Introduction
Эшкина сообщает ускорение и улавливанию микрочастиц давления излучения в 1970 году 1 Его новым достижением способствовали развитию оптических методов отлова в качестве основного инструмента для фундаментальных исследований физики и биофизики. 2, 3, 4, 5 На сегодняшний день применение оптического захвата была сосредоточена главным образом на жидких средах, и был использован для изучения очень широкий спектр систем, от поведения коллоидов от механических свойств единичных биомолекул. 6, 7, 8 Применение оптического захвата в газообразных средах, однако, требует решения ряда новых технических проблем.
В последнее время оптический захват в воздухе / вакууме все чаще применяется в фундаментальных исследованиях. Поскольку оптические Левияставление потенциально обеспечивает почти полную изоляцию-системы от окружающей среды, оптически левитации частиц становится идеальной лабораторией для изучения квантовых основных состояний в малых объектов, 4 измерения высокочастотных гравитационных волн, 9 и поиска дробного заряда. 10 Кроме того, низкая вязкость воздуха / вакуума позволяет использовать инерцию для измерения мгновенной скорости броуновской частицы 11 и создать баллистическую движение в широком диапазоне движения за рамки линейного пружинному режима. 12 Таким образом, подробная техническая информация и практика для оптических ловушек в газовых средах становятся все более ценным для более широкого научного сообщества.
Новые экспериментальные методы, необходимые для загрузки нано / микрочастиц в оптические ловушки в газовых средах. Пьезоэлектрический преобразователь (ЦТС), устройство, преобразующее Электрэнергия IC в механо-акустической энергии, используется для доставки мелких частиц в оптические ловушки в воздухе / вакууме 5, 12 с момента первой демонстрации оптической левитации. 1 С тех пор, несколько методов погрузки были предложены для загрузки более мелких частиц , используя летучие аэрозоли , генерируемые коммерческим распылителе 13 или генератор акустических волн. 14 Плавающие аэрозоли с твердыми включениями (частиц) случайным образом проходят вблизи фокуса и улавливаются случайно. После того как аэрозоль в ловушке, растворитель испаряется, и частица остается в оптической ловушке. Тем не менее, эти методы не очень хорошо подходят для идентификации желаемых частиц внутри образца, загрузите выбранную частицу и отслеживать его изменения в случае освобождения из ловушки. Этот протокол предназначен для обеспечения деталей для новых практикующих на селективной оптической ловушки нагрузки в воздухе, в том числе экспериментаАль установка, изготовление держателя ЦТС и образец корпуса, ловушки загрузки и сбора данных, связанных с анализом движения частиц в частотной и временной областях. Протоколы для улавливания в жидких средах также были опубликованы. 15, 16
Общая экспериментальная установка разработана на коммерческой перевернутой оптического микроскопа. На рисунке 1 показана принципиальная схема установки , используемой для демонстрации этапы избирательной загрузки оптической ловушки: освободив отдыха микрочастицы, поднимая выбранную частицу с сфокусированного пучка, измеряя его движение, и размещение его на подложку снова. Во-первых, поступательные этапы (поперечные и вертикальные) используются, чтобы принести выбранный микрочастицы на подложке в фокусе отлова лазера (длина волны 1064 нм), сфокусированного объектива (ближней инфракрасной области исправлен расстояние Цель долгосрочной рабочей: NA 0,4, увеличение 20x, работая distance 20 мм) через прозрачную подложку. Затем пьезоэлектрический пусковой установки (механически предварительно нагруженный кольцевого типа ЦТС) генерирует ультразвуковые колебания, чтобы сломать адгезию между микрочастицами и подложкой. Таким образом, любая освободила частица может быть поднята с помощью однолучевой градиента лазерной ловушки сосредоточены на выбранной частицы. После того, как частица в ловушке, он переводится в центр корпуса образца, содержащего два параллельных токопроводящих пластин для электростатического возбуждения. Наконец, (DAQ) система сбора данных одновременно регистрирует движение частиц, захваченных с помощью квадранта-клеточного фотодетектор (QPD) и приложенного электрического поля. После окончания измерения, частица управляемо помещается на подложку таким образом, что он может быть введен снова в обратимым образом. Этот общий процесс может повторяться сотни раз без потери частиц для измерения изменений, таких как контакт электризации, возникающие в течение нескольких циклов, улавливающих. Пожалуйста, обратитесь к нашей недавней статье Fили детали. 12
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Внимание: Пожалуйста, обратитесь все соответствующие программы по безопасности до начала эксперимента. Все экспериментальные процедуры, описанные в данном протоколе выполняются в соответствии с программой безопасности ЛАЗЕР NIST, а также других применимых правил. Пожалуйста, не забудьте выбрать и носить соответствующие средства индивидуальной защиты (СИЗ), такие как очки для защиты лазера, предназначенных для определенной длины волны и мощности. Обработка сухих нано / микрочастицы могут потребоваться дополнительные средства защиты органов дыхания.
1. Проектирование и изготовление из ЦТС держатель и образец корпуса
- Конструкция держателя PZT и корпус образца
Примечание: Конкретные расчетные значения варьируются в зависимости от выбора ЦТС.- Откройте пакет программного обеспечения системы автоматизированного проектирования (САПР). Нарисуйте двумерную (2D) эскиз держателя для данного измерения ЦТС. Разработка 2D эскиз для объемных функций с использованием комбинации Выдавливание / Выдавливание огранке.
- Нажмите эскиз,нарисуйте прямоугольник и выдавить его, чтобы сделать прямоугольный куб.
- Эскиз диска на верхней поверхности куба, чтобы определить круговую утопленную функцию, чтобы покрыть и удерживать кольцо типа PZT.
- Определить центральное отверстие, чтобы иметь оптический доступ как в режиме реального времени визуализации и отлова.
- Определить круговую направляющую по краю центрального отверстия , чтобы вставить плоский металлический (медь) кольцо концентрировать ультразвуковую энергию в направлении центральной области , как показано на рисунке 2 , а.
- Создайте два отверстиями для винтов M6 на держателе ЦТС быть собранным с нижней пластиной (купленного, толщиной 4 мм нижняя алюминиевая пластина с отверстием в центре), как показано на рисунке 2в и 2г.
- Аналогичным образом, спроектировать прямоугольную раму шкафа образца. Нажмите эскиз, и нарисуйте прямоугольник, выдавить прямоугольник, чтобы сделать его прямоугольный ящик.
- Нарисуйте меньший прямоугольник на верхней поверхности rectangulaг коробка и выталкивать вырезать прямоугольник, чтобы сделать его в виде прямоугольной трубы.
- Нарисуйте меньший прямоугольник на боковой стенке трубы и выталкивать огранке, чтобы превратить его в рамку образца корпуса коробки.
- Преобразование этих трехмерных (3D) моделей в формат файла стереолитографии (STL) для 3D процесса печати (2б).
- 3D печать проектируемых объектов
- Откройте файл проекта ( "-.STL") от операционной принтера программного обеспечения 3D. Положите объект плоский 0 / .И отцентрировать объект на (0, 0, 0), нажав на объект, чтобы выбрать его и с помощью функции выравнивания: "Move", "на платформе" и "Центр". Сориентируйте держатель PZT к лицу тонкие черты вверх. Углубленная поверхность будет сталкиваться вверх.
- В меню перейдите в раздел "Настройки" и на вкладке "Качество". Установите значения печати следующим образом, филенка: 100%, количество снарядов: 2, и высота слоя: 0,2мм.
- Предварительный просмотр объектов, чтобы проверить общее время печати и убедитесь, что слоистые объекты будут напечатаны по желанию. Экспорт файла печати 3D в формате ".x3g" и сохранить его для использования в 3D-принтере.
- Включите 3D - принтер и нагреть его до температуры экструзионного сопла не достигнет рабочей температуры, 230 ° C. Загрузите файл дизайна с карты памяти или сетевой диск.
- Во время разминки, место сборки платформы с лентой синего художника, чтобы помочь объекты придерживаться надежно. В качестве термопластичного материала для работы печати используйте полимолочной кислоты (PLA) нить для обоих объектов.
- Печать проектируемых объектов. После того, как задание на печать закончена, выключите принтер после того, как он остынет.
- Отделить печатного объекта с платформы с помощью зубила. Распрямись напечатанные объекты. Если ориентация соответствующим образом выбран, держатель ЦТС может быть использован непосредственно без дополнительной постобработки.
- Foг корпус образца, подготовить одну пару оксида индия и олова (ITO) покровных покрытием и тремя покровные стекла, чтобы покрыть рамку. Используйте алмазный резец, чтобы соответствовать покровное к корпусу.
- Проволока две параллельные пластины с помощью токопроводящих быстрой сушки серебряной краской для подачи напряжения на двух пластинах. Клей эти пять окон на корпус образца, используя Моментальный клей клей.
Примечание: одна пара покровных стеклах, покрытых ИТО устанавливаются на образце корпуса параллельно (обращенные друг к другу), чтобы обеспечить однородное электрическое поле и генерировать баллистическую движение естественно заряженной частицы вдоль электрического поля. Три обычные покровного покрытия остальной части поверхности образца корпуса (верх и двух других сторон), чтобы защитить запертой частицы от внешнего потока воздуха
2. Оптическая ловушка Загрузка селекционного микрочастица
- Базовые приготовления
- Храните микрочастицы вэвакуировали сушилке, чтобы уменьшить контакт с влагой в воздухе перед экспериментом.
- Вылейте небольшую часть микрочастиц на предметное стекло и сразу же поставил бутылку при изготовлении обратно в эксикаторе.
- Возьмите некоторые из микрочастиц с стеклянной капиллярной трубкой. Разброс частиц на подложку, осторожно нажав на капилляр, держа капилляр над покровным.
- Проверьте количество и распределение осажденных частиц на подложке с использованием темного поля микроскопа.
Примечание: На стадии подготовки образца, частица просто рассеивается на покровное и визуализируют с помощью оптического микроскопа, чтобы проверить общую компоновку, прежде чем вставлять их (покровное с разбросанными микрочастицы) между держателем ЦТС и ЦТС. Поскольку поверхность сцепления достаточно сильна, чтобы держать отдельные микрочастицы на подложке, то прилипшие частицы прочно закреплены, если не применяется значительная внешняя сила. - Пьезоэлектрический сборки пусковой
- Получить все компоненты пьезоэлектрического Ракета-носитель: плоскую нижнюю пластину, изолирующую пленку, ЦТС, стекло покровное, медный кольцо, держатель PZT, два винта M6, а корпус образца.
- Нанесите тонкую пленку (или ленты) на нижней пластине, чтобы изолировать ЦТС. Стекло покровное изолирует верхнюю часть стека.
- Собирают стопку путем центрирования ЦТС на верхней части плоской пластины в настоящее время изолированы лентой, а затем покровное, медного кольца и держатель ЦТС. Привинтить стек вместе , поддерживая центровку ЦТС , чтобы избежать короткого замыкания ЦТС к держателю , если владелец проводит , как показано на рисунке 2в и 2г. Медное кольцо обеспечивает равномерно распределенную механическую преднагрузку на стек для пластиковых держателей ЦТС.
- И, наконец, склеить корпус образца на стек и смонтировать узел на этапе трансляционной XYZ в микроскоп,
- Конфигурация пусковой установки ЦТС
Примечание: Вождение ЦТС с сигналом высокого напряжения имеет потенциальные опасности поражения электрическим током. Пожалуйста, проконсультируйтесь с персоналом безопасности перед экспериментом. Все электрические соединения должны быть защищены перед экспериментом. Выключите усилитель и отсоедините ЦТС приводит всякий раз, когда это возможно.- Подключение ЦТС приводит к усилителю напряжения и подключить функцию генератора к входному порту усилителя напряжения.
- Включите функции генератора и настроить его, чтобы генерировать непрерывные квадратные волны с выходным напряжением 1 В. Не генерировать сигнал напряжения, пока все соединения не будут проверены и закреплены.
- Включите усилитель напряжения и генерировать квадратные волны выходного напряжения 1 В, обеспечивая выход.
- Подключите выходной порт мониторинга (выходное напряжение 200 В) усилителя к осциллографу. Настройка усилителя, чтобы иметь коэффициент усиления 200 V / V поворотомполучить ручку на передней панели. Убедитесь в том, что выходной контроль напряжения имеет амплитуду 1 V, измеренная с помощью осциллографа.
- После того, как функциональный генератор и усилитель настроены, найти резонансную частоту запуска ЦТС при сканировании частоты модуляции управляющего сигнала в то время как в режиме реального времени видео микроскопа изображения придерживалась частиц. Повторите сканирование, пока движение микрочастицы не является максимальным. Используйте эту частоту (64 кГц) здесь, чтобы освободить частицы.
Примечание: Частота модуляции вручную изменена (отсканированные) от нуля до 150 кГц, чтобы найти резонансную частоту. - Настройте функцию генератора для генерации прямоугольных импульсов с заданным числом циклов в режиме серийной съемки. Нажмите кнопку "всплеска" на передней панели и выберите "N" Цикл Серийн.съемк.
- Выберите взрыв счетчик, нажав "# циклы" программную клавишу и установить счетчик 10 или 20.
- Настройка прямоугольной волны для генерации сигналов напряжения самплитуда 600 В (в три раза напряжения используется для непрерывного возбуждения) на резонансной частоте 64 кГц, который нашел из предыдущего шага. Убедитесь в том, что сигнал пульсирующий освобождает частица-мишень в повторяемым способом, обеспечивая движение частиц после каждого импульса.
- Селективный оптическая ловушка нагрузки
Примечание: Пусковая сборка ЦТС установлен на ручной линейной стадии перевода ху. Частицы могут быть переведены относительно фокуса фиксированный луч, перемещая поступательную ступень.- Снимите фильтр лазерной линии , чтобы определить фокус захвата пучка путем поворота микроскопа башни (рис 3а). Перемещение моторизованной фокусировки блок взад и вперед по вертикали вокруг наилучшего фокуса видимого изображения для оптимизации фокусировки.
- После того, как положение фокуса проверяется, поставить фильтр обратно, чтобы дать четкое видео в реальном времени без вмешательства со стороны захвата пучка.
- Перевести образец на ркружева выбранную частицу в фокусе положения улавливающего лазера. Сосредоточьтесь на частицу с изображением центр выбранной частицы, которая помещает номинальное положение улавливать ниже центра частицы примерно на одну половину радиуса, оставляя положение левитации над частицей.
- Отрегулировать источник питания, подключенный к электрооптический модулятор (МНВ) драйвер для установки оптической мощности захвата. Оптимальная мощность зависит от размера частиц и материала. Оптическая сила была обнаружена путем повторных испытаний, чтобы определить мощность, достаточную для левитации частицы, не вынимая его из пучка. При этом используют оптическую мощность 140 мВт на задней фокальной плоскости объектива для улавливания 20 мкм диаметром полистирола (PS) частицы.
- После того, как центр выбранной частицы совмещен, приводить в действие пьезоэлектрический с помощью нескольких импульсов. Изменение изображения частицы из статического сфокусированного изображения к движущемуся размытое изображение свидетельствует об успешном окончании загрузки в леватации положение.
- Перевести левитации частицы по вертикали около миллиметра над подложкой, путем перемещения линзы объектива, чтобы предотвратить возможные взаимодействия поверхности. Затем уменьшить оптическую силу с переходом левитировать частицу (рис 3b) в номинальное положение отлов (рис 3в) , который является более стабильным.
Примечание: Оптическая мощность лазера улавливающего можно модулировать с помощью электрооптического модулятора (МНВ). МНВ регулирует выходную мощность с напряжением смещения, подаваемого через цифровой источник питания. Можно наблюдать переход от левитации для захвата позиции через ПЗС в то время как медленно снижает оптическую мощность. - Для измерения положения, как показано на рисунке 3в в 3D, тщательно смещать центр держателя ЦТС к оптической оси , а затем перемещать линзу объектива вверх (вертикально) , чтобы перевести частицу в середину корпуса образца (9 мм выше зиЬзЬгели), где электрическое поле бахрома сведено к минимуму.
- После выполнения измерения, как описано ниже, поместите частицы на подложке путем перемещения цели вниз, пока частица не соприкасается с поверхностью подложки. Поскольку большинство частиц применяются вблизи углов, захваченных частиц может быть легко узнаваемы и повторно в ловушке, когда она находится в центральной зоне. Это позволяет обратимое ловушки нагрузки для измерения изменений, происходящих за одно событие отлова таких как контактного взаимодействия частицы и подложки.
3. Сбор данных
- Совместите конденсатор и фокусирующей линзы, чтобы максимизировать "SUM" QPD сигнал с частицей в ловушке.
- Совместите фокусирующей линзы номинально обнулить каналы Х и У на QPD, как показано на рисунке 4с.
- Повторите регулировку конденсатора и фокусирующей линзы до трансформированных Фурье сигналов положения (или плотности мощности спектра (PSD) участки) от X и Y каналы накладываться, чтобы показать сбалансированную чувствительность. Правильно выровненные QPD сигналы (X и Y) показывают почти идентичную поведение, как показано на рисунке 4b.
- После выравнивания QPD проверяется, подключить усилитель напряжения на двух пластинах ITO. Подключите выходной сигнал мониторинга напряжения усилителя к системе сбора данных для записи сигнала шаг возбуждения и индуцированное траекторию частиц синхронно.
- Обеспечивать непрерывный меандр 400 В для генерирования электрического поля (рис 4d) , которая перемещает частицы в поперечном направлении к оптической оси примерно на 500 нм (рис 4д). Измерьте переходную характеристику запертой частицы с помощью QPD.
- Средние несколько периодов по мере необходимости, чтобы уменьшить эффекты броуновского движения. Индуцированное движение может быть использовано для измерения оптической силы в более широком диапазоне движения, чем у тепловых колебаний. 12,ЭФ "> 17 Рисунок 4d и 4e приведены усредненные сигналы от приложенного напряжения и траектории наведенного частиц более 50 итераций ступенчатого возбуждения.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
ЦТС пусковая разработан с использованием пакета программного обеспечения САПР. Здесь мы используем простую структуру сэндвича для предварительной загрузки (а ЦТС натягом с двумя пластинами), как показано на рисунке 2. Держатель ЦТС и корпус образец может быть изготовлен из различных материалов и методов. Для быстрой демонстрации, мы выбираем 3D печать с термопластиком , как показано на рисунке 2d. На основании сфабрикованных компонентов, оптическая ловушка нагрузки показана на рисунке 3. Для выборочной загрузки, отраженный лазерный захват блокируется во время эксперимента с помощью фильтра , установленного на предметное башни для защиты ПЗС - камеры в то время как видимый свет проходит фильтр для обработки изображений в отраженном свете , как показано на рисунке 1. Калиброванный ПЗС - камера также облегчает количественный измерение, позволяя измерения диаметра частиц и дополнительного определения положения. Диаметр мишеничастица может быть использована для вычисления массы, которое дает ловушки жесткости от собственной частоты, как описано ниже. Траектории, измеренные с помощью ПЗС-камеры также используется для калибровки сигнала напряжения QPD для измерения смещения. 12
После того , как частица в ловушке, яркое рассеяние от красного лазера позволяет запертых частиц следует признать невооруженным глазом, как показано на рисунке 1 (врезка фотографии). Кроме того , в режиме реального времени изображения подложки может определить , является ли частица в ловушке , так как он находится на разной высоте (фокус) от других микрочастиц , прилипших к подложке (рисунок 3). Микрочастицы могут быть захвачены в двух положениях: положение захвата и положением левитации. В положении захвата, оптические силы стабилизации частиц во всех направлениях. В отличие от этого, в положении левитации частица только стабилизированный transversEly оптическими силами. В вертикали вверх сила от давления излучения уравнивается под действием силы тяжести. С помощью нашего метода загрузки, выбранная частица обычно доставляется в положение левитации. В положении левитации, вертикальное расположение взвешенной частицы значительно более чувствительны к изменениям оптической мощности, чем в положении захвата вблизи фокуса. 18 можно перемещать по вертикали частицу повторяемостью между этими двумя устойчивыми положениями путем изменения оптической мощности. Положение левитации также имеет более высокую чувствительность к внешним силам, чем номинальное положение захвата, поскольку жесткость ловушка становится мягче, как свет распространяется от фокуса. Таким образом, положение левитации также может быть использовано для более чувствительных измерений, когда шум смещения не доминирует броуновским движением. Когда шум позиция термически ограничена, как здесь, уменьшение жесткости увеличивается как чувствительность и шум, так что нет никакой выгоды еили точность измерения.
Движение запертой частицы контролируется QPD и регистрируется с помощью платы сбора данных. Сигнал QPD записывается во временной области (фиг.4С) и трансформировали Фурье (Фигуры 4а и 4б). Общее выравнивание может быть легко проверена путем сравнения спектров мощности двух радиальных каналов (Х и Y). Если они не накладываются (рис 4а), оптическое выравнивание должно быть исправлено , пока не произойдет суперпозицию (как показано на рисунке 4b).
Траектория частицы показывает , как броуновское движение и баллистическую , как показано на рисунке 4. Временной и частотной области анализа могут быть использованы для интерпретации этих измерений. Мы ввели два подхода к Измерение силы, которые позволяют более полное понимание оптической ловушке путем сравнения броуновское движениена баллистическое движение, индуцируемой электростатической силой. Траектория частицы для броуновское движение, ни при каких электростатического поля преобразуется в спектральной плотности мощности, которая затем может быть проанализировано с помощью нелинейного метода наименьших квадратов при решении полного уравнения Ланжевена. 19 Этот анализ PSD дает резонансную частоту и затухание вблизи центра ловушки. Резонансная частота преобразуется в жесткость ловушки с использованием известной массы в формуле 
, Измеренное смещение затем дает оптическую силу , используя формулу для пружинной F = -KX.
Баллистический движение, индуцированное ступенчатого изменения в электростатическом поле может также привести к резонансной частоте ловушки и затухание среды. 12 Как удалить электростатическое поле из запертой частицы, частица будет выпущена к гeturn в полевых свободных position.as постукивая , показанных на рисунке 4d и 4e. Смещение как функция времени может быть пригодным к общему решению затухающего гармонического осциллятора, чтобы дать резонансную частоту, затухание и стационарное смещение. Оба эти подхода предполагают, что частица в ловушке действует как линейный пружины. Эти измерения могут быть распространены на общих (нелинейных) сил с использованием метода параметрической силы. 12 Детали PSD анализа и параметрического анализа силы не фокус в этом протоколе , но они могут быть найдены из литературы. 12, 19
Рисунок 1: Схема экспериментальной установки , используемые для селективной оптической ловушки Загрузка в воздухе. Однолучевой градиента силы оптической трэп разработан на перевернутой оптический микроскоп. Сокращения, используемые в схеме, перечислены ниже: МНВ, электрооптический модулятор; HAL, галогенная подсветка; МФС, моторизованный стадии фокусировки; NIR-КПБ цель, инфракрасная исправил большое рабочее расстояние линзы объектива; TS, этап перевода (х-у); ЦТС, пьезоэлектрический преобразователь; ESM, электростатическое поле модулятор; ND, фильтр нейтральной плотности; QPD, квадрант-элементная фотодетектор; DM, диэлектрическое зеркало; ITO, индий покровные оксида олова с покрытием; CCD, камера заряд связью; Гелий-неоновый, гелий-неоновый лазер (633 нм); Nd: YVO 4, 1064 нм лазер для захвата. 12 Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 2: Изготовление пьезоэлектрического Launcher ASSEMБлай. (А) визуализированных изображений держателя ЦТС с использованием пакета программного обеспечения САПР в формате "-.SLDPRT" и (б) формат "-.STL" для 3D печати. (С) изображение из окончательной сборки пьезоэлектрического пусковой установки : образец корпуса (с покровные ITO с покрытием), держатель ЦТС, кольцо прокладка, кольцо типа ЦТС, алюминиевая пластина, покровные. (D) Изображение окончательной сборки. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 3: Шаг за шагом Демонстрация селективного оптической ловушки нагружении 20 мкм PS частиц. (А) определения местоположения фокуса в улавливающий пучка, (б) левитации частицы выше фокуса (Частьicle изображение тусклое пятно , поскольку положение левитации значительно выше номинального микроскопа фокус), (с) переходит в положение захвата (номинально в фокусе), а затем (г) перемещение запертых частиц в центральной области для сбора данных. Частица в ловушке в фиксированном месте фокуса пучка, тогда как стадия образец перемещается, как показано с желтой стрелкой на фиг.3D (масштаб бар = 100 мкм). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 4: QPD захваченной частицы Траектории как по частоте , и во временной области. (А) плохо выровнена экспериментальная установка показывает шум и шум пиков низкочастотных на определенных частотах , тогда как (б) хорошо подобранная РСП из х и у-оси указывают на правильную оптическую выравнивание. (С) QPD записывает броуновское движение запертой частицы во временной области. (Е) Изменение шага в приложенного электрического поля через запертой частицы синхронно регистрируются с индуцированной (г) баллистического движения через систему сбора данных (DAQ). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Пьезоэлектрический пусковая предназначена для оптимизации динамических характеристик выбранного ЦТС. Правильный выбор материалов ЦТС и управления ультразвуковых колебаний являются ключевыми шагами, чтобы получить успешный эксперимент. PZTs имеют различные характеристики в зависимости от типа преобразователя (насыпью или сложенных) и компонент материалов (твердый или мягкий). Объемный типа ЦТС изготовлена из твердого пьезоэлектрического материала выбран по следующим причинам. Во-первых, жесткие пьезоэлектрические материалы имеют более низкие диэлектрические потери и высокую механическую добротность, чем мягких материалов. Во-вторых, основная часть типа ЦТС представляет собой более низкую электрическую нагрузку и легче управлять на высоких частотах, чем тип преобразователя сложенных. Под динамической операции, высокая амплитуда колебаний может вызвать растягивающие усилия на незагруженной пьезокерамики, которые приводят к механическому разрушению. Механическая структура предзагрузка используется для обеспечения постоянной нагрузки, чтобы уменьшить люфт и повысить динамические характеристики ЦТС. встретилском кольцо разделитель вставляется между держателем ЦТС и кольцевого типа ЦТС. Это металлическое кольцо, распорка концентрируется ультразвуковой энергии и распределяет его равномерно по всему кольцу (Любой местный (неравномерным) стресс может легко нарушить покровное.). С хорошо разработанной ЦТС пусковой установки, правильное выравнивание частицы с захватом пучка в обоих осевых и радиальных направлениях определяет эффективность ловушки нагрузки. Если частица не была успешно левитировать после пульсирующей, повторите выравнивание подложки и переместить фокус немного ниже частицы, чтобы найти оптическую позицию загрузки. Для ближней инфракрасной скорректированного объектива, фокусом захвата луча устанавливается равным несколько микрометров ниже плоскости образца, которая фокусируется на ПЗС. Оптимальная мощность улавливание требуется для улавливания микрочастицами изменяется, как размер мишени изменяется микрочастицы. 13 Оптимальная мощность захвата может быть найдена эмпирически , путем проб и ошибок. Мощность, потребляемая здесь (140 мВт) являетсяотносительно высока из-за низкой NA и большим рабочим расстоянием, используемой.
Здесь мы продемонстрировали обратимое ловушку загрузки частиц PS 20 мкм. Тем не менее, наш подход может быть распространен на более мелкие частицы. Для меньших микрочастицами, наш текущий ЦТС пусковой установки, возможно, не в состоянии обеспечить достаточную мощность ультразвука, чтобы отделить частицы. Использование более быстрой цепи ЦТС вождения было показано выпустить более мелкие частицы. 20 Кроме того, поверхность с низким коэффициентом сцепления может быть альтернативным подходом. 21 Снижение адгезии между микрочастицами и подложкой ослабит минимальное значение ультразвуковой мощности , необходимой для отсоединения частиц , таким образом , наша текущая ЦТС пусковой установки также может быть использована для отделения более мелких частиц.
Большинство традиционных методов загрузки случайные процессы, в которых многочисленные капли аэрозоля с твердыми включениями генерироваться непрерывно, пока один из них не в ловушке случайно рядом с ловушкой ЕКСтер. Таким образом, этот обычный метод может не подходить для улавливания образцов с ограниченным количеством или поддержания равномерного отбора проб. В протоколе, мы демонстрируем обратимое оптическую ловушку нагрузку, которая включает повторяющиеся циклы ловушки погрузки и посадки. Это дает уникальные эксперименты, например, исследование накопления зарядов на частицу. 22 Заряд на запертой частицы могут быть измерены путем подгонки переходную характеристику (рис 4d) к идеальному гармонического осциллятора в нелинейном наименьших квадратов способом. Индуцированный смещение, умноженное на ловушки жесткости дает электростатической силы, которая позволяет рассчитать заряда от известной напряженности электрического поля (задается от приложенного напряжения, деленное на расстояние между двумя параллельными пластинами ИТО с покрытием). 12 Это простое измерение заряда может быть расширен для изучения взаимодействия частиц поверхности в сочетании с обратимым ловушки загрузки техниQue продемонстрировал здесь. 22
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| ScotchBlue Painter's Tape Original | 3M | 3M2090 | |
| Scotch 810 Magic Tape | 3M | 3M810 | |
| Function/Arbitrary Waveform generator | Agilent | HP33250A | |
| Power supply/Digital voltage supplier | Agilent | E3634A | |
| Ring-type piezoelectric transducer | American Piezo Company | item91 | |
| Electro-optic modulator | Con-Optics | 350−80-LA | |
| Amplifier for Electro-optic modulator | Con-Optics | 302RM | |
| Mitutoyo NIR infinity Corrected Objective | Edmund optics | 46-404 | Manufactured by Mitutoyo and Distributed by Edmund optics |
| LOCTITE SUPER GLUE LONGNECK BOTTLE | Loctite | 230992 | |
| 3D printer | MakerBot | Replicator 2 | |
| Polylactic acid (PLA) filament | MakerBot | True Red PLA Small Spool | |
| Data Acquisition system | National Instruments | 780114-01 | |
| Quadrant-cell photodetector | Newport | 2031 | |
| Translational stage | Newport | 562-XYZ | |
| Inverted optical microscope | Nikon Instruments | EclipsTE2000 | |
| Fluorescence filter (green) | Nikon Instruments | G-2B | |
| Flea3/CCD camera | Point Grey | FL3-U3-13S2M-CS | Trapping laser |
| Diode pumped neodymium yttrium vanadate(Nd:YVO4) | Spectra Physics | J20I-8S-12K/ BL-106C | |
| Indium tin oxide (ITO) Coated coverslips | SPI supplies | 06463B-AB | Polystyrene microparticles |
| Fast Drying Silver Paint | Tedpella | 16040-30 | |
| Dri-Cal size standards | Thermo Scientific | DC-20 | |
| Optical Fiber | Thorlabs | P1−1064PM-FC-5 | bottom plate |
| Aluminium plate | Thorlabs | CP4S | |
| High voltage power amplifier | TREK | PZD700A M/S |
References
- Ashkin, A. Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure. Phys. Rev. Lett. 24 (4), 156-159 (1970).
- Gieseler, J., Novotny, L., Quidant, R. Thermal nonlinearities in a nanomechanical oscillator. Nat. Phys. 9 (12), 806-810 (2013).
- Gieseler, J., Deutsch, B., Quidant, R., Novotny, L. Subkelvin Parametric Feedback Cooling of a Laser-Trapped Nanoparticle. Phys. Rev. Lett. 109 (10), 103603 (2012).
- Chang, D. E., et al. Cavity opto-mechanics using an optically levitated nanosphere. Proc. Natl. Acad. Sci. 107 (3), 1005-1010 (2010).
- Arita, Y., Mazilu, M., Dholakia, K. Laser-induced rotation and cooling of a trapped microgyroscope in vacuum. Nat. Commun. 4, 2374 (2013).
- Ashkin, A., Dziedzic, J. Optical trapping and manipulation of viruses and bacteria. Science. 235 (4795), 1517-1520 (1987).
- Svoboda, K., Block, S. M.
- Mehta, A. D. Single-Molecule Biomechanics with Optical Methods. Science. 283 (5408), 1689-1695 (1999).
- Arvanitaki, A., Geraci, A. A. Detecting High-Frequency Gravitational Waves with Optically Levitated Sensors. Phys. Rev. Lett. 110 (7), 071105 (2013).
- Moore, D. C., Rider, A. D., Gratta, G. Search for Millicharged Particles Using Optically Levitated Microspheres. Phys. Rev. Lett. 113 (25), 251801 (2014).
- Li, T., Kheifets, S., Medellin, D., Raizen, M. G. Measurement of the instantaneous velocity of a Brownian particle. Science. 328 (5986), 1673-1675 (2010).
- Park, H., LeBrun, T. W. Parametric Force Analysis for Measurement of Arbitrary Optical Forces on Particles Trapped in Air or Vacuum. ACS Photonics. 2 (10), 1451-1459 (2015).
- Summers, M. D., Burnham, D. R., McGloin, D. Trapping solid aerosols with optical tweezers: A comparison between gas and liquid phase optical traps. Opt. Express. 16 (11), 7739-7747 (2008).
- Anand, S., et al. Aerosol droplet optical trap loading using surface acoustic wave nebulization. Opt. Express. 21 (25), 30148-30155 (2013).
- Lee, W. M., Reece, P. J., Marchington, R. F., Metzger, N. K., Dholakia, K. Construction and calibration of an optical trap on a fluorescence optical microscope. Nat. Protoc. 2 (12), 3226-3238 (2007).
- Pesce, G., et al. Step-by-step guide to the realization of advanced optical tweezers. J. Opt. Soc. Am. B. 32 (5), B84 (2015).
- Thornton, S. T., Marion, J. B. Classical Dynamics of Particles and Systems. , Brooks/Cole. (2003).
- Ashkin, A. Stability of optical levitation by radiation pressure. Appl. Phys. Lett. 24 (12), 586-588 (1974).
- Chandrasekhar, S. Stochastic Problems in Physics and Astronomy. Rev. Mod. Phys. 15 (1), 1-89 (1943).
- Li, T. Fundamental Tests of Physics with Optically Trapped Microspheres. , New York. 9-21 (2013).
- Chai, Z., Liu, Y., Lu, X., He, D. Reducing Adhesion Force by Means of Atomic Layer Deposition of ZnO Films with Nanoscale Surface Roughness. ACS Appl. Mater. Interfaces. 6 (5), 3325-3330 (2014).
- Park, H., LeBrun, T. W. Measurement and accumulation of electric charge on a single dielectric particle trapped in air. SPIE OPTO. 9764, (2016).
