Name: Optische Trap-Laden von Dielectric Mikroteilchen in der Luft (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-02-05T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 57 s
Description: Erfahren Sie die Konstruktion eines piezoelektrischen Launchers zur optischen Falle von dielektrischen Mikroteilchen in der Luft. Diese Methode ermöglicht wiederholte Messzyklen zur Untersuchung von Oberflächenchemie.

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Alle Arbeiten wurden mit Unterstützung des National Institute of Standards and Technology durchgeführt. Bestimmte kommerzielle Geräte, Instrumente oder Materialien werden identifiziert, um das Verständnis dieses Protokolls zu fördern. Eine solche Identifizierung bedeutet weder eine Empfehlung oder Billigung durch das National Institute of Standards and Technology, noch bedeutet sie, dass die identifizierten Materialien oder Ausrüstungen notwendigerweise die besten verfügbaren für den Zweck sind.

Achtung: Bitte lesen Sie alle relevanten Sicherheitsprogramme vor dem Experiment. Alle experimentellen Verfahren in diesem Protokoll beschrieben werden, in Übereinstimmung mit dem NIST LASER Sicherheitsprogramm sowie andere einschlägigen Bestimmungen durchgeführt. Bitte achten Sie darauf, die richtige persönliche Schutzausrüstung (PSA), wie Laserschutzbrille für die spezifische Wellenlänge und Leistung ausgelegt zu wählen und zu tragen. trocken Nano- / Mikropartikel Handhabung können zusätzliche Atemschutz erforderlich. 1. Design und Herstellung einer PZT-Halter und eine Probe-Gehäuse <ol><li> Entwerfen Sie eine PZT - Halter und eine Probe - Gehäuse HINWEIS: Besondere Bemessungswerte in Abhängigkeit von der Auswahl eines PZT variieren. <ol><li> Öffnen Sie den Computer-Aided Design (CAD) Software-Paket. Zeichnen eines zweidimensionalen (2D) Skizze eines Halters für eine gegebene PZT Dimension. Entwickeln Sie die 2D-Skizze auf volumetrischen Eigenschaften Kombinationen von Extrude / Extrude-Schnitt verwenden. </li><li> Klicken Sie auf Skizze,zeichnen Sie ein Rechteck und extrudieren sie einen rechteckigen Kubus zu machen. </li><li> Skizzieren Sie eine Platte auf der Oberseite des Würfels eine kreisförmig vertieften Merkmal definieren abzudecken und halten Sie den Ring-PZT. </li><li> Definieren Sie ein zentrales Loch einen optischen Zugang sowohl für Echtzeit-Bildgebung und Trapping zu haben. </li><li> Definieren Sie eine Rundführung entlang des Randes des zentralen Loch mit einem flachen metallischen (Kupfer) Ring einzulegen , um die Ultraschallenergie in Richtung der Mitte Bereich zu konzentrieren , wie in Abbildung 2 a gezeigt. </li><li> Erstellen Sie zwei Bohrungen für Schrauben M6 auf der PZT - Halter mit einer Bodenplatte montiert werden (gekauft, 4 mm dicken Boden Aluminiumplatte mit einem Loch in der Mitte), wie in Abbildung 2c und 2d gezeigt. </li><li> In ähnlicher Weise, die Gestaltung eines rechteckigen Rahmens des Proben Gehäuse. Klicken Sie auf Skizze, und zeichnen Sie ein Rechteck, extrudieren das Rechteck es ein rechteckiger Kasten zu machen. </li><li> Zeichnen Sie ein kleineres Rechteck auf der Oberseite des rectangular Box und extrudieren-schneiden Sie das Rechteck, um es als Rechteckrohr zu machen. </li><li> Zeichne ein kleineres Rechteck auf der Seitenwand des Rohres und Extrude-cut es in den Rahmen der Probengehäusekasten zu verwandeln. </li><li> Konvertieren Sie diese dreidimensionalen (3D) Modelle in eine Stereolithografie (STL) Dateiformat für einen 3D - Druckverfahren (Abbildung 2b). </li></ol></li><li> 3D - Druck der entworfenen Objekte <ol><li> Öffnen Sie die Design-Datei ( &quot;-.STL&quot;) aus dem 3D-Drucker Betriebssoftware. Legen Sie das Objekt flach 0 / .und Zentrum das Objekt auf (0, 0, 0) durch Klicken auf das Objekt, um es auszuwählen und die Ausrichtungsfunktionen: &quot;Move&quot;, &quot;On Platform&quot; und &quot;Center&quot;. Richten Sie den PZT Halter die feinen Gesichtszüge nach oben zu stellen. Die vertiefte Fläche wird nach oben gerichtet werden. </li><li> Gehen Sie im Menü auf &quot;Einstellungen&quot; und die Registerkarte &quot;Qualität&quot;. Stellen Sie die Druckwerte, wie folgend, Füllung: 100%, Schalenanzahl: 2 und Layer-Höhe: 0.2mm. </li><li> Vorschau der Objekte die Gesamtdruckzeit zu überprüfen und sicherzustellen, dass die geschichteten Objekte wie gewünscht gedruckt wird. Exportieren Sie die 3D-Druckdatei in einem &quot;.x3g&quot; Format und speichern Sie sie im 3D-Drucker zu verwenden. </li><li> Schalten Sie den 3D - Drucker und warm laufen lassen , bis die Temperatur der Extrudierdüse erreicht eine Betriebstemperatur, 230 ° C Legen Sie das Design - Datei von einer Speicherkarte oder einem Netzlaufwerk. </li><li> Während der Aufwärm, legen Sie die Bauplattform mit blauen Malerband Objekte sicher halten zu helfen. Als thermoplastisches Material für den Druckauftrag, verwenden, um eine Polymilchsäure (PLA) Filament für beide Objekte. </li><li> Drucken Sie die Designobjekte. Sobald der Druckauftrag abgeschlossen ist, schalten Sie den Drucker, nachdem er abgekühlt ist. </li><li> Nehmen Sie das gedruckte Objekt von der Plattform einen Meißel. Richten Sie die Druckobjekte auf. Wenn die Ausrichtung geeignet gewählt wird, kann die PZT Halter direkt ohne weitere Nachbearbeitung verwendet werden. </li><li> for das Probengehäuse, bereiten ein Paar aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) beschichtete Deckgläser und drei Glasplättchen um den Rahmen zu decken. Verwenden Sie einen Diamantschneider das Deckglas auf das Gehäuse zu passen. </li><li> Verbinden Sie die zwei parallelen Leiterplatten eine schnelle Trocknung Silberfarbe mit Spannung über zwei Platten zu versorgen. Kleben Sie diese fünf Fenster auf die Probe Gehäuse mit einem Sekundenkleber Klebstoff. HINWEIS: Die ein Paar ITO beschichtete Deckgläser werden auf dem Probengehäuse parallel installiert (einander zugewandt) gleichmäßiges elektrisches Feld zu schaffen und ballistische Bewegung des natürlich geladenen Teilchen entlang des elektrischen Feldes zu erzeugen. Die drei herkömmliche Deck den Rest der Probengehäuseflächen (oben und zwei andere Seiten) decken die eingeschlossene Partikel aus dem externen Luftstrom zu schützen </li></ol></li></ol> 2. Optische Trap-Laden eines ausgewählten Mikroteilchen <ol><li> Probenvorbereitung <ol><li> Lagern Sie die Mikropartikel in einevakuierten Exsikkator Kontakt mit Feuchtigkeit in der Luft vor dem Experiment zu verringern. </li><li> Gießen Sie einen kleinen Teil der Mikropartikel auf einen Glasträger und sofort die Flaschenherstellung setzen im Exsikkator. </li><li> Pick-up einige der Mikropartikel mit einer Glaskapillare. Streuen die Teilchen über das Substrat durch sanft auf die Kapillare klopfen, während die Kapillare über das Deckglas zu halten. </li><li> Überprüfen, um die Menge und Verteilung der abgelagerten Partikel auf dem Substrat ein Dunkelfeldmikroskop. Hinweis: In der Probenvorbereitungsschritt wird das Teilchen nur auf einem Deckglas gestreut und mit einem optischen Mikroskop abgebildet Gesamtanordnung zu überprüfen, bevor sie (a Deck mit verstreuten Mikroteilchen) zwischen dem PZT und PZT Halter einlegen. Da die Oberflächenhaftung stark genug ist, einzelne Mikropartikel auf dem Substrat zu halten, werden die anhaftenden Partikel fest fixiert, es sei denn erhebliche externe Kraft ausgeübt wird. </li></ol&gt; </li><li> Piezo - Launcher Montage <ol><li> Erhalten Sie alle Komponenten des piezoelektrischen Launcher: die flache Bodenplatte, isolierenden Film, der PZT, das Deckglas, einen Kupferring, der PZT-Halter, zwei M6-Schrauben, und die Probe-Gehäuse. </li><li> Tragen Sie eine dünne Folie (oder Band) auf der Bodenplatte des PZT zu isolieren. Das Deckglas isoliert die Oberseite des Stapels. </li><li> Montieren Sie den Stapel durch die PZT auf der flachen Platte Zentrierung jetzt mit Klebeband isoliert, durch das Deckglas gefolgt, der Kupferring, und der PZT-Halter. Schrauben Sie die zusammen Stapel die Zentrierung des PZT aufrechterhalten zu vermeiden , dass die PZT mit dem Halter einen Kurzschluss , wenn der Halter wie in Abbildung 2c und 2d leitend ist . Der Kupferring bietet eine gleichmäßig verteilte mechanische Vorspannung auf dem Stapel für Kunststoff PZT Inhaber. </li><li> Schließlich kleben Sie die Probe-Gehäuse auf den Stapel und montieren Sie die Montage auf einem XYZ-Translationsstufe im Mikroskop. </li></ol></li><li> Die Konfiguration des PZT - Launcher HINWEIS: Fahren des PZT mit einem Hochspannungssignal hat das Potenzial, elektrische Gefahren. Bitte wenden Sie sich an das Sicherheitspersonal vor dem Experiment. Alle elektrischen Anschlüsse sollten vor dem Experiment sichergestellt werden. Schalten Sie den Verstärker aus und ziehen PZT führt, wann immer möglich. <ol><li> Verbinden der PZT führt zu dem Spannungsverstärker und eine Verbindung des Funktionsgenerators mit einem Eingangsanschluß des Spannungsverstärkers. </li><li> Schalten Sie den Funktionsgenerator und konfigurieren kontinuierlichen Rechteckwellen mit einer Ausgangsspannung von 1 V zu erzeugen, nicht das Spannungssignal zu erzeugen, bis alle Verbindungen überprüft und gesichert. </li><li> Schalten Sie den Spannungsverstärker und erzeugen die Rechteckwelle der Ausgangsspannung 1 V durch den Ausgang zu ermöglichen. </li><li> Verbinden der Überwachungsausgangsanschluß (Ausgangsspannung 200 V) des Verstärkers auf einem Oszilloskop. Konfigurieren Sie den Verstärker zu haben Gewinn von 200 V / V, die durch die Drehgewinnen Knopf auf der Vorderseite. Überprüfen, ob der Überwachungsausgangsspannung mit einer Amplitude von 1 V hat, wie durch das Oszilloskop gemessen. </li><li> Sobald der Funktionsgenerator und der Verstärker konfiguriert sind, durch Abtasten der Modulationsfrequenz des Ansteuerungssignals mit der Resonanzfrequenz des PZT Abschuß finden, während die Echtzeit-Partikel Videomikroskopbilder haftete. Wiederholen der Abtastung, bis die Mikroteilchen Bewegung maximal ist. Verwenden Sie diese Frequenz (64 kHz hier) Teilchen zu lösen. HINWEIS: Die Modulationsfrequenz wird manuell geändert (gescannt) von Null auf 150 kHz, die Resonanzfrequenz zu finden. </li><li> Konfigurieren der Funktionsgenerator eine Rechteckwelle mit einer bestimmten Anzahl von Zyklen im Burst-Modus zu erzeugen. Drücken Sie die &quot;Burst&quot; Taste auf der Frontplatte und wählen Sie &quot;N Cycle-Burst&quot;. </li><li> Wählen Sie die Burst-Anzahl von &quot;# Cycles&quot; Soft-Taste und stellen Sie die Anzahl auf 10 oder 20. </li><li> Konfigurieren Sie die Rechteck-Wellenform zu erzeugen Spannungssignale miteine Amplitude von 600 V (das Dreifache der Spannung für Dauererregung verwendet wird) bei der Resonanzfrequenz von 64 kHz, die aus dem vorhergehenden Schritt gefunden wurde. Stellen Sie sicher, dass das pulsierende Signal, das die Zielpartikel in einer wiederholbaren Weise freigibt, indem sichergestellt Partikel nach jedem Impuls zu bewegen. </li></ol></li><li> Selektive optische Falle Laden HINWEIS: Die Montage PZT-Launcher auf einer manuellen linearen Übersetzung xy-Ebene installiert ist. Die Teilchen können durch an der feststehenden Strahlfokus relativ übersetzt werden, um die Translationsstufe bewegt. <ol><li> Entfernen Sie die Laserlinienfilter , den Fokus der Fangstrahl durch Drehen des Mikroskoprevolvers (Abbildung 3a) zu identifizieren. Bewegen Sie den motorisierten Fokussierblock hin und her vertikal um den besten Fokus des sichtbaren Bildes Fokus zu optimieren. </li><li> Sobald der Fokusposition überprüft wird, setzen Sie den Filter wieder eine klare Echtzeit-Video ohne Störung durch den Fangstrahl zu geben. </li><li> Übersetzen Sie die Probe auf peines ausgewählten Partikels an der Fokusposition des Fanglaser Spitze. Konzentrieren sich auf das Teilchen dem Bild den Mittelpunkt eines ausgewählten Partikels, das die Nennfangposition unterhalb der Partikelzentrum platziert um etwa einen halben Radius, während die Schwebeposition oberhalb des Partikels zu verlassen. </li><li> Stellen Sie die Stromversorgung mit dem elektro-optischen Modulator (EOM) Fahrer die optische Trapping Leistung einzustellen. Die optimale Leistung ist abhängig von der Partikelgröße und Material. Die optische Leistung wurde durch wiederholte Versuche gefunden, ausreichend, um die Leistung zu bestimmen, die Teilchen schweben zu lassen, ohne sie aus dem Strahl ausgeworfen wird. Hier verwenden eine optische Leistung von 140 mW auf der hinteren Brennebene des Objektivs zu stoppen die 20 &amp; mgr; m Durchmesser Polystyrol (PS) -Partikel. </li><li> Nachdem die Mitte der ausgewählten Partikel ausgerichtet ist, betätigen, um den piezoelektrischen Werfer mit mehreren Impulsen. Die Änderung des Partikelbildes von einem statischen fokussiertes Bild auf eine sich bewegende unscharfes Bild zeigt die erfolgreiche Belastung an das levitation Position. </li><li> Übersetzen der Schwebe gehaltenen Teilchen vertikal um einen Millimeter über dem Substrat durch Bewegen der Objektivlinse nach oben möglich, Oberflächen-Wechselwirkungen zu vermeiden. Dann reduzieren die optische Leistung der Schwebe gehaltenen Teilchen (3b) in die Nennfangstellung (Figur 3c) , um den Übergang , die stabiler ist. HINWEIS: Die optische Leistung des Einfangens von Laser kann durch einen elektro-optischen Modulator (EOM) moduliert werden. Das EOM regelt die Ausgangsleistung mit einer Vorspannung durch eine digitale Stromversorgung geliefert. Man kann den Übergang von der Schwebe beobachten Position durch das CCD zu Trapping während langsam die optische Leistung reduziert. </li><li> Für die Positionsmessung, wie in Abbildung 3c bis 3d dargestellt, sorgfältig auf die Mitte des PZT - Halter zur optischen Achse bewegen und dann die Objektivlinse nach oben bewegen (vertikal) , um die Partikel in die Mitte des Proben Gehäuse (9 mm über das zu übersetzen substraß), wo das elektrische Streufeld minimiert wird. </li><li> Nach Durchführung der Messung, wie unten beschrieben, stellen die Partikel auf dem Substrat durch das Ziel nach unten bewegt, bis das Teilchen das Substrat berührt. Da die meisten der Teilchen in der Nähe der Ecken angelegt werden, kann die eingeschlossene Partikel leicht erkannt und eingefangen Wieder werden, wenn es in dem zentralen Bereich angeordnet ist. Dies ermöglicht eine reversible trap Belastungsänderungen über einen einzigen Fangprozesses auftreten, zu messen, wie beispielsweise Kontakt Wechselwirkungen des Teilchens und Substrat. </li></ol></li></ol> 3. Datenerfassung <ol><li> Ausrichten der Kondensator und die Fokussierlinse das QPD &quot;SUM&quot; -Signal mit einer Partikel in der Falle zu maximieren. </li><li> Richten der Fokussierlinse auf nominell die X und Y - Kanäle des QPD Null, wie in 4c gezeigt. </li><li> Wiederholen Sie die Einstellung des Kondensators und die Fokussierlinse bis die Fourier transformierte Positionssignale (oder Leistungsspektrumsdichte<html> (PSD) Plots) der X- und Y-Kanäle überlagern ausgewogene Empfindlichkeit zu zeigen. Richtig ausgerichtet QPD Signale (X und Y) zeigen nahezu identisches Verhalten, wie in 4b gezeigt. </li><li> Sobald die QPD Ausrichtung überprüft wird, schließen Sie den Spannungsverstärker an die beiden ITO-Platten. Schließen Sie das Spannungsüberwachungsausgangssignal des Verstärkers mit dem Messsystem synchron den Schritt Anregungssignal und die induzierte Teilchenbahn aufzuzeichnen. </li><li> Liefern eine kontinuierliche Rechteckwelle von 400 V ein elektrisches Feld (Figur 4d) zu erzeugen , die um etwa 500 nm (Figur 4e) die Partikel quer zur optischen Achse bewegt. Messen der Sprungantwort des eingefangenen Teilchen die QPD verwenden. </li><li> Durchschnittliche mehrere Perioden als notwendig, um die Auswirkungen der Brownsche Bewegung zu reduzieren. Die induzierte Bewegung kann die optische Kraft über einen größeren Bewegungsbereich als der thermische Fluktuationen zu messen. 12,ef &quot;&gt; 17 4d und 4e zeigt gemittelten Signale der angelegten Spannung und der induzierten Teilchenbahn über 50 Iterationen von Schritt Anregung. </li></ol>

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</ol>

Die Autoren erklären, dass keine konkurrierenden finanziellen Interessen bestehen.

Der piezoelektrische Abschuß soll die dynamische Leistung eines ausgewählten PZT zu optimieren. Die richtige Auswahl von PZT-Materialien und das Management von Ultraschallschwingungen sind die wichtigsten Schritte, um ein erfolgreiches Experiment zu erhalten. PZTs haben unterschiedliche Eigenschaften in Abhängigkeit von der Art des Wandlers (bulk oder gestapelt) und Komponentenmaterialien (hart oder weich). Eine Masse Typ PZT aus einem harten piezoelektrischen Material wird aus den folgenden Gründen ausgewählt. Erstens ...

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

<table><tbody><tr><td>ScotchBlue Malerband Original</td><td>3M</td><td>3M2090</td><td></td></tr><tr><td>Scotch 810 Magic Tape</td><td>3M</td><td>3M810</td><td></td></tr><tr><td>Funktions-/Arbiträrsignalgenerator</td><td>Agilent</td><td>HP33250A</td><td></td></tr><tr><td>Stromversorgung/Digitaler Spannungslieferant</td><td>Agilent</td><td>E3634A</td><td></td></tr><tr><td>Piezoelektrischer Ringwandler</td><td>American Piezo Company</td><td>Artikel91</td><td></td></tr><tr><td>Elektrooptischer Modulator</td><td>Con-Optics</td><td>350&minus; 80-LA</td><td></td></tr><tr><td>Verstärker für elektrooptischen Modulator</td><td>Con-Optics</td><td>302RM</td><td></td></tr><tr><td>Mitutoyo NIR unendlich korrigiertes Objektiv</td><td>Edmund Optik</td><td>46-404</td><td>Hergestellt von Mitutoyo und vertrieben von Edmund Optics</td></tr><tr><td>LOCTITE SUPER GLUE LONGNECK BOTTLE</td><td>Loctite</td><td>230992</td><td></td></tr><tr><td>3D-Drucker</td><td>MakerBot</td><td>Replicator 2</td><td></td></tr><tr><td>Polylactic Saures (PLA) Filament</td><td>MakerBot</td><td>True Red PLA Small Spool</td><td></td></tr><tr><td>Datenerfassungssystem</td><td>National Instruments</td><td>780114-01</td><td></td></tr><tr><td>Quadrantenzell-Photodetektor</td><td>Newport</td><td>2031</td><td></td></tr><tr><td>Translationstisch</td><td>Newport</td><td>562-XYZ</td><td></td></tr><tr><td>Inverses optisches Mikroskop</td><td>Nikon Instruments</td><td>EclipsTE2000</td><td></td></tr><tr><td>Fluoreszenzfilter (grün)</td><td>Nikon Instruments</td><td>G-2B</td><td></td></tr><tr><td>Floh3/CCD-Kamera</td><td>Punktgrau</td><td>FL3-U3-13S2M-CS</td><td>Trapping-Laser</td></tr><tr><td>Diodengepumptes Neodym-Yttriumvanadat (Nd:YVO4)</td><td>Spectra Physics</td><td>J20I-8S-12K/ BL-106C</td><td></td></tr><tr><td>Indiumzinnoxid (ITO) Beschichtete Deckgläser</td><td>SPI liefert</td><td>06463B-AB</td><td>Polystyrol-Mikropartikel</td></tr><tr><td>Schnell trocknende Silberfarbe</td><td>Tedpella</td><td>16040-30</td><td></td></tr><tr><td>Dri-Cal Größenstandards</td><td>Thermo Scientific</td><td>DC-20</td><td></td></tr><tr><td>Optische Faser</td><td>Thorlabs</td><td>P1&minus; 1064PM-FC-5</td><td>Bodenplatte</td></tr><tr><td>Aluminiumplatte&nbsp;</td><td>Thorlabs</td><td>CP4S</td><td></td></tr><tr><td>Hochspannungs-Endstufe</td><td>TREK</td><td>PZD700A M/S</td><td></td></tr></tbody></table>

optische trap-laden von dielectric mikroteilchen in der luft

Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air

Wir demonstrieren eine Methode, um ein ausgewähltes dielektrisches Mikroteilchen in Luft mit Hilfe des Strahlungsdrucks einer optischen Einstrahl-Gradientenfalle einzufangen. Zufällig gestreute dielektrische Mikropartikel, die an einem Glassubstrat haften, werden mit Hilfe von Ultraschallschwingungen, die von einem piezoelektrischen Wandler (PZT) erzeugt werden, kurzzeitig abgelöst. Dann hebt der optische Strahl, der auf ein ausgewähltes Partikel fokussiert ist, es in die optische Falle, während die schwingungsangeregten Mikropartikel auf das Substrat zurückfallen. Ein Teilchen kann am Nennfokus des Fangstrahls oder an einer Position oberhalb des Fokus (hier als Schwebeposition bezeichnet) gefangen sein, wo die Schwerkraft die Rückstellkraft bereitstellt. Nach der Messung kann das gefangene Partikel kontrolliert an einer gewünschten Position auf dem Substrat platziert werden. 
In diesem Protokoll wird ein experimentelles Verfahren zur selektiven optischen Fallenbelastung in Luft beschrieben. Zunächst wird der Versuchsaufbau kurz vorgestellt. Zweitens werden der Aufbau und die Fertigung eines PZT-Halters und eines Mustergehäuses detailliert dargestellt. Die optische Fallenbelastung eines ausgewählten Mikropartikels wird dann mit Schritt-für-Schritt-Anweisungen demonstriert, einschließlich der Probenvorbereitung, des Starts in die Falle und der Verwendung elektrostatischer Kraft, um die Teilchenbewegung in der Falle anzuregen und die Ladung zu messen. Abschließend präsentieren wir aufgezeichnete Teilchentrajektorien der Brownschen und ballistische Bewegungen eines in der Luft eingeschlossenen Mikropartikels. Diese Trajektorien können zur Messung der Steifigkeit oder zur Überprüfung der optischen Ausrichtung durch Zeitbereichs- und Frequenzbereichsanalyse verwendet werden. Die selektive Fallenbeladung ermöglicht es einer optischen Pinzette, ein Partikel und seine Veränderungen bei wiederholten Fallenbeladungen reversibel zu verfolgen und so die Wechselwirkung zwischen Partikel und Oberfläche zu untersuchen.

Die PZT-Launcher ist so konzipiert, eine CAD-Software-Paket. Hier verwenden wir eine einfache Sandwich - Struktur für die Vorbelastung (a PZT eingespannt mit zwei Platten), wie in Abbildung 2. Die PZT Halter und das Probengehäuse gezeigt , kann aus einer Vielzahl von Materialien und Verfahren hergestellt werden. Für eine schnelle Demonstration, wählen wir den 3D - Druck mit thermoplastischen wie in 2d dargestellt ist . Basierend auf den vorgefertigten Ko...

Es wird ein Protokoll zum Starten und stabilen Einfangen ausgewählter dielektrischer Mikropartikel in Luft vorgestellt.

Optische Trap-Laden von Dielectric Mikroteilchen in der Luft

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly ...

Das Ziel dieses Videoprotokolls ist es, zu demonstrieren, wie ein piezoelektrischer Launcher konstruiert und verwendet wird, um die Partikeladhäsion zu überwinden und die Partikelfreisetzung aus dem Substrat zu erleichtern, um eine Mikropartikellevitation in der Luft zu erreichen. Der Vorteil des Abschusses von einer Oberfläche besteht darin, dass das Partikel basierend auf Größe, Form, optischen Eigenschaften oder Ausrichtung ausgewählt werden kann. Letzteres kann nützlich sein, um asymmetrische Partikel einzufangen.Das wiederholte Einfangen und Landen von Teilchen kann ein neues Werkzeug zur Untersuchung von Fragen der Oberflächenchemie darstellen, wie z. B. der Ladungstransfer während der wiederholten Wechselwirkung des Teilchens. Die Rückkehr des Partikels auf die Oberfläche ermöglicht auch nachfolgende Messungen desselben Partikels mit anderen Methoden, wie z. B. der Rasterelektronenmikroskopie, und ermöglicht auch wiederholte Zyklen des Einfangens und Landens. Zuerst wird ein rechteckiger Rahmen in einer Halterung für einen piezoelektrischen Wandler in 3D gedruckt.Montieren Sie die schmalen Seiten des Rahmens mit Indiumzinnoxid-beschichtetem Glas und die breiten Seiten und die Oberseite mit herkömmlichem Glas, um das transparente Probengehäuse zu konstruieren. Gießen Sie anschließend eine kleine Portion dielektrischer Mikropartikel mit einem Durchmesser von 20 Mikrometern auf einen Objektträger. Stellen Sie den Behälter sofort wieder in einen Exsikkator.Nehmen Sie mit einem Glaskapillarrohr einige der Mikropartikel vom Objektträger auf. Verteilen Sie die Partikel auf einem Deckglas, indem Sie vorsichtig auf das Kapillarrohr klopfen. Verwenden Sie ein Mikroskop, um die Menge und Verteilung der dispergierten Mikropartikel auf dem Substrat zu überprüfen.Beginnen Sie als Nächstes mit der Montage des Piezo-Launchers, indem Sie eine Isolierfolie auf eine Aluminiumplatte aufbringen. Zentrieren Sie einen piezoelektrischen Ringwandler auf der Platte und stellen Sie sicher, dass er durch die Isolierfolie von der Platte getrennt ist. Setzen Sie den mit Mikropartikeln dispergierten Deckzettel auf den Wandler und lassen Sie einen Kupferring in den 3D-gedruckten Halter einrasten.Befestigen Sie den Schallkopf mit dem 3D-gedruckten Halter und zwei M6-Schrauben auf der Platte. Kleben Sie das Probengehäuse leicht mit Sekundenkleber auf die Halterung. Montieren Sie die fertige Trägerbaugruppe auf einem XYZ-Translationstisch eines inversen optischen Mikroskops.Verbinden Sie die piezoelektrischen Wandlerkabel mit dem Spannungsverstärker und den Verstärker mit dem Funktionsgenerator und stellen Sie sicher, dass alle Verbindungen sicher und ordnungsgemäß geerdet sind. Verbinden Sie den Ausgang der Verstärkerüberwachung mit einem Oszilloskop, um das Spannungssignal des Wandlers zu überwachen. Konfigurieren Sie den Funktionsgenerator so, dass er eine kontinuierliche Rechteckwelle von null bis eins Volt an den Verstärker sendet.Stellen Sie die Verstärkung des Verstärkers auf 200 Volt pro Volt ein. Richten Sie das Mikroskop so ein, dass es die Mikropartikel in Echtzeit abbildet. Scannen Sie dann manuell die Modulationsfrequenz des Antriebssignals von 0 bis 150 Kilohertz, während Sie die Bewegung der Mikropartikel überwachen.Die piezoelektrische Baugruppe ist so konzipiert, dass sie eine mechanische Vorspannung auf den Wandler ausübt, um die Resonanzamplitude zu verstärken und Ausfälle zu reduzieren. Frequenzen können helfen, die Resonanzfrequenz des Wandlers zu bestimmen, indem sie das Partikel auf der Oberfläche überwachen. Die Frequenz, bei der die Bewegung der Mikropartikel maximiert wird, ohne dass Teilchen anhaften, ist die Resonanzfrequenz der Trägerrakete.Wiederholen Sie den Scan bei Bedarf bei niedrigeren Spannungen, um die Resonanzfrequenz genau zu bestimmen. Stellen Sie die Wellenform so ein, dass ein Spannungssignal bei der Resonanzfrequenz mit einer Amplitude von 600 Volt erzeugt wird. Konfigurieren Sie den Funktionsgenerator für eine Rechteckwelle mit 10 bis 20 Zyklen im Burst-Modus.Prüfen Sie, ob die Partikel nach jedem Impuls freigesetzt werden. Wenn die Partikel nicht freigesetzt werden, erhöhen Sie die Amplitude oder die Anzahl der Zyklen. Entfernen Sie den mit Laser ausgekleideten Filter aus dem Mikroskop, um den Fokus des Fangstrahls auf dem CCD zu lokalisieren.Optimieren Sie den Fokus, indem Sie die vertikale Position des motorisierten Fokussierblocks anpassen. Tauschen Sie den Filter aus und verschieben Sie die Probe so, dass sich ein ausgewähltes Partikel an der Fokusposition des Überfüllungslasers befindet. Fokussieren Sie auf das Partikel, um das Partikelzentrum abzubilden.Betätigen Sie den piezoelektrischen Launcher mit mehreren Spannungsimpulsen, um das Teilchen zu starten, und passen Sie die Stromversorgung des Elektroobjektmodulators nach Bedarf an. Wenn das Partikel leicht verschwommen wird und eine Brownsche Bewegung beginnt, ist eine Überfüllung aufgetreten. Der Fokus des Trapping-Balkens ist entscheidend für eine erfolgreiche Trap-Belastung.Die Platzierung des Pin-Fokus nur wenige Mikrometer unterhalb der Probenebene trägt dazu bei, die Einfangeffizienz zu erhöhen. Wenn sich das Partikel nur geringfügig bewegt und auf dem Substrat scharf bleibt, erhöhen Sie die Einfangleistung. Wenn das Partikel an eine neue Position auf der Oberfläche fliegt, verringern Sie die Leistung.Sobald das Partikel erfolgreich geladen wurde, bewegen Sie die Objektivlinse nach oben, um das schwebende Partikel etwa einen Millimeter über den Glasdeckglas zu verschieben und Oberflächenwechselwirkungen zu vermeiden. Reduzieren Sie dann die optische Leistung, um das schwebende Teilchen in die stabilere nominale Fangposition zu bringen. Bewegen Sie den Launcher so, dass der Wandlerhalter auf der optischen Achse zentriert ist.Bewegen Sie die Objektivlinse, um das Partikel vertikal höher in das Probengehäuse zu verschieben. Um mit den Messungen zu beginnen, stellen Sie den Kondensor und die Fokussierlinse ein, bis die Dichtediagramme des Leistungsspektrums der X- und Y-Kanäle gut aufeinander abgestimmt sind. Schließen Sie dann eine Hochspannungsquelle an das Probengehäuse an.Um die Falleneigenschaften und die Partikelladung zu messen, legen Sie ein elektrostatisches Feld an, um die ballistische Bewegung des Partikels zu erzeugen. Zeichnen Sie das Schrittanregungssignal in der induzierten Teilchenbahn auf. Mittelung der Daten für mehrere Perioden nach Bedarf, um die Auswirkungen der Brownschen Bewegung zu reduzieren.Bewegen Sie nach der Messung die Objektivlinse nach unten, um das Partikel in der Mitte des Glasabdeckglases zu positionieren und es von den anderen Partikeln getrennt zu halten. Die piezoelektrische Trägeranordnung besteht aus einem transparenten Gehäuse, um das schwebende Teilchen vor Luftströmungen zu schützen, und einem piezoelektrischen Wandler, der das Substrat vibriert, um das Teilchen freizusetzen. Der Gehäuseboden ist offen, so dass das Substrat direkt auf den Schallkopf aufgesetzt werden kann.Die Mikropartikel können entweder in der Schwebeposition über dem Fokus oder in der Fangposition in der Nähe des Fokus gefangen werden, wo optische Kräfte das Partikel in alle Richtungen stabilisieren. In der Schwebestellung wirkt die Schwerkraft dem nach oben gerichteten Strahlungsdruck entgegen, so dass optische Kräfte das Teilchen nur quer stabilisieren. Bei kleinen Verschiebungen, wie z. B. der Brownschen Bewegung, kann die optische Kraft wie eine lineare Feder behandelt werden.Die Resonanzfrequenz kann aus dem spektralen Dichtediagramm der Leistung bestimmt werden. Die Steifigkeit und optische Kraft der Falle im linearen Bereich kann dann aus der Resonanzfrequenz, der bekannten Masse und der gemessenen Verschiebung berechnet werden. Kräfte über größere Verdrängungsbereiche können aus der induzierten ballistischen Bewegung im angelegten elektrischen Feld bestimmt werden.Die Analyse der ballistischen Verschiebung mit der Einschwingverhaltensmethode ergibt die Resonanzfrequenz, die Dämpfung und die stationäre Verschiebung. Nichtlineare Kräfte können mit der parametrischen Kraftmethode ermittelt werden. Dieser Ansatz, Mikropartikel schweben zu lassen, ermöglicht Präzisionsmessungen mit Partikeln, die nach Größe, Form oder Materialeigenschaften ausgewählt wurden, und ermöglicht auch nachfolgende Messungen an denselben Partikeln.Mit dieser Methode kann das Starten und Landen eines Teilchens über Hunderte von Zyklen wiederholt werden. Dies wird auch empfindliche Untersuchungen der Wechselwirkung von Teilchenoberflächen ermöglichen, wie z. B. die Kontaktelektrifizierung mit Einzelelektronenempfindlichkeit.

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Research

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