Оптическая ловушка Загрузка Диэлектрические микрочастицами In Air
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
Эшкина сообщает ускорение и улавливанию микрочастиц давления излучения в 1970 году 1 Его новым достижением способствовали развитию оптических методов отлова в качестве основного инструмента для фундаментальных исследований физики и биофизики. 2, 3, 4, 5 На сегодняшний день применение оптического захвата была сосредоточена главным образом на жидких средах, и был использован для изучения очень широкий спектр систем, от поведения коллоидов от механических свойств единичных биомолекул. 6, 7, 8 Применение оптического захвата в газообразных средах, однако, требует решения ряда новых технических проблем.
В последнее время оптический захват в воздухе / вакууме все чаще применяется в фундаментальных исследованиях. Поскольку оптические Левияставление потенциально обеспечивает почти полную изоляцию-системы от окружающей среды, оптически левитации частиц становится идеальной лабораторией для изучения квантовых основных состояний в малых объектов, 4 измерения высокочастотных гравитационных волн, 9 и поиска дробного заряда. 10 Кроме того, низкая вязкость воздуха / вакуума позволяет использовать инерцию для измерения мгновенной скорости броуновской частицы 11 и создать баллистическую движение в широком диапазоне движения за рамки линейного пружинному режима. 12 Таким образом, подробная техническая информация и практика для оптических ловушек в газовых средах становятся все более ценным для более широкого научного сообщества.
Новые экспериментальные методы, необходимые для загрузки нано / микрочастиц в оптические ловушки в газовых средах. Пьезоэлектрический преобразователь (ЦТС), устройство, преобразующее Электрэнергия IC в механо-акустической энергии, используется для доставки мелких частиц в оптические ловушки в воздухе / вакууме 5, 12 с момента первой демонстрации оптической левитации. 1 С тех пор, несколько методов погрузки были предложены для загрузки более мелких частиц , используя летучие аэрозоли , генерируемые коммерческим распылителе 13 или генератор акустических волн. 14 Плавающие аэрозоли с твердыми включениями (частиц) случайным образом проходят вблизи фокуса и улавливаются случайно. После того как аэрозоль в ловушке, растворитель испаряется, и частица остается в оптической ловушке. Тем не менее, эти методы не очень хорошо подходят для идентификации желаемых частиц внутри образца, загрузите выбранную частицу и отслеживать его изменения в случае освобождения из ловушки. Этот протокол предназначен для обеспечения деталей для новых практикующих на селективной оптической ловушки нагрузки в воздухе, в том числе экспериментаАль установка, изготовление держателя ЦТС и образец корпуса, ловушки загрузки и сбора данных, связанных с анализом движения частиц в частотной и временной областях. Протоколы для улавливания в жидких средах также были опубликованы. 15, 16
Общая экспериментальная установка разработана на коммерческой перевернутой оптического микроскопа. На рисунке 1 показана принципиальная схема установки , используемой для демонстрации этапы избирательной загрузки оптической ловушки: освободив отдыха микрочастицы, поднимая выбранную частицу с сфокусированного пучка, измеряя его движение, и размещение его на подложку снова. Во-первых, поступательные этапы (поперечные и вертикальные) используются, чтобы принести выбранный микрочастицы на подложке в фокусе отлова лазера (длина волны 1064 нм), сфокусированного объектива (ближней инфракрасной области исправлен расстояние Цель долгосрочной рабочей: NA 0,4, увеличение 20x, работая distance 20 мм) через прозрачную подложку. Затем пьезоэлектрический пусковой установки (механически предварительно нагруженный кольцевого типа ЦТС) генерирует ультразвуковые колебания, чтобы сломать адгезию между микрочастицами и подложкой. Таким образом, любая освободила частица может быть поднята с помощью однолучевой градиента лазерной ловушки сосредоточены на выбранной частицы. После того, как частица в ловушке, он переводится в центр корпуса образца, содержащего два параллельных токопроводящих пластин для электростатического возбуждения. Наконец, (DAQ) система сбора данных одновременно регистрирует движение частиц, захваченных с помощью квадранта-клеточного фотодетектор (QPD) и приложенного электрического поля. После окончания измерения, частица управляемо помещается на подложку таким образом, что он может быть введен снова в обратимым образом. Этот общий процесс может повторяться сотни раз без потери частиц для измерения изменений, таких как контакт электризации, возникающие в течение нескольких циклов, улавливающих. Пожалуйста, обратитесь к нашей недавней статье Fили детали. 12
Protocol
Representative Results
Discussion
Пьезоэлектрический пусковая предназначена для оптимизации динамических характеристик выбранного ЦТС. Правильный выбор материалов ЦТС и управления ультразвуковых колебаний являются ключевыми шагами, чтобы получить успешный эксперимент. PZTs имеют различные характеристики в зависим?…
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
- Ashkin, A. Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure. Phys. Rev. Lett. 24 (4), 156-159 (1970).
- Gieseler, J., Novotny, L., Quidant, R. Thermal nonlinearities in a nanomechanical oscillator. Nat. Phys. 9 (12), 806-810 (2013).
- Gieseler, J., Deutsch, B., Quidant, R., Novotny, L. Subkelvin Parametric Feedback Cooling of a Laser-Trapped Nanoparticle. Phys. Rev. Lett. 109 (10), 103603 (2012).
- Chang, D. E., et al. Cavity opto-mechanics using an optically levitated nanosphere. Proc. Natl. Acad. Sci. 107 (3), 1005-1010 (2010).
- Arita, Y., Mazilu, M., Dholakia, K. Laser-induced rotation and cooling of a trapped microgyroscope in vacuum. Nat. Commun. 4, 2374 (2013).
- Ashkin, A., Dziedzic, J. Optical trapping and manipulation of viruses and bacteria. Science. 235 (4795), 1517-1520 (1987).
- Svoboda, K., Block, S. M. Biological Applications of Optical Forces. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 23 (1), 247-285 (1994).
- Mehta, A. D. Single-Molecule Biomechanics with Optical Methods. Science. 283 (5408), 1689-1695 (1999).
- Arvanitaki, A., Geraci, A. A. Detecting High-Frequency Gravitational Waves with Optically Levitated Sensors. Phys. Rev. Lett. 110 (7), 071105 (2013).
- Moore, D. C., Rider, A. D., Gratta, G. Search for Millicharged Particles Using Optically Levitated Microspheres. Phys. Rev. Lett. 113 (25), 251801 (2014).
- Li, T., Kheifets, S., Medellin, D., Raizen, M. G. Measurement of the instantaneous velocity of a Brownian particle. Science. 328 (5986), 1673-1675 (2010).
- Park, H., LeBrun, T. W. Parametric Force Analysis for Measurement of Arbitrary Optical Forces on Particles Trapped in Air or Vacuum. ACS Photonics. 2 (10), 1451-1459 (2015).
- Summers, M. D., Burnham, D. R., McGloin, D. Trapping solid aerosols with optical tweezers: A comparison between gas and liquid phase optical traps. Opt. Express. 16 (11), 7739-7747 (2008).
- Anand, S., et al. Aerosol droplet optical trap loading using surface acoustic wave nebulization. Opt. Express. 21 (25), 30148-30155 (2013).
- Lee, W. M., Reece, P. J., Marchington, R. F., Metzger, N. K., Dholakia, K. Construction and calibration of an optical trap on a fluorescence optical microscope. Nat. Protoc. 2 (12), 3226-3238 (2007).
- Pesce, G., et al. Step-by-step guide to the realization of advanced optical tweezers. J. Opt. Soc. Am. B. 32 (5), B84 (2015).
- Thornton, S. T., Marion, J. B. . Classical Dynamics of Particles and Systems. , (2003).
- Ashkin, A. Stability of optical levitation by radiation pressure. Appl. Phys. Lett. 24 (12), 586-588 (1974).
- Chandrasekhar, S. Stochastic Problems in Physics and Astronomy. Rev. Mod. Phys. 15 (1), 1-89 (1943).
- Li, T. . Fundamental Tests of Physics with Optically Trapped Microspheres. , 9-21 (2013).
- Chai, Z., Liu, Y., Lu, X., He, D. Reducing Adhesion Force by Means of Atomic Layer Deposition of ZnO Films with Nanoscale Surface Roughness. ACS Appl. Mater. Interfaces. 6 (5), 3325-3330 (2014).
- Park, H., LeBrun, T. W. Measurement and accumulation of electric charge on a single dielectric particle trapped in air. SPIE OPTO. 9764, (2016).
