Optical Trappola Caricamento di dielettrico microparticelle in aria
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 ha riferito l'accelerazione e la cattura di microparticelle dalla pressione di radiazione nel 1970. 1 Il suo romanzo raggiungimento promosso lo sviluppo di tecniche di intrappolamento ottico come strumento primario per gli studi fondamentali della fisica e biofisica. 2, 3, 4, 5 Ad oggi, l'applicazione di intrappolamento ottico è concentrata principalmente sugli ambienti liquidi, e stato utilizzato per studiare una vasta gamma di sistemi, dal comportamento di colloidi alle proprietà meccaniche di singole biomolecole. 6, 7, 8 Applicazione di intrappolamento ottico di fluidi gassosi, tuttavia, richiede di risolvere diversi nuovi problemi tecnici.
Recentemente, intrappolamento ottico in aria / vuoto è stata sempre più applicata nella ricerca fondamentale. Dal momento che levi otticizione fornisce potenzialmente quasi-completo isolamento di un sistema dall'ambiente circostante, la particella otticamente levitare diventa un laboratorio ideale per studiare stati fondamentali quantici in piccoli oggetti, 4 misura onde gravitazionali ad alta frequenza, 9 e ricerca di carica frazionaria. 10 Inoltre, la bassa viscosità del vuoto / aria permette di utilizzare l'inerzia per misurare la velocità istantanea di una particella browniano 11 e per creare un movimento balistico su una vasta gamma di movimento oltre il regime lineare primaverile. 12 Pertanto, le informazioni tecniche dettagliate e pratiche per le trappole ottiche in fluidi gassosi sono diventati più prezioso per la comunità di ricerca più ampio.
Le nuove tecniche sperimentali sono necessari per caricare nano / microparticelle in trappole ottiche in fluidi gassosi. Un trasduttore piezoelettrico (PZT), un dispositivo che converte elettric energia in energia meccano-acustica, è stato usato per trasportare piccole particelle in trappole ottici a vuoto / aria 5, 12 poiché la prima dimostrazione di levitazione ottica. 1 Da allora, diverse tecniche di carico sono state proposte per caricare le particelle più piccole che utilizzano aerosol volatili generati da un nebulizzatore commerciale 13 o un generatore di onda acustica. 14 Gli aerosol galleggianti con inclusioni solide (particelle) passano a caso vicino al fuoco e sono intrappolati per caso. Una volta che l'aerosol è intrappolato, il solvente evapora e la particella rimane nella trappola ottica. Tuttavia, questi metodi non sono adatti per identificare le particelle desiderati all'interno di un campione, caricare una particella selezionata e di tenere traccia dei suoi cambiamenti, se liberato dalla trappola. Questo protocollo è destinato a fornire dettagli ai nuovi praticanti sul caricamento trappola ottica selettiva in aria, compresa l'esperimentoinstallazione al, realizzazione di un supporto PZT e recinzione campione, trap carico, e acquisizione dati associati con l'analisi del moto delle particelle sia della frequenza e di tempo. Protocolli per intrappolare in mezzi liquidi sono stati pubblicati. 15, 16
Il setup sperimentale complessiva si sviluppa su un microscopio ottico invertito commerciale. La figura 1 mostra un diagramma schematico della configurazione usata per dimostrare gradini della trappola ottica selettiva loading: liberando le microparticelle riposo, sollevando la particella scelta con il fascio focalizzato, misura il suo movimento, e l'immissione sul substrato di nuovo. In primo luogo, le fasi di traslazione (trasversali e verticali) vengono utilizzati per portare un microparticelle selezionato sul substrato per la messa a fuoco di un laser di cattura (lunghezza d'onda di 1064 nm) focalizzata da una lente obiettiva (vicino infrarosso corretti lunga lavorazione obiettivo distanza: NA 0.4, ingrandimento 20X, d lavoroistance 20 mm) attraverso il substrato trasparente. Poi, un lanciatore piezoelettrico (a meccanicamente precaricata ad anello PZT) genera vibrazioni ultrasoniche per rompere l'adesione tra microparticelle ed un substrato. Così, ogni particella liberato può essere sollevato dal singolo fascio laser trap gradiente focalizzato sulla particella selezionata. Una volta che la particella è intrappolato, è tradotto al centro dell'involucro campione contenente due piastre conduttrici parallele per l'eccitazione elettrostatico. Infine, un sistema di acquisizione dati (DAQ) registra contemporaneamente il moto delle particelle, catturato da un fotorivelatore quadranti celle (QPD), e il campo elettrico applicato. Dopo aver terminato la misurazione, la particella è controllabile posizionato sul substrato in modo che possa essere intrappolato di nuovo in modo reversibile. Questo processo può essere ripetuto centinaia di volte senza perdita di particelle per misurare i cambiamenti, come effetto volta che si verificano su più cicli di cattura. Si prega di fare riferimento al nostro recente articolo Fo dettagli. 12
Protocol
Representative Results
Discussion
Il lanciatore piezoelettrico è progettato per ottimizzare le prestazioni dinamiche di una PZT selezionato. La corretta scelta dei materiali e la gestione di vibrazioni ultrasoniche PZT sono i passaggi chiave per produrre un esperimento riuscito. PZTs hanno caratteristiche diverse a seconda del tipo di trasduttore (bulk o impilati) e materiali componenti (hard o soft). Un tipo bulk PZT in materiale piezoelettrico disco viene scelto per i seguenti motivi. In primo luogo, i materiali piezoelettrici rigidi hanno minori per…
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
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