Havada Dielektrik mikropartiküllerin Optik Tuzak Yükleme
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 fizik ve biyofizik temel çalışmalar için birincil araç olarak optik yakalama tekniklerinin geliştirilmesi teşvik 1970 1 romanı başarıda hızlanma ve radyasyon basıncı ile mikropartiküllerin yakalama bildirdi. Bugüne kadar, 2, 3, 4, 5, optik yakalama uygulama, sıvı ortamlarda esas olarak odaklanmıştır, tek biyomoleküllerin mekanik özellikleri koloitlerin davranışından, sistemler çok geniş bir çalışma için kullanılmıştır. 6, 7, gaz ortama optik yakalama 8 Uygulama Bununla birlikte, birçok yeni teknik sorunları çözmek gerekir.
Son zamanlarda, hava / vakum optik yakalama giderek temel araştırma uygulanmıştır. Optik levi yanatation potansiyel optik levitated parçacık, küçük nesnelerin 4 ölçüm yüksek frekanslı yerçekimsel dalgalar, 9 kuantum zemin durumlarını inceleyerek ve fraksiyonel ücret karşılığında aramak için ideal bir laboratuvar haline gelir, çevreye bir sistemin neredeyse tamamlama izolasyonu sağlar. 10 Üstelik, hava / vakum düşük viskoziteli biri Brown parçacığın 11 anlık hızını ölçmek için ataleti kullanmak ve doğrusal yay gibi rejimin ötesinde hareket geniş bir yelpazede üzerinde balistik hareket oluşturmanıza olanak sağlar. 12 Bu nedenle, detaylı teknik bilgi ve gaz medyada optik tuzakları uygulamalar geniş bir araştırma topluluğuna daha değerli hale gelmiştir.
Yeni deneysel teknikler gaz medyada optik tuzaklar içine nano / mikro parçacıkları yüklemek için gereklidir. Bir piezoelektrik transdüser (PZT), elektro dönüştüren bir cihaz,Mekanik-akustik enerjiye ic enerji, optik havalanma ilk gösterisinden bu yana hava / vakum 5 12 optik tuzaklar içine küçük parçacıkların teslim etmek için kullanılır olmuştur. 1 O zamandan beri, çeşitli yükleme teknikleri, ticari bir püskürtücü 13 veya akustik dalga üreteci tarafından üretilen uçucu aerosoller kullanarak daha küçük parçacıklar yüklemek için ileri sürülmüştür. 14 katı kapanımlar (partiküller) ile yüzen aerosoller rastgele odak yakın geçmek ve tesadüfen tutulur. Aerosol tuzak sonra, çözücü dışarı buharlaşır ve parçacık optik tuzak kalır. Ancak, bu yöntemler de, bir numune içinde istenen parçacıkları tanımlamak seçilen bir parçacık yüklemek ve tuzak salınan eğer onun değişiklikleri izlemek için uygun değildir. Bu protokol deney dahil havada seçici optik tuzak yükleme, yeni uygulayıcılara ayrıntıları sağlamayı amaçlamaktadıral kurulumu, hem frekans ve zaman etki parçacık hareketi analizi ile ilgili bir PZT tutucu ve örnek muhafaza, tuzak yükleme ve veri toplama imalatı. sıvı ortamda bindirme için protokoller de yayınlanmıştır. 15, 16
genel bir deney düzeneği ticari ters optik mikroskop üzerinde geliştirilmiştir. Odaklanmış ışını ile seçilmiş parçacık kaldırma, dinlenme mikro serbest hareketini ölçmek ve tekrar alt-tabaka üzerine yerleştirilmesi: Şekil 1, seçici optik tuzak yükleme aşamaları göstermek için kullanılan düzeneğin şematik bir diyagramını göstermektedir. İlk olarak, çeviri aşamaları (enine ve dikey) bir objektif lens ile odaklanmış bir yakalama lazer (dalga boyu 1064 nm) odak tabaka üzerinde seçilen bir mikropartikul getirmek için kullanılır (yakın-kızılötesi düzeltilmiş uzun çalışma mesafesi amacı: NA 0.4, büyütme 20X, çalışma dsaydam bir zemin ile 20 mm) istance. Sonra, bir piezoelektrik fırlatıcı (mekanik önceden yüklenmiş halka tipi PZT) mikropartiküller ve bir alt tabaka arasındaki yapışmayı kırmak için ultrasonik titreşimler oluşturur. Böylece, herhangi bir serbest parçacık seçilen parçacık odaklanmış tek ışınlı gradyan lazer tuzağı ile kaldırılabilir. Parçacık yakalandığında, elektrostatik uyarma için iki paralel iletken plakalar içeren örnek muhafazanın merkezi çevrilmiştir. Son olarak, bir veri toplama (DAQ) sistemi aynı anda çeyrek hücre fotodetektör (QPD) tarafından yakalanan parçacık hareketi, ve uygulanan elektrik alan kaydeder. ölçüm bittikten sonra, parçacık kontrol edilebilir bir geri bir şekilde daha tuzak böylece alt-tabakanın üzerine yerleştirilir. Bu genel işlem birkaç yakalama döngüsü boyunca ortaya çıkan bu tür iletişim elektrifikasyon gibi değişiklikler ölçmek için parçacık kaybı olmadan yüzlerce kez tekrar edilebilir. Bizim son makale f bakınveya ayrıntılar. 12
Protocol
Representative Results
Discussion
piezoelektrik başlatıcısı Seçilen PZT dinamik performansını optimize etmek için tasarlanmıştır. PZT malzeme ve ultrasonik titreşimlerin yönetiminin doğru seçimi başarılı bir deney verim önemli adımlardır. PZTs farklı özelliklere dönüştürücünün tipine bağlı olarak (toplu olarak veya yığın) ve onu oluşturan malzemeler (sert veya yumuşak) bulunur. sert piezoelektrik malzemeden imal edilmiş bir yığın tipi PZT aşağıdaki nedenlerle tercih edilir. İlk olarak, sert piezoelektrik malz…
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).
