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
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Varning: Kontakta alla relevanta säkerhets program innan försöket. Alla experimentella procedurer som beskrivs i detta protokoll utförs i enlighet med NIST lasersäkerhet programmet samt andra tillämpliga regler. Var noga med att välja och använda lämplig personlig skyddsutrustning (PPE), såsom laserskyddsglasögon avsedda för specifik våglängd och effekt. Hantering torra nano / mikropartiklar kan kräva ytterligare andningsskydd.
1. Design och tillverkning av en PZT försäljning och en provbehållaren
- Utforma en PZT hållare och en provbehållaren
OBS: Särskilda dimensioneringsvärden varierar beroende på valet av en PZT.- Öppna datorstödd konstruktion (CAD) programpaketet. Rita en tvådimensionell (2D) skiss av en hållare för en given PZT dimension. Utveckla 2D skiss till volym funktioner med hjälp av kombinationer av Extrude / Extrude-cut.
- Klicka Skiss,rita en rektangel och pressa den för att göra en rektangulär kub.
- Skissa en skiva på ovansidan av kuben för att definiera en cirkulärt försänkt funktion för att täcka och hålla ringen-typ PZT.
- Definiera ett centralt hål för att få en optisk access till både realtidsavbildning och fångst.
- Definiera en cirkulär styr längs kanten av det centrala hålet för att sätta in en ring platt metallisk (koppar) för att koncentrera ultraljudsenergin mot mittområdet som visas i Figur 2 a.
- Skapa två borrhål för M6-skruvar på PZT hållaren ska monteras med en bottenplatta (köpt, 4 mm tjock botten aluminiumplåt med ett hål i mitten), som visas i figur 2c och 2d.
- På ett liknande sätt, designa en rektangulär ram av provinneslutningen. Klicka Skiss, och rita en rektangel, pressa rektangeln för att göra det en rektangulär låda.
- Rita en mindre rektangel på den övre ytan av den rektangur box och pressa skuren rektangeln att göra det så ett rektangulärt rör.
- Rita en mindre rektangel på sidoväggen av röret och Extrude-cut att omvandla den till ramen hos provbehållaren box.
- Omvandla dessa tredimensionella (3D) modeller i en stereolitografi (STL) filformat för en 3D tryckprocess (figur 2b).
- 3D-utskrifter av designade föremål
- Öppna designfilen ( "-.STL") från 3D-skrivare operativsystem. Lägg objektet platt 0 / .och centrum objektet på (0, 0, 0) genom att klicka på objektet för att markera den och med hjälp av justeringsfunktioner: "Move", "On Platform", och "Center". Orientera PZT innehavaren att möta de fina drag uppåt. Den försänkta ytan kommer att ställas inför uppåt.
- I menyn gå till "Inställningar" och "Quality". Ställ in tryckvärdena enligt följande, Ifyllnad: 100%, Antal skal: 2, och Layer höjd: 0,2mm.
- Förhandsgranska objekt att kontrollera den totala utskriftstiden och se till att de lagrade objekt kommer att skrivas om så önskas. Exportera 3D utskriftsfilen i en ".x3g" format och spara den i bruk i 3D-skrivare.
- Slå på 3D-skrivare och värm upp tills temperaturen hos sprutmunstycket når en arbetstemperatur, 230 ° C. Ladda designfilen från ett minneskort eller en nätverksenhet.
- Under uppvärmningen, placera Build plattform med blå målartejp för att hjälpa föremål fästa ordentligt. Som ett termoplastiskt material för utskriften, använd en polymjölksyra (PLA) glödtråden för båda objekten.
- Skriv ut designade föremål. När utskriften är klar, stäng av skrivaren när den har svalnat.
- Lossa den tryckta objekt från plattformen med hjälp av en mejsel. Räta upp de tryckta objekt. Om orienteringen är lämpligt valda, kan PZT-hållaren användas direkt utan ytterligare efterbearbetning.
- for provet inneslutningen, förbereda ett par av indiumtennoxid (ITO) belagda täckglas och tre glas täckglas för att täcka ramen. Använd en diamant fräs för att passa täck till inneslutningen.
- Tråd två parallella ledande plattor med hjälp av en snabbtorkande silverfärg för att leverera spänningen över två plattor. Limma dessa fem fönster på provinneslutningen med hjälp av en omedelbar lim.
OBS: ett par av ITO belagda täckglas är installerade på provinneslutningen parallellt (vända mot varandra) för att ge likformigt elektriskt fält och för att generera ballistisk rörelse av det naturligt laddad partikel längs det elektriska fältet. De tre konventionella täck täcka resten av provbehållaren ytor (topp och två andra sidor) för att skydda instängda partikeln från den externa luftflödet
2. Optisk Trap Lastning av en vald mikropartikel
- provberedning
- Lagra mikropartiklarna i enevakuerad exsickator för att minska kontakt med fukt i luften före experimentet.
- Häll ut en liten del av mikropartiklar på en glasskiva och omedelbart sätta tillverkningen flaska tillbaka i exsickatorn.
- Plocka upp några av mikropartiklarna med ett glaskapillärrör. Scatter partiklarna över underlaget genom att försiktigt trycka på kapillär medan du håller kapillären över täck.
- Kontrollera kvantitet och distribution av avlagrade partiklar på substratet med användning av en mörkfältsmikroskop.
Obs: I provberedning steget partikeln bara utspridda på en täck och avbildas med ett optiskt mikroskop för att kontrollera övergripande arrangemang innan du sätter dem (en täck med spridda mikropartiklar) mellan PZT och PZT hållare. Eftersom vidhäftning är tillräckligt stark för att hålla enskilda mikropartiklar på substratet, är de vidhäftade partiklarna ordentligt fast om betydande extern kraft appliceras. - Piezoelektrisk launcher monteringen
- Erhålla alla komponenter i den piezoelektriska launcher: den plana bottenplattan, isolerande film, PZT, glaset täckglas, en kopparring, PZT hållaren, två M6-skruvar, och provet inneslutningen.
- Applicera en tunn film (eller band) på bottenplattan för att isolera PZT. Glaset täckglas isolerar toppen av stacken.
- Montera stapeln genom att centrera PZT ovanpå den plana plattan nu isolerad med tejp, följt av täckglaset, kopparringen, och PZT hållaren. Skruva stapeln tillsammans bibehålla centreringen av PZT att undvika kortslutning PZT till innehavaren om innehavaren genomför som visas i figur 2c och 2d. Kopparringen ger en jämnt fördelad mekanisk förspänning på stacken för plast PZT innehavare.
- Slutligen, limma provinneslutningen på stacken och montera enheten på en XYZ translationell skede i mikroskopet.
- Konfiguration av PZT-launcher
OBS: Att köra PZT med en hög spänningssignal har potentiella elektriska faror. Rådgör med säkerhetspersonal innan försöket. Alla elektriska anslutningar ska säkras innan experimentet. Stäng av förstärkaren och koppla PZT leder när det är möjligt.- Anslut PZT leder till spänningsförstärkaren och ansluta funktionsgeneratorn till en ingångsport hos spänningsförstärkaren.
- Slå på funktionsgeneratorn och konfigurera den för att generera kontinuerliga fyrkantsvågor med en utspänning av en V. inte generera spänningssignalen tills alla anslutningar kontrolleras och säkras.
- Slå på spänningsförstärkaren och generera den fyrkantsvåg av utspänning 1 V genom att aktivera utgången.
- Ansluta övervakningsutgångsport (utspänning 200 V) på förstärkaren till ett oscilloskop. Konfigurera förstärkaren att ha förstärkning på 200 V / V genom att vridafå ratten på frontpanelen. Kontrollera att övervaknings utspänningen har en amplitud på 1 V, mätt med oscilloskopet.
- När funktionsgeneratorn och förstärkaren är konfigurerade, hitta den resonansfrekvensen hos PZT launcher genom svepning av moduleringsfrekvensen hos drivsignalen medan realtidsvideomikroskopbilder vidhäftade partiklar. Upprepa skanning tills mikropartikeln rörelse är ett maximum. Använd denna frekvens (64 kHz här) för att frigöra partiklar.
OBS: modulationsfrekvensen ändras manuellt (skannade) från noll till 150 kHz för att hitta resonansfrekvensen. - Konfigurera funktionsgeneratorn för att generera en fyrkantsvåg med ett bestämt antal cykler i skurmoden. Tryck på "Burst" -knappen på frontpanelen och välj "N Cycle Burst".
- Välj brast räkningen genom att trycka på "# Cycles" funktionsknappen och ställ in räkna till 10 eller 20.
- Konfigurera den fyrkantiga vågformen för att generera spänningssignaler meden amplitud på 600 V (tre gånger den spänning som används för kontinuerlig excitering) vid resonansfrekvensen hos 64 kHz som har funnit från föregående steg. Kontrollera att pulssignalen släpper målet partikel i ett repeterbart sätt genom att partiklarna rör sig efter varje puls.
- Selektiv optisk fälla lastning
OBS: PZT launcher monteringen är installerad på en manuell linjära överförings xy-plattformen. Partiklarna kan översättas relativt den inspända balken fokus genom att förflytta translationsstadiet.- Avlägsna laserlinjen filter för att identifiera fokus för infångnings strålen genom vridning av mikroskopet revolver (figur 3a). Flytta motoriserade fokus blocket och tillbaka vertikalt kring den bästa fokus synliga bilden för att optimera fokus.
- När verifieras fokusläget, sätta tillbaka filtret för att ge en tydlig video i realtid utan inblandning från fångsttrålen.
- Översätt provet till pspets en vald partikel vid fokuspositionen av fångst laser. Fokusera på partikeln till bilden centrum av en vald partikel, vilket ställer det nominella infångnings läge under partikelkärna med ungefär en halv radie under kvarlämnande av levitation läge ovanför partikeln.
- Justera strömförsörjningen är ansluten till modulatorn (EOM) drivrutin elektrooptisk att ställa in optiska fångst makt. Den optimala strömmen beror på partikelstorlek och material. Den optiska effekten befanns genom upprepade försök att bestämma den effekt är tillräcklig för att sväva partikeln utan att mata ut det från strålen. Här använder en optisk effekt av 140 mW vid det bakre fokalplanet av målet för att fånga de 20 pm diameter polystyren (PS) partiklar.
- Efter mitten av den valda partikeln är i linje, aktivera den piezoelektriska bärraket med flera pulser. Förändringen av partikel bild från en statisk fokuserad bild på en rörlig suddiga bilden indikerar framgångsrik lastning till levitation position.
- Översätta svävande partikel vertikalt om en millimeter ovanför substratet genom att flytta objektivet upp för att förhindra eventuella ytinteraktioner. Därefter minska den optiska effekten att övergången den svävande partikel (figur 3b) till den nominella infångningsposition (figur 3c) som är stabilare.
OBS: Den optiska effekten av svällning laser kan moduleras av en elektrooptisk modulator (EOM). EOM reglerar uteffekten med en förspänning tillförs genom en digital strömförsörjning. Man kan observera övergången från levitation att fånga position genom CCD medan minskar långsamt optisk effekt. - För positionsmätningen, såsom visas i figur 3c till 3d, noggrant flytta centrum av PZT hållaren mot den optiska axeln och sedan flytta objektivlinsen upp (vertikalt) för att översätta partikeln in i mitten av provbehållaren (9 mm över substråt) där luggen elektriska fältet minimeras.
- Efter att ha utfört mätningen som beskrivs nedan, placera partikeln på substratet genom att flytta målet ner tills partikel vidrör substratet. Eftersom de flesta av de partiklar appliceras nära hörnen, kan den fångade partikeln lätt kan kännas igen och åter instängd när den placeras i det centrala området. Detta möjliggör reversibel fälla belastning för att mäta förändringar som sker utanför en enda fångsten såsom kontakt interaktion mellan partikeln och substratet.
3. Data Acquisition
- Rikta kondensorn och den fokuserande linsen att maximera QPD "SUM" -signal med en partikel i fällan.
- Rikta den fokuserande linsen att nominellt noll X- och Y-kanalerna i QPD, såsom visas i figur 4c.
- Upprepa justering av kondensorn och fokuseringslinsen tills Fourier transformerade positionssignalerna (eller kraftspektrum täthet (PSD) tomter) av X- och Y-kanalerna läggs ovanpå visa balanserad känslighet. Korrekt inriktade QPD signaler (X och Y) visar nästan identisk beteende, såsom visas i figur 4b.
- När QPD inriktning kontrolleras ansluter spänningsförstärkaren till de två ITO plattorna. Anslut spänningsövervakning utsignalen från förstärkaren till DAQ system för att registrera steg exciteringssignalen och den inducerade partikel bana synkront.
- Leverera en kontinuerlig fyrkantsvåg med 400 V för att generera ett elektriskt fält (figur 4d) som rör sig partikeln tvärs den optiska axeln med omkring 500 nm (figur 4e). Mät stegsvar fångade partikeln med hjälp av QPD.
- Genomsnittlig flera perioder som krävs för att minska effekterna av Brownsk rörelse. Den inducerade rörelsen kan användas för att mäta den optiska kraften över ett bredare rörelseområde än den för termiska fluktuationer. 12,ef "> 17 Figur 4d och 4e visar i genomsnitt signaler om pålagd spänning och den inducerade partikelbanan över 50 iterationer av steg excitation.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
PZT launcher är konstruerad med ett CAD-program paket. Här använder vi en enkel sandwichstruktur för förspänning (en PZT fastklämd med två plattor), såsom visas i figur 2. Den PZT hållaren och provbehållaren kan tillverkas av en mängd olika material och metoder. För en snabb demonstration, väljer vi 3D-utskrifter med termoplast som visas i figur 2d. Baserat på de tillverkade komponenter, är optisk fälla lastning visas i figur 3. För selektiv lastning, är den reflekterade fånga laserblockeras under experimentet genom ett filter installerat på ett mikroskop torn för att skydda CCD-kameran medan det synliga ljuset passerar filtret för avbildning i reflektion, såsom illustreras i Figur 1. En kalibrerad CCD-kamera underlättar också kvantitativ mätning genom att tillåta mätning av partikeldiameter och ytterligare positionsdetektering. Diametern av ett målpartikel kan användas för att beräkna massan som ger fälla styvhet från den naturliga frekvensen, såsom diskuteras nedan. Banorna uppmätt med hjälp av CCD-kameran används också för att kalibrera QPD spänningssignalen för att mäta förskjutningen. 12
När väl partikeln är instängd, ljus-spridning från en röd laser tillåter den fångade partikeln skall erkännas med blotta ögat, såsom visas i figur 1 (infälld fotografi). Dessutom kan realtidsbilder av substratet avgöra om partikeln har varit instängda eftersom det är på en annan höjd (fokus) från andra mikropartiklar vidhäftade till substratet (Figur 3). Mikropartiklarna kan fastna i två lägen: en fångstläge och en levitation läge. I infångningsläget, optiska krafter stabilisera partikeln i alla riktningar. Däremot i den levitation positionen partikeln endast stabiliserade transversely optiska styrkor. I den vertikala den uppåtriktade kraften från strålningstryck balanseras av tyngdkraften. Med vår laddningsmetod är vald partikeln i allmänhet levereras till en levitation läge. Vid levitation positionen, är den vertikala placeringen av det suspenderade partikel mycket mer känsliga för variationer i den optiska effekt än vid infångnings position nära fokus. 18 Man kan röra sig vertikalt partikeln repeterbart mellan dessa två stabila lägen genom att variera den optiska effekten. Den levitation ställning har högre känslighet för yttre krafter än den nominella fångst position eftersom fällan stelhet blir mjukare när ljuset utbreder bort från fokus. Därför kan levitation läge även användas för mer känsliga mätningar när förskjutning buller inte domineras av Brownsk rörelse. När läget buller termiskt begränsad eftersom det är här, minskar styvheten ökar både känslighet och buller så det finns ingen vinst feller precisionsmätning.
Rörelsen hos den instängda partikeln övervakas av en QPD och registreras av en DAQ board. Den QPD signalen upptecknas i tidsdomänen (figur 4c) och Fourier-transformerade (figurerna 4a och 4b). Den övergripande inriktningen kan lämpligen kontrolleras genom att jämföra effektspektra för två radiella kanaler (X och Y). Om de inte är överlagrade (figur 4a), har den optiska inriktningen som skall korrigeras tills överlagring inträffar (såsom visas i fig 4b).
Partikel bana visar både Brownsk och ballistisk rörelse som visas i Figur 4. Tids- och frekvensdomänanalyser kan användas för att tolka dessa mätningar. Vi har infört två tillvägagångssätt för att kraftmätning som tillåter mer fullständig förståelse av den optiska fällan genom att jämföra Brownsk rörelsedet ballistiska rörelse induceras av en elektrostatisk kraft. Partikel förloppet för Brownsk rörelse under inga elektrostatiska fältet omvandlas till den spektrala effekttätheten som sedan kan analyseras genom en icke-linjär minsta kvadratanpassning av lösningen av den fulla Langevin ekvation. 19 Denna analys av PSD ger resonansfrekvensen och dämpningen i närheten av fällan centrum. Resonansfrekvensen omvandlas till fällan styvhet med hjälp av känd massa i formeln 
. Den uppmätta förskjutningen ger sedan den optiska kraft med formeln för en fjäder F = -kx.
Den ballistiska rörelse induceras av en stegvis förändring av det elektrostatiska fältet kan också ge resonansfrekvensen hos fällan och dämpning av mediet. 12 När vi tar bort det elektrostatiska fältet från fångade partikeln kommer partikeln att släppas till rESlå till fält-fri tapp position.as som visas i figur 4d och 4e. Förskjutningen som funktion av tiden kan vara lämpligt att den allmänna lösningen till en dämpad harmonisk oscillator för att ge den resonansfrekvens, dämpning, och steady-state deplacement. Båda dessa tillvägagångssätt antar att partikeln i fällan fungerar som en linjär fjäder. Dessa mätningar kan utsträckas till allmänna (icke-linjära) krafter som använder den parametriska kraftmetoden. 12 Detaljerna i PSD analys och parametrisk kraft analys inte i fokus i detta protokoll, men de kan hittas i litteraturen. 12, 19
Figur 1: Schema av experimentuppställning används för selektiv optisk fälla Loading i Air. En enda stråle gradient kraft optisk trap är utvecklat på ett inverterat optiskt mikroskop. Förkortningar som används i schemat är listade nedan: EOM, electro-optisk modulator; HAL, halogen belysnings; MFS motoriserade fokus skede; NIR-LWD mål, infraröd korrigerade långa arbetsavstånd objektiv; TS, translationssteg (x-y); PZT, piezoelektrisk omvandlare; ESM, elektrostatiskt fält modulator; ND, neutral densitet filter; QPD, kvadrant-cellfotodetektor; DM, dielektrisk spegel; ITO, indiumtennoxid belagda täck; CCD, Charge Coupled Device kamera; HeNe, helium neon laser (633 nm); Nd: YVO 4, 1064 nm laser för fångst. 12 Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: Tillverkning av den piezoelektriska launcher Assembly. (A) Utsmält bilder av en PZT hållare med hjälp av CAD mjukvarupaket i en "-.SLDPRT" format och (b) "-.STL" format för 3D-utskrifter. (C) En renderad bild av slutmonteringen av den piezoelektriska launcher: provbehållaren (med ITO belagda täck), PZT hållare, ring distans, ring-typ PZT, aluminiumplåt, täck. (D) Bild på slutmontering. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: Steg för steg Demonstration av selektiv optisk fälla Lastning av en 20 um PS Partikel. (A) att placera fokus fånga strålen, (b) svävande partikeln ovan fokus (Delenkel bild är en svag oskärpa på grund av levitation utgångsläge ligger väl över den nominella mikroskop fokus), (c) övergår i infångningsläget (nominellt i fokus), och sedan (d) att flytta fångade partikeln till det centrala området för datainsamling. Partikeln är instängd vid en fast placering av strålens fokus medan provsteget förflyttas såsom anges med en gul pil i figur 3d (Skalstreck = 100 | j, m). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: QPD Fångad Partikel Trajectories Både i frekvens och tidsdomänen. (A) En dåligt inriktade experimentuppställning visar lågfrekventa buller och bullertoppar vid specifika frekvenser medan (b) väl matchade PSD av x- och y-axeln indikerar korrekt optisk inriktning. (C) En QPD registrerar Brownsk rörelse av det instängda partikeln i tidsdomänen. (E) En radikal förändring av tillämpad elektriskt fält över fångade partikeln synkront registreras med den inducerade (d) ballistisk rörelse genom datainsamling (DAQ) systemet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 mekanisk kvalitetsfaktor än mjuka material. För det andra utgör den största delen typ PZT en lägre elektrisk belastning och är lättare att köra på höga frekvenser än en staplad typ givare. Under dynamisk drift, kan hög amplitud svängning orsaka dragkrafter på ett obelastat PZT keramik som resulterar i ett mekaniskt fel. En mekanisk förbelastning struktur används för att tillhandahålla en konstant belastning för att minska dödgång och förbättra dynamiska prestanda PZT. En träffadeallic ring distans infogas mellan PZT hållaren och ring-typ PZT. Denna metallring spacer koncentrerar ultraljud makt och distribuerar det jämnt runt ringen (Alla lokala (ojämn) stress kan lätt bryta täck.). Med en väl utformad PZT launcher, korrekt inriktning av partikeln till infångningstrålen i båda axiella och radiella riktningar avgör effektiviteten i fällan lastning. Om partikeln inte framgångsrikt leviterade efter pulserande, upprepa substrat anpassning och flytta fokus lite under partikeln att hitta den optiska laddningspositionen. För det nära infraröda korrigerade objektiv, är i fokus för fångsttrålen inställd på att vara några få mikrometer under provplanet som fokuseras på CCD. Den optimala fångst effekt som krävs för att fånga mikropartiklar varierar storleken på mål mikropartikel förändringar. 13 Den optimala infångningskraften kan hittas empiriskt genom försök och misstag. Den effekt som krävs här (140 mW) ärrelativt hög på grund av den låga NA och långa arbetsavstånd användas.
Här har vi visat reversibla fälla laddning av en 20 um PS partikel. Däremot kan vår strategi utökas till mindre partiklar. För mindre mikro, vår nuvarande PZT launcher kanske inte kan ge tillräckligt med ultraljud makt för att lösgöra partiklarna. Användning av en snabbare PZT drivkrets har visats frisätta mindre partiklar. 20 Dessutom kan en yta med låg friktion vara ett alternativt tillvägagångssätt. 21 Minskning av adhesionen mellan mikropartiklar och substratet kommer att mildra det minsta ultraljudseffekt behövs för att lösgöra partikeln sålunda vårt nuvarande PZT bärraket kan också användas för att avskilja mindre partiklar.
De flesta konventionella lastteknik är slumpmässiga processer i vilka ett flertal aerosoldroppar med solida inneslutningar kontinuerligt genereras tills en av dem är fångade av en slump nära fällan center. denna konventionella teknik kan därför inte vara lämpligt för att fånga prover med en begränsad mängd eller hålla en jämn provtagning. I protokollet visar vi reversibel optisk fälla belastning som innefattar upprepade cykler av fälla lastning och landning. Detta möjliggör unika experiment, exempelvis studier av laddningsackumulering på partikeln. 22 Laddningen på den instängda partikeln kan mätas genom att montera det transienta svaret (Figur 4d) till den idealiska lösningen av harmoniska oscillatorn i en icke-linjär minsta kvadrat sätt. Den inducerade förskjutningen multiplicerat med fälla styvhet ger den elektrostatiska kraften som tillåter beräkning av laddning från den kända elektriska fältstyrkan (som ges av den pålagda spänningen dividerad med avståndet mellan de två parallella ITO belagda plattor). 12 Denna enkla laddningsmätning kan utökas för att studera interaktionen partikel-ytan när den kombineras med den reversibla fällan loading technique visade här. 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).
