Optische val Laden van diëlektrische micropartikels 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
Ashkin meldde de versnelling en de vangst van microdeeltjes door straling druk in 1970. 1 Zijn roman prestatie bevorderde de ontwikkeling van optische trapping technieken als belangrijkste instrument voor het fundamenteel onderzoek in de fysica en biofysica. 2, 3, 4, 5 Tot op heden heeft de toepassing van optische trapping vooral gericht op vloeibare omgeving, en gebruikt om een uiteenlopende systemen, gaande van het gedrag van colloïden aan de mechanische eigenschappen van enkele biomoleculen. 6, 7, 8 Toepassing optische trapping gasvormige media vereist echter oplossen verscheidene nieuwe technische problemen.
Onlangs, optische trapping in de lucht / vacuüm is in toenemende mate toegepast in fundamenteel onderzoek. Aangezien optische levimentatie biedt potentieel bijna-volledige isolatie van een systeem uit de omgeving, de optisch zweven deeltje wordt een ideaal laboratorium voor het bestuderen van quantum grondtoestanden kleine voorwerpen, 4 meten hoogfrequente gravitatiegolven, 9 en het zoeken naar fractionele lading. 10 Bovendien is de lage viscositeit van lucht / vacuüm maakt het mogelijk om inertie om de momentane snelheid van een deeltje 11 Brownse meten en ballistische beweging maken over een breed bereik van beweging voorbij de lineaire veerachtige regime. 12 Daarom, gedetailleerde technische informatie en praktijken voor optische vallen in gasvormige media hebben meer waardevol voor de bredere onderzoeksgemeenschap te worden.
Nieuwe experimentele technieken die nodig zijn om nano / micropartikels in optische vallen in gasvormige media te laden. Een piëzo-elektrische omvormer (PZT), een apparaat dat stroom converteertic energie in mechanisch-akoestische energie, is gebruikt om kleine deeltjes te geven in optische vallen in lucht / vacuüm 5, 12 aangezien de eerste demonstratie van optische levitatie. 1 Sindsdien hebben verschillende loading technieken voorgesteld om kleinere deeltjes waarbij vluchtige aërosols die door commerciële vernevelaar 13 of een akoestische golfgenerator laden. 14 De drijvende spuitbussen met vaste insluitsels (deeltjes) willekeurig passeren in de buurt van de focus en worden gevangen door toeval. Zodra de aerosol wordt gevangen, het oplosmiddel verdampt en uit het deeltje blijft het optische val. Echter, deze werkwijzen niet goed geschikt om gewenste deeltjes te identificeren in een monster, een deeltje gekozen laden en veranderingen daarin bij het vrijkomen van de val volgen. Dit protocol is bedoeld om details nieuwe te bieden die op selectieve optische val geladen lucht, waaronder het experimental opstart, vervaardiging van een PZT houder en monster behuizing, val laden en data acquisitie geassocieerd met de analyse van deeltjesbeweging in zowel de frequentie als tijddomeinen. Protocollen voor het vangen in vloeibare media zijn ook gepubliceerd. 15, 16
De totale experimentele opzet is ontwikkeld op commerciële omgekeerde lichtmicroscoop. Figuur 1 toont een schematisch diagram van de spantoestand stappen van de selectieve optische val hoeveelheden te tonen: het vrijmaken van de rustende microdeeltjes, heffen de gekozen deeltje met de gefocusseerde bundel, het meten van de beweging en het opnieuw op het substraat. Eerst, translationele trappen (dwars- en verticale) worden gebruikt om een geselecteerde microdeeltje op het substraat brengen om de focus van een trapping laser (golflengte 1064 nm) gefocusseerd door een objectieflens (nabij-infrarood gecorrigeerde lange werkende doelstelling afstand: NA 0,4, 20X vergroting, werkende distance 20 mm) door het transparante substraat. Vervolgens werd een piezoelektrische launcher (mechanisch pre-loaded ringtype PZT) genereert ultrasone trillingen om de hechting tussen microdeeltjes en een substraat breken. Aldus kan elk deeltje bevrijd door de enkelstraals gradiënt laser controleren gericht op het geselecteerde deeltje worden opgeheven. Zodra het deeltje wordt opgesloten, wordt vertaald naar het midden van het monster behuizing met twee parallelle geleidingsplaten elektrostatische excitatie. Ten slotte is een data acquisitie (DAQ) systeem registreert gelijktijdig de deeltjesbeweging, gevangen door een kwadrant-fotodetector cel (QPD), en het aangelegde elektrische veld. Na de meting, wordt het deeltje regelbaar geplaatst op het substraat nodig om weer op een omkeerbare wijze kan worden opgesloten. Dit hele proces kan worden herhaald honderden keren zonder deeltje verlies voor veranderingen, zoals contact elektrificatie die zich over meerdere trapping cycli te meten. Verwijzen wij u naar onze recent artikel fof details. 12
Protocol
Representative Results
Discussion
De piëzoelektrische launcher is ontworpen om de dynamiek van een geselecteerde PZT optimaliseren. Juiste keuze van materialen PZT en het beheer van ultrasone trillingen zijn de belangrijkste stappen voor een geslaagd experiment verkregen. PZTs hebben verschillende eigenschappen afhankelijk van het type transducer (bulk of gestapelde) en component materiaal (hard of zacht). Een type PZT bulk van een hard piëzo-elektrisch materiaal wordt gekozen om de volgende redenen. Ten eerste, harde piëzo-elektrische materialen heb…
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).
