Cargando óptica Trampa de micropartículas en dieléctrica del aire

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 informó la aceleración y la captura de micropartículas por la presión de radiación en 1970. ¹ Su novela logro promovido el desarrollo de técnicas de captura óptica como una herramienta primaria para los estudios fundamentales de la física y biofísica. ^{2, 3, 4, 5} Hasta la fecha, la aplicación de captura óptica se ha centrado principalmente en los ambientes líquidos, y han utilizado para estudiar una gama muy amplia de los sistemas, a partir del comportamiento de los coloides a las propiedades mecánicas de biomoléculas individuales. ^{6, 7, 8} Aplicación de atrapamiento óptico para medios gaseosos, sin embargo, requiere la resolución de varios nuevos problemas técnicos.

Recientemente, las trampas ópticas en el aire / vacío se ha aplicado cada vez más en la investigación fundamental. Desde Levi ópticastación potencialmente proporciona un aislamiento casi completo de un sistema del medio ambiente circundante, la partícula ópticamente levitado se convierte en un laboratorio ideal para el estudio de estados fundamentales cuántica en objetos pequeños, ⁴ ondas gravitacionales de alta frecuencia de medición, ⁹ y la búsqueda de la carga fraccionada. ¹⁰ Por otra parte, la baja viscosidad del aire / vacío permite usar la inercia para medir la velocidad instantánea de una partícula browniano ¹¹ y para crear un movimiento balístico en un amplio rango de movimiento más allá de la régimen lineal primaveral. ¹² Por lo tanto, la información y las prácticas de trampas ópticas en medios gaseosos técnica detallada se han vuelto más valioso para la comunidad de investigación más amplio.

Se requieren nuevas técnicas experimentales para cargar nano / micropartículas en trampas ópticas en medios gaseosos. Un transductor piezoeléctrico (PZT), un dispositivo que convierte electric energía en energía mecano-acústico, se ha utilizado para suministrar partículas pequeñas en las trampas ópticas en el aire / vacío ^{5, 12} desde la primera demostración de levitación óptica. ¹ Desde entonces, se han propuesto varias técnicas de carga para cargar las partículas más pequeñas utilizando aerosoles volátiles generados por un nebulizador comercial ¹³ o un generador de ondas acústicas. ¹⁴ Los aerosoles flotantes con inclusiones sólidas (partículas) pasan al azar cerca del foco y se encuentran atrapados por casualidad. Una vez que está atrapado el aerosol, el disolvente se evapora y la partícula permanece en la trampa óptica. Sin embargo, estos métodos no son muy adecuados para identificar las partículas deseadas de dentro de una muestra, la carga de una partícula seleccionado y realizar un seguimiento de sus cambios si se libera de la trampa. Este protocolo está destinado a proporcionar detalles a nuevos practicantes en selectiva trampa de carga óptica en el aire, incluyendo el experimentoal configuración, la fabricación de un soporte de PZT y el recinto de la muestra, trampa de carga, y la adquisición de datos asociada con el análisis de movimiento de las partículas en los dominios de frecuencia y de tiempo. Los protocolos para atrapar en medios líquidos también han sido publicados. ^{15, 16}

La configuración experimental global se desarrolla en un microscopio óptico invertido comercial. La figura 1 muestra un diagrama esquemático de la configuración utilizada para demostrar pasos de la trampa óptica selectiva de carga: liberar las micropartículas de descanso, el levantamiento de la partícula elegido con el haz enfocado, la medición de su movimiento y de colocarla sobre el sustrato nuevo. En primer lugar, las etapas de traslación (transversales y verticales) se utilizan para llevar una micropartícula seleccionada sobre el sustrato con el enfoque de un láser de captura (longitud de onda 1.064 nm) enfocada por una lente de objetivo (infrarrojo cercano corregidos objetivo distancia de trabajo larga: NA 0,4, magnificación 20X, d trabajarIstance 20 mm) a través del sustrato transparente. Entonces, un lanzador piezoeléctrico (un pre-cargado mecánicamente en forma de anillo PZT) genera vibraciones ultrasónicas para romper la adherencia entre micropartículas y un sustrato. Por lo tanto, cualquier partícula liberado puede ser levantada por la trampa láser gradiente de un solo haz enfocado sobre la partícula seleccionada. Una vez que se atrapa la partícula, se traduce en el centro de la carcasa muestra que contiene dos placas conductoras paralelas para la excitación electrostática. Finalmente, un sistema de adquisición de datos (DAQ) registra simultáneamente el movimiento de las partículas, capturada por un fotodetector de células cuadrante (QPD), y el campo eléctrico aplicado. Después de terminar la medición, la partícula se coloca de forma controlable sobre el sustrato de manera que puede ser atrapado de nuevo de una manera reversible. Este proceso en general puede repetirse cientos de veces sin pérdida de partículas para medir los cambios, como la electrificación de contacto que ocurren durante varios ciclos de captura. Por favor refiérase a nuestro reciente artículo Fo detalles. ¹²

Protocol

Precaución: Por favor, consulte a todos los programas de seguridad pertinentes antes del experimento. Todos los procedimientos experimentales descritos en este protocolo se realizan de acuerdo con el programa de seguridad del láser NIST, así como otras regulaciones aplicables. Por favor, asegúrese de seleccionar y usar equipo de protección personal (PPE), como gafas de protección láser diseñado para la longitud de onda y potencia específica. Manipulación nano / micropartículas secas puede requerir protección…

Representative Results

El lanzador PZT está diseñado usando un paquete de software CAD. Aquí, nosotros usamos una estructura de emparedado simple para la precarga (a PZT sujeta con dos placas), como se muestra en la Figura 2. El titular de PZT y el recinto de la muestra se puede fabricar de una variedad de materiales y métodos. Para una rápida demostración, elegimos la impresión en 3D con termoplástico como se ilustra en la Figura 2d. Sobre la base de …

Discussion

El lanzador piezoeléctrico está diseñado para optimizar el rendimiento dinámico de un PZT seleccionado. La selección adecuada de materiales y gestión de las vibraciones ultrasónicas PZT son los pasos clave para dar un experimento exitoso. PZT tienen diferentes características dependiendo del tipo de transductor (mayor o apilados) y materiales de los componentes (duras o blandas). A PZT tipo mayor hecho de un material piezoeléctrico duro se elige por las siguientes razones. En primer lugar, los materiales piezoe…

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