Optische Trap-Laden von Dielectric Mikroteilchen in der 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
Ashkins berichtet die Beschleunigung und das Einfangen von Mikroteilchen durch Strahlungsdruck im Jahr 1970 1 Sein Roman Erfolg förderte die Entwicklung von optischen Trapping Techniken als primäres Werkzeug für die Grundlagenforschung der Physik und Biophysik. 2, 3, 4, 5 Bisher wurde die Anwendung von optischen Einfangen konzentrierte sich hauptsächlich auf flüssigen Umgebungen, und einen sehr weiten Bereich von Systemen zu untersuchen, von dem Verhalten von Kolloiden zu den mechanischen Eigenschaften von einzelnen Biomolekülen verwendet. 6, 7, 8 Anwendung von optischen Fallen zu gasförmigen Medien, erfordert jedoch einige neue technische Probleme zu lösen.
Vor kurzem optische Fallen in Luft / Vakuum zunehmend wurde in der Grundlagenforschung eingesetzt. Da optische levitation bietet potenziell nahezu vollständige Isolierung eines Systems aus der Umgebung, die optisch levitierten Partikel für das Studium der Quantengrundzustände in kleinen Objekten, 4 Messung Hochfrequenz Gravitationswellen, 9 und der Suche nach fraktionierte Ladung ein ideales Labor wird. Außerdem 10 ermöglicht die niedrige Viskosität von Luft / Vakuum eine Trägheit zu verwenden , um die momentane Geschwindigkeit eines Brownsche Teilchen 11 zu messen und zu ballistischen Bewegung über einen weiten Bereich von Bewegung über die linearen federartigen Regelung zu schaffen. 12 Daher detaillierte technische Informationen und Verfahren für optische Fallen in gasförmigen Medien haben wertvoller für den breiteren Forschungsgemeinschaft geworden.
Neue experimentelle Techniken sind erforderlich, Nano- / Mikropartikel in optischen Fallen in gasförmigen Medien zu laden. Ein piezoelektrischer Wandler (PZT), eine Einrichtung, die Strom umwandeltic Energie in mechanisch-akustischen Energie, verwendet worden , um kleine Partikel in optischen Fallen in Luft / Vakuum – 5, 12 , da die erste Demonstration der optischen Schwebe zu liefern. 1 Seitdem haben mehrere Ladetechniken vorgeschlagen worden , kleinere Teilchen unter Verwendung von flüchtigen Aerosolen durch einen kommerziellen Vernebler 13 oder einen akustischen Wellengenerator erzeugt zu laden. 14 Die schwimmenden Aerosole mit festen Einschlüsse (Partikel) zufällig in der Nähe des Fokus passieren und durch Zufall gefangen. Nachdem das Aerosol eingefangen wird, verdampft das Lösungsmittel und das Teilchen verbleibt in der optischen Falle. Jedoch sind diese Verfahren nicht gut geeignet, um die gewünschten Partikel aus einer Probe zu identifizieren, um eine ausgewählte Partikel laden und seine Veränderungen zu verfolgen, wenn von der Falle freigegeben. Dieses Protokoll soll Details neue Praktizierende auf selektiven optischen Falle Laden in Luft zu versorgen, einschließlich des Experimentesal-Setup, die Herstellung einer PZT Halter und Probengehäuse, Trap-Laden, und die Datenerfassung mit der Analyse der Partikelbewegung zugeordnet ist sowohl in der Frequenz- und Zeitbereich. Protokolle für die in flüssigen Medien Trapping wurden ebenfalls veröffentlicht. 15, 16
Die gesamte Versuchsaufbau ist auf einem kommerziellen invertierten optischen Mikroskop entwickelt. Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung der Einrichtung verwendeten Schritte der selektiven optischen Falle Laden zu demonstrieren: Die Ruhe Mikroteilchen befreien, die gewählte Teilchen mit dem fokussierten Strahl Anheben Messen seiner Bewegung, und sie auf dem Substrat wieder setzt. Zuerst Translationsstufen (quer und vertikal) werden verwendet, um eine ausgewählte Mikropartikel auf dem Substrat zu dem Fokus eines Trapping-Laser (Wellenlänge 1064 nm) durch eine Objektivlinse (near-infrared korrigiert Langarbeitsabstand Ziel fokussiert zu bringen: NA 0,4 ist, Vergrößerung 20X, Arbeits distance 20 mm) durch das transparente Substrat. Dann wird eine piezoelektrische Werfer (ein mechanisch vorgeladene Ring-PZT) erzeugt Ultraschallvibrationen, die Haftung zwischen Mikroteilchen und einem Substrat zu brechen. Somit kann jeder befreite Partikel vom Einzelstrahl Gradient Laser trap auf dem ausgewählten Partikel konzentriert angehoben werden. Sobald das Teilchen eingefangen ist, wird es in der Mitte des Proben Gehäuse zur elektrostatischen Anregung mit zwei Platten parallel leitende übersetzt. Schließlich zeichnet eine Datenerfassung (DAQ) System gleichzeitig die Partikelbewegung, erfasst durch einen Quadranten-Photodetektor Zelle (QPD) und dem angelegten elektrischen Feld. Nach Beendigung der Messung wird die Partikel steuerbar auf das Substrat gelegt, so daß es wieder in einer reversiblen Art und Weise eingefangen werden kann. Dieser Gesamtprozess kann mehrere hundert Mal ohne Partikelverlust wiederholt werden, um Änderungen zu messen, wie Kontaktelektrisierung mehrere Fang Zyklen auftreten über. Bitte beachten Sie unsere aktuellen Artikel foder Details. 12
Protocol
Representative Results
Discussion
Der piezoelektrische Abschuß soll die dynamische Leistung eines ausgewählten PZT zu optimieren. Die richtige Auswahl von PZT-Materialien und das Management von Ultraschallschwingungen sind die wichtigsten Schritte, um ein erfolgreiches Experiment zu erhalten. PZTs haben unterschiedliche Eigenschaften in Abhängigkeit von der Art des Wandlers (bulk oder gestapelt) und Komponentenmaterialien (hart oder weich). Eine Masse Typ PZT aus einem harten piezoelektrischen Material wird aus den folgenden Gründen ausgewählt. Ers…
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).
