공기에서 유전체 미세 입자의 광학 트랩로드
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 물리학 및 생물 물리학의 기초 연구를위한 기본 도구로 광학 트래핑 기술의 개발을 추진 1970 년 1 그의 소설 업적의 가속 및 방사선 압력에 의해 미세 입자의 포획을보고했다. 현재까지, 2, 3, 4, 5는 광학 포착의인가 액체 환경에 주로 초점을 맞추고 있으며, 단일 생체 분자의 기계적 특성에 콜로이드의 동작에서, 시스템은 매우 넓은 범위를 연구하기 위해 사용되었다. 6, 7, 가스 매체 광학 트래핑 8 응용 프로그램은, 그러나, 몇 가지 새로운 기술 문제를 해결해야합니다.
최근, 공기 / 진공 광학 트래핑은 점점 기초 연구에 적용되었습니다. 광학 레위 이후테이션은 잠재적으로 광학적으로 부상 입자가 작은 물체에 4 측정 고주파 중력파 9 양자 바닥 상태를 공부하고 분수 전하를 검색하기위한 이상적인 실험실이되고, 주변 환경에서 시스템의 거의 완성 절연을 제공합니다. (10)은 또한 공기 / 진공의 저점이 하나가 브라운 입자 (11)의 순간 속도를 측정하는 관성을 사용하고 선형 스프링 형상 정권 이후 넓은 동작 범위 탄도 운동을 생성 할 수있다. 12 따라서, 자세한 기술 정보 및 가스 매체에 광 트랩에 대한 사례는 광범위한 연구 커뮤니티에 더 가치가있다.
새로운 실험 기술은 가스 매체 광학 함정에 나노 / 마이크로 입자를로드해야합니다. 압전 트랜스 듀서 (PZT), ELECTR 변환하는 장치메카 탄성 에너지로 IC 에너지 광 부상의 제 데모 때문에 공기 / 진공 5 12 광 트랩으로 작은 입자를 제공하기 위해 사용되어왔다. 한 이후 여러 로딩 기술은 상업적 분무기 (13) 또는 파 발생기에 의해 발생 된 휘발성 에어로졸을 사용하여 더 작은 입자를로드하기 위해 제안되었다. (14) 고체 함유 물 (입자)와 부동 에어로졸은 무작위로 초점 근처에 전달하고 우연히 갇혀있다. 에어로졸가 트랩되면, 용매 밖으로 증발 입자 광 트랩에 남아있다. 그러나 이러한 방법은 물론, 샘플 내에서 원하는 입자를 식별 선택된 입자를로드하고 트랩 해제하는 경우 그 변경 사항을 추적하는 데 적합하지 않습니다. 이 프로토콜은 실험을 포함한 공기 선택적 광 트랩 로딩에 새로운 실무자에 대한 세부 정보를 제공하기위한 것입니다알 설정 두 주파수 및 시간 영역에서의 입자 운동의 분석과 관련된 PZT 홀더 샘플 격납 트랩 로딩 및 데이터 수집의 제조. 액체 매체에 포집 프로토콜도 발표되었다. 15 16
전체 실험 장치는 상업용 거꾸로 광학 현미경에 개발되고있다. 상기 집속 광을 선택한 입자 리프팅 휴지 미립자 해방의 움직임을 측정하고, 또, 기판 상으로 배치도 1은 선택적 광 트랩 로딩 단계를 입증하는 데 사용되는 셋업의 개략도를 도시한다. 먼저, 병진 스테이지 (가로 및 세로)의 대물 렌즈에 의해 집광 트래핑 레이저 (파장 1064 ㎚)의 초점을 기판상의 선택된 미립자를 가지고 사용된다 (근적외선 보정 긴 작동 거리 목표 : NA 0.4 배율 20 배, 작업 D투명 기판 내지 20mm)을 istance. 그리고, 압전 실행기 (기계적으로 사전로드 링형 PZT)의 미립자와 기판 사이의 접착 성을 파괴하는 초음파 진동을 발생시킨다. 따라서, 임의의 해방 입자는 상기 선택된 입자에 집중 단일 빔 구배 레이저 트랩에 의해 해제 될 수있다. 입자가 트랩되면, 정전 여기 두 개의 평행 한 도체 판을 포함하는 샘플 격납 중심으로 변환된다. 마지막으로, 데이터 획득 (DAQ) 시스템은 동시에 사분면 셀 검출기 (QPD)에 의해 포획 된 입자 움직임 및인가 전계를 기록한다. 측정을 마친 후,이 입자에 제어 가능하게는 가역적 방식으로 다시 포획 할 수 있도록 기판 상에 배치된다. 이 전체 프로세스는 몇 포착주기 동안 발생하는 이러한 접촉 대전 등의 변화를 측정하는 입자 손실없이 수백 번 반복 될 수있다. 우리의 최근 기사 f를 참조하십시오또는 세부 사항. (12)
Protocol
Representative Results
Discussion
압전 실행기는 선택된 PZT의 동적 성능을 최적화하도록 설계된다. PZT 재료 및 초음파 진동의 관리의 적절한 선택은 성공적인 실험을 생성하는 주요 단계입니다. PZTs는 다른 특성 변환기의 종류에 따라 (벌크 또는 적층) 및 성분 재료 (하드 또는 소프트)를 갖는다. 하드 압전 재료로 이루어지는 벌크 타입 PZT 이유는 다음과 선택된다. 첫째, 하드 압전 물질은 낮은 유전 손실과 부드러운 소재보다 더 ?…
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
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