Name: Optical Trappola Caricamento di dielettrico microparticelle in aria (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-02-05T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 57 s
Description: Scopri come costruire un lanciatore piezoelettrico per catturare microparticelle dielettriche in aria. Questo metodo consente di selezionare particelle asimmetriche e studiare la chimica di superficie con misurazioni ripetute.

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Tutto il lavoro svolto sotto il supporto del National Institute of Standards and Technology. Alcune attrezzature, strumenti o materiali commerciali sono identificati per favorire la comprensione di questo protocollo. Tale identificazione non implica una raccomandazione o un'approvazione da parte del National Institute of Standards and Technology, né implica che i materiali o le attrezzature identificate siano necessariamente i migliori disponibili per lo scopo.

Attenzione: Si prega di consultare tutti i programmi di sicurezza rilevanti prima dell&#39;esperimento. Tutte le procedure sperimentali descritte in questo protocollo sono eseguite in conformità con il programma di sicurezza LASER NIST così come altre norme vigenti. Si prega di essere sicuri di scegliere ed indossare un equipaggiamento di protezione individuale (DPI), come gli occhiali di protezione laser progettati per la lunghezza d&#39;onda e potenza specifica. Manipolazione secco nano / microparticelle può richiedere ulteriore protezione delle vie respiratorie. 1. Progettazione e Realizzazione di un Titolare PZT e un recinto di esempio <ol><li> Progettare un titolare PZT e un recinto campione NOTA: I valori di design particolari variano a seconda della selezione di un PZT. <ol><li> Aprire il pacchetto software computer-aided design (CAD). Disegnare un (2D) disegno bidimensionale di un supporto per una data dimensione PZT. Sviluppare lo schizzo 2D alle caratteristiche volumetriche utilizzando combinazioni di estrusione / estrusione-cut. </li><li> Fare clic su Schizzo,disegnare un rettangolo e estrudere per fare un cubo rettangolare. </li><li> Disegnare un disco sulla superficie superiore del cubo di definire una funzione incasso circolarmente per coprire e tenere l&#39;anello di tipo PZT. </li><li> Definire un foro centrale per avere un accesso ottico sia per l&#39;imaging in tempo reale e cattura. </li><li> Definire una guida circolare lungo il bordo del foro centrale per inserire un anello piatto metallico (rame) per concentrare la potenza ultrasonica verso la zona centrale, come mostrato in figura 2 a. </li><li> Creare due fori per viti M6 sul supporto PZT da assemblare con una piastra di fondo (acquistato, spessore 4 mm piastra in alluminio inferiore con un foro al centro), come mostrato in figura 2c e 2d. </li><li> In modo simile, la progettazione di un telaio rettangolare del contenitore del campione. Fare clic Sketch, e disegnare un rettangolo, estrudere il rettangolo di farne una scatola rettangolare. </li><li> Disegnare un rettangolo più piccolo sulla superficie superiore del rettR scatola ed estrudere-tagliate il rettangolo di renderlo come un tubo rettangolare. </li><li> Disegnare un rettangolo più piccolo sulla parete laterale del tubo e Extrude taglio per trasformarlo nel telaio della scatola contenitore campione. </li><li> Convertire questi modelli tridimensionali (3D) in un formato di file di stereolitografia (STL) per un processo di stampa 3D (Figura 2b). </li></ol></li><li> Stampa 3D degli oggetti disegnati <ol><li> Aprire il file di disegno ( &quot;-.STL&quot;) dal software operativo stampante 3D. Posare l&#39;oggetto piatto 0 / .e centro l&#39;oggetto su (0, 0, 0) facendo clic sull&#39;oggetto per selezionarlo e utilizzando le funzioni di allineamento: &quot;Move&quot;, &quot;On Platform&quot;, e &quot;Center&quot;. Orientare il supporto PZT per affrontare i tratti delicati verso l&#39;alto. La superficie incasso sarà di fronte verso l&#39;alto. </li><li> Nel menu andare in &quot;Impostazioni&quot; e la scheda &quot;Qualità&quot;. Impostare i valori di stampa come segue, Infill: 100%, N. di calotte: 2, e l&#39;altezza di livello: 0.2mm. </li><li> Visualizzare in anteprima gli oggetti per controllare il tempo di stampa totale e assicurarsi che gli oggetti sovrapposti vengono stampati, se lo desideri. Esportare il file di stampa 3D in un formato &quot;.x3g&quot; e salvarlo da utilizzare nella stampante 3D. </li><li> Accendere la stampante 3D e riscaldarlo fino alla temperatura del ugello di estrusione raggiunge una temperatura di esercizio, 230 ° C. Caricare il file di progetto da una scheda di memoria o unità di rete. </li><li> Durante il warm up, posizionare la piattaforma di costruzione con nastro blu del pittore per aiutare gli oggetti aderire in modo sicuro. Come materiale termoplastico per il lavoro di stampa, utilizzare un filamento di acido polilattico (PLA) per entrambi gli oggetti. </li><li> Stampa gli oggetti disegnati. Una volta che il lavoro di stampa è terminato, spegnere la stampante dopo che si è raffreddato. </li><li> Staccare l&#39;oggetto stampato dalla piattaforma con uno scalpello. Raddrizzare gli oggetti stampati. Se l&#39;orientamento è opportunamente scelto, il titolare PZT può essere utilizzato direttamente senza ulteriore post-elaborazione. </li><li> foR la custodia del campione, preparare un paio di ossido di indio e stagno (ITO) vetrini rivestiti e tre vetrini per coprire il telaio. Utilizzare un tagliatore di diamanti per adattare il vetrino alla custodia. </li><li> Filo le due piastre conduttrici parallele utilizzando una vernice d&#39;argento rapida essiccazione per la fornitura di tensione attraverso due piastre. Incollare questi cinque finestre sul contenitore campione utilizzando una colla adesivo istantaneo. NOTA: Il una coppia di coprioggetto rivestiti ITO sono installati sul contenitore del campione in parallelo (fronte all&#39;altro) fornire campo elettrico uniforme e per generare il movimento balistico della particella naturalmente carica lungo il campo elettrico. I tre coprioggetto convenzionale coprire il resto delle superfici campione custodia (in alto e altri due lati) per proteggere la particella intrappolata dal flusso d&#39;aria esterna </li></ol></li></ol> 2. Trappola Caricamento ottica di un microparticelle selezionati <ol><li> preparazione del campione <ol><li> Conservare le microparticelle in unessiccatore evacuato per ridurre il contatto con l&#39;umidità nell&#39;aria prima dell&#39;esperimento. </li><li> Versare una piccola porzione di microparticelle su un vetrino e subito messo la bottiglia della produzione di nuovo in un essiccatore. </li><li> Pick up alcune delle microparticelle con un tubo di vetro capillare. Spargere le particelle sopra il substrato toccando delicatamente sul capillare mentre si tiene la capillare sul vetrino. </li><li> Verificare la quantità e distribuzione delle particelle depositate sul substrato utilizzando un microscopio a campo oscuro. Nota: Nella fase di preparazione del campione, la particella è solo sparso su un vetrino e ripreso con un microscopio ottico per verificare disposizione generale prima di inserirle (un coprioggetto con microparticelle sparsi) tra il titolare PZT e PZT. Poiché l&#39;adesione superficiale è abbastanza forte per tenere singole microparticelle sul substrato, le particelle aderiscono sono saldamente fissati se viene applicata significativa forza esterna. </li></ol&gt; </li><li> Assemblaggio launcher piezoelettrico <ol><li> Ottenere tutti i componenti del lanciatore piezoelettrico: la piastra di fondo piatto, film, il PZT, coprioggetto di vetro, un anello di rame, il titolare PZT, due viti M6, e il contenitore del campione isolanti. </li><li> Applicare un film sottile (o nastro) sulla piastra inferiore per isolare il PZT. Il coprioggetto di vetro isola la cima della pila. </li><li> Assemblare lo stack centrando il PZT sulla parte superiore della piastra piana ora isolati con nastro, seguito dal vetrino, l&#39;anello di rame, e il titolare PZT. Vite pila insieme mantenendo la centratura del PZT per evitare corto circuito l&#39;PZT al titolare se il titolare conduce come mostrato in figura 2c e 2d. L&#39;anello di rame fornisce un precarico meccanico distribuito uniformemente sullo stack per i titolari PZT plastica. </li><li> Infine, incollare il recinto del campione nello stack e montare il gruppo su un palcoscenico traslazionale XYZ al microscopio. </li></ol></li><li> Configurazione del lanciatore PZT NOTA: Guidare il PZT con un segnale di alta tensione ha potenziali rischi di natura elettrica. Si prega di consultare con il personale di sicurezza prima l&#39;esperimento. Tutti i collegamenti elettrici devono essere fissati prima dell&#39;esperimento. Spegnere l&#39;amplificatore e staccare PZT porta quando possibile. <ol><li> Collegare il PZT conduce all&#39;amplificatore tensione e collegare il generatore di funzioni per una porta di ingresso dell&#39;amplificatore di tensione. </li><li> Accendere il generatore di funzioni e configurarlo per generare onde quadre continue con una tensione di uscita di 1 V. Non generare il segnale di tensione fino a quando tutti i collegamenti sono verificati e protetti. </li><li> Accendere l&#39;amplificatore di tensione e generare l&#39;onda quadra di tensione di uscita 1 V abilitando l&#39;uscita. </li><li> Collegare la porta di uscita di controllo (tensione di uscita 200 V) dell&#39;amplificatore ad un oscilloscopio. Configurare l&#39;amplificatore di avere guadagno di 200 V / V girando laguadagnare manopola sul pannello frontale. Verificare che la tensione di uscita di monitoraggio ha un&#39;ampiezza di 1 V come misurato dal oscilloscopio. </li><li> Una volta che il generatore di funzioni e l&#39;amplificatore sono configurati, per la frequenza di risonanza del lanciatore PZT scansionando la frequenza di modulazione del segnale di pilotaggio mentre le immagini video di microscopio in tempo reale rispettate particelle. Ripetere la scansione fino il moto microparticelle è massima. Utilizzare questa frequenza (64 kHz qui) per rilasciare particelle. NOTA: La frequenza di modulazione viene modificato manualmente (digitalizzata) da zero a 150 kHz per individuare la frequenza di risonanza. </li><li> Configurare il generatore di funzioni per generare un&#39;onda quadra con un determinato numero di cicli in modalità burst. Premere il tasto &quot;Burst&quot; sul pannello frontale e selezionare &quot;Burst Cycle N&quot;. </li><li> Scegliere il conteggio dei burst premendo &quot;# cicli&quot; soft key e impostare il conteggio a 10 o 20. </li><li> Configurare la forma d&#39;onda quadra per generare segnali di tensione conun&#39;ampiezza di 600 V (tre volte la tensione utilizzata per l&#39;eccitazione continuo) alla frequenza di risonanza 64 kHz che ha trovato dal passaggio precedente. Verificare che il segnale pulsare rilascia la particella bersaglio in modo ripetibile garantendo particelle si muovono dopo ogni impulso. </li></ol></li><li> Selective trappola carico ottica NOTA: Il gruppo lanciatore PZT è installato su una fase di traduzione XY lineari manuale. Le particelle possono essere tradotti rispetto al fuoco del fascio fissa spostando la fase traslazionale. <ol><li> Rimuovere il filtro linea laser per identificare il fuoco del fascio cattura ruotando la torretta microscopio (Figura 3a). Spostare il blocco di messa a fuoco motorizzata avanti e indietro in senso verticale intorno alla migliore messa a fuoco dell&#39;immagine visibile per ottimizzare la messa a fuoco. </li><li> Una volta che la posizione di messa a fuoco è verificato, mettere il filtro per dare un chiaro video in tempo reale, senza interferenze da parte del fascio di cattura. </li><li> Tradurre il campione di ppizzo una particella selezionata alla posizione del fuoco del laser cattura. Focus sulla particella di immagine al centro di una particella selezionata, che pone la posizione trapping nominale sotto il centro della particella di circa la metà del raggio lasciando la posizione di levitazione sopra particella. </li><li> Regolare il alimentatore collegato al modulatore (EOM) conducente elettro-ottico per impostare la potenza intrappolamento ottico. La potenza ottimale dipende dalla dimensione delle particelle e materiale. La potenza ottica è stata trovata attraverso ripetute prove per determinare la potenza sufficiente a levitare la particella senza espellerlo dal fascio. Qui, utilizzare una potenza ottica di 140 mW in corrispondenza del piano focale posteriore dell&#39;obiettivo per intrappolare le particelle 20 micron di diametro polistirene (PS). </li><li> Dopo il centro della particella selezionata è allineato, azionare il lanciatore piezoelettrico con diversi impulsi. Il cambiamento dell&#39;immagine delle particelle da un&#39;immagine statica mirato ad una immagine sfocata in movimento indica il caricamento di successo al levposizione itazione. </li><li> Traduci la particella levitare verticalmente circa un millimetro al di sopra del substrato spostando la lente obiettivo per prevenire possibili interazioni di superficie. Quindi ridurre la potenza ottica di transizione particella levitare (Figura 3b) nella posizione nominale intrappolamento (figura 3c) che è più stabile. NOTA: La potenza ottica del laser cattura può essere modulato da un modulatore elettro-ottico (EOM). La missione di regolare la tensione di uscita con una tensione di polarizzazione alimentata attraverso un alimentatore digitale. Si può osservare il passaggio dalla posizione di levitazione per intrappolare attraverso il CCD mentre riduce lentamente la potenza ottica. </li><li> Per la misura di posizione, come illustrato nella Figura 3c al 3d, spostare accuratamente il centro del supporto PZT all&#39;asse ottico e quindi spostare la lente obiettivo up (verticale) per tradurre la particella verso il centro della custodia campione (9 mm dal substrate) dove il campo elettrico frangia è ridotto al minimo. </li><li> Dopo aver eseguito la misurazione come descritto di seguito, posizionare la particella sul substrato spostando l&#39;obiettivo finché la particella tocca il substrato. Poiché la maggior parte delle particelle sono applicati in prossimità degli angoli, la particella intrappolata può essere facilmente riconosciuto e re-intrappolato quando è posto in zona centrale. In questo modo reversibile trappola di carico per misurare i cambiamenti che si verificano al di là di un singolo evento di cattura, come interazioni di contatto della particella e il substrato. </li></ol></li></ol> 3. Acquisizione Dati <ol><li> Allineare il condensatore e la lente di focalizzazione per massimizzare la &quot;somma&quot; QPD segnale con una particella nella trappola. </li><li> Allineare la lente di focalizzazione a zero nominalmente canali X e Y della QPD, come mostrato in figura 4c. </li><li> Ripetere la regolazione del condensatore e la lente di focalizzazione finché i segnali di posizione Fourier trasformati (o densità di potenza di spettro<html> (PSD) trame) di canali X e Y si sovrappongono per mostrare sensibilità equilibrata. Segnali QPD correttamente allineati (X e Y) mostrano un comportamento quasi identico, come mostrato in Figura 4b. </li><li> Una volta che l&#39;allineamento QPD è verificato, collegare l&#39;amplificatore di tensione alle due piastre ITO. Collegare il segnale di uscita di monitoraggio della tensione dell&#39;amplificatore al sistema DAQ per registrare il segnale fase di eccitazione e la traiettoria delle particelle indotta sincrono. </li><li> Fornire un onda quadra continua di 400 V per generare un campo elettrico (figura 4d) che muove la particella trasversalmente all&#39;asse ottico di circa 500 nm (Figura 4e). Misurare la risposta al gradino della particella intrappolata utilizzando il QPD. </li><li> Media più periodi come necessario per ridurre gli effetti del moto browniano. Il movimento indotto può essere utilizzato per misurare la forza ottica su una gamma più ampia di movimento di quella di fluttuazioni termiche. 12,ef &quot;&gt; 17 Figura 4d e 4e spettacoli media di segnali di tensione applicata e la traiettoria delle particelle indotta oltre 50 iterazioni della fase di eccitazione. </li></ol>

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</ol>

Gli autori dichiarano di non avere alcun interesse finanziario concorrente.

Il lanciatore piezoelettrico è progettato per ottimizzare le prestazioni dinamiche di una PZT selezionato. La corretta scelta dei materiali e la gestione di vibrazioni ultrasoniche PZT sono i passaggi chiave per produrre un esperimento riuscito. PZTs hanno caratteristiche diverse a seconda del tipo di trasduttore (bulk o impilati) e materiali componenti (hard o soft). Un tipo bulk PZT in materiale piezoelettrico disco viene scelto per i seguenti motivi. In primo luogo, i materiali piezoelettrici rigidi hanno minori perd...

Ashkin ha riferito l&#39;accelerazione e la cattura di microparticelle dalla pressione di radiazione nel 1970. 1 Il suo romanzo raggiungimento promosso lo sviluppo di tecniche di intrappolamento ottico come strumento primario per gli studi fondamentali della fisica e biofisica. 2, 3, 4, 5 Ad oggi, l&#39;applicazione di intrappolamento ottico è concentrata principalmente sugli ambienti liquidi, e stato utilizzato per studiare una vasta gamma di sistemi, dal comportamento di colloidi alle proprietà meccaniche di singole biomolecole. 6, 7, 8 Applicazione di intrappolamento ottico di fluidi gassosi, tuttavia, richiede di risolvere diversi nuovi problemi tecnici. Recentemente, intrappolamento ottico in aria / vuoto è stata sempre più applicata nella ricerca fondamentale. Dal momento che levi otticizione fornisce potenzialmente quasi-completo isolamento di un sistema dall&#39;ambiente circostante, la particella otticamente levitare diventa un laboratorio ideale per studiare stati fondamentali quantici in piccoli oggetti, 4 misura onde gravitazionali ad alta frequenza, 9 e ricerca di carica frazionaria. 10 Inoltre, la bassa viscosità del vuoto / aria permette di utilizzare l&#39;inerzia per misurare la velocità istantanea di una particella browniano 11 e per creare un movimento balistico su una vasta gamma di movimento oltre il regime lineare primaverile. 12 Pertanto, le informazioni tecniche dettagliate e pratiche per le trappole ottiche in fluidi gassosi sono diventati più prezioso per la comunità di ricerca più ampio. Le nuove tecniche sperimentali sono necessari per caricare nano / microparticelle in trappole ottiche in fluidi gassosi. Un trasduttore piezoelettrico (PZT), un dispositivo che converte elettric energia in energia meccano-acustica, è stato usato per trasportare piccole particelle in trappole ottici a vuoto / aria 5, 12 poiché la prima dimostrazione di levitazione ottica. 1 Da allora, diverse tecniche di carico sono state proposte per caricare le particelle più piccole che utilizzano aerosol volatili generati da un nebulizzatore commerciale 13 o un generatore di onda acustica. 14 Gli aerosol galleggianti con inclusioni solide (particelle) passano a caso vicino al fuoco e sono intrappolati per caso. Una volta che l&#39;aerosol è intrappolato, il solvente evapora e la particella rimane nella trappola ottica. Tuttavia, questi metodi non sono adatti per identificare le particelle desiderati all&#39;interno di un campione, caricare una particella selezionata e di tenere traccia dei suoi cambiamenti, se liberato dalla trappola. Questo protocollo è destinato a fornire dettagli ai nuovi praticanti sul caricamento trappola ottica selettiva in aria, compresa l&#39;esperimentoinstallazione al, realizzazione di un supporto PZT e recinzione campione, trap carico, e acquisizione dati associati con l&#39;analisi del moto delle particelle sia della frequenza e di tempo. Protocolli per intrappolare in mezzi liquidi sono stati pubblicati. 15, 16 Il setup sperimentale complessiva si sviluppa su un microscopio ottico invertito commerciale. La figura 1 mostra un diagramma schematico della configurazione usata per dimostrare gradini della trappola ottica selettiva loading: liberando le microparticelle riposo, sollevando la particella scelta con il fascio focalizzato, misura il suo movimento, e l&#39;immissione sul substrato di nuovo. In primo luogo, le fasi di traslazione (trasversali e verticali) vengono utilizzati per portare un microparticelle selezionato sul substrato per la messa a fuoco di un laser di cattura (lunghezza d&#39;onda di 1064 nm) focalizzata da una lente obiettiva (vicino infrarosso corretti lunga lavorazione obiettivo distanza: NA 0.4, ingrandimento 20X, d lavoroistance 20 mm) attraverso il substrato trasparente. Poi, un lanciatore piezoelettrico (a meccanicamente precaricata ad anello PZT) genera vibrazioni ultrasoniche per rompere l&#39;adesione tra microparticelle ed un substrato. Così, ogni particella liberato può essere sollevato dal singolo fascio laser trap gradiente focalizzato sulla particella selezionata. Una volta che la particella è intrappolato, è tradotto al centro dell&#39;involucro campione contenente due piastre conduttrici parallele per l&#39;eccitazione elettrostatico. Infine, un sistema di acquisizione dati (DAQ) registra contemporaneamente il moto delle particelle, catturato da un fotorivelatore quadranti celle (QPD), e il campo elettrico applicato. Dopo aver terminato la misurazione, la particella è controllabile posizionato sul substrato in modo che possa essere intrappolato di nuovo in modo reversibile. Questo processo può essere ripetuto centinaia di volte senza perdita di particelle per misurare i cambiamenti, come effetto volta che si verificano su più cicli di cattura. Si prega di fare riferimento al nostro recente articolo Fo dettagli. 12

<table><tbody><tr><td>ScotchBlue Nastro da pittore Originale</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>Generatore di forme d'onda arbitrarie</td><td>Agilent</td><td>HP33250A</td><td></td></tr><tr><td>Alimentatore/Fornitore di tensione digitale</td><td>Agilent</td><td>E3634A</td><td></td></tr><tr><td>Trasduttore piezoelettrico ad anello</td><td>American Piezo Company</td><td>item91</td><td></td></tr><tr><td>Modulatore elettro-ottico</td><td>Con-Optics</td><td>350&minus; 80-LA</td><td></td></tr><tr><td>Amplificatore per Modulatore Elettro-ottico</td><td>Con-Optics</td><td>302RM</td><td></td></tr><tr><td>Mitutoyo NIR Obiettivo Corretto all'infinito</td><td>Edmund optics</td><td>46-404</td><td>Prodotto da Mitutoyo e Distribuito da Edmund optics</td></tr><tr><td>LOCTITE SUPER COLLA LONGNECK BOTTLE</td><td>Loctite</td><td>230992</td><td></td></tr><tr><td>stampante 3D</td><td>MakerBot</td><td>Replicator 2</td><td></td></tr><tr><td>Polilattico filamento acido (PLA)</td><td>MakerBot</td><td>True Red PLA Small Spool</td><td></td></tr><tr><td>Sistema di acquisizione dati</td><td>National Instruments</td><td>780114-01</td><td></td></tr><tr><td>Fotorivelatore a celle a quadrante</td><td>Newport</td><td>2031</td><td></td></tr><tr><td>Stadio traslazionale</td><td>Newport</td><td>562-XYZ</td><td></td></tr><tr><td>Microscopio ottico invertito</td><td>Nikon Instruments</td><td>EclipsTE2000</td><td></td></tr><tr><td>Filtro a fluorescenza (verde)</td><td>Nikon Instruments</td><td>G-2B</td><td></td></tr><tr><td>Fotocamera Flea3/CCD</td><td>Punto Grigio</td><td>FL3-U3-13S2M-CS</td><td>Laser di intrappolamento</td></tr><tr><td>Diodo pompato al neodimio ittrio vanadato (Nd:YVO4)Spectra</td> <td>Physics</td><td>J20I-8S-12K/ BL-106C</td><td></td></tr><tr><td>Ossido di indio stagno (ITO) Vetrini coprioggetti rivestiti</td><td>SPI fornisce</td><td>06463B-AB</td><td>Microparticelle di polistirene</td></tr><tr><td>Vernice d'argento ad asciugatura rapida</td><td>Tedpella</td><td>16040-30</td><td></td></tr><tr><td>Dri-Cal standard di dimensioni</td><td>Thermo Scientific</td><td>DC-20</td><td></td></tr><tr><td>fibra ottica</td><td>Thorlabs</td><td>P1&minus; 1064PM-FC-5</td><td>piastra inferiore</td></tr><tr><td>Piastra in alluminio&nbsp;</td><td>Thorlabs</td><td>CP4S</td><td></td></tr><tr><td>Amplificatore di potenza ad alta tensione</td><td>TREK</td><td>PZD700A M/S</td><td></td></tr></tbody></table>

optical trappola caricamento di dielettrico microparticelle in aria

Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air

Dimostriamo un metodo per intrappolare una microparticella dielettrica selezionata nell'aria utilizzando la pressione di radiazione da una trappola ottica a gradiente a raggio singolo. Le microparticelle dielettriche sparse in modo casuale e aderite a un substrato di vetro vengono momentaneamente staccate utilizzando vibrazioni ultrasoniche generate da un trasduttore piezoelettrico (PZT). Quindi, il raggio ottico focalizzato su una particella selezionata la solleva fino alla trappola ottica mentre le microparticelle eccitate vibrazionalmente ricadono sul substrato. Una particella può essere intrappolata al fuoco nominale del fascio di intrappolamento o in una posizione al di sopra del fuoco (qui indicata come posizione di levitazione) dove la gravità fornisce la forza di ripristino. Dopo la misurazione, la particella intrappolata può essere posizionata nella posizione desiderata sul substrato in modo controllato. 
In questo protocollo, viene delineata una procedura sperimentale per il caricamento selettivo di trappole ottiche in aria. Innanzitutto, viene brevemente introdotta la configurazione sperimentale. In secondo luogo, la progettazione e la fabbricazione di un supporto PZT e di un contenitore campione sono illustrate in dettaglio. Il caricamento della trappola ottica di una microparticella selezionata viene quindi dimostrato con istruzioni dettagliate, tra cui la preparazione del campione, il lancio nella trappola e l'uso della forza elettrostatica per eccitare il movimento delle particelle nella trappola e misurare la carica. Infine, presentiamo le traiettorie registrate delle particelle di Brownian e i moti balistici di una microparticella intrappolata nell'aria. Queste traiettorie possono essere utilizzate per misurare la rigidità o per verificare l'allineamento ottico attraverso l'analisi nel dominio del tempo e nel dominio della frequenza. Il caricamento selettivo delle trappole consente alle pinzette ottiche di tracciare una particella e le sue variazioni nel corso di caricamenti ripetuti in modo reversibile, consentendo così studi sull'interazione particella-superficie.

Il lanciatore PZT è stato progettato utilizzando un pacchetto software CAD. Qui, si usa una semplice struttura a sandwich per il precarico (a PZT fissata con due piastre), come mostrato in Figura 2. Il titolare PZT e il contenitore campione può essere fabbricata da una varietà di materiali e metodi. Per una rapida dimostrazione, abbiamo scelto la stampa 3D con termoplastico come illustrato nella figura 2d. Sulla base dei componenti fabbricati, trap loadi...

Viene presentato un protocollo per il lancio e l'intrappolamento stabile di microparticelle dielettriche selezionate nell'aria.

Optical Trappola Caricamento di dielettrico microparticelle in aria

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

L'obiettivo di questo protocollo video è dimostrare come viene costruito e utilizzato un lanciatore piezoelettrico per superare l'adesione delle particelle e facilitare il rilascio di particelle dal substrato per ottenere la levitazione di microparticelle nell'aria. Il vantaggio del lancio da una superficie è che la particella può essere selezionata in base alle dimensioni, alla forma, alle proprietà ottiche o all'orientamento. Quest'ultimo può essere utile per intrappolare particelle asimmetriche.L'intrappolamento e l'atterraggio ripetuti della particella possono fornire un nuovo strumento per studiare questioni di chimica delle superfici, come il trasferimento di carica durante l'interazione ripetuta della particella. Il ritorno della particella in superficie consente anche misurazioni successive della stessa particella con altri metodi, come la microscopia elettronica a scansione, e consente anche cicli ripetuti di intrappolamento e atterraggio. Innanzitutto, stampa in 3D un telaio rettangolare in un supporto per trasduttore piezoelettrico.Montare i lati stretti del telaio con vetro rivestito di ossido di indio e stagno e i lati larghi e la parte superiore con vetro convenzionale per costruire l'involucro trasparente del campione. Quindi, versare una piccola porzione di micro particelle dielettriche di 20 micrometri di diametro su un vetrino. Rimettere immediatamente il contenitore in un essiccatore.Utilizzando un tubo capillare di vetro, prelevare alcune delle micro particelle dal vetrino. Spargere le particelle su un vetrino coprioggetti picchiettando delicatamente il tubo capillare. Utilizzare un microscopio per verificare la quantità e la distribuzione delle micro particelle disperse sul substrato.Quindi, inizia l'assemblaggio del piezo-lanciatore applicando una pellicola isolante su una piastra di alluminio. Centrare un trasduttore piezoelettrico ad anello sulla piastra, assicurandosi che sia separato dalla piastra dalla pellicola isolante. Posizionare il vetrino di copertura disperso con microparticelle sul trasduttore e inserire un anello di rame nel supporto stampato in 3D.Fissare il trasduttore in posizione sulla piastra con il supporto stampato in 3D e due viti M6. Incollare leggermente l'involucro del campione sul supporto con adesivo istantaneo. Montare il gruppo lanciatore completato su uno stadio traslazionale XYZ di un microscopio ottico invertito.Collegare i cavi del trasduttore piezoelettrico all'amplificatore di tensione e l'amplificatore al generatore di funzioni, assicurandosi che tutti i collegamenti siano sicuri e adeguatamente messi a terra. Collegare la porta di uscita del monitoraggio dell'amplificatore a un oscilloscopio per monitorare il segnale di tensione di pilotaggio del trasduttore. Configurare il generatore di funzioni per inviare un'onda quadra continua da zero a un volt all'amplificatore.Impostare il guadagno dell'amplificatore a 200 volt per volt. Imposta il microscopio per visualizzare le micro particelle in tempo reale. Quindi scansiona manualmente la frequenza di modulazione del segnale di guida da 0 a 150 kilohertz monitorando il movimento delle microparticelle.Il gruppo piezoelettrico è progettato per applicare il precarico meccanico al trasduttore, per amplificare l'ampiezza della risonanza e ridurre i guasti. Le frequenze possono aiutare a determinare la frequenza di risonanza del trasduttore monitorando la particella sulla superficie. La frequenza alla quale il movimento delle microparticelle è massimizzato senza particelle aderenti è la frequenza di risonanza del lanciatore.Ripetere la scansione secondo necessità a tensioni più basse per determinare con precisione la frequenza di risonanza. Impostare la forma d'onda per generare un segnale di tensione alla frequenza di risonanza con un'ampiezza di 600 volt. Configura il generatore di funzioni per un'onda quadra con 10-20 cicli in modalità burst.Verificare che le particelle vengano rilasciate dopo ogni impulso. Se le particelle non vengono rilasciate, aumentare l'ampiezza o il numero di cicli. Rimuovere il filtro rivestito al laser dal microscopio per individuare il fuoco del raggio di intrappolamento sul CCD.Ottimizza la messa a fuoco regolando la posizione verticale del blocco di messa a fuoco motorizzato. Sostituire il filtro e traslare il campione in modo che una particella selezionata si trovi nella posizione di messa a fuoco del laser di intrappolamento. Concentrati sulla particella per visualizzare il centro della particella.Azionare il lanciatore piezoelettrico con diversi impulsi di tensione per lanciare la particella, regolando l'alimentazione del modulatore di oggetti elettrici secondo necessità. Quando la particella si sfoca leggermente e inizia il moto browniano, si è verificato l'intrappolamento. La messa a fuoco del fascio di intrappolamento è fondamentale per il corretto caricamento degli scaricatori.Posizionare il fuoco del pin pochi micron sotto il piano del campione aiuta ad aumentare l'efficienza di intrappolamento. Se la particella si muove solo leggermente e rimane a fuoco sul substrato, aumentare il potere di intrappolamento. Se la particella vola via in una nuova posizione sulla superficie, diminuisci la potenza.Una volta che la particella è stata caricata con successo, spostare la lente dell'obiettivo verso l'alto per traslare la particella levitata a circa un millimetro sopra il vetrino coprioggetto per evitare interazioni con la superficie. Quindi ridurre la potenza ottica per spostare la particella levitata nella posizione di intrappolamento nominale più stabile. Spostare il lanciatore in modo che il supporto del trasduttore sia centrato sull'asse ottico.Spostare la lente dell'obiettivo per traslare verticalmente la particella più in alto nell'involucro del campione. Per iniziare le misurazioni, regolare il condensatore e la lente di messa a fuoco fino a quando i grafici della densità dello spettro di potenza dei canali X e Y non corrispondono correttamente. Quindi collegare una sorgente ad alta tensione all'involucro del campione.Per misurare le proprietà della trappola e la carica della particella, applicare un campo elettrostatico per generare il movimento balistico della particella. Registra il segnale di eccitazione del passo nella traiettoria della particella indotta. Fare la media dei dati per più periodi in base alle esigenze per ridurre gli effetti del moto browniano.Dopo aver eseguito la misurazione, spostare la lente dell'obiettivo verso il basso per posizionare la particella al centro del vetrino, per mantenerla separata dalle altre particelle. Il gruppo lanciatore piezoelettrico è costituito da un involucro trasparente per proteggere la particella levitata dalle correnti d'aria e da un trasduttore piezoelettrico che fa vibrare il substrato per rilasciare la particella. La parte inferiore dell'involucro è aperta in modo che il substrato possa essere posizionato direttamente sul trasduttore.Le micro particelle possono essere intrappolate nella posizione di levitazione sopra il fuoco o nella posizione di intrappolamento vicino al fuoco, dove le forze ottiche stabilizzano la particella in tutte le direzioni. Nella posizione di levitazione, la gravità contrasta la pressione di radiazione verso l'alto in modo che le forze ottiche stabilizzino la particella solo trasversalmente. Per piccoli spostamenti, come il moto browniano, la forza ottica può essere trattata come una molla lineare.La frequenza di risonanza può essere determinata dal grafico della densità spettrale di potenza. La rigidità e la forza ottica della trappola nel regime lineare possono quindi essere calcolate dalla frequenza di risonanza, dalla massa nota e dallo spostamento misurato. Le forze su intervalli di spostamento più ampi possono essere determinate dal movimento balistico indotto nel campo elettrico applicato.L'analisi dello spostamento balistico con il metodo della risposta transitoria fornisce la frequenza di risonanza, lo smorzamento e lo spostamento allo stato stazionario. Le forze non lineari possono essere determinate con il metodo della forza parametrica. Questo approccio alla levitazione delle microparticelle consente misurazioni di precisione utilizzando particelle selezionate per dimensioni, forma o proprietà del materiale e consente anche misurazioni successive sulle stesse particelle.Utilizzando questo metodo, il lancio e l'atterraggio di una particella possono essere ripetuti per centinaia di cicli. Ciò consentirà anche studi sensibili sull'interazione della superficie delle particelle, come l'elettrificazione per contatto con la sensibilità di un singolo elettrone.

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