Name: 空気中の誘電体微粒子の光学トラップのロード (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-02-05T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 57 s
Description: 学ぶ、圧電式ランチャーを用いた空気中誘電体微粒子の光学トラップ法。粒子付着を克服し、表面化学研究のための反復測定を可能にする革新的な微粒子操作技術です。

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すべての作業は、国立標準技術研究所の支援の下で行われました。このプロトコルの理解を促進するために、特定の商用機器、機器、または材料が特定されています。このような識別は、米国国立標準技術研究所による推奨または承認を意味するものではなく、また、特定された材料または機器が必ずしもその目的に利用可能な最善であることを意味するものでもありません。

注意：実験の前に、すべての関連する安全プログラムを参照してください。このプロトコルに記載されている全ての実験手順は、NISTレーザー安全プログラムだけでなく、他の適用規則に従って実行されています。選択して、このような特定の波長および出力用に設計されたレーザー保護メガネとして適切な個人用保護具（PPE）を着用するようにしてください。乾燥ナノ/マイクロ粒子を処理する追加の呼吸保護を必要とするかもしれません。 1.設計とPZTホルダーの作製とサンプルエンクロージャ<ol><li> PZTホルダーとサンプルエンクロージャを設計します 注記：特定の設計値は、PZTの選択に応じて変化します。 <ol><li>コンピュータ支援設計（CAD）ソフトウェアパッケージを開きます。与えられたPZTディメンションのホルダーの2次元（2D）スケッチを描きます。押し出し/押し出しカットの組み合わせを使用して、体積フィーチャに2Dスケッチを開発します。 </li><li>スケッチをクリックして、四角形を描画し、長方形のキューブを作ってそれを押し出します。 </li><li>カバーおよびリング型PZTを保持するための環状凹部機能を定義するために、キューブの上面にディスクをスケッチ。 </li><li>リアルタイムイメージング及び捕獲の両方のために光アクセスを持つように中心孔を規定します。 </li><li> 図2に示すように、中心部に向かって超音波パワーを集中するために平らな金属（銅）リングを挿入するために、中央の穴の縁に沿って円形ガイドを定義します。 </li><li> 図2cおよび2dに示すように、底板（中央に穴の開いた購入し、厚さ4mmの底のアルミニウム板）で組み立てられるように、PZTホルダーにM6ネジ用の2つのボアの穴を作成します。 </li><li>同様に、サンプルエンクロージャの長方形の枠を設計します。スケッチをクリックして、四角形を描画し、それ長方形のボックスにするために矩形を押し出します。 </li><li> rectangulaの上面に小さい四角形を描画Rボックスと押し出しカット矩形管としてそれを作るために長方形。 </li><li>サンプルエンクロージャボックスのフレームに変換するために、チューブと押し出しカットの側壁に小さい四角形を描画します。 </li><li>これらの3次元（3D）モデルは、3D印刷用ステレオリソグラフィ（STL）ファイルフォーマット（ 図2b）に変換します。 </li></ol></li><li> 設計されたオブジェクトの3Dプリント <ol><li> 3Dプリンタオペレーティングソフトウェアからデザインファイル（「-.STLを」）を開きます。 「プラットフォーム上」、「移動」を、そして「センター」：それを選択するオブジェクトをクリックするとアライメント機能を使って、（0、0、0）でオブジェクトのフラット0 / .AND中心にオブジェクトを置きます。上向きの繊細な機能に直面してPZTホルダーを向けます。凹面が上方に直面することになります。 </li><li>メニューの「設定」と「品質」タブに移動します。 、次のようにインフィルを印刷値を設定：100％、シェルの数：2、およびレイヤの高さ：0.2ミリメートル。 </li><li>総印刷時間を確認し、必要に応じて階層化のオブジェクトが印刷されることを確認するオブジェクトをプレビューします。 「.x3g」形式の3D印刷ファイルをエクスポートし、3Dプリンタで使用するためにそれを保存します。 </li><li> 3Dプリンターの電源をオンにし、押し出しノズルの温度が動作温度に達するまでのウォームアップ、230℃のメモリカードまたはネットワークドライブからデザインファイルをロードします。 </li><li>ウォームアップ時には、オブジェクトがしっかり付着を助けるために青画家のテープでビルドプラットフォームを配置します。印刷ジョブのための熱可塑性材料としては、両方のオブジェクトのためのポリ乳酸（PLA）繊維を使用。 </li><li>設計されたオブジェクトを印刷します。印刷ジョブが完了すると、それが冷却した後、プリンタの電源を切ります。 </li><li>ノミを使用してプラットフォームから印刷オブジェクトを切り離します。印刷されたオブジェクトをまっすぐにします。配向が適切に選択された場合に、PZTホルダを直接さらに後処理することなく使用することができます。 </li><li>フォーRサンプルエンクロージャは、フレームをカバーするために、インジウムスズ酸化物（ITO）コーティングしたカバースリップ三カバーガラスの一対を準備します。エンクロージャにカバースリップにフィットするようにダイヤモンドカッターを使用してください。 </li><li>線速乾性銀ペイントを用いて2つの平行な導電プレートは、二つのプレートの間に電圧を供給する。瞬間接着剤の接着剤を使用して、サンプルエンクロージャにこれらの5つの窓を接着。 注：ITOコーティングされたカバースリップの一組は、平行にサンプルエンクロージャにインストールされて均一な電場を提供し、電界に沿って自然に荷電粒子の弾道運動を生成するために（互いに対向します）。 3従来のカバーガラスは、空気の外部流れから捕捉された粒子を保護するために、サンプルエンクロージャ面（トップと他の2つの辺）の残りの部分をカバー</li></ol></li></ol>選択された微粒子の2光トラップの読み込み<ol><li> 試料調製 <ol><li>中の微粒子を保存実験の前に空気中の水分との接触を減らすためにデシケーターを避難。 </li><li>スライドガラス上に微粒子の小さな部分を注ぎ、すぐに戻ってデシケーター中で、製造業者のボトルを置きます。 </li><li>ガラス毛細管を有する微粒子のいくつかをピックアップ。カバーガラスの上に、キャピラリを保持しながら、そっとキャピラリーをタップして、基板上に粒子を散乱。 </li><li>暗視野顕微鏡を用いて基板上に堆積された粒子の量と分布を確認します。 注意：試料調製工程では、粒子がちょうどカバースリップ上に散乱され、PZTとPZTホルダとの間にそれらを挿入する前に、全体の構成を確認するために、光学顕微鏡（散乱微粒子とカバーガラス）で画像化。表面接着は、基板上の個々の微粒子を保持するのに十分強力であるので重要な外力が印加されない限り、付着粒子が強固に固定されています。 </li></oL&gt; </li><li> 圧電ランチャアセンブリ <ol><li>平らな底板、フィルム、PZT、カバーガラス、銅リング、PZTホルダー、2本のM6ネジ、およびサンプルエンクロージャを絶縁：圧電ランチャーのすべてのコンポーネントを取得します。 </li><li> PZTを絶縁するために、底板上に薄膜（またはテープ）を適用します。カバーガラスは、スタックの先頭を分離します。 </li><li>カバースリップに続く今テープで絶縁平板、銅リング、およびPZTホルダーの上にPZTを中心にして、スタックを組み立てます。 図2cおよび2dに示すように、ホルダーが導通している場合はホルダーにPZTの短絡を回避するために、PZTのセンタリングを維持一緒にスタックをねじ込みます。銅リングは、プラスチック製のPZTホルダー用スタック上に均一に分布機械的予圧を提供します。 </li><li>最後に、スタックにサンプルエンクロージャを接着し、顕微鏡でXYZ並進ステージ上にマウントアセンブリ。 </li></ol></li><li> PZTランチャーの設定 注：高電圧信号とPZTを駆動するには、潜在的な電気的な危険があります。実験の前に、安全担当者にご相談ください。すべての電気接続は、実験前に保護する必要があります。アンプの電源をオフにし、切り離しPZTは、可能な限りつながります。 <ol><li> PZTは、電圧アンプにリードを接続し、電圧増幅器の入力ポートにファンクション・ジェネレータを接続します。 </li><li>ファンクション・ジェネレータをオンにして、すべての接続が検証されて固定されるまで、電圧信号を生成しない1 Vの出力電圧を連続的に方形波を発生するように設定します。 </li><li>電圧アンプの電源をオンにし、出力を可能にすることにより、出力電圧1 Vの方形波を発生させます。 </li><li>オシロスコープにアンプの監視出力ポート（出力電圧200 V）を接続します。回して、200 V / Vのゲインを持つように、増幅器を構成しますフロントパネルのノブを得ることができます。オシロスコープで測定したモニタ出力電圧は1 Vの振幅を持っていることを確認します。 </li><li>関数発生器と増幅器を設定すると、リアルタイムのビデオ顕微鏡画像は、粒子を付着しながら駆動信号の変調周波数を走査することによりPZTランチャーの共振周波数を見つけます。微粒子動きが最大になるまでスキャンを繰り返します。粒子を解放するために、この周波数（ここでは64 kHzの）を使用します。 注：変調周波数を手動で共振周波数を見つけるために、150 kHzに、ゼロから（スキャン）が変化します。 </li><li>バーストモードで指定された数のサイクルの方形波を生成するために、ファンクション・ジェネレータを設定します。フロントパネルに「バースト」ボタンを押すと「Nサイクルバースト」を選択します。 </li><li> 「＃サイクル」のソフトキーを押して、バースト数を選択して、10または20にカウントを設定します。 </li><li>との電圧信号を生成する方形波を設定600 Vの振幅前のステップから見つかった64キロヘルツの共振周波数で（3回連続励起のために使用される電圧）。パルス信号は、粒子は、各パルスの後に移動を保証することにより、繰り返し可能な方法で標的粒子を放出することを確認します。 </li></ol></li><li> 選択光トラップのロード 注：PZTランチャアセンブリは手動線形変換XYステージ上に設置されています。粒子は、並進ステージを移動させることにより、固定ビーム焦点を基準に翻訳することができます。 <ol><li>顕微鏡のタレット（ 図3a）を回転させることにより、トラップビームの焦点を識別するために、レーザラインフィルタを削除。フォーカスを最適化するために、可視画像の最良の焦点の周りに垂直方向に前後に電動フォーカシングブロックを移動します。 </li><li>焦点位置が確認されると、トラップビームからの干渉なしに明確なリアルタイムビデオを与えるために戻ってフィルタをかけます。 </li><li> pまでのサンプルを翻訳トラップレーザーの焦点位置に選択された粒子をレース。画像への粒子の粒子上に浮上位置を残しながら、約半分の半径によって粒子中心部以下の公称トラッピング位置を配置する選択された粒子の中心に焦点を当てています。 </li><li>光トラッピング力を設定するための電気光学変調器（EOM）ドライバに接続された電源を調整します。最適な電力は、粒子サイズおよび材料に依存します。光パワービームから吐出させずに粒子を浮揚させるのに十分な電力を決定するために反復試験によって見出されました。ここでは、直径20μmのポリスチレン（PS）粒子を捕捉する対物レンズの後焦点面で140ミリワットの光パワーを使用しています。 </li><li>選択された粒子の中心が整列された後、いくつかのパルスで圧電ランチャーを作動させます。移動ぼやけた画像への静的な合焦画像から粒子像の変化がLEVに成功した負荷を示していますitation位置。 </li><li>基板上ミリメートル程度垂直浮遊粒子は、可能な表面相互作用を防止するように対物レンズを移動させることによって変換します。そして、より安定している公称トラッピング位置（ 図3c）に浮揚粒子（ 図3b）を移行するための光パワーを低減します。 注：トラッピングレーザの光パワーは、電気光学変調器（EOM）によって調節することができます。 EOMは、デジタル電源を介して供給されるバイアス電圧で出力電力を調整します。一つは、ゆっくりと光パワーを低減しながら、CCDを介して位置をトラップに浮上からの移行を観察することができます。 </li><li>位置測定のために、3Dに、図3Cに示すように、慎重に光軸にPZTホルダーの中心を移動し、サンプルエンクロージャの中央上記（9 mmの中に粒子を変換するための対物レンズまでの（垂直方向）に移動させますSUBSTRフリンジ電界が最小化される）を食べました。 </li><li>粒子が基板に接触するまで、以下に記載されるように測定を行った後、対物レンズを下に移動することによって、基板上に粒子を配置します。粒子の大部分が角部近傍に適用されるので、トラップされた粒子は、容易に認識することができ、再捕捉され、それが中央部に配置されたとき。これは、粒子と基板との接触相互作用のような単一のトラップイベントを越えて生じる変化を測定するための可逆的トラップの読み込みを可能にします。 </li></ol></li></ol> 3.データ集録<ol><li>トラップ内の粒子とQPD「SUM」信号を最大化するために、凝縮器フォーカスレンズの位置を合わせます。 </li><li> 図4cに示すように、QPDのXとYのチャネルを名目上ゼロに集束レンズの位置を合わせます。 </li><li>フーリエ変換された位置信号（又は電力スペクトル密度まで凝縮器の調整とフォーカスレンズを繰り返し<html> XとYのチャンネル（PSD）プロットは）バランスのとれた感度を示すように重ね合わせます。 図4bに示すように適切に整列QPD信号（XとY）は、ほぼ同一の挙動を示します。 </li><li> QPDアライメントが確認されると、2枚のITOプレートに電圧アンプを接続します。ステップ励磁信号と同期して誘導された粒子の軌跡を記録するためにDAQシステムにアンプの電圧監視出力信号を接続します。 </li><li>約500nm（ 図4e）により光軸に対して横方向に粒子を移動させる電界（ 図4d）を生成するために400 Vの連続的な矩形波を供給する。 QPDを使用して捕捉された粒子のステップ応答を測定します。 </li><li>ブラウン運動の影響を低減するために、必要に応じて平均複数の期間。誘導運動は、熱揺らぎよりも運動のより広い範囲にわたって光力を測定するために使用することができます。 12、EF &quot;&gt; 17 図4dおよび4eのショーは、印加電圧とステップ励磁の50回の反復を超える誘起される粒子軌道の信号を平均しました。 </li></ol>

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著者らは、競合する金銭的利益を宣言していない。

圧電ランチャは、選択されたPZTの動的性能を最適化するように設計されています。超音波振動のPZT材料と管理の適切な選択が成功した実験を生成する重要なステップです。 PZTは、異なる特性の変換器のタイプに応じて（バルク又は積層）し、構成材料（ハードまたはソフト）を有します。硬質圧電材料からなるバルク型PZTは、次の理由のために選択されます。まず、ハード圧電材料は柔らかい材料より低い誘電損失および高い機械的品質係数を有しています。第二に、バルク型PZTは、低い電気負荷を表しており、積層型変換器よりも高い周波数で駆動することが容易です。動的な動作では、高振幅の振動は、機械的な故障につながる無負荷PZTセラミックの引張力を引き起こす可能性があります。機械的予圧構造はバックラッシュを低減し、PZTの動的性能を向上させるために一定の負荷を提供するために使用されます。会いましたallicリングスペーサは、PZTホルダーとリング型PZTの間に挿入されます。この金属製のリングスペーサは、超音波パワーを集中し、リングの周りに均等に分配する（簡単にカバーガラスを破ることができる任意のローカル（不均一）ストレス。）。うまく設計されたPZTランチャーでは、軸方向...

Ashkinは、物理学や生物物理学の基礎的な研究のための主要なツールとして、光トラッピング技術の開発を進め、1970年1彼の小説成果の加速度と放射圧による微粒子の捕捉を報告しました。これまでに2、3、4、5は 、光トラッピングの適用は、液体環境で主に集中しており、単一の生体分子の機械的特性へのコロイドの挙動から、システムの非常に広い範囲を研究するために使用されて。 6、7、ガス状のメディアへの光トラッピングの8アプリケーションは、しかし、いくつかの新しい技術的な問題を解決する必要があります。 最近では、空気/真空中の光トラッピングはますます基礎研究に応用されています。光学レヴィので、テーションは、潜在的に光学的に浮揚粒子は、小さな物体で4高周波測定重力波、9を量子基底状態を研究し、分数電荷を探索するための理想的な実験室となり、周囲の環境からシステムのほぼ完全な絶縁を提供します。 図10はまた、空気/真空の低い粘度は1つがブラウン粒子11の瞬間速度を測定するための慣性を利用して、線形ばね様体制を超えて動き、広範囲の弾道運動を作成することを可能にします。 12したがって 、気体媒体における光学トラップの詳細な技術情報や慣行は、より広い研究コミュニティにより貴重になってきています。 新しい実験技術は、気体媒体中の光トラップにナノ/マイクロ粒子をロードする必要があります。圧電変換器（PZT）、電動式を変換する装置メカノ音響エネルギーへのICエネルギーは、光浮上の最初の実証以来、空気/真空5、12で光トラップに小さな粒子を送達するために用いられています。 1以来、いくつかのローディング技術は、商業的噴霧器13又は音響波発生器によって生成された揮発性のエアロゾルを用いてより小さな粒子をロードするために提案されています。 14固体含有物（粒子）との浮遊エアロゾルはランダムに焦点近傍を通過し、偶然にトラップされます。エアロゾルがトラップされると、溶媒が出て蒸発し、粒子が光トラップに残ります。しかし、これらの方法は、サンプルの中から所望の粒子を識別する選択された粒子をロードし、トラップから放出された場合、その変更を追跡するのにはあまり適していません。このプロトコルは、実験など、空気中の選択光トラップの読み込み、上の新しい実務に詳細を提供することを目的としますアルセットアップ、PZTホルダーとサンプルエンクロージャの製造、トラップロード、両方の周波数領域および時間領域における粒子運動の解析に関連したデータ収集。液体培地中に捕捉するためのプロトコルも公開されています。 15、16 全体的な実験は、市販の倒立光学顕微鏡上で開発されています。 図1は、選択光トラップの負荷のステップを示すために使用されたセットアップの概略図を示しています、休憩微粒子を解放集束ビームで選ばれた粒子を持ち上げ、その動きを測定し、再び基板上にそれを置きます。まず、並進ステージ（横と縦）は、対物レンズにより集光されたトラッピングレーザー（波長1064 nm）での焦点に、基板上に選択された微小粒子をもたらすために使用されている（近赤外補正後の長い作動距離の目的：NA 0.4、倍率20X、作業D透明基板を通して20ミリメートル）をistance。そして、圧電ランチャー（機械的にプリロードされたリング型PZT）は、微粒子と基板との間の接着を破壊するために超音波振動を発生させます。したがって、任意の解放された粒子は、選択された粒子に着目し、単一のビーム傾斜レーザートラップにより持ち上げることができます。粒子がトラップされると、静電励起するための2つの平行な導電板を含むサンプル容器の中心に変換されます。最後に、データ収集（DAQ）システムは、同時に象限セルの光検出器（QPD）、及び印加電界によって捕捉粒子運動を記録します。測定終了後、粒子を制御可能それが可逆的に再捕捉することができるように、基板上に配置されます。この全体のプロセスは、いくつかの捕捉サイクルにわたって発生する接触帯電などの変化を測定するために、粒子損失なしに数百回も繰り返すことができます。我々の最近の記事Fを参照してくださいまたは詳細。 12

<table><tbody><tr><td>スコッチブルーペインターズテープオリジナル</td><td>3M</td><td>3M2090</td><td></td></tr>スコ<tr><td>ッチ810マジックテープ3M</td><td></td><td>3M810</td><td></td></tr><tr><td>機能/任意波形発生器</td><td>Agilent</td><td>HP33250A</td><td></td></tr>電源<tr><td>/デジタル電圧供給業者</td><td>Agilent</td><td>E3634A</td><td></td></tr><tr><td>リング型圧電トランスデューサ</td><td>アメリカンピエゾカンパニー</td><td>item91</td><td></td></tr><tr><td>電気光学変調器</td><td>Con-Optics</td><td>350&minus;電気光学変調器用80-LA</td><td></td></tr><tr><td>アンプ</td><td>Con-Optics</td><td>302RM</td><td></td></tr><tr><td>Mitutoyo NIR infinity Corrected Objective</td><td>Edmund optics</td><td>46-404</td><td>Manufactured by Mitutoyo and Distributed by Edmund optics</td></tr><tr><td>LOCTITE SUPER GLUE LONGNECK BOTTLE</td><td>Loctite</td><td>230992</td><td></td></tr><tr><td>3D printer</td><td>MakerBot</td><td>Replicator 2</td><td></td></tr><tr><td>Polylactic酸性(PLA)フィラメント</td><td>MakerBot</td><td>True Red PLA スモールスプール</td><td></td></tr><tr><td>データ収集システム</td><td>National Instruments</td><td>780114-01</td><td></td></tr><tr><td>象限セル光検出器</td><td>Newport</td><td>2031</td><td></td></tr><tr><td>並進ステージ</td><td>Newport</td><td>562-XYZ</td><td></td></tr><tr><td>倒立光学顕微鏡</td><td>ニコンインスツルメンツ</td><td>EclipsTE2000</td><td></td></tr><tr><td>蛍光フィルター(緑)</td><td>ニコンインスツルメンツ</td><td>G-2B</td><td></td></tr><tr><td>Flea3/CCDカメラ</td><td>Point Grey</td><td>FL3-U3-13S2M-CS</td><td>トラッピングレーザー</td></tr><tr><td>ダイオード励起ネオジム バナジン酸イットリウム(Nd:YVO4)</td><td>Spectra Physics</td><td>J20I-8S-12K/ BL-106C</td><td></td></tr><tr><td>酸化インジウムスズ(ITO) コーティングされたカバースリップ</td><td>SPI供給</td><td>06463B-AB</td><td>ポリスチレン微粒子</td></tr><tr><td>速乾性シルバーペイント</td><td>Tedpella</td><td>16040-30</td><td></td></tr><tr><td>Dri-Calサイズ標準</td><td>Thermo Scientific</td><td>DC-20</td><td></td></tr><tr><td></td><td>光ファイバーThorlabs</td><td>P1&minus;1064PM-FC-5</td><td>底板</td></tr><tr><td>アルミ板&nbsp;</td><td>Thorlabs</td><td>CP4S</td><td></td></tr><tr><td>高電圧パワーアンプ</td><td>TREK</td><td>PZD700A M/S</td><td></td></tr></tbody></table>

空気中の誘電体微粒子の光学トラップのロード

Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air

シングルビームグラジエント光トラップからの放射圧を使用して、選択した誘電体微粒子を空気中にトラップする方法を実演します。ガラス基板に付着したランダムに散乱した誘電体微粒子は、圧電トランスデューサ(PZT)によって生成される超音波振動を使用して瞬間的に分離されます。次に、選択した粒子に集束した光ビームが粒子を光トラップまで持ち上げ、振動的に励起された微粒子が基板にフォールバックします。粒子は、トラップビームの公称焦点、または重力が復元力を提供する焦点より上の位置(ここでは浮上位置と呼ぶ)にトラップされてもよい。測定後、トラップされた粒子を基板上の所望の位置に制御された方法で配置することができます。
このプロトコルでは、空気中での選択的光トラップローディングの実験手順が概説されています。まず、実験装置について簡単に紹介します。次に、PZTホルダーとサンプルエンクロージャーの設計と製造について詳しく説明します。次に、選択した微粒子の光学トラップローディングを、サンプル調製、トラップへの発射、トラップ内の粒子運動を励起して電荷を測定するための静電力の使用など、段階的な指示でデモンストレーションします。最後に、ブラウンの粒子軌道と、空気中に閉じ込められた微粒子の弾道運動の記録を示します。これらの軌道は、剛性の測定や、時間領域および周波数領域の解析による光学的アライメントの検証に使用できます。選択的トラップローディングにより、光ピンセットは、トラップローディングを繰り返し行うことで粒子とその変化を可逆的に追跡できるため、粒子と表面の相互作用の研究が可能になります。

PZTランチャは、CADソフトウェアパッケージを用いて設計されています。 PZTホルダが図2に示されており、サンプルエンクロージャは、材料および方法の様々な製造することができるようにここで、我々は、（PZTは、2つのプレートでクランプ）プリロードのためのシンプルなサンドイッチ構造を使用します。 図2dに示すように、簡単なデモのために、私たちは熱可塑性で3Dプリントを選択します。作製した成分に基づいて、光トラップの負荷は、図3に示されています。較正されたCCDカメラはまた、定量的な容易に、図1に示すように、選択的なローディングのために、反射されたトラッピングレーザーは、可視光が反射で画像化のためのフィルタを通過する間にCCDカメラを保護するための顕微鏡タレットにインストールされているフィルタによる実験中にブロックされています粒径及び追加の位置検出の測定を可能にすることにより測定。ターゲットの直径粒子は、以下に説明するように、固有振動数のト...

選択した誘電体微粒子を空中に発射し、安定して捕捉するためのプロトコルが提示されます。

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

このビデオプロトコルの目標は、圧電ランチャーがどのように構築され、使用されているかを示して、粒子の付着を克服し、基板からの粒子放出を容易にして、空気中の微粒子浮上を実現する方法を示すことです。サーフェスから発射する利点は、パーティクルをサイズ、形状、光学特性、または向きに基づいて選択できることです。この最後の部分は、非対称パーティクルをトラップする場合に便利です。粒子のトラップとランディングを繰り返すことで、粒子の繰り返し相互作用中の荷電移動など、表面化学の問題を研究するための新しいツールを提供できます。粒子を表面に戻すことで、走査型電子顕微鏡などの他の方法で同じ粒子をその後測定することもでき、トラップとランディングのサイクルを繰り返すこともできます。まず、圧電トランスデューサ用のホルダーに長方形のフレームを3Dプリントします。フレームの狭い面には酸化インジウムスズコーティングガラスを、幅の広い面と上部には従来のガラスを取り付けて、透明なサンプルエンクロージャを構築します。次に、直径20μmの誘電体マイクロ粒子をスライドガラスに少量流し込みます。すぐにコンテナをデシケーターに戻します。ガラスキャピラリーチューブを使用して、スライドから微粒子の一部をピックアップします。キャピラリーチューブを軽くたたいて、粒子をカバースリップに散らします。顕微鏡を使用して、基板上に分散した微粒子の量と分布を確認します。次に、ピエゾランチャーの組み立てを、アルミ板に絶縁フィルムを貼って開始します。リングタイプの圧電トランスデューサをプレートの中央に配置し、絶縁フィルムによってプレートから分離されるようにします。微粒子分散カバースリップをトランスデューサーに置き、銅リングを3Dプリントホルダーにはめ込みます。3Dプリントされたホルダーと2本のM6ネジでトランスデューサをプレート上の所定の位置に固定します。サンプルエンクロージャーをインスタント接着剤でホルダーに軽く接着します。完成したランチャーアセンブリを倒立光学顕微鏡のXYZ並進ステージに取り付けます。圧電トランスデューサのリード線を電圧に接続します amplifier そして、 amplifier 関数発生器に、すべての接続が安全で適切に接地されていることを確認します。アンプ監視出力ポートをオシロスコープに接続して、トランスデューサー駆動電圧信号を監視します。0 から 1 ボルトの連続的な方形波をアンプに送信するように関数発生器を構成します。アンプのゲインを200ボルト/ボルトに設定します。顕微鏡をセットアップして、微粒子をリアルタイムで画像化します。次に、微粒子の動きを監視しながら、0〜150キロヘルツの駆動信号の変調周波数を手動でスキャンします。圧電アセンブリは、トランスデューサに機械的な予圧を加え、共振振幅を増幅し、故障を減らすように設計されています。周波数は、表面上の粒子を監視することにより、トランスデューサーの共振周波数を決定するのに役立ちます。微粒子の運動が付着していない状態で最大になる周波数がランチャーの共振周波数です。必要に応じて低容量でスキャンを繰り返しますtagesは、共振周波数を正確に決定します。600ボルトの振幅を持つ共振周波数で電圧信号を生成するように波形を設定します。バーストモードで10〜20サイクルの方形波の関数発生器を構成します。各パルスの後に粒子が放出されることを確認します。パーティクルが放出されない場合は、振幅またはサイクル数を増やします。レーザーライニングフィルターを顕微鏡から取り外して、CCD上のトラップビームの焦点を特定します。電動フォーカシングブロックの垂直位置を調整して、ピントを最適化します。フィルターを交換し、選択した粒子がトラップレーザーフォーカス位置にくるようにサンプルを平行移動します。粒子に焦点を合わせて、粒子の中心をイメージします。圧電ランチャーをいくつかの電圧パルスで作動させて粒子を発射し、必要に応じて電気物体変調器の電源を調整します。粒子がわずかにぼやけてブラウン運動を開始すると、トラップが発生しています。トラップビームの焦点は、トラップローディングを成功させるために重要です。ピンフォーカスをサンプル平面から数ミクロン下に配置すると、トラップ効率が向上します。粒子がわずかに移動するだけで基板に焦点が合ったままの場合は、捕捉力を上げます。パーティクルが表面上の新しい場所に飛んでいく場合は、出力を下げます。粒子が正常に装填されたら、対物レンズを上に動かして浮遊粒子をガラスカバースリップの約1mm上に平行移動させ、表面の相互作用を回避します。次に、光パワーを下げて、浮遊粒子をより安定した公称トラップ位置に移動します。トランスデューサーホルダーが光軸の中央にくるようにランチャーを動かします。対物レンズを動かして、粒子を垂直にサンプルエンクロージャーの上位に移動します。測定を開始するには、XチャンネルとYチャンネルのパワースペクトル密度プロットがよく一致するまで、コンデンサーとフォーカシングレンズを調整します。次に、高電圧源をサンプルエンクロージャーに接続します。トラップ特性と粒子電荷を測定するには、静電場を印加して粒子の弾道運動を生成します。誘導粒子の軌跡にステップ加振信号を記録します。必要に応じて複数の期間のデータを平均化して、ブラウン運動の影響を軽減します。測定後、対物レンズを下に移動して粒子をガラスカバースリップの中心に配置し、他の粒子から分離します。圧電ランチャーアセンブリは、浮遊粒子を気流から保護するための透明なエンクロージャと、基板を振動させて粒子を放出する圧電トランスデューサで構成されています。筐体の底部は開いているため、基板をトランスデューサーに直接配置できます。微小粒子は、焦点の上の浮上位置にトラップするか、光学力によって粒子を全方向に安定させる焦点近くのトラップ位置にトラップすることができます。浮上位置では、重力が上向きの放射圧力を打ち消すため、光学力は粒子を横方向にのみ安定させます。ブラウン運動などの小さな変位の場合、光学力は線形ばねとして扱うことができます。共振周波数は、パワースペクトル密度プロットから決定できます。次に、線形領域でのトラップの剛性と光学力は、共振周波数、既知の質量、および測定された変位から計算できます。より広い範囲の変位にわたる力は、印加電界での誘導弾道運動から決定できます。過渡応答法による弾道変位の解析により、共振周波数、減衰、および定常状態変位が得られます。非線形力は、パラメトリック力法で決定できます。このマイクロ粒子を浮上させるアプローチでは、サイズ、形状、材料特性から選択した粒子を用いた精密な測定が可能となり、その後、同じ粒子での測定も可能です。この方法を使用すると、パーティクルの発射と着陸を100サイクル以上繰り返すことができます。これにより、単一電子感度による接触帯電など、粒子表面相互作用の高感度な研究も可能になります。

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Research

JoVE Journal

Engineering

工学

この記事では、流体力学的流れに基づいて粒子の閉じ込めのためのマイクロ流体ベースの手法を提案する。我々はそれによって統合されたマイクロデバイスの任意の粒子の閉じ込めとマイクロマニピュレーションを可能にする、フィードバック制御のメカニズムを使用して流体よどみ点での安定した粒子のトラッピングを示しています。...

単一粒子のためのマイクロ流体ベースの流体力学的トラップ

プラズモニックピンセットとフォトニック結晶のナノ構造は、光学的にマイクロおよびナノ粒子を捕集の効率性と配向制御に有用な機能強化を作成することが示されている。...

強化されたマイクロおよびナノ操作のためのプラズモニックとフォトニック結晶ナノ構造の利用

誘電体の低電力光トラッピング次のセットアップアプローチの詳細は金属膜でダブルナノホールを用いたナノ粒子。...

ナノ粒子の光トラッピング

プラズモニックピンセットを組み込んだマイクロチップの製造プロセスは、ここで提示されます。マイクロチップは、最大トラッピング力を測定するためにトラップされた粒子の画像化を可能にします。...

監視環境でのプラズモニックトラッピングとナノ粒子の放出

Nanoplasmonic 光学格子中の微粒子のトラップ

このプロトコルでは、デュアルトラップ光ピンセットを使用して、エマルジョンの酵素消化中に液滴間の力をリアルタイムで測定します。エマルジョンの安定性と液滴ダイナミクスの研究を容易にし、食品科学や医薬品への応用が可能です。...

酵素破壊中のエマルジョン液滴間のリアルタイム力測定

本論文では、動的でボート型の光泳トラップを用いて、空気中の大きな金属粒子を長時間安定に捕獲し、正確な位置決めを実現する実験的方法について説明しています。このシステムはプラズモニック相互作用研究に適した制御された操作を可能にします。...

直接引き出された側面壁を持つ「ボート」トラップを用いて、空気中の大きな金属粒子を光学的に捕捉する方法

リチウムイオン電池のコインセルを構築し、テストするプロトコルが記述されています。...

リチウムイオン電池のコイン細胞の構築とテスト

プロトコルは、亜鉛/空気電池用に開発以前の技術を使用して、マルチ電子金属/空気電池システムを研究するために提示される。電気化学的テストは、パフォーマンスを評価するために作製した電池に対して行われる。...

VBの作製<sub&gt; 2</sub電気テスト用&gt; /空気電池

水平方向と垂直方向の電気流体の液体ブリッジは、高強度の電界と極性液体誘電体との相互作用を探索するためのシンプルで強力なツールです。 3つの液体（ 例えば 、水、DMSO、およびグリセロール）のためのサーモグラフィー画像を含む基本的な装置および動作例の構成は、提示されている。...

ポーラー液体誘電体から電気流体橋の調製

学ぶ、圧電式ランチャーを用いた空気中誘電体微粒子の光学トラップ法。粒子付着を克服し、表面化学研究のための反復測定を可能にする革新的な微粒子操作技術です。

空気中の誘電体微粒子の光学トラップのロード

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