Piège optique Chargement de Dielectric Microparticules Dans 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 a rapporté l'accélération et le piégeage des microparticules par la pression de radiation en 1970. 1 Son roman réalisation favorisé le développement des techniques de piégeage optique comme outil principal pour les études fondamentales de la physique et de la biophysique. 2, 3, 4, 5 A ce jour, l'application de piégeage optique a porté principalement sur les environnements liquides, et ont été utilisés pour étudier une très large gamme de systèmes, du comportement des colloïdes aux propriétés mécaniques de biomolécules simples. 6, 7, 8 Application de piégeage optique milieux gazeux, cependant, exige la résolution de plusieurs nouveaux problèmes techniques.
Récemment, le piégeage optique dans l'air / vide a été de plus en plus appliqué dans la recherche fondamentale. Depuis levi optiquestation fournit potentiellement l' isolement quasi-complet d'un système à partir de l'environnement, la particule optiquement sustentation devient un laboratoire idéal pour étudier les états du sol quantique dans les petits objets, 4 de mesure à haute fréquence des ondes gravitationnelles, 9 et la recherche de charge fractionnaire. 10 En outre, la faible viscosité de l' air / vide permet d'utiliser l' inertie pour mesurer la vitesse instantanée d'une particule brownienne 11 et pour créer un mouvement balistique sur une large gamme de mouvement au – delà du régime printanier linéaire. 12 Par conséquent, l' information et les pratiques de pièges optiques dans les milieux gazeux techniques sont devenus plus précieux pour la communauté de recherche plus large.
De nouvelles techniques expérimentales sont nécessaires pour charger nano / microparticules dans des pièges optiques dans les milieux gazeux. Un transducteur piézo-électrique (PZT), un dispositif qui convertit électric énergie en énergie mécano-acoustique, a été utilisé pour fournir de petites particules dans des pièges optiques dans l' air / vide 5, 12 depuis la première démonstration de lévitation optique. 1 Depuis lors, plusieurs techniques de chargement ont été proposées pour charger des particules plus petites en utilisant des aérosols volatils générés par un nébuliseur commercial 13 ou un générateur d'ondes acoustiques. 14 Les aérosols flottants avec des inclusions solides (particules) passent au hasard près du foyer et sont piégés par hasard. Une fois que l'aérosol est piégé, le solvant s'évapore et la particule reste dans le piège optique. Cependant, ces méthodes ne sont pas bien adaptés pour identifier les particules désirées à partir d'un échantillon, charger une particule sélectionnée et de suivre ses modifications si libéré du piège. Ce protocole est destiné à fournir des détails aux nouveaux praticiens sur sélectif piège chargement optique dans l'air, y compris l'expérienceconfiguration al, la fabrication d'un support de PZT et enceinte échantillon, piège chargement, et l'acquisition de données associée à l'analyse du mouvement des particules dans les deux domaines fréquentiel et temporel. Les protocoles de piégeage dans des milieux liquides ont également été publiés. 15, 16
Le dispositif expérimental global est développé sur un microscope optique inversé commercial. La figure 1 montre un schéma de la configuration utilisée pour démontrer les étapes du piège optique sélective chargement: libérer les microparticules de repos, en soulevant la particule choisie avec le faisceau focalisé, mesurant son mouvement, et en le plaçant sur le substrat à nouveau. objectif d'abord, les étapes de translation (transversales et verticales) sont utilisés pour apporter une microparticule choisie sur le substrat pour la mise au point d'un laser de piégeage (longueur d'onde de 1064 nm) focalisé par un objectif (proche infrarouge corrigées à long distance de travail: NA 0,4, grossissement 20X, d travailIstance 20 mm) à travers le substrat transparent. Puis, un lanceur piézo-électrique (une mécanique pré-chargée de type annulaire PZT) génère des vibrations ultrasoniques pour briser l'adhérence entre les microparticules et un substrat. Ainsi, toute particule libérée peut être levée par le faisceau unique piège laser gradient centré sur la particule sélectionnée. Une fois que la particule est piégée, elle se traduit par rapport au centre de l'enceinte d'échantillon contenant deux plaques conductrices parallèles pour l'excitation électrostatique. Enfin, un système d'acquisition de données (DAQ) enregistre simultanément le mouvement des particules, captée par un photodétecteur à cellules quadrant (DOU), et le champ électrique appliqué. Après avoir terminé la mesure, la particule est placée de manière contrôlable sur le substrat afin qu'il puisse être pris au piège à nouveau d'une manière réversible. Ce processus global peut être répété des centaines de fois sans perte de particules pour mesurer les changements tels que le contact électrification se produisant sur plusieurs cycles de piégeage. S'il vous plaît se référer à notre article récent fou des détails. 12
Protocol
Representative Results
Discussion
Le lanceur piézoélectrique est conçu pour optimiser les performances dynamiques d'un PZT sélectionné. Une sélection appropriée des matériaux et la gestion des vibrations ultrasonores PZT sont les étapes clés pour donner une expérience réussie. PZT présentent des caractéristiques différentes en fonction du type de capteur (en vrac ou empilés) et les matériaux constitutifs (dur ou mou). Un type PZT en vrac constitué d'un matériau piézoélectrique dur est choisie pour les raisons suivantes. Tout…
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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