Introduction
ذكرت Ashkin تسارع ومحاصرة المجهرية الدقيقة التي الضغط الاشعاعي في عام 1970. 1 انجازاته رواية الترويج لتطوير تقنيات محاصرة البصرية كأداة رئيسية للدراسات الأساسية للفيزياء والفيزياء الحيوية. 2، 3، 4، 5 وحتى الآن، ركزت تطبيق محاصرة البصرية بشكل رئيسي على البيئات السائلة، واستخدمت لدراسة مجموعة واسعة جدا من النظم، من سلوك الغرويات إلى الخواص الميكانيكية للجزيئات الحيوية واحدة. 6، 7، 8 تطبيق محاصرة البصرية لوسائل الاعلام غازي، ومع ذلك، يتطلب حل العديد من القضايا الفنية الجديدة.
في الآونة الأخيرة، وقد تم تطبيق محاصرة البصرية في الهواء / فراغ متزايد في البحوث الأساسية. منذ ليفي بصريالكساء يحتمل أن يوفر ما يقرب من العزلة الكاملة للنظام من البيئة المحيطة بها، والجسيمات السابحة بصريا يصبح مختبرا مثاليا لدراسة حالة قاعية نوعية في الأشياء الصغيرة، 4 قياس ارتفاع وتيرة موجات الجاذبية، 9 والبحث عن المسؤول الجزئية. 10 وعلاوة على ذلك، اللزوجة المنخفضة من الهواء / فراغ يسمح احد لاستخدام الجمود لقياس السرعة اللحظية لجسيم البراونية 11 وخلق حركة البالستية على نطاق واسع من الحركة وراء النظام الخطي مثل فصل الربيع. 12 لذلك، أصبحت المعلومات والممارسات لالفخاخ البصرية في وسائل الإعلام غازي تقنية مفصلة أكثر قيمة للمجتمع العلمي الأوسع.
مطلوبة تقنيات تجريبية جديدة لتحميل نانو / المجهرية الدقيقة في الفخاخ البصرية في وسائل الإعلام الغازي. ومحول كهربائي ضغطي (PZT)، وهو الجهاز الذي يحول إلكترونياتجيم الطاقة إلى طاقة والميكانيكية الصوتية، وقد استخدمت لتقديم جزيئات صغيرة إلى الفخاخ البصرية في الهواء / فراغ 5، 12 منذ أول مظاهرة من الارتفاع البصرية. 1 ومنذ ذلك الحين، تم اقتراح عدة تقنيات التحميل لتحميل جسيمات أصغر باستخدام الهباء المتقلبة التي تم إنشاؤها بواسطة البخاخات التجاري 13 أو مولد موجة الصوتية. 14 هباء العائمة مع شوائب صلبة (جسيمات) تمر بشكل عشوائي بالقرب من التركيز ومحاصرون عن طريق الصدفة. بمجرد المحاصرين الهباء الجوي، المذيب يتبخر بها ويبقى الجسيمات في فخ البصرية. ومع ذلك، لا تناسب هذه الأساليب جيدا لتحديد جزيئات المرجوة من داخل العينة، تحميل الجسيمات المختارة ولتعقب التغييرات في حال صدر من الفخ. ويهدف هذا البروتوكول إلى تقديم تفاصيل للممارسين جديد على انتقائية البصرية تحميل فخ في الهواء، بما في ذلك التجربةالإعداد القاعدة وتلفيق حامل PZT وضميمة عينة، فخ تحميل، والحصول على البيانات المرتبطة تحليل حركة الجسيمات في كل المجالات التردد والوقت. كما تم نشر بروتوكولات لمحاصرة في وسائل الإعلام السائلة. 15، 16
تم تطوير الإعداد العام التجريبية على المجهر الضوئي المقلوب التجاري. ويبين الشكل 1 الرسم التخطيطي للإعداد تستخدم للتدليل خطوات انتقائية فخ البصرية التحميل: تحرير المجهرية الدقيقة يستريح، ورفع الجسيمات المختار مع شعاع مركزة، وقياس حركته، ووضعه على الركيزة مرة أخرى. أولا، يتم استخدام مراحل متعدية (عرضية ورأسية) لجلب microparticle اختيارهم على الركيزة لمحور الليزر محاصرة (الطول الموجي 1064 نانومتر) تركز من قبل العدسة الشيئية (بالقرب من الأشعة تحت الحمراء تصحيح الهدف والعمل لمسافات طويلة: NA 0.4، التكبير 20X، د العملistance 20 مم) من خلال الركيزة شفافة. ثم، قاذفة كهرضغطية (أ ميكانيكيا قبل تحميلها عصابة من نوع PZT) يولد ذبذبات الموجات فوق الصوتية لكسر التصاق بين المجهرية الدقيقة والركيزة. وهكذا، أي الجسيمات سراح يمكن رفع من قبل شعاع واحد فخ التدرج ليزر تركز على الجسيمات المحدد. بمجرد المحاصرين الجسيمات، وترجمته إلى مركز العلبة عينة تحتوي على اثنين من لوحات إجراء موازية لإثارة كهرباء. وأخيرا، والحصول على البيانات (دق) نظام يسجل في الوقت نفسه حركة الجسيمات، التي استولت عليها في مكشاف ضوئي رباعي الخلية (QPD)، والحقل الكهربائي تطبيقها. بعد الانتهاء من قياس، يتم وضع جسيم controllably على الركيزة بحيث يمكن المحاصرين مرة أخرى بطريقة عكسية. هذه العملية الشاملة يمكن أن تتكرر مئات المرات من دون خسارة الجسيمات لقياس التغيرات مثل كهربة الاتصال التي تحدث على مدى عدة دورات محاصرة. يرجى الرجوع إلى موقعنا الأخيرة من المادة وأو تفاصيل. 12
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
تنبيه: يرجى التشاور مع جميع برامج السلامة ذات الصلة قبل التجربة. يتم تنفيذ جميع الإجراءات التجريبية المبينة في هذا البروتوكول وفقا لبرنامج السلامة LASER نيست، فضلا عن غيرها من الأنظمة المعمول بها. يرجى التأكد من اختيار وارتداء معدات الوقاية الشخصية المناسبة (PPE) مثل نظارات حماية ليزر مصممة لطول الموجة والقوة محددة. التعامل مع نانو الجافة / المجهرية الدقيقة قد تتطلب حماية الجهاز التنفسي إضافية.
1. تصميم وتصنيع وحامل PZT وضميمة عينة
- تصميم حامل PZT والضميمة عينة
ملاحظة: القيم تصميم خاص تختلف تبعا لاختيار PZT.- فتح حزمة برامج التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD). رسم ثنائي الأبعاد (2D) رسم لحاملها عن البعد PZT معين. تطوير رسم 2D إلى ميزات الحجمية باستخدام مزيج من قذف / قذف المعالم.
- انقر رسم،رسم مستطيل وقذف لجعل مكعب مستطيل.
- رسم قرص على السطح العلوي من مكعب لتحديد ميزة راحة دائري لتغطية وعقد حلقة من نوع PZT.
- تحديد الفتحة المركزية أن يكون لها وصول البصرية لكل من التصوير في الوقت الحقيقي ومحاصرة.
- تحديد دليل دائري على طول حافة حفرة المركزي لادخال حلقة معدنية مسطحة (النحاس) لتركيز السلطة بالموجات فوق الصوتية باتجاه منطقة مركز كما هو مبين في الشكل 2.
- إنشاء اثنين من ثقوب للمسامير M6 على حامل PZT ليتم تجميعها مع لوحة أسفل (التي تم شراؤها، 4 مم أسفل لوحة الألومنيوم مع وجود ثقب في الوسط)، كما هو مبين في الشكل 2C و 2D.
- بطريقة مماثلة، تصميم إطار مستطيل من العلبة العينة. انقر رسم، ورسم مستطيل، قذف المستطيل لجعله مربع مستطيل.
- رسم مستطيل أصغر على السطح العلوي للrectangulaمربع r و قذف-قطع مستطيل لجعله أنبوب مستطيل.
- رسم مستطيل أصغر على الجدار الجانبي للأنبوب وقذف قطع لتحويلها إلى إطار مربع عينة الضميمة من.
- تحويل هذه ثلاثية الأبعاد (3D) نماذج إلى تنسيق ملف المجسمة (STL) لعملية الطباعة 3D (الشكل 2B).
- 3D الطباعة من الكائنات تصميم
- فتح ملف التصميم ( "-.STL") من برنامج التشغيل طابعة 3D. وضع كائن مسطح المركز 0 /. والكائن في (0، 0، 0) بالضغط على الكائن لتحديده، واستخدام وظائف محاذاة: "نقل"، "على منصة"، و "مركز". توجيه صاحب PZT لمواجهة السمات الحساسة التصاعدي. وسوف تواجه سطح راحة التصاعدي.
- في القائمة انتقل إلى "إعدادات" و "الجودة" علامة التبويب. تعيين قيم الطباعة على النحو التالي، بدأت أعمال الحفر: 100٪، وعدد من قذائف: 2، وارتفاع طبقة: 0.2مم.
- معاينة الأجسام للتحقق من وقت الطباعة الإجمالي وتأكد من أنه سيتم طباعة الكائنات الطبقات كما تريد. تصدير ملف الطباعة 3D في شكل ".x3g" وحفظه للاستخدام في الطابعة 3D.
- تشغيل الطابعة 3D وتدفئتها حتى درجة حرارة فوهة البثق تصل درجة حرارة التشغيل، 230 درجة مئوية تحميل ملف التصميم من بطاقة الذاكرة أو محرك أقراص الشبكة.
- خلال الاحماء، ووضع منصة البناء مع الشريط الأزرق الرسام للمساعدة في الأجسام تلتزم بشكل آمن. كمادة بالحرارة لهذا المنصب والطباعة، واستخدام خيوط عديد حمض اللبنيك (PLA) لكل الكائنات.
- طباعة الكائنات تصميم. وبمجرد الانتهاء من العمل والطباعة، وإيقاف الطابعة بعد أن يبرد.
- فصل الكائن طبعت من منصة باستخدام إزميل. انتصب الكائنات المطبوعة. إذا تم اختيار التوجه نحو ملائم، صاحب PZT يمكن استخدامها مباشرة دون مزيد من مرحلة ما بعد المعالجة.
- فوص العلبة عينة، وإعداد زوج واحد من أكسيد الإنديوم القصدير (ايتو) coverslips المغلفة وثلاثة coverslips الزجاج لتغطية الإطار. استخدام قطع الماس لتناسب ساترة لالعلبة.
- سلكين لوحات إجراء موازية باستخدام الطلاء سريع الفضة التجفيف لتزويد الجهد عبر اثنين من لوحات. الغراء هذه النوافذ الخمسة على العلبة عينة باستخدام الغراء لاصقة لحظة.
ملاحظة: يتم تثبيت زوج واحد من coverslips ايتو المغلفة على العلبة عينة بالتوازي (في مواجهة بعضهما البعض) لتوفير مجال كهربائي موحد وتوليد حركة ذاتية الدفع من الجسيمات المشحونة بشكل طبيعي على طول الحقل الكهربائي. وتغطي ساترة التقليدية الثلاثة بقية السطوح عينة الضميمة (أعلى والجانبان الآخران) لحماية الجسيمات المحاصرين من تدفق خارجي من الهواء
2. فخ تحميل البصرية من Microparticle مختارة
- إعداد عينة
- تخزين المجهرية الدقيقة فيمجفف اجلاء للحد من الاتصال مع الرطوبة في الهواء قبل التجربة.
- أسكب جزء صغير من المجهرية الدقيقة على شريحة زجاجية وعلى الفور وضع زجاجة تصنيع مرة أخرى في المجفف.
- التقاط بعض المجهرية الدقيقة مع أنبوب زجاجي الشعرية. مبعثر جزيئات على ركيزة من خلال استغلال بلطف على شعري حين عقد الشعرية على ساترة.
- التحقق من كمية وتوزيع الجسيمات أودعت على الركيزة باستخدام مجهر الحقل المظلم.
ملاحظة: في خطوة إعداد العينات، تنتشر الجسيمات فقط على ساترة والمصورة مع المجهر الضوئي للتحقق من الترتيب العام قبل إدراجها (ساترة مع المجهرية الدقيقة متفرقة) بين صاحب PZT وPZT. منذ التصاق سطح قوي بما فيه الكفاية لعقد المجهرية الدقيقة الفردية على الركيزة، يتم إصلاح الجزيئات تلتزم بحزم ما لم يتم تطبيق قوة خارجية كبيرة. - التجمع قاذفة كهرضغطية
- الحصول على جميع مكونات قاذفة كهرضغطية: لوحة مسطحة القاع عازلة الفيلم، PZT، ساترة الزجاج، وخاتم من النحاس، صاحب PZT، اثنين من البراغي M6، والعلبة العينة.
- تطبيق طبقة رقيقة (أو الشريط) على لوحة أسفل لعزل PZT. ساترة الزجاج يعزل أعلى المكدس.
- تجميع كومة من توسيط PZT على الجزء العلوي من لوحة مسطحة معزول الآن مع الشريط، يليه ساترة، وخاتم من النحاس، وحامل PZT. المسمار كومة معا الحفاظ على مركزه من PZT لتجنب التقليل PZT لصاحب لو تجري كما هو مبين حامل في الشكل 2C و 2D. تقدم خاتم من النحاس والتحميل المسبق الميكانيكية وزعت بالتساوي على المكدس لحاملي PZT البلاستيك.
- وأخيرا، الغراء العلبة عينة إلى المكدس وجبل الجمعية على مرحلة متعدية XYZ في المجهر.
- تكوين قاذفة PZT
ملاحظة: يقود PZT مع إشارة عالية الجهد لديها المخاطر الكهربائية المحتملة. يرجى التشاور مع موظفي السلامة قبل التجربة. يجب تأمين كافة التوصيلات الكهربائية قبل التجربة. إيقاف مكبر للصوت وقطع PZT يؤدي كلما كان ذلك ممكنا.- ربط PZT يؤدي إلى مكبر للصوت الجهد وتوصيل مولد وظيفة إلى مدخل الميناء من مكبر للصوت الجهد.
- تشغيل مولد وظيفة وتكوين لتوليد موجات مربع مستمرة مع الجهد الناتج من 1 خامسا لا تولد إشارة الجهد حتى يتم التحقق من كافة الاتصالات وتأمينها.
- تشغيل مكبر للصوت الجهد وتوليد موجة مربعة من انتاج التيار الكهربائي 1 V من خلال تمكين الإخراج.
- ربط ميناء مراقبة الانتاج (الناتج الجهد 200 V) من مكبر للصوت الذبذبات. تكوين مكبر للصوت لكسب 200 V / V من خلال تحويلالحصول على مقبض الباب على اللوحة الأمامية. تحقق من أن الجهد مراقبة الانتاج لديه سعة من 1 V مقاسا الذبذبات.
- مرة واحدة يتم تكوين مولد وظيفة ومكبر للصوت، والعثور على تردد الرنين من قاذفة PZT عن طريق مسح تضمين التردد للإشارة القيادة بينما في الوقت الحقيقي صور الفيديو المجهر التقيد الجسيمات. تكرار المسح حتى حركة microparticle بحد أقصى. استخدام هذا التردد (64 كيلو هرتز هنا) للافراج عن الجسيمات.
ملاحظة: يتم تغيير التردد تعديل يدويا (الممسوحة ضوئيا) من صفر إلى 150 كيلو هرتز للعثور على تردد الرنين. - تكوين مولد وظيفة لتوليد موجة مربعة مع عدد محدد من الدورات في وضع الاندفاع. اضغط على زر "انفجار" على اللوحة الأمامية واختر "N دورة الانفجار".
- اختيار عدد تنفجر عن طريق الضغط على "# دورات" مفتاح لينة وتعيين عدد إلى 10 أو 20.
- تكوين الموجي مربع لتوليد إشارات الجهد معاتساع 600 V (ثلاث مرات الجهد تستخدم لإثارة مستمرة) على تردد الرنين من 64 كيلو هرتز التي وجدت من الخطوة السابقة. تحقق من أن إشارة النبض تصدر جسيمات الهدف بطريقة قابلة للتكرار من خلال ضمان الجزيئات تتحرك بعد كل نبضة.
- الانتقائي البصري فخ تحميل
ملاحظة: يتم تثبيت التجميع قاذفة PZT على الخطية مرحلة الترجمة س ص اليدوية. الجسيمات يمكن أن تترجم النسبي للتركيز شعاع ثابت عن طريق تحريك المرحلة متعدية.- إزالة عامل التصفية خط ليزر لتحديد تركيز شعاع محاصرة من قبل الدورية للبرج المجهر (الشكل 3A). نقل كتلة التركيز بمحركات ذهابا وإيابا عموديا حول أفضل بؤرة الصورة واضحة لتحسين التركيز.
- حالما يتم التحقق من موقف التركيز، وطرح مرشح إلى إعطاء اضح الفيديو في الوقت الحقيقي دون تدخل من شعاع محاصرة.
- ترجمة العينة إلى pالرباط الجسيمات المختارة في موقف تركيز الليزر محاصرة. التركيز على الجسيمات إلى صورة المركز من الجسيمات المحدد، الذي يضع موقف محاصرة الاسمي أقل من مركز الجسيمات بحوالي نصف قطرها مع ترك موقف الارتفاع فوق الجسيمات.
- ضبط التيار الكهربائي متصلا سائق الكهربائية الضوئية المغير (بعثة مراقبة الانتخابات) لضبط السلطة محاصرة البصرية. قوة الأمثل يعتمد على حجم الجسيمات والمواد. تم العثور على الطاقة الضوئية من خلال التجارب المتكررة لتحديد قوة كافية لحلق في الهواء والجسيمات دون طرده من شعاع. هنا، استخدام الطاقة الضوئية من 140 ميغاواط في طائرة الوصل الخلفي من الهدف إلى اعتراض الجسيمات 20 ميكرون قطر البوليسترين (PS).
- بعد محاذاة وسط الجسيمات المحدد، تحفيز قاذفة كهرضغطية مع العديد من البقول. تغيير الصورة جسيم من صورة مركزة ثابتة إلى متحركة وضوح الصورة ويشير تحميل ناجحة لليفموقف itation.
- ترجمة الجسيمات السابحة عموديا حول ملليمتر فوق الركيزة عن طريق تحريك العدسة الشيئية واحد لمنع التفاعلات سطح ممكنة. ثم لحد من الطاقة الضوئية للانتقال الجسيمات السابحة (الشكل 3B) في الاسمي موقف محاصرة (الشكل 3C) الذي هو أكثر استقرارا.
ملاحظة: الطاقة الضوئية من محاصرة ليزر يمكن عن طريق التضمين المغير الكهربائية الضوئية (بعثة مراقبة الانتخابات). بعثة مراقبة الانتخابات ينظم انتاج الطاقة مع الجهد التحيز توفيره من خلال إمدادات الطاقة الرقمي. يمكن للمرء أن يلاحظ الانتقال من الارتفاع لمحاصرة الموقف من خلال اتفاقية مكافحة التصحر في حين يقلل ببطء الطاقة الضوئية. - لقياس الموقف، كما هو مبين في الشكل 3C إلى 3D، وتحرك بحذر وسط حامل PZT إلى المحور البصري ثم حرك العدسة الشيئية حتى (عموديا) لترجمة الجسيمات في وسط عينة الضميمة (9 ملم فوق SUBSTRأكل) حيث يتم تصغير الحقل الكهربائي هامش.
- بعد أداء القياس كما هو موضح أدناه، وضع الجسيمات على الركيزة عن طريق تحريك الهدف لأسفل حتى يلامس الجسيمات الركيزة. منذ تطبق معظم الجسيمات بالقرب من الزوايا، والجسيمات المحاصرين يمكن التعرف عليه بسهولة، وعندما يتم وضعها في المنطقة الوسطى المحاصرين من جديد. وهذا يمكن عكسها فخ تحميل لقياس التغيرات التي تحدث ما وراء الحدث محاصرة واحد مثل التفاعلات الاتصال من الجسيمات والركيزة.
3. الحصول على البيانات
- محاذاة المكثف وعدسة التركيز على تحقيق أقصى قدر من QPD "SUM" إشارة مع الجسيمات في الفخ.
- محاذاة عدسة التركيز إلى الصفر اسميا القنوات X و Y من QPD، كما هو مبين في الشكل 4C.
- كرر تعديل المكثف وعدسة التركيز حتى إشارات موقف فورييه تحولت (أو كثافة طيف الطاقة (PSD) المؤامرات) من X و Y قنوات ركب لإظهار حساسية متوازنة. إشارات QPD محاذاة بشكل صحيح (X و Y) تظهر سلوك مطابق تقريبا، كما هو مبين في الشكل 4B.
- حالما يتم التحقق من التوافق QPD، توصيل مكبر للصوت الجهد لوحات ايتو اثنين. توصيل إشارة خرج مراقبة الجهد من مكبر للصوت لنظام دق لتسجيل إشارة خطوة الإثارة والناجمة عن الجسيمات مسار متزامن.
- تزويد موجة مربعة المستمرة من 400 V لتوليد مجال كهربائي (الشكل 4D) التي تتحرك الجسيمات بشكل مستعرض على المحور البصري بنحو 500 نانومتر (الشكل 4E). قياس استجابة خطوة من الجسيمات المحاصرين باستخدام QPD.
- متوسط فترات متعددة حسب الحاجة للحد من آثار الحركة البراونية. الحركة التي يسببها يمكن استخدامها لقياس القوة البصرية على نطاق أوسع من الحركة من أن التقلبات الحرارية. 12،EF "> 17 الشكل 4D والعروض 4E بلغ متوسط إشارات من الجهد التطبيقية ومسار الجسيمات التي يسببها أكثر من 50 تكرار الخطوة الإثارة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
تم تصميم قاذفة PZT باستخدام حزمة برامج CAD. هنا، ونحن نستخدم بنية شطيرة بسيط لتحميلها مسبقا (فرضت على PZT مع اثنين من لوحات)، كما هو مبين في الشكل 2. حامل PZT والعلبة عينة يمكن أن تكون ملفقة من مجموعة متنوعة من المواد والأساليب. للمشاركة في مظاهرة سريعة، نختار الطباعة 3D مع بالحرارة كما هو موضح في الشكل 2D. على أساس المكونات ملفقة، ويظهر البصرية فخ تحميل في الشكل (3). لتحميل انتقائية، يتم حظر الليزر محاصرة ينعكس خلال التجربة من قبل مرشح المثبتة على برج المجهر لحماية الكاميرا CCD في حين أن الضوء المرئي يمر مرشح للتصوير في التفكير كما هو موضح في الشكل 1. يسهل كاميرا CCD معايرة أيضا الكمي قياس من خلال السماح للقياس قطر الجسيم وكشف موقف إضافي. قطر هدفاالجسيمات يمكن أن تستخدم لحساب كتلة والتي ينتج فخ صلابة من التردد الطبيعي، كما هو مبين أدناه. تستخدم مسارات قياسها باستخدام كاميرا CCD أيضا لمعايرة الجهد إشارة QPD لقياس التشرد. 12
بمجرد المحاصرين الجسيمات، وتشتت مشرق من ليزر أحمر يسمح للجسيمات المحاصرين لا بد من الاعتراف بالعين المجردة، كما هو مبين في الشكل رقم 1 (أقحم الصورة). أيضا، يمكن للصور في الوقت الحقيقي من الركيزة تحديد ما إذا كان قد حوصر الجسيم لأنه على ارتفاع مختلفة (التركيز) من المجهرية الدقيقة أخرى انضمت إلى الركيزة (الشكل 3). والمجهرية الدقيقة يمكن محاصرين في موقعين: موقف محاصرة وموقف الارتفاع. في موقف محاصرة قوات البصرية استقرار الجسيمات في كل الاتجاهات. في المقابل، في موقف الارتفاع الجسيم يستقر فقط transversاعل من قبل قوات البصرية. في رأسي ومتوازنة القوة الصاعدة من ضغط الإشعاع عن طريق الجاذبية. مع طريقة تحميل لدينا، يتم تسليم الجسيمات اختيار عموما إلى موقف الارتفاع. في موقف الارتفاع، والموقع الرأسي للالجسيمات المعلقة هو أكثر حساسية للتغيرات في الطاقة الضوئية من في موقف محاصرة بالقرب من التركيز. 18 يمكن للمرء أن يتحرك رأسيا الجسيمات repeatably بين هذه المواقف مستقرة اثنين متفاوتة من الطاقة الضوئية. لديه موقف الارتفاع أيضا أعلى حساسية لقوى خارجية من موقف محاصرة الاسمي بسبب صلابة فخ تصبح أكثر ليونة بمثابة الضوء ينتشر بعيدا عن التركيز. ولذلك، فإن موقف الارتفاع يمكن أن تستخدم أيضا لقياسات أكثر حساسية عندما لا يهيمن الضجيج التشريد من قبل الحركة البراونية. عندما يتم الضوضاء موقف محدودة حراريا كما هو الحال هنا، والحد من زيادة صلابة كل من حساسية والضوضاء حتى لا يكون هناك أي مكسب وأو قياس الدقة.
ويتم رصد حركة الجسيمات المحاصرين من قبل QPD وسجلت من قبل مجلس دق. يتم تسجيل إشارة QPD في المجال الزمني (الشكل 4C) وفورييه تحول (الأرقام 4A و 4B). محاذاة الشاملة يمكن التحقق بشكل ملائم من خلال مقارنة الأطياف قوة قناتين شعاعي (X و Y). إذا لم يتم فرضه انهم (الشكل 4A)، محاذاة البصرية لابد من تصحيحها حتى يحدث تراكب (كما هو موضح في الشكل 4B).
يظهر مسار الجسيمات على حد سواء البراونية والحركة الباليستية كما هو مبين في الشكل (4). يمكن استخدام الوقت ومجال التردد التحليلات لتفسير هذه القياسات. وأدخلنا نهجين لإجبار قياس والتي تسمح فهم أكثر اكتمالا من فخ البصرية بمقارنة الحركة البراونيةإلى الحركة البالستية الناجم عن قوة كهرباء. يتم تحويل مسار الجسيمات عن الحركة البراونية تحت أي مجال الكهرباء إلى الكثافة الطيفية السلطة ومن ثم يمكن تحليلها بواسطة غير الخطية تناسب الأقل مربع حل المعادلة انجيفين كاملة. 19 هذا التحليل من مديرية الأمن العام غلة تردد الرنين والتخميد بالقرب من مركز الفخ. يتم تحويل تردد الرنين لصلابة فخ باستخدام كتلة معروفة في الصيغة 
. تشريد يقاس ثم يعطي القوة البصرية باستخدام صيغة لربيع F = -kx.
حركة ذاتية الدفع الناجمة عن تغير خطوة في مجال الكهرباء ويمكن أيضا أن تسفر عن تردد الرنين من فخ والتخميد من المتوسط. 12 ونحن إزالة الحقل الكهربائي من الجسيمات المحاصرين، سيتم الافراج عن الجسيمات إلى return إلى position.as التنصت خالية من الحقل هو مبين في الشكل 4D و4E. تشريد وظيفة من الوقت يمكن أن يكون لائقا للحل العام للمذبذب التوافقي ثبط لإعطاء تردد الرنين، التخميد، وتشريد ثابتة للدولة. كل من هذه الأساليب نفترض أن الجسيمات في فخ بمثابة ربيع الخطي. ويمكن تمديد هذه القياسات إلى (غير الخطية) القوات العامة باستخدام أسلوب القوة حدودي. 12 تفاصيل التحليل مديرية الأمن العام وتحليل القوة حدودي ليست هي التركيز في هذا البروتوكول ولكنها يمكن أن تكون وجدت من الأدب. 12 و 19
الشكل 1: الخطط من الإعداد التجريبية المستخدمة في الانتقائي تحميل فخ البصرية في الهواء. واحد العارضة قوة الانحدار ر البصريتم تطوير الراب على المجهر الضوئي المقلوب. وترد المختصرات المستخدمة في التخطيطي أدناه: بعثة مراقبة الانتخابات، الكهربائية الضوئية المغير. HAL، الهالوجين إضاءة. MFS، بمحركات تركز المرحلة؛ الهدف الجرد الوطني LWD، الأشعة تحت الحمراء تصحيح المسافة العمل الطويلة عدسة الهدف. TS، مرحلة الترجمة (س-ص). PZT، محول كهربائي ضغطي. ESM، كهرباء المغير الميدان؛ ND، محايد مرشح كثافة. QPD، رباعي خلايا مكشاف ضوئي. DM، مرآة عازلة. ايتو، الإنديوم coverslips أكسيد القصدير مطلي. CCD، تهمة كاميرا الجهاز بالإضافة. الحنة الهيليوم نيون ليزر (633 نانومتر)؛ ثانيا: YVO 4، 1064 نانومتر ليزر لمحاصرة. 12 الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: تلفيق من الكهروإجهادية قاذفة عاصمبلاي. (أ) وصور المعادين للحامل PZT باستخدام حزمة برامج CAD في شكل "-.SLDPRT" و (ب) شكل "-.STL" للطباعة 3D. (ج) تقديم الصورة من التجميع النهائي للقاذفة كهرضغطية: الضميمة عينة (مع coverslips ايتو مغلفة)، حامل PZT، خاتم الفاصل، عصابة من نوع PZT، لوحة الألومنيوم، coverslips. (د) صورة من التجميع النهائي. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل (3): خطوة مظاهرة الخطوة من الانتقائية فخ البصرية تحميل من 20 ميكرون PS الجسيمات. (أ) تحديد مكان وجود تركيز شعاع محاصرة، (ب) الرفع الجسيمات فوق التركيز (الجزءصورة ICLE هو طمس قاتمة بسبب موقف الارتفاع هو أعلى بكثير من التركيز المجهر الاسمي) و (ج) التحول في موقف محاصرة (اسميا في التركيز)، ثم (د) تحريك الجسيمات المحاصرين في المنطقة الوسطى للحصول على البيانات. والمحاصرين الجسيمات في موقع ثابت للتركيز شعاع في حين انتقل إلى مرحلة العينة كما هو مبين مع السهم الأصفر في الشكل 3D (مقياس بار = 100 ميكرون). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: QPD الملتقطة الجسيمات مسارات في كل من التردد والوقت المجال. (أ) ويظهر الإعداد التجريبية الانحياز سيئة تردد انخفاض مستوى الضجيج والضوضاء قمم على ترددات محددة في حين (ب) عناصر أمنية مطابقة تماما للمحور x و Y-تشير محاذاة البصرية الصحيحة. (ج) يسجل QPD الحركة البراونية للجسيمات المحاصرين في المجال الزمني. (ه) تغير خطوة في الحقل الكهربائي التطبيقية عبر الجسيمات المحاصرين يتم تسجيلها بشكل متزامن مع يسببها (د) الحركة البالستية من خلال (دق) نظام الحصول على البيانات. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
تم تصميم قاذفة كهرضغطية لتحسين الأداء الديناميكي للPZT المحدد. الاختيار السليم للمواد PZT وإدارة الذبذبات فوق الصوتية هي الخطوات الرئيسية لانتاج تجربة ناجحة. PZTs لها خصائص مختلفة اعتمادا على نوع من محول (بالجملة أو مكدسة) والمواد المكونة (أو القوة الناعمة). كما يتم اختيار PZT نوع الأكبر مصنوعة من مادة كهرضغطية الصعبة للأسباب التالية. أولا، المواد كهرضغطية الصلبة لديها خسائر عازلة أقل وأعلى جودة عامل ميكانيكي من مواد لينة. ثانيا، يمثل نوع PZT بالجملة على الحمل الكهربائي أقل وأسهل لدفع بترددات عالية من نوع محول مكدسة. تحت عملية ديناميكية، يمكن عالية السعة التذبذب يسبب القوات الشد على السيراميك PZT إلغاء تحميل التي تؤدي إلى عطل ميكانيكي. ويستخدم هيكل تحميلها مسبقا الميكانيكية لتوفير ثبات الحمل للحد من رد فعل عنيف وتعزيز الأداء الديناميكي للPZT. والتقىيتم إدخال allic هل حلقة بين صاحب PZT وعصابة من نوع PZT. هذا الفاصل حلقة معدنية يركز السلطة بالموجات فوق الصوتية وتوزع بالتساوي حول الحلبة (أي المحليين متفاوتة) الضغط (يمكن بسهولة كسر ساترة.). مع قاذفة PZT مصممة تصميما جيدا، المحاذاة الصحيحة للجسيمات لشعاع محاصرة في كلا الاتجاهين المحورية والشعاعية تحدد كفاءة فخ التحميل. إذا لم يتم السابحة الجسيم بنجاح بعد ينبض، كرر محاذاة الركيزة ونقل التركيز قليلا أقل من الجسيمات للعثور على موضع التحميل البصرية. لعدسة الهدف القريب من الأشعة تحت الحمراء تصحيح، يتم تعيين تركيز شعاع محاصرة أن تكون قليلة ميكرومتر تحت الطائرة العينة التي تركز على اتفاقية مكافحة التصحر. قوة محاصرة المثلى اللازمة لالمجهرية الدقيقة فخ يختلف لحجم التغييرات microparticle الهدف. 13 ويمكن الاطلاع على السلطة محاصرة الأمثل تجريبيا من خلال التجربة والخطأ. الطاقة المطلوبة هنا (140 ميغاواط) هومرتفعة نسبيا نظرا لانخفاض NA والعمل لمسافات طويلة المستخدمة.
نحن هنا أثبت عكسها فخ تحميل 20 ميكرون PS الجسيمات. ومع ذلك، يمكن أن يمتد نهجنا لجسيمات أصغر. لالمجهرية الدقيقة الصغيرة، قد لدينا قاذفة PZT الحالية غير قادرة على توفير ما يكفي من السلطة بالموجات فوق الصوتية لفصل الجسيمات. وقد تبين أن استخدام أسرع الدائرة PZT القيادة للافراج عن جسيمات أصغر. 20 وبالإضافة إلى ذلك، على سطح التصاق منخفضة يمكن أن يكون نهجا بديلا. و21 الحد من التصاق بين المجهرية الدقيقة والركيزة تخفيف الحد الأدنى من السلطة بالموجات فوق الصوتية اللازمة لفصل الجسيمات وبالتالي يمكن أن تستخدم أيضا لدينا قاذفة PZT الحالية لفصل جسيمات أصغر.
معظم تقنيات التحميل التقليدية هي العمليات العشوائية التي يتم إنشاء العديد من قطرات مع شوائب صلبة بشكل مستمر حتى واحد منهم هو المحاصرين بالصدفة بالقرب من تجمع دول الساحل فخثالثا. وبالتالي هذه التقنية التقليدية قد لا يكون مناسبا لمحاصرة العينات مع كمية محدودة أو الحفاظ على العينات موحدة. في البروتوكول، ونحن لشرح عكسها الضوئية فخ تحميل والذي يتضمن دورات متكررة من فخ التحميل والإنزال. وهذا يتيح تجارب فريدة من نوعها، على سبيل المثال دراسة تراكم المسؤول عن الجسيمات. 22 وأكد القائمون على الجسيمات المحاصرين يمكن قياسها عن طريق تركيب الاستجابة العابرة (الشكل 4D) إلى الحل الأمثل للمذبذب التوافقي بطريقة مربع غير الخطية الأقل. النزوح الناجم عن ضرب مصيدة صلابة يعطي القوة الكهروستاتيكية التي تسمح حساب المسؤول من قوة الحقل الكهربائي المعروف (التي قدمها الجهد المطبق مقسوما على المسافة بين اثنين من موازية لوحات ايتو مغلفة). 12 ويمكن تمديد هذا القياس تهمة بسيطة لدراسة تفاعل الجسيمات السطح عندما جنبا إلى جنب مع TECHNI تحميل فخ عكسهاأظهرت كيو هنا. 22
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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.
- 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. , Brooks/Cole. (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. , New York. 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).
