電材料からなるバルク型PZTは、次の理由のために選択されます。まず、ハード圧電材料は柔らか…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
All work performed under the support of the National Institute of Standards and Technology. Certain commercial equipment, instruments, or materials are identified to foster understanding of this protocol. Such identification does not imply recommendation or endorsement by the National Institute of Standards and Technology, nor does it imply that the materials or equipment identified are necessarily the best available for the purpose.
Materials
| ScotchBlue Painter's Tape Original | 3M | 3M2090 | |
| Scotch 810 Magic Tape | 3M | 3M810 | |
| Function/Arbitrary Waveform generator | Agilent | HP33250A | |
| Power supply/Digital voltage supplier | Agilent | E3634A | |
| Ring-type piezoelectric transducer | American Piezo Company | item91 | |
| Electro-optic modulator | Con-Optics | 350−80-LA | |
| Amplifier for Electro-optic modulator | Con-Optics | 302RM | |
| Mitutoyo NIR infinity Corrected Objective | Edmund optics | 46-404 | Manufactured by Mitutoyo and Distributed by Edmund optics |
| LOCTITE SUPER GLUE LONGNECK BOTTLE | Loctite | 230992 | |
| 3D printer | MakerBot | Replicator 2 | |
| Polylactic acid (PLA) filament | MakerBot | True Red PLA Small Spool | |
| Data Acquisition system | National Instruments | 780114-01 | |
| Quadrant-cell photodetector | Newport | 2031 | |
| Translational stage | Newport | 562-XYZ | |
| Inverted optical microscope | Nikon Instruments | EclipsTE2000 | |
| Fluorescence filter (green) | Nikon Instruments | G-2B | |
| Flea3/CCD camera | Point Grey | FL3-U3-13S2M-CS | Trapping laser |
| Diode pumped neodymium yttrium vanadate(Nd:YVO4) | Spectra Physics | J20I-8S-12K/ BL-106C | |
| Indium tin oxide (ITO) Coated coverslips | SPI supplies | 06463B-AB | Polystyrene microparticles |
| Fast Drying Silver Paint | Tedpella | 16040-30 | |
| Dri-Cal size standards | Thermo Scientific | DC-20 | |
| Optical Fiber | Thorlabs | P1−1064PM-FC-5 | bottom plate |
| Aluminium plate | Thorlabs | CP4S | |
| High voltage power amplifier | TREK | PZD700A M/S |
References
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