Armadilha óptica carregamento de dielétrico micropartículas no ar

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 relatou a aceleração e aprisionamento de micropartículas por pressão de radiação em 1970. ¹ Sua novela conquista promoveu o desenvolvimento de técnicas de captura óptica como uma ferramenta fundamental para estudos fundamentais da física e biofísica. ^{2, 3, 4, 5} Até à data, a aplicação de captura óptica tem-se centrado principalmente em ambientes líquidos, e foi usado para estudar uma gama muito ampla de sistemas, a partir do comportamento de colóides para as propriedades mecânicas de biomoléculas individuais. ^{6, 7, 8} Aplicação de captura óptica para meios gasosos, no entanto, exige a resolução de várias novas questões técnicas.

Recentemente, captura óptica no ar / vácuo tem sido cada vez mais aplicados em pesquisa fundamental. Desde levi ópticostação potencialmente fornece isolamento quase-completo de um sistema a partir do ambiente circundante, a partícula opticamente levitado se torna um laboratório ideal para o estudo de estados fundamentais quânticos em pequenos objetos, ⁴ medem as ondas gravitacionais de alta frequência, ⁹ e à procura de carga fraccionada. ¹⁰ Além disso, a baixa viscosidade de ar / vácuo permite a utilização de inércia para medir a velocidade instantânea de uma partícula Browniano ¹¹ e para criar um movimento balísticos sobre uma ampla gama de movimento para além do regime linear tipo mola. ¹² Portanto, informações e práticas para armadilhas ópticas em meios gasosos técnica detalhada tornaram-se mais valioso para a comunidade de pesquisa mais amplo.

técnicas experimentais novas são necessários para carregar nano / micropartículas em armadilhas ópticas em meio gasoso. Um transdutor piezoelétrico (PZT), um dispositivo que converte electrIC energia em energia mecano-acústica, tem sido usada para fornecer pequenas partículas em armadilhas ópticas em ar / vácuo ^{5, 12} uma vez que a primeira demonstração de levitação óptico. ¹ Desde então, várias técnicas de carregamento têm sido propostos para carregar as partículas mais pequenas que utilizam aerossóis voláteis gerados por um nebulizador comercial ¹³ ou um gerador de onda acústica. ¹⁴ Os aerossóis flutuantes com inclusões sólidos (partículas) passam aleatoriamente perto do foco e está preso por acaso. Uma vez que o aerossol é preso, o solvente evapora-se para fora e a partícula mantém-se na armadilha óptica. No entanto, estes métodos não são adequados para identificar partículas desejadas a partir de uma amostra, uma partícula de carga seleccionado e para controlar as suas modificações se libertado da armadilha. Este protocolo destina-se a fornecer detalhes para novos praticantes no carregamento armadilha óptica seletiva no ar, incluindo o experimentoconfiguração ai, o fabrico de um suporte de PZT e invólucro da amostra, carga armadilha, e aquisição de dados associada com a análise do movimento das partículas em ambos os domínios de frequência e tempo. Os protocolos para aprisionamento em meios líquidos, também foram publicados. ^{15, 16}

A configuração experimental global é desenvolvido em um microscópio óptico invertido comercial. A Figura 1 mostra um diagrama esquemático da configuração utilizada para demonstrar passos de a carga armadilha óptica selectiva: libertar as micropartículas de repouso, o levantamento da partícula escolhida com o feixe focado, medindo o seu movimento, e colocando-o sobre o substrato novamente. objectivo distância longa de trabalho Primeiro, as fases de translação (transversais e verticais) são usadas para trazer uma micropartícula seleccionado sobre o substrato para o foco de um laser de aprisionamento (comprimento de onda de 1064 nm), focada por uma lente objectiva (infravermelho próximo corrigido: NA 0,4, ampliação de 20X, d trabalhandoistance 20 mm) através do substrato transparente. Em seguida, um lançador piezoelétrico (a mecanicamente pré-carregada do tipo anel de PZT) gera vibrações ultra-sônicas para quebrar a adesão entre micropartículas e um substrato. Assim, qualquer partícula libertado pode ser levantada pela armadilha de feixe único laser de gradiente focado sobre a partícula seleccionado. Uma vez que a partícula é preso, é traduzido para o centro do compartimento de amostra contendo duas placas condutoras paralelas para excitação electrostática. Finalmente, um sistema (DAQ) de aquisição de dados grava simultaneamente o movimento de partículas, capturadas por um fotodetector de células quadrante (QPD), e o campo eléctrico aplicado. Depois de terminar a medição, a partícula é controlavelmente colocada sobre o substrato de modo que possa ser presa de novo de uma maneira reversível. Este processo global pode ser repetido centenas de vezes sem perda de partículas para medir as mudanças, como a electrificação de contato que ocorrem ao longo de vários ciclos de armadilhagem. Por favor, consulte o nosso artigo recente fou detalhes. ¹²

Protocol

Cuidado: Por favor, consulte todos os programas de segurança relevantes antes do experimento. Todos os procedimentos experimentais descritos neste protocolo são realizadas em conformidade com o programa de segurança LASER NIST, bem como outros regulamentos aplicáveis. Por favor, não se esqueça de selecionar e usar equipamento de proteção individual (EPI), como óculos de proteção do laser projetado para o comprimento de onda e potência específica. Manipulação de nano secos / micropartículas podem exigir p…

Representative Results

O lançador de PZT é projetado usando um pacote de software CAD. Aqui, utilizamos uma estrutura em sanduíche simples para a pré-carga (PZT uma apertada com duas placas), como mostrado na Figura 2. O suporte de PZT e a amostra de invólucro pode ser fabricado a partir de uma variedade de materiais e métodos. Para uma demonstração rápida, nós escolhemos a impressão 3D com termoplástico como ilustrado na Figura 2-D. Com base nos componentes fabric…

Discussion

O lançador piezoelétrico é projetado para otimizar o desempenho dinâmico de um PZT selecionado. A seleção adequada de materiais e gestão das vibrações ultra-sônicas de PZT são os principais passos para produzir uma experiência bem sucedida. PZT têm características diferentes, consoante o tipo de transdutor (a granel ou empilhadas) e materiais de componentes (dura ou mole). Um tipo PZT em massa feitos de um material piezoeléctrico disco é escolhida para as seguintes razões. Primeiro, materiais piezoelét…

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