Pułapka optyczna obciążenia mikrocząstek dielektrycznych w powietrzu
5 lutego 2017
Przedstawiono protokół do wystrzeliwania i stabilnego zatrzymywania wybranych mikrocząstek dielektrycznych w powietrzu.
Celem tego protokołu wideo jest pokazanie, w jaki sposób wyrzutnia piezoelektryczna jest konstruowana i wykorzystywana do przezwyciężania adhezji cząstek i ułatwiania uwalniania cząstek z podłoża w celu uzyskania lewitacji mikrocząstek w powietrzu. Zaletą wystrzeliwania z powierzchni jest to, że cząstka może być wybierana na podstawie rozmiaru, kształtu, właściwości optycznych lub orientacji. To ostatnie może być przydatne do wychwytywania asymetrycznych cząstek.
Wielokrotne wychwytywanie i lądowanie cząstki może dostarczyć nowego narzędzia do badania zagadnień z zakresu chemii powierzchni, takich jak transfer ładunku podczas powtarzającej się interakcji cząstki. Powrót cząstki na powierzchnię pozwala również na późniejsze pomiary tej samej cząstki innymi metodami, takimi jak skaningowa mikroskopia elektronowa, a także umożliwia wielokrotne cykle wychwytywania i lądowania. Najpierw wydrukuj w 3D prostokątną ramkę w uchwycie na przetwornik piezoelektryczny.
Dopasuj wąskie boki ramy do szkła pokrytego tlenkiem indu i cyny, a szerokie boki i górę do konwencjonalnego szkła, aby skonstruować przezroczystą obudowę próbki. Następnie wlej niewielką porcję mikrocząstek dielektrycznych o średnicy 20 mikrometrów na szklane szkiełko. Natychmiast umieścić pojemnik z powrotem w eksykatorze.
Za pomocą szklanej rurki kapilarnej zbierz część mikrocząsteczek ze szkiełka. Rozsyp cząstki na szkiełku nakrywkowym, delikatnie stukając w rurkę kapilarną. Użyj mikroskopu, aby sprawdzić ilość i rozmieszczenie zdyspergowanych mikrocząstek na podłożu.
Następnie rozpocznij montaż piezo-wyrzutni od nałożenia folii izolacyjnej na aluminiową płytę. Wyśrodkuj przetwornik piezoelektryczny typu pierścieniowego na płycie, upewniając się, że jest oddzielony od płytki folią izolacyjną. Umieść zdyspersyjną szkiełko nakrywkowe z mikrocząsteczkami na przetworniku i zatrzaśnij miedziany pierścień w uchwycie wydrukowanym w 3D.
Zamocuj przetwornik na miejscu na płycie za pomocą uchwytu wydrukowanego w 3D i dwóch M6. Delikatnie przyklej obudowę próbki do uchwytu za pomocą kleju błyskawicznego. Zamontuj gotowy zespół wyrzutni na stoliku translacyjnym XYZ odwróconego mikroskopu optycznego.
Podłącz przewody przetwornika piezoelektrycznego do voltage amplifier, a amplifier do generatora funkcyjnego, upewniając się, że wszystkie połączenia są bezpieczne i prawidłowo uziemione. Podłącz port wyjściowy monitorowania wzmacniacza do oscyloskopu, aby monitorować sygnał napięcia sterującego przetwornikiem. Skonfiguruj generator funkcyjny tak, aby wysyłał ciągłą falę prostokątną o napięciu od zera do jednego wolta do wzmacniacza.
Ustaw wzmocnienie wzmacniacza na 200 woltów na wolt. Ustaw mikroskop, aby obrazować mikrocząstki w czasie rzeczywistym. Następnie ręcznie zeskanuj częstotliwość modulacji sygnału napędowego od 0 do 150 kiloherców, jednocześnie monitorując ruch mikrocząstek.
Zespół piezoelektryczny jest przeznaczony do przykładania mechanicznego obciążenia wstępnego do przetwornika, w celu wzmocnienia amplitudy rezonansu i zmniejszenia awarii. Częstotliwości mogą pomóc w określeniu częstotliwości rezonansowej przetwornika poprzez monitorowanie cząstki na powierzchni. Częstotliwość, przy której ruch mikrocząstek jest maksymalizowany bez przylegających cząstek, to częstotliwość rezonansowa wyrzutni.
W razie potrzeby powtórz skanowanie przy niższych napięciach, aby precyzyjnie określić częstotliwość rezonansową. Ustaw kształt fali tak, aby generował sygnał napięciowy o częstotliwości rezonansowej o amplitudzie 600 woltów. Skonfiguruj generator funkcyjny dla fali prostokątnej z 10 do 20 cyklami w trybie serii seryjnej.
Sprawdź, czy cząstki są uwalniane po każdym impulsie. Jeśli cząstki nie zostaną uwolnione, zwiększ amplitudę lub liczbę cykli. Wyjmij filtr wyłożony laserem z mikroskopu, aby zlokalizować ognisko wiązki pułapki na matrycy CCD.
Zoptymalizuj ostrość, dostosowując pozycję pionową zmotoryzowanego bloku ostrości. Wymień filtr i przesuń próbkę tak, aby wybrana cząstka znalazła się w pozycji ogniskowania lasera pułapkowego. Ustaw ostrość na cząstce, aby zobrazować jej środek.
Uruchom wyrzutnię piezoelektryczną kilkoma impulsami napięcia, aby wystrzelić cząstkę, dostosowując zasilanie modulatora obiektu elektrycznego w razie potrzeby. Kiedy cząstka lekko się rozmywa i zaczyna ruch Browna, następuje uwięzienie. Skupienie belki pułapki ma kluczowe znaczenie dla pomyślnego załadunku pułapki.
Umieszczenie ogniska pinu kilka mikronów poniżej płaszczyzny próbki pomaga zwiększyć skuteczność chwytania. Jeśli cząstka porusza się tylko nieznacznie i pozostaje skupiona na podłożu, zwiększ siłę wychwytywania. Jeśli cząstka odleci w nowe miejsce na powierzchni, zmniejsz moc.
Po pomyślnym załadowaniu cząstki przesuń soczewkę obiektywu w górę, aby przesunąć lewitującą cząstkę około jednego milimetra ponad szkiełko pokrywy, aby uniknąć interakcji powierzchniowych. Następnie zmniejsz moc optyczną, aby przesunąć lewitującą cząstkę do bardziej stabilnej nominalnej pozycji pułapki. Przesuń wyrzutnię tak, aby uchwyt przetwornika był wyśrodkowany na osi optycznej.
Przesuń soczewkę obiektywu, aby przesunąć cząstkę w pionie wyżej do obudowy próbki. Aby rozpocząć pomiary, wyreguluj kondensor i soczewkę skupiającą, aż wykresy gęstości widma mocy kanałów X i Y będą dobrze dopasowane. Następnie podłącz źródło wysokiego napięcia do obudowy próbki.
Aby zmierzyć właściwości pułapki i ładunek cząstek, należy zastosować pole elektrostatyczne w celu wygenerowania ruchu balistycznego cząstki. Zapisać sygnał wzbudzenia skokowego w indukowanej trajektorii cząstki. W razie potrzeby uśrednij dane z wielu okresów, aby zmniejszyć wpływ ruchów Browna.
Po wykonaniu pomiaru przesuń soczewkę obiektywu w dół, aby umieścić cząstkę na środku szkiełka nakrywkowego, aby oddzielić ją od innych cząstek. Zespół wyrzutni piezoelektrycznej składa się z przezroczystej obudowy chroniącej lewitującą cząstkę przed prądami powietrza oraz przetwornika piezoelektrycznego, który wibruje podłoże w celu uwolnienia cząstki. Dno obudowy jest otwarte, dzięki czemu podłoże można umieścić bezpośrednio na przetworniku.
Mikrocząstki mogą być uwięzione w pozycji lewitacji powyżej ogniska lub w pozycji pułapki w pobliżu ogniska, gdzie siły optyczne stabilizują cząstkę we wszystkich kierunkach. W pozycji lewitacji grawitacja przeciwdziała rosnącemu ciśnieniu promieniowania, więc siły optyczne stabilizują cząstkę tylko poprzecznie. W przypadku małych przemieszczeń, takich jak ruchy Browna, siłę optyczną można traktować jako sprężynę liniową.
Częstotliwość rezonansową można wyznaczyć na podstawie wykresu gęstości widmowej mocy. Sztywność pułapki i siłę optyczną w reżimie liniowym można następnie obliczyć na podstawie częstotliwości rezonansowej, znanej masy i zmierzonego przemieszczenia. Siły w szerszych zakresach przemieszczeń można wyznaczyć na podstawie indukowanego ruchu balistycznego w przyłożonym polu elektrycznym.
Analiza przemieszczeń balistycznych metodą odpowiedzi przejściowej daje częstotliwość rezonansową, tłumienie i przemieszczenie w stanie ustalonym. Siły nieliniowe można wyznaczać za pomocą metody siły parametrycznej. Takie podejście lewitujące mikrocząstki umożliwia precyzyjne pomiary przy użyciu cząstek dobranych pod względem rozmiaru, kształtu lub właściwości materiału, a także umożliwia późniejsze pomiary tych samych cząstek.
Korzystając z tej metody, wystrzelenie i wylądowanie cząstki może być powtarzane przez sto cykli. Umożliwi to również czułe badania oddziaływań powierzchniowych cząstek, takich jak elektryfikacja kontaktowa z czułością pojedynczego elektronu.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Ten protokół demonstruje konstrukcję i użycie ładowarki piezoelektrycznej do stabilnego uwięzienia wybranych mikrocząstek dielektrycznych w powietrzu. Metoda ta pozwala na wybór cząstek na podstawie różnych właściwości, ułatwiając badania w dziedzinie chemii powierzchni.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Chemia powierzchni
- Fizyka cząstek
- Techniki mikrofabrykacji
Tło
- Adhezja cząstek może utrudniać uwalnianie mikrocząstek z podłoża.
- Zlewanie mikro cząstek w powietrzu otwiera nowe drogi badań.
- Uwięzienie asymetrycznych cząstek może być korzystne dla określonych badań.
- Powtarzane interakcje z cząstkami mogą dać wgląd w procesy transferu ładunku.
Cel badania
- Przedstawienie metody do przezwyciężania adhezyjności cząstek.
- Ułatwienie badania chemii powierzchni poprzez powtarzane interakcje z cząstkami.
- Umożliwienie pomiarów tej samej cząstki za pomocą różnych metod.
Stosowane metody
- Konstrukcja ładowarki piezoelektrycznej.
- Druk 3D prostokątnego rama dla ładowarki.
- Wybór cząstek na podstawie wielkości, kształtu i właściwości optycznych.
- Cykle uwięzienia i lądowania dla powtarzanych pomiarów.
Główne wyniki
- Udane zwieszenie wybranych mikro cząstek w powietrzu.
- Zdemonstrowana zdolność do uwięzienia asymetrycznych cząstek.
- Ułatwienie powtarzanych interakcji dla badań chemii powierzchni.
- Możliwość następczych pomiarów za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej.
Wnioski
- Ładowarka piezoelektryczna jest skuteczna w manipulacji mikro cząstkami.
- Ta metoda zapewnia nowe narzędzie do badania chemii powierzchni.
- Powtarzane uwięzienie i lądowanie mogą zwiększyć dokładność eksperymentu.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
This method enables precise selection and manipulation of individual dielectric microparticles in air, supporting surface chemistry studies through repeated particle-substrate interactions. By overcoming adhesion barriers, it facilitates controlled particle levitation and positioning for downstream analytical workflows. The approach enhances predictive confidence in particle property assessment and enables reversible, repeatable measurements critical for de-risking early-stage target validation in particulate systems.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of particle-surface interactions by selecting particles based on size, shape, or optical properties for hypothesis testing.
- Operational Value: Supports repeated trapping and landing cycles to study charged transfer processes with single-electron sensitivity.
- Strategic Value: Reduces mechanistic ambiguity in surface chemistry by allowing the same particle to be analyzed across multiple modalities.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological or dielectric systems for quantitative force and motion measurements in controlled environments.
- Operational Value: Enables assay standardization through precise particle positioning and reversible trap loading for reproducible readouts.
- Strategic Value: Enhances screening readiness by allowing particle selection based on functional attributes prior to compound evaluation.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports disease-relevant system modeling by enabling analysis of particle behavior under electrostatic and optical forces.
- Operational Value: Provides continuity from discovery to preclinical validation via reversible particle handling and multi-method downstream analysis.
- Strategic Value: Facilitates risk-adjusted advancement decisions by correlating particle trajectory data with stiffness, charge, and damping measurements.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into early discovery workflows by enabling hypothesis-driven particle selection, followed by quantitative biophysical characterization and translational validation through repeated measurements.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by allowing selection of particles based on physical properties for surface interaction studies.
- Screening: Delivers assay readiness through standardized particle launch, trapping, and positioning for consistent compound or environmental exposure testing.
- Analytics: Generates quantitative outputs including resonance frequency, trap stiffness, and ballistic displacement for comparative condition analysis.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by enabling subsequent measurements (e.g., SEM) on the same trapped particle after optical manipulation.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable platform for particulate analysis across projects due to its reversible, non-destructive particle handling.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by reducing variability through repeated measurements on identical particles.
- Operational Value: Enhances reproducibility and standardization via controlled particle launch, trapping, and repositioning cycles.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by enabling multiple analytical readouts from a single particle, reducing sample consumption.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization by providing multiparametric data (stiffness, charge, motion) for go/no-go decisions in particulate system development.
Implementation Considerations
- Requires expertise in optical trapping, piezoelectric actuation, and electrodynamic particle control.
- Depends on laser trapping systems, function generators, voltage amplifiers, and inverted microscopy infrastructure.
- Necessitates cross-team standardization for consistent particle selection, launch parameters, and trapping conditions.
- Involves adaptation considerations when extending to different particle sizes, shapes, or material dielectric properties.
- Includes practical limitations such as particle adhesion variability and environmental sensitivity to air currents, mitigated by the enclosed sample design.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
0:56
Preparation of the Piezoelectric Launcher Assembly
2:32
Piezoelectric Launcher Configuration
4:11
Selective Optical Trap Loading
5:54
Dielectric Particle Motion Data Acquisition
6:46
Results: Dielectric Particle Trajectory Measurements
8:19
Conclusion
