Optisk fälla Loading dielektriska mikropartiklar i luft
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 rapporterade acceleration och infångning av mikropartiklar av strålningstryck 1970. 1 Hans roman prestation främjat utvecklingen av optiska fångstmetoder som ett primärt verktyg för grundläggande studier i fysik och biofysik. 2, 3, 4, 5 Hittills har tillämpningen av optisk infångning främst inriktat på flytande miljöer, och använts för att studera ett mycket brett spektrum av system, från beteendet hos kolloider till de mekaniska egenskaperna hos enskilda biomolekyler. 6, 7, 8 Tillämpning av optisk infångning till gasformiga medier, kräver dock att lösa flera nya tekniska frågor.
Nyligen har optisk infångning i luft / vakuum alltmer används i grundforskning. Eftersom optiska levining ger potentiellt nästan-komplett isolering av ett system från den omgivande miljön, optiskt leviterade partikeln blir en idealisk laboratorium för att studera kvantgrundtillstånd i små föremål, 4 mäter högfrekventa gravitationsvågor, 9 och söka efter fraktionerad kostnad. 10 För övrigt den låga viskositeten hos luft / vakuum gör att man kan använda tröghet för att mäta den momentana hastigheten hos en Brownsk partikel 11 och skapa ballistisk rörelse över ett brett område av rörelse bortom den linjära fjäderliknande regim. 12 Därför har detaljerad teknisk information och metoder för optiska fällor i gasformiga medier blir mer värdefull för bredare forskarsamhället.
Nya experimentella tekniker krävs för att ladda nano / mikropartiklar i optiska fällor i gasformiga medier. En piezoelektrisk omvandlare (PZT), en anordning som omvandlar elektric energi i mekano-akustisk energi, har använts för att leverera små partiklar i optiska fällor i luft / vakuum 5, 12 sedan den första demonstrationen av optisk levitation. 1 Sedan dess har flera lasttekniker föreslagits att lasta mindre partiklar med hjälp av flyktiga aerosoler som genereras av en kommersiell nebulisator 13 eller en akustisk våggenerator. 14 De flytande aerosoler med fasta inneslutningar (partiklar) slumpmässigt passera nära fokus och fångas av en slump. När aerosolen är instängd, avdunstar lösningsmedlet ut och partikeln förblir i den optiska fällan. Emellertid är dessa metoder inte väl lämpade för att identifiera önskade partiklar från i ett prov, ladda en utvald partikel och att spåra dess förändringar vid utsläpp från fällan. Detta protokoll är avsedd att ge information till nya utövare på selektiv optisk fälla belastning i luften inklusive experimentetal setup, tillverkning av en PZT hållare och provbehållaren, fälla lastning och datainsamling i samband med analysen av partikelrörelse i både frekvens- och tidsdomäner. Protokoll för att fånga i flytande medier har också publicerats. 15, 16
Den totala experimentuppställning utvecklas på en kommersiell inverterat optiskt mikroskop. Figur 1 visar ett schematiskt diagram av konfigurationen används för att demonstrera stegen av den selektiva optiska fällan loading: Frigöra de vilande mikropartiklarna, lyfta den valda partikeln med den fokuserade strålen, som mäter dess rörelse och placerat den på substratet igen. Först translationella stadier (tvärgående och vertikala) som används för att få en vald mikropartikel på substratet till fokus för en fångst laser (våglängd 1064 nm) fokuseras av ett objektiv (nära infraröd korrigerade långa arbetsavstånd mål: NA 0,4, förstoring 20X, som arbetar distance 20 mm) genom det transparenta substratet. Sedan en piezoelektrisk launcher (ett mekaniskt förinstallerade ring typ PZT) genererar ultraljudsvibrationer för att bryta vidhäftningen mellan mikropartiklar och ett substrat. Således kan alla frigjorda partiklar lyftas av enkelstrålens lutning laser fälla fokuserat på den valda partikeln. När väl partikeln är instängd, översätts den till centrum av provet inneslutningen som innehåller två parallella ledande plattor för elektrostatisk excitation. Slutligen ett datainsamlings (DAQ) systemet registrerar samtidigt partikel rörelse, fångas upp av en kvadrant-cellfotodetektor (QPD), och det pålagda elektriska fältet. Efter avslutad mätning är partikelreglerbart placeras på substratet så att den kan fastna på nytt på ett reversibelt sätt. Denna övergripande process kan upprepas hundratals gånger utan partikelförlust för att mäta förändringar, såsom kontaktdermatit elektrifiering inträffar under flera fångstcykler. Se vår senaste artikel feller detaljer. 12
Protocol
Representative Results
Discussion
Den piezoelektriska launcher är utformad för att optimera dynamiska prestanda för en vald PZT. Rätt val av PZT material och hantering av ultraljudsvibrationer är de viktigaste stegen för att ge en lyckat experiment. PZTs har olika egenskaper beroende på vilken typ av givare (bulk eller staplade) och komponentmaterial (hårda eller mjuka). En bulk typ PZT gjort av ett hårt piezoelektriskt material väljes av följande skäl. Först, hårda piezoelektriska material har lägre dielektriska förluster och högre mek…
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).
