Introduction
Ashkin fizik ve biyofizik temel çalışmalar için birincil araç olarak optik yakalama tekniklerinin geliştirilmesi teşvik 1970 1 romanı başarıda hızlanma ve radyasyon basıncı ile mikropartiküllerin yakalama bildirdi. Bugüne kadar, 2, 3, 4, 5, optik yakalama uygulama, sıvı ortamlarda esas olarak odaklanmıştır, tek biyomoleküllerin mekanik özellikleri koloitlerin davranışından, sistemler çok geniş bir çalışma için kullanılmıştır. 6, 7, gaz ortama optik yakalama 8 Uygulama Bununla birlikte, birçok yeni teknik sorunları çözmek gerekir.
Son zamanlarda, hava / vakum optik yakalama giderek temel araştırma uygulanmıştır. Optik levi yanatation potansiyel optik levitated parçacık, küçük nesnelerin 4 ölçüm yüksek frekanslı yerçekimsel dalgalar, 9 kuantum zemin durumlarını inceleyerek ve fraksiyonel ücret karşılığında aramak için ideal bir laboratuvar haline gelir, çevreye bir sistemin neredeyse tamamlama izolasyonu sağlar. 10 Üstelik, hava / vakum düşük viskoziteli biri Brown parçacığın 11 anlık hızını ölçmek için ataleti kullanmak ve doğrusal yay gibi rejimin ötesinde hareket geniş bir yelpazede üzerinde balistik hareket oluşturmanıza olanak sağlar. 12 Bu nedenle, detaylı teknik bilgi ve gaz medyada optik tuzakları uygulamalar geniş bir araştırma topluluğuna daha değerli hale gelmiştir.
Yeni deneysel teknikler gaz medyada optik tuzaklar içine nano / mikro parçacıkları yüklemek için gereklidir. Bir piezoelektrik transdüser (PZT), elektro dönüştüren bir cihaz,Mekanik-akustik enerjiye ic enerji, optik havalanma ilk gösterisinden bu yana hava / vakum 5 12 optik tuzaklar içine küçük parçacıkların teslim etmek için kullanılır olmuştur. 1 O zamandan beri, çeşitli yükleme teknikleri, ticari bir püskürtücü 13 veya akustik dalga üreteci tarafından üretilen uçucu aerosoller kullanarak daha küçük parçacıklar yüklemek için ileri sürülmüştür. 14 katı kapanımlar (partiküller) ile yüzen aerosoller rastgele odak yakın geçmek ve tesadüfen tutulur. Aerosol tuzak sonra, çözücü dışarı buharlaşır ve parçacık optik tuzak kalır. Ancak, bu yöntemler de, bir numune içinde istenen parçacıkları tanımlamak seçilen bir parçacık yüklemek ve tuzak salınan eğer onun değişiklikleri izlemek için uygun değildir. Bu protokol deney dahil havada seçici optik tuzak yükleme, yeni uygulayıcılara ayrıntıları sağlamayı amaçlamaktadıral kurulumu, hem frekans ve zaman etki parçacık hareketi analizi ile ilgili bir PZT tutucu ve örnek muhafaza, tuzak yükleme ve veri toplama imalatı. sıvı ortamda bindirme için protokoller de yayınlanmıştır. 15, 16
genel bir deney düzeneği ticari ters optik mikroskop üzerinde geliştirilmiştir. Odaklanmış ışını ile seçilmiş parçacık kaldırma, dinlenme mikro serbest hareketini ölçmek ve tekrar alt-tabaka üzerine yerleştirilmesi: Şekil 1, seçici optik tuzak yükleme aşamaları göstermek için kullanılan düzeneğin şematik bir diyagramını göstermektedir. İlk olarak, çeviri aşamaları (enine ve dikey) bir objektif lens ile odaklanmış bir yakalama lazer (dalga boyu 1064 nm) odak tabaka üzerinde seçilen bir mikropartikul getirmek için kullanılır (yakın-kızılötesi düzeltilmiş uzun çalışma mesafesi amacı: NA 0.4, büyütme 20X, çalışma dsaydam bir zemin ile 20 mm) istance. Sonra, bir piezoelektrik fırlatıcı (mekanik önceden yüklenmiş halka tipi PZT) mikropartiküller ve bir alt tabaka arasındaki yapışmayı kırmak için ultrasonik titreşimler oluşturur. Böylece, herhangi bir serbest parçacık seçilen parçacık odaklanmış tek ışınlı gradyan lazer tuzağı ile kaldırılabilir. Parçacık yakalandığında, elektrostatik uyarma için iki paralel iletken plakalar içeren örnek muhafazanın merkezi çevrilmiştir. Son olarak, bir veri toplama (DAQ) sistemi aynı anda çeyrek hücre fotodetektör (QPD) tarafından yakalanan parçacık hareketi, ve uygulanan elektrik alan kaydeder. ölçüm bittikten sonra, parçacık kontrol edilebilir bir geri bir şekilde daha tuzak böylece alt-tabakanın üzerine yerleştirilir. Bu genel işlem birkaç yakalama döngüsü boyunca ortaya çıkan bu tür iletişim elektrifikasyon gibi değişiklikler ölçmek için parçacık kaybı olmadan yüzlerce kez tekrar edilebilir. Bizim son makale f bakınveya ayrıntılar. 12
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Dikkat: deneyden önce ilgili tüm güvenlik programları danışın. Bu protokol açıklanan tüm deneysel prosedürleri NIST LASER güvenlik programının yanı sıra diğer ilgili mevzuata uygun olarak yapılır. seçmek ve belirli dalga boyu ve gücü için tasarlanmış lazer koruma gözlük gibi uygun kişisel koruyucu ekipman (PPE) giymek emin olun. Kuru nano / mikro parçacıkları Taşıma ek solunum koruması gerekebilir.
1. Tasarım ve PZT sahibi İmalat ve bir örnek Muhafaza
- Bir PZT tutucu ve örnek bir pano tasarımı
NOT: Belirli tasarım değerleri PZT seçimine bağlı olarak değişir.- bilgisayar destekli tasarım (CAD) yazılım paketi açın. Belirli PZT boyut için bir tutucunun bir iki boyutlu (2D) çizim çizin. Extrude / Extrude-kesim kombinasyonları kullanılarak hacimsel özellikleri 2B kroki geliştirin.
- , Sketch tıklayınbir dikdörtgen çizin ve dikdörtgen küp yapmak için a'ya.
- kapak ve halka tipi PZT tutmak için bir dairesel girintili özelliği tanımlamak için küpün üst yüzeyinde bir disk çizin.
- Gerçek zamanlı görüntüleme ve yakalama hem de optik erişim için merkezi bir delik tanımlayın.
- Şekil 2'de bir de gösterildiği gibi orta alana doğru ultrasonik güç konsantre düz bir metalik (bakır) halka eklemek için merkezi bir delik kenarı boyunca dairesel rehber tanımlayın.
- Şekil 2c ve 2d gösterildiği gibi PZT tutucuya M6 vidaları için iki delik delik, (ortası delik ile 4 mm kalınlığında alt alüminyum plaka satın alınır) bir alt plaka ile monte edilecek oluşturun.
- Benzer bir şekilde, örnek muhafaza dikdörtgen bir çerçeve tasarımı. Sketch tıklatın ve bir dikdörtgen çizin, o dikdörtgen bir kutu yapmak için dikdörtgen a'ya.
- rectangula üst yüzeyinde daha küçük bir dikdörtgen çizerr kutusu ve dikdörtgen tüp olarak bunu yapmak için dikdörtgen a'ya kesilmiş.
- Numune muhafaza kutusunun çerçevesine dönüştürmek için tüp ve Extrude kesilmiş yan duvarında küçük bir dikdörtgen çizin.
- 3D baskı süreci için bir stereolitografi (STL) dosya formatına dönüştürür, bu üç boyutlu (3D) modeller dönüştürmek (Şekil 2b).
- Tasarlanan nesnelerin 3D baskı
- 3D yazıcı işletim yazılımı tasarım dosyası ( "-.STL") açın. Düz 0 / .ve merkezini nesneyi nesne Lay (0, 0, 0) seçmek için nesneyi tıklatıp hizalama işlevlerini kullanarak: "Platform Üzerine" "Move", ve "Merkezi". yukarı hassas özellikleri yüz PZT tutucu yönlendirmek. girintili yüzey yukarı karşı karşıya kalacaktır.
- Menüde "Ayarlar" ve "Kalite" sekmesine gidin. % 100, kabukları sayısı: 2, ve Katman yüksekliği: Aşağıdaki şekilde Infill baskı değerlerini ayarlayın 0.2aa.
- toplam baskı süresini kontrol etmek ve istenilen şekilde katmanlı nesneler basılacaktır emin olmak için nesneleri önizlemesini yapın. Bir ".x3g" formatında 3D baskı dosyası dışa aktarma ve 3D yazıcıya kullanmak için saklayın.
- 3D Yazıcıyı açın ve ekstrüzyon memesinin sıcaklığı bir çalışma sıcaklığına ulaşıncaya kadar ısınmasını, 230 ° C bellek kartından veya ağ sürücüsünden tasarım dosyasını yükleyin.
- Isınma sırasında, nesnelerin güvenli uymak yardımcı olmak için mavi ressamın bant ile Yapı platformu yerleştirin. baskı işi için bir termoplastik malzeme olarak, hem de nesneler için bir polilaktik asit (PLA) filament kullanın.
- tasarlanmış nesneler yazdırın. Baskı işi tamamlandıktan sonra soğuduktan sonra, yazıcıyı kapatın.
- Bir keski kullanarak platformdan basılmış nesneyi çıkarın. basılı nesneleri düzeltin. oryantasyon uygun seçilirse, PZT tutucu doğrudan ileri post-processing olmadan kullanılabilir.
- for Örnek muhafaza, çerçeve kapağı indiyum kalay oksit (İTO) kaplanmış lamelleri üç cam lameller bir çift hazırlar. kasaya lamel sığdırmak için bir elmas kesici kullanın.
- Tel hızlı kuruyan gümüş boya kullanarak iki paralel iletken levha iki tabak üzerindeki gerilimi sağlamak için. bir anlık yapıştırıcı yapıştırıcı kullanarak örnek muhafaza üzerine bu beş pencere Tutkal.
NOT: İTO kaplı lamelleri bir çift paralel olarak örnek muhafaza yüklü düzgün elektrik alan sağlamak ve elektrik alanı boyunca doğal yüklü parçacığın balistik hareketini oluşturmak için (birbirine bakacak şekilde). Üç klasik lamel hava dış akışından tuzağa parçacık korumak için örnek muhafaza yüzeyleri (üst ve iki yan) geri kalan kısmını
Seçilen mikro parçacık 2. Optik Tuzak Yükleme
- örnek hazırlama
- bir in mikro saklayıntahliye kurutucu deneyden önce havadaki nem ile temas azaltmak için.
- Bir cam slayt üzerine mikropartiküllerin küçük bir kısmını dökün ve hemen geri desikatörde üreticinin şişe koymak.
- Bir cam kılcal boru ile mikro bazı al. lamel üzerinde kılcal tutarken yavaşça kılcal dokunarak alt tabaka üzerinde parçacıkları Dağılım.
- Bir karanlık alan mikroskobu kullanarak alt tabaka üzerine miktar ve biriken parçacıkların dağılımını kontrol edin.
Not: numune hazırlama aşamasında, parçacık sadece bir lamel dağınık ve PZT ve PZT tutucu arasındaki yerleştirmeden önce genel düzenleme doğrulamak için bir optik mikroskop (dağınık mikropartikül ile bir lamel) ile görüntülenmiş. yüzeye yapışma alt tabaka üzerinde bireysel mikroparçacıklar tutmak için yeterince güçlü olduğundan önemli dış kuvvet uygulandığında sürece, uyulması parçacıklar sıkıca sabitlenir. - Piezoelektrik başlatıcısı montaj
- düz dipli levha, film PZT, cam lamel, bir bakır yüzük, PZT tutucu, iki M6 vida ve örnek muhafaza yalıtım: piezoelektrik başlatıcısı tüm bileşenlerini elde edin.
- PZT izole alt plaka üzerinde ince bir film (ya da bant) uygulayın. cam lamel yığınının üst izole eder.
- lamel, bakır yüzük ve PZT sahibi tarafından takip şimdi bant ile izole düz plaka üstüne PZT, merkezleme yığınını birleştirin. Birlikte tutucu olarak Şekil 2c ve 2d gösterilen yürütülmesinden ise sahibine PZT kısa devre önlemek için PZT merkezleme muhafaza yığınını vidalayın. bakır halka plastik PZT sahipleri için yığını eşit olarak dağıtılmış mekanik ön yük sağlar.
- Son olarak, yığına örnek muhafaza tutkal ve mikroskopta bir XYZ translasyonel sahnede montaj monte.
- PZT başlatıcısı Yapılandırma
NOT: yüksek gerilim sinyali ile PZT Sürüş potansiyel elektrik tehlikeleri vardır. deneyden önce güvenlik personeli danışın. Tüm elektrik bağlantıları deneyden önce güvence altına alınmalıdır. amplifikatör kapatın ve kesin PZT mümkün olduğunca yol açar.- PZT gerilim amplifikatör yol açar bağlayın ve gerilim amplifikatörü bir giriş portuna fonksiyon jeneratörü bağlayın.
- fonksiyon jeneratörü açın ve tüm bağlantıların doğrulanması ve güvencesindedir kadar gerilim sinyali üretmek etmeyin 1 V bir çıkış voltajı sürekli kare dalgalar oluşturmak için yapılandırın.
- Gerilim amplifikatörü açın ve çıkış sağlayarak çıkış gerilimi 1 V kare dalga üretir.
- bir osiloskop amplifikatör izleme çıkış portu (çıkış gerilimi 200 V) bağlayın. çevirerek 200 V / V kazanç var amplifikatör yapılandırmaÖn paneldeki düğmeyi kazanır. osiloskop ile ölçülen izleme çıkış voltajı 1 V bir genliği olduğunu doğrulayın.
- fonksiyon jeneratörü ve amplifikatör yapılandırıldığında, gerçek zamanlı video mikroskop görüntüleri parçacıkları yapışmış iken sürüş sinyalinin modülasyon frekansı tarayarak PZT başlatıcısı rezonans frekansı bulmak. mikropartikül hareket maksimum kadar tarama tekrarlayın. parçacıkları serbest bırakmak için bu frekansı (burada 64 kHz) kullanın.
NOT: modülasyon frekansı manuel olarak rezonans frekansı bulmak için 150 kHz sıfırdan (taranmış) değiştirilir. - patlama modunda döngü belirli bir sayı ile bir kare dalga üretmek için fonksiyon jeneratörü yapılandırın. Ön paneldeki "Burst" tuşuna basınız ve "N Döngüsü Burst" seçeneğini seçin.
- "# Cycles" yumuşak tuşuna basarak patlama sayısını seçin ve 10 veya 20 sayısını ayarlayın.
- gerilim sinyallerini üretmek için bir kare dalga yapılandırma600 V amplitüd bir önceki adımdan bulmuştur 64 kHz rezonans frekansında (üç kez sürekli uyarım için kullanılan gerilim). darbe sinyali partikülleri her darbe sonrası hareket sağlayarak tekrarlanabilir bir şekilde hedef parçacığı serbest emin olun.
- Seçici optik tuzak yükleme
NOT: PZT başlatıcısı düzeneği manuel doğrusal çeviri xy sahnede yüklenir. parçacıklar translasyonel sahne hareket ettirerek sabit ışın odak göre tercüme edilebilir.- Mikroskop taret (Şekil 3a) çevirerek yakalama ışınının odak belirlemek için lazer çizgisi filtresini çıkarın. odak optimize etmek için görünür resmin en iyi odak etrafında dikey ileri geri motorlu odaklama blok taşıyın.
- odak konumu doğrulandıktan sonra, yakalama kiriş müdahalesi olmaksızın net bir gerçek-zamanlı video vermek için geri filtre koymak.
- p örnek Çeviryakalama lazer odak pozisyonunda seçilen bir parçacık dantel. görüntü parçacık üzerindeki parçacık üzerindeki kaldırma pozisyonu bırakarak yaklaşık bir buçuk yarıçapı ile parçacık merkezinin altında anma yakalama konumunu yerleştirir seçilen bir parçacığın, merkezi odaklanın.
- Optik yakalama gücünü ayarlamak için elektro-optik modülatör (EOM) sürücü bağlı güç kaynağını ayarlayın. optimal güç parçacık boyutu ve malzemeye göre değişir. optik güç kiriş dışarı atma olmadan parçacık havaya kaldırmak için yeterli güç belirlemek için tekrarlanan denemeler yoluyla tespit edildi. Burada, 20 mikron çapında polistiren (PS) parçacıklar yakalamak için objektif arka odak düzlemi 140 mW bir optik gücünü kullanın.
- Seçilen parçacığın merkezi hizalanmış sonra, birkaç darbeleri ile piezoelektrik başlatıcısı harekete. Hareketli bir bulanık görüntü statik odaklı görüntüden parçacık görüntüsünün değişimi lev başarılı yükleme gösterirtasyon konumu.
- Mümkün yüzey etkileşimleri önlemek için yukarı objektif lens hareket ettirerek alt tabaka üzerinde bir milimetrenin yaklaşık dikey levitated parçacık çevirmek. Sonra daha kararlı olan anma yakalama pozisyonu (Şekil 3c) içine levitated parçacık (Şekil 3b) geçiş optik güç azaltır.
Not: tutucu lazer optik gücü, bir elektro-optik modülatör (EOM) ile modüle edilebilir. EOM dijital güç kaynağı ile sağlanan bir önyargı gerilimi ile çıkış gücünü düzenler. Bir yavaşça optik gücünü azaltır iken CCD yoluyla konumunu yakalama için havalanma geçişi gözlemleyebilirsiniz. - Pozisyon ölçümü için (örnek muhafaza ortasına yukarıdaki 9 mm parçacık çevirmek için, 3d Şekil 3c gösterildiği gibi, dikkatli bir şekilde optik eksene PZT sahibinin merkezini taşımak ve daha sonra (dikey) objektif lens yukarı taşımak substrsaçak elektrik alan minimize nerede) yedik.
- aşağıda tarif edildiği gibi ölçüm yaptıktan sonra, parçacık substratı dokunana kadar aşağı hedefi hareket ettirerek tabaka üzerinde parçacık yerleştirin. parçacıkların çoğu köşelerine yakın uygulanır beri, tuzağa parçacık kolayca tanınır edilebilir ve yeniden tuzak merkez bölgesinde yerleştirildiğinde. Bu tür parçacığın ve yüzey temas etkileşimleri gibi tek bir bindirme olayı ötesinde meydana gelen değişiklikleri ölçmek için geri dönüşümlü tuzak yüklenmesini sağlar.
3. Veri Toplama
- kondenser ve tuzak bir parçacık QPD "SUM" sinyali maksimize etmek için odaklama lensi aynı hizaya getirin.
- Şekil 4c'de gösterildiği gibi, QPD X ve Y kanal nominal sıfıra odaklama lensi hizalayın.
- kondenser ayarlanması ve Fourier dönüştürülmüş pozisyon sinyalleri dek odaklama lensi (ya da güç spektrumu yoğunluğu tekrarlayın X (PSD) araziler) ve Y kanalları dengeli hassasiyeti göstermeye üst üste. Şekil 4B'de gösterildiği gibi uygun şekilde hizalanmış QPD sinyalleri (X ve Y), hemen hemen aynı davranışı gösterir.
- QPD hizalama doğrulandıktan sonra, iki İTO plakalarına gerilim amplifikatörü bağlayın. adım uyarma sinyali ve eşzamanlı uyarılan parçacık yörüngesini kaydetmek için DAQ sistemine amplifikatör gerilim izleme çıkış sinyalini bağlayın.
- 500 nm'de (Şekil 4e) tarafından optik eksene enine parçacık hareket eden bir elektrik alanı (Şekil 4d) oluşturmak için 400 V sürekli bir kare dalga kaynağı. QPD kullanılarak tuzağa parçacığın adım tepkisini ölçün.
- Gerektiğinde ortalama birden dönemleri Brown hareketi etkilerini azaltmak için. neden olduğu hareket ısı dalgalanmaları daha hareket daha geniş bir aralığı üzerinde, optik gücü ölçmek için kullanılabilir. 12,ef "> 17 Şekil 4d ve 4e gösterileri uygulanan gerilim ve adım uyarma 50 yineleme üzerinde uyarılan parçacık yörüngesi sinyalleri ortalama.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
PZT başlatıcısı CAD yazılım paketi kullanılarak tasarlanmıştır. Şekil 2'de PZT tutucu ve örnek muhafaza materyal ve yöntemler, çeşitli imal edilebilir gösterilen Burada, ön yükleme (a PZT iki plakanın kelepçelenmiştir) için basit bir sandviç yapısı kullanmaktadır. Şekil 2d gösterildiği gibi hızlı bir gösteri için, termoplastik 3D baskı seçin. Yapı parçalarının göre, optik tuzak yükleme Şekil 3 'de gösterilmiştir. Bir kalibre CCD kamera da nicel kolaylaştıran Şekil 1'de gösterildiği gibi seçici yükleme için, yansıyan yakalama lazer görünür ışık yansıması olarak görüntüleme için filtreyi geçerken CCD kamera korumak için bir mikroskop taret yüklü bir filtre tarafından deney sırasında bloke edilir parçacık çapı ve ilave konum algılama ölçümünü sağlayarak ölçümü. bir hedef çapıParçacık, aşağıda ele alındığı gibi, doğal frekans tuzak sertlik verir kütle hesaplamak için kullanılabilir. CCD kamera kullanılarak ölçülmüştür yörüngeleri de yer değiştirme ölçümü için QPD voltaj sinyalini kalibre etmek için kullanılır. 12
Parçacık tuzak sonra, bir kırmızı lazer parlak saçılma Şekil 1 (ilave fotoğrafta) 'de gösterildiği gibi tuzağa parçacık, çıplak gözle fark edilmesini sağlar. Bu alt tabaka (Şekil 3) yapıştırılır diğer mikro parçacıklardan farklı bir yükseklikte (odak) de olduğundan parçacık tuzak olup olmadığını da, alt tabakanın gerçek zamanlı görüntü belirleyebilir. Bir yakalama pozisyonuna ve havaya yükselme pozisyon: mikropartiküller iki pozisyonda sıkışıp edilebilir. yakalama pozisyonunda, optik güçleri her yöne parçacık stabilize. Buna karşılık, kaldırma pozisyonunda parçacık transvers stabilize okunurOptik kuvvetlerinin Ely. Dikey radyasyon basıncı yukarı doğru kuvvet yerçekimi tarafından dengelenir. Bizim yükleme yöntemi ile seçilen partikül genellikle kaldırma pozisyonuna iletilir. kaldırma pozisyonunda, asma parçacığın dikey konumu çok daha hassas odak yakın yakalama pozisyonunda daha optik güç değişimlerine olduğunu. 18 Bir dikey optik gücü değiştirerek bu iki kararlı pozisyon arasında repeatably parçacık taşıyabilirsiniz. levitation pozisyon aynı zamanda, nominal yakalama pozisyonuna ışık uzakta odağından yayar olarak tuzak sertlik yumuşak olur, çünkü daha dış güçler daha yüksek duyarlılığa sahiptir. deplasman gürültü Brown hareketi hakim değilken nedenle, kaldırma pozisyonu daha hassas ölçümler için de kullanılabilir. hiçbir kazanç f var bu yüzden sertlik artar duyarlılık ve gürültü hem de azalan, burada olduğu gibi konumundaki gürültü termal sınırlı zamanveya hassas ölçüm.
tuzağa parçacığın hareketi QPD tarafından izlenmekte ve DAQ kurulu tarafından kaydedilir. QPD sinyalin yeniden zaman alanına (Şekil 4C) ve Fourier transform (Şekil 4a ve 4b) 'de kaydedilir. genel uyum elverişli iki radyal kanallar (X ve Y) güç spektrumları karşılaştırılarak kontrol edilebilir. Bunlar (Şekil 4a) üst üste gelmez, optik hizalama üst üste meydana gelene kadar (Şekil 4B'de gösterildiği gibi) düzeltilmesi gerekmektedir.
Şekil 4'te gösterildiği gibi, parçacık izleme Brown ve balistik hareketi hem de gösterir. Zaman ve frekans alanı analizleri bu ölçümleri yorumlamak için kullanılabilir. Biz Brown hareketi karşılaştırılarak optik tuzak daha tam bir anlayış sağlayan ölçümü zorlamak için iki yaklaşım girmiştikelektrostatik kuvvet tarafından uyarılan Balistik harekete. Resim Elektrostatik alan altında Brown hareketi partikül yörünge daha sonra tam Langevin denkleminin doğrusal olmayan bir en küçük kareler çözeltisi ile analiz edilebilir güç spektral yoğunluğuna dönüştürülmektedir. 19 PSD Bu analiz rezonans frekansı verir ve tuzak merkezine yakın sönümleme. rezonans frekansı, formül bilinen kütle kullanılarak tuzak sertlik dönüştürülür 
. Ölçülen deplasman sonra bahar F = -kx için aşağıdaki formül kullanılarak optik kuvvet verir.
elektrostatik alanda bir adım değişiminin neden olduğu balistik hareket de tuzak rezonans frekansı verim ve orta sönümleme olabilir. Biz tuzağa parçacık elektrostatik alan kaldırmak gibi 12, partikül r çıkacakŞekil 4d ve 4e gösterilen alan serbest vurma position.as için eturn. zamanın fonksiyonu olarak değiştirmesi, rezonans frekansı vermek sönümleme ve kararlı durum değiştirmesi için bir sönümlü harmonik osilatör genel çözümüne uygun olabilir. Bu yaklaşımların ikisi de, tuzak parçacık lineer bir yay olarak hareket varsayalım. Bu ölçümler, parametrik kuvvet yöntemi kullanılarak, genel (doğrusal olmayan) güçlere uzatılabilir. PSD analizi ve parametrik kuvvet analizi 12 ayrıntıları bu protokolde odak değil ama literatürden bulunabilir. 12, 19
Şekil 1: Air Selektif Optik Tuzak Yükleniyor için kullanılan deneysel Kur Şemalar. Bir tek ışınlı gradyan kuvvet optik trap çevrilmiş bir optik mikroskop geliştirilmiştir. şematik kullanılan kısaltmalar aşağıdaki gibidir: EOM, elektro-optik modülatör; HAL, halojen aydınlatma; MFS, sahne odaklama motorlu; NUR-LWD amacı, düzeltilmiş kızılötesi uzun çalışma mesafesi objektif lens; TS yapıldı aşaması (x-y); PZT, piezoelektrik dönüştürücü; ESM, elektrostatik alan modülatörü; ND, nötral yoğunluk filtresi; QPD, kadran hücreli fotodetektör; DM, dielektrik ayna; İTO, indiyum kalay oksit ile kaplanmış kapak sliplerine; CCD, birleştiğinde cihaz kamera şarj; HeNe, helyum neon lazer (633 nm); Nd: YVO 4, yakalama için 1064 nm lazer. 12 Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 2: Piezoelektrik Launcher Kurul'da Fabrikasyonbly. (A) 3 boyutlu baskı için bir "-.SLDPRT" biçiminde ve (b) "-.STL" biçiminde CAD yazılım paketi kullanarak bir PZT sahibinin Rendered görüntüler. Piezoelektrik başlatıcısı nihai montaj (c) görüntü render: (İTO kaplı lamelleri ile) numune muhafaza, PZT tutucu, halka boşluk, halka tipi PZT, alüminyum levha, lamelleri. Nihai montaj (d) Resim. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 3: 20 mikron PS Parçacık Seçici Optik Tuzak Yükleniyor Adım Gösteri adım. (A) odak Yukarıdaki parçacık levitating tutucu ışınının odak, (B), giriş (parçalevitation pozisyon veri toplama için orta alana hapsolmuş parçacık hareketli) d (daha sonra sözde odak (bindirme pozisyonuna geçiş (c))) iyi anma mikroskop odak üstünde olduğundan ve icle görüntü loş bulanık. Örnek sahne Şekil 3d sarı okla (Ölçek çubuğu = 100 mikron) ile belirtildiği gibi taşınır ise parçacık ışın odak sabit bir yerde tutulur. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 4: QPD Frekans ve Time Domain Hem Parçacık Trajectories Yakalandı. (A) Bir kötü hizalanmış deney düzeneği (b ise belirli frekanslarda düşük frekanslı gürültü ve gürültü zirveleri gösterirx ve y-ekseni) uyumlu PSD'leri doğru optik hizalama gösterir. (C) QPD zaman alanında sıkışmış parçacık Brownian hareketi kaydeder. (E) tuzak parçacık genelinde uygulanan elektrik alan bir adım değişikliği eşzamanlı veri toplama (DAQ) sistemi aracılığıyla uyarılan (d) balistik hareket ile kaydedilir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
piezoelektrik başlatıcısı Seçilen PZT dinamik performansını optimize etmek için tasarlanmıştır. PZT malzeme ve ultrasonik titreşimlerin yönetiminin doğru seçimi başarılı bir deney verim önemli adımlardır. PZTs farklı özelliklere dönüştürücünün tipine bağlı olarak (toplu olarak veya yığın) ve onu oluşturan malzemeler (sert veya yumuşak) bulunur. sert piezoelektrik malzemeden imal edilmiş bir yığın tipi PZT aşağıdaki nedenlerle tercih edilir. İlk olarak, sert piezoelektrik malzemeler düşük dielektrik kayıpları ve yumuşak malzemeler daha yüksek mekanik kalite faktörüne sahiptir. İkincisi, toplu tip PZT düşük bir elektrik yükü temsil eder ve bir yığın tip transdüser daha yüksek frekanslarda götürmek daha kolaydır. Dinamik operasyon kapsamında, yüksek genlik salınım mekanik başarısızlıkla sonuçlanabilir yüksüz bir PZT seramik üzerine çekme kuvvetleri neden olabilir. Mekanik bir ön yükleme yapısı tepki azaltmak ve PZT dinamik performansını artırmak için sürekli bir yük temin etmek için kullanılmaktadır. bir araya geldibir metalik halka boşluk PZT tutucu ve halka tipi PZT arasına yerleştirilir. Bu metalik halka boşluk ultrasonik güç konsantreleri ve halka etrafında eşit bir şekilde dağıtır (kolayca lamel kırabilir herhangi yerel (düzensiz) stres.). iyi tasarlanmış bir PZT başlatıcısı, her iki eksenel ve radyal yönde hapseden huzmesine parçacık doğru hizalama kapanı yükleme etkinliğini belirler. parçacık başarıyla palslama sonra levitated değilse, alt tabaka hizalama tekrarlamak ve optik yükleme konumunu bulmak için parçacığın altında odağı biraz hareket ediyor. -Kızıl ötesine yakın düzeltilmiş objektif lens için, yakalama ışınının odak noktası CCD üzerine odaklanmıştır Örnek düzlemin altında bir kaç mikrometre olacak şekilde ayarlanır. tuzak mikropartiküller için gerekli optimum yakalama gücü hedef mikropartikül değişikliklerin boyutu olarak değişir. 13 Optimal yakalama güç deneme yanılma yoluyla ampirik bulunabilir. Burada gerekli güç (140 mW) 'dirkullanılan düşük NA ve uzun çalışma mesafesi nedeniyle nispeten yüksek.
Burada 20 mikron PS parçacığın geri dönüşümlü tuzak yükleme gösterdi. Ancak, bir yaklaşım daha küçük parçacıklara uzatılabilir. Daha küçük mikro parçacıklardan için, mevcut PZT başlatıcısı mümkün değildir parçacıkları ayırmak için yeterli ultrasonik güç sağlamak için olabilir. Daha hızlı bir PZT tahrik devresinin kullanılması daha küçük parçacıklar serbest bırakmak için gösterilmiştir. 20 ek olarak, düşük bir yapışkan yüzey, alternatif bir yaklaşım olabilir. Mikropartiküller ve alt-tabaka arasındaki yapışma 21 azalma, böylece mevcut PZT başlatıcısı, daha küçük partikülleri ayırmak için kullanılabilir parçacık ayırmak için gereken en düşük ultrasonik güç azaltma olacaktır.
Çoğu geleneksel yükleme teknikleri bunlardan biri tuzak cen yakın tesadüfen yakalanan kadar katı kapanım ile çok sayıda aerosol damlacıkları sürekli üretildiği rasgele süreçlerter. Böylece, bu geleneksel teknik sınırlı miktarda numune yakalama veya üniforma örnekleme muhafaza edilmesi için uygun olmayabilir. protokol, tuzak yükleme ve iniş tekrarlayan döngüleri içeren geri dönüşümlü optik tuzak yükleme göstermektedir. Bu durum, örneğin, parçacık yükü birikiminin çalışma özel deneyler sağlar. Tuzağa parçacığa 22 şarj en az doğrusal olmayan kare şekilde harmonik osilatör ideal çözüm geçici yanıt (Şekil 4d) takarak ölçülebilir. tuzak sertliği ile çarpılır uyarılan deplasman (iki paralel ITO kaplı plakalar arasındaki mesafe bölünmesiyle uygulanan gerilim tarafından verilen) bilinen elektrik alan gücü ücretten hesaplama sağlar elektrostatik kuvvet verir. Döner tutucu yükleme Techni ile birleştirildiğinde 12 Bu basit şarj ölçüm partikül yüzey etkileşimini incelemek için uzatılabilirque burada gösterdi. 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).
