ढांकता हुआ microparticles की ऑप्टिकल जाल लोड हो रहा है हवा में
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 त्वरण और 1970 के 1 उनके उपन्यास उपलब्धि में विकिरण के दबाव से microparticles की फँसाने की सूचना दी भौतिकी और बायोफिज़िक्स के मौलिक अध्ययन के लिए एक प्राथमिक साधन के रूप में ऑप्टिकल फँसाने तकनीकों के विकास को बढ़ावा दिया। 2, 3, 4, 5 तिथि करने के लिए, ऑप्टिकल फँसाने के आवेदन तरल वातावरण पर मुख्य रूप से ध्यान केंद्रित किया है, और एकल biomolecules के यांत्रिक गुणों के कोलाइड के व्यवहार से, सिस्टम का एक बहुत विस्तृत श्रृंखला का अध्ययन करने के लिए इस्तेमाल किया गया। 6, 7, गैसीय मीडिया के लिए ऑप्टिकल फँसाने के 8 आवेदन, हालांकि, कई नए तकनीकी मुद्दों को हल करने की आवश्यकता है।
हाल ही में, हवा / निर्वात में ऑप्टिकल फँसाने तेजी से मौलिक अनुसंधान के क्षेत्र में लागू किया गया है। ऑप्टिकल लेवी के बादtation संभावित आसपास के वातावरण से एक प्रणाली के लगभग पूर्ण अलगाव प्रदान करता है, ऑप्टिकली उत्तोलित कण, 4 मापने उच्च आवृत्ति गुरुत्वाकर्षण लहरों, 9 छोटी वस्तुओं में क्वांटम जमीन राज्यों का अध्ययन और आंशिक प्रभारी के लिए खोज के लिए एक आदर्श प्रयोगशाला बन जाता है। 10 इसके अलावा, एयर / वैक्यूम की चिपचिपाहट कम एक एक ब्राउनियन कण 11 की तात्कालिक वेग को मापने के लिए जड़ता का उपयोग करने के लिए और रैखिक वसंत की तरह शासन से परे गति की एक विस्तृत श्रृंखला पर बैलिस्टिक प्रस्ताव बनाने के लिए अनुमति देता है। 12 इसलिए, विस्तृत तकनीकी जानकारी और गैसीय मीडिया में ऑप्टिकल जाल के लिए प्रथाओं व्यापक अनुसंधान समुदाय के लिए और अधिक मूल्यवान बन गए हैं।
नया प्रयोगात्मक तकनीक गैसीय मीडिया में ऑप्टिकल जाल में नैनो / microparticles लोड करने के लिए आवश्यक हैं। एक piezoelectric transducer (PZT), एक युक्ति है कि electr धर्मान्तरितmechano ध्वनिक ऊर्जा में आईसी ऊर्जा, ऑप्टिकल उत्तोलन का पहला प्रदर्शन के बाद से हवा / वैक्यूम 5, 12 में ऑप्टिकल जाल में छोटे कणों वितरित करने के लिए इस्तेमाल किया गया है। 1 तब से कई लोडिंग तकनीक एक वाणिज्यिक छिटकानेवाला 13 या एक ध्वनिक लहर जनरेटर द्वारा उत्पन्न अस्थिर एयरोसौल्ज़ का उपयोग कर छोटे कणों लोड करने के लिए प्रस्तावित किया गया है। 14 ठोस समावेशन (कण) के साथ चल एयरोसौल्ज़ बेतरतीब ढंग से फोकस के पास से गुजरती हैं और संयोग से फंस रहे हैं। एक बार एयरोसोल फंस गया है, विलायक बाहर evaporates और कण ऑप्टिकल जाल में रहता है। हालांकि, इन तरीकों में अच्छी तरह से, एक नमूना भीतर से वांछित कणों की पहचान एक चयनित कण लोड और यदि जाल से जारी अपने परिवर्तनों को ट्रैक करने के लिए उपयुक्त नहीं हैं। इस प्रोटोकॉल हवा में चयनात्मक ऑप्टिकल जाल लोड हो रहा है, प्रयोग शामिल है, पर नए चिकित्सकों को जानकारी प्रदान करने का इरादा हैअल सेटअप, एक PZT धारक और नमूना बाड़े, जाल लोड हो रहा है, और डाटा अधिग्रहण दोनों आवृत्ति और समय डोमेन में कण गति के विश्लेषण के साथ जुड़े का निर्माण। तरल मीडिया में फँसाने के लिए प्रोटोकॉल भी प्रकाशित किया गया है। 15, 16
समग्र प्रयोगात्मक सेटअप एक वाणिज्यिक औंधा ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप पर विकसित की है। आराम कर microparticles मुक्त कराने, ध्यान केंद्रित बीम के साथ चुना कण उठाने, इसकी गति को मापने के लिए, और यह सब्सट्रेट पर फिर रखकर: चित्रा 1 चयनात्मक ऑप्टिकल जाल लोडिंग के कदम को प्रदर्शित करने के लिए इस्तेमाल की स्थापना के एक योजनाबद्ध आरेख दिखाता है। (लगभग अवरक्त को सही प्रथम, ट्रांसलेशनल चरणों (अनुप्रस्थ और ऊर्ध्वाधर) एक फँसाने लेजर (तरंग दैर्ध्य 1064 एनएम) एक उद्देश्य लेंस से ध्यान केंद्रित का ध्यान केंद्रित करने के लिए सब्सट्रेट पर एक चयनित microparticle लाने के लिए उपयोग किया जाता है लंबे समय तक काम दूरी उद्देश्य: NA 0.4, बढ़ाई 20X, काम घपारदर्शी सब्सट्रेट के माध्यम से 20 मिमी) सहायता। फिर, एक पीजोइलेक्ट्रिक लांचर (एक यंत्रवत् पूर्व लोड रिंग प्रकार PZT) microparticles और एक सब्सट्रेट के बीच आसंजन तोड़ने के लिए अल्ट्रासोनिक कंपन उत्पन्न करता है। इस प्रकार, किसी को मुक्त कण एकल बीम ढाल लेजर से चयनित कण पर ध्यान केंद्रित जाल द्वारा उठाया जा सकता है। एक बार जब कण फंस गया है, यह नमूना इलेक्ट्रोस्टैटिक उत्तेजना के लिए दो समानांतर आयोजन प्लेटों युक्त बाड़े के केंद्र के लिए अनुवाद किया है। अंत में, एक डाटा अधिग्रहण (DAQ) प्रणाली एक साथ कण गति, एक चतुर्थ भाग-सेल photodetector (QPD) ने कब्जा कर लिया है, और बिजली के क्षेत्र में लागू किया रिकॉर्ड। माप खत्म करने के बाद, कण controllably सब्सट्रेट इतना है कि यह एक प्रतिवर्ती तरीके से फिर से फंस जा सकता है पर रखा गया है। इस समग्र प्रक्रिया कई फँसाने चक्र पर होने वाली इस तरह के संपर्क विद्युतीकरण के रूप में परिवर्तन को मापने के लिए कण बिना किसी नुकसान के सैकड़ों बार दोहराया जा सकता है। हमारे हाल के एक लेख च को देखेंया विवरण। 12
Protocol
Representative Results
Discussion
पीजोइलेक्ट्रिक लांचर एक चयनित PZT के गतिशील प्रदर्शन का अनुकूलन करने के लिए बनाया गया है। PZT सामग्री और अल्ट्रासोनिक कंपन के प्रबंधन का उचित चयन एक सफल प्रयोग उपज के लिए महत्वपूर्ण कदम उठाए हैं। PZTs अलग वि…
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
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