Introduction
Ashkin meldde de versnelling en de vangst van microdeeltjes door straling druk in 1970. 1 Zijn roman prestatie bevorderde de ontwikkeling van optische trapping technieken als belangrijkste instrument voor het fundamenteel onderzoek in de fysica en biofysica. 2, 3, 4, 5 Tot op heden heeft de toepassing van optische trapping vooral gericht op vloeibare omgeving, en gebruikt om een uiteenlopende systemen, gaande van het gedrag van colloïden aan de mechanische eigenschappen van enkele biomoleculen. 6, 7, 8 Toepassing optische trapping gasvormige media vereist echter oplossen verscheidene nieuwe technische problemen.
Onlangs, optische trapping in de lucht / vacuüm is in toenemende mate toegepast in fundamenteel onderzoek. Aangezien optische levimentatie biedt potentieel bijna-volledige isolatie van een systeem uit de omgeving, de optisch zweven deeltje wordt een ideaal laboratorium voor het bestuderen van quantum grondtoestanden kleine voorwerpen, 4 meten hoogfrequente gravitatiegolven, 9 en het zoeken naar fractionele lading. 10 Bovendien is de lage viscositeit van lucht / vacuüm maakt het mogelijk om inertie om de momentane snelheid van een deeltje 11 Brownse meten en ballistische beweging maken over een breed bereik van beweging voorbij de lineaire veerachtige regime. 12 Daarom, gedetailleerde technische informatie en praktijken voor optische vallen in gasvormige media hebben meer waardevol voor de bredere onderzoeksgemeenschap te worden.
Nieuwe experimentele technieken die nodig zijn om nano / micropartikels in optische vallen in gasvormige media te laden. Een piëzo-elektrische omvormer (PZT), een apparaat dat stroom converteertic energie in mechanisch-akoestische energie, is gebruikt om kleine deeltjes te geven in optische vallen in lucht / vacuüm 5, 12 aangezien de eerste demonstratie van optische levitatie. 1 Sindsdien hebben verschillende loading technieken voorgesteld om kleinere deeltjes waarbij vluchtige aërosols die door commerciële vernevelaar 13 of een akoestische golfgenerator laden. 14 De drijvende spuitbussen met vaste insluitsels (deeltjes) willekeurig passeren in de buurt van de focus en worden gevangen door toeval. Zodra de aerosol wordt gevangen, het oplosmiddel verdampt en uit het deeltje blijft het optische val. Echter, deze werkwijzen niet goed geschikt om gewenste deeltjes te identificeren in een monster, een deeltje gekozen laden en veranderingen daarin bij het vrijkomen van de val volgen. Dit protocol is bedoeld om details nieuwe te bieden die op selectieve optische val geladen lucht, waaronder het experimental opstart, vervaardiging van een PZT houder en monster behuizing, val laden en data acquisitie geassocieerd met de analyse van deeltjesbeweging in zowel de frequentie als tijddomeinen. Protocollen voor het vangen in vloeibare media zijn ook gepubliceerd. 15, 16
De totale experimentele opzet is ontwikkeld op commerciële omgekeerde lichtmicroscoop. Figuur 1 toont een schematisch diagram van de spantoestand stappen van de selectieve optische val hoeveelheden te tonen: het vrijmaken van de rustende microdeeltjes, heffen de gekozen deeltje met de gefocusseerde bundel, het meten van de beweging en het opnieuw op het substraat. Eerst, translationele trappen (dwars- en verticale) worden gebruikt om een geselecteerde microdeeltje op het substraat brengen om de focus van een trapping laser (golflengte 1064 nm) gefocusseerd door een objectieflens (nabij-infrarood gecorrigeerde lange werkende doelstelling afstand: NA 0,4, 20X vergroting, werkende distance 20 mm) door het transparante substraat. Vervolgens werd een piezoelektrische launcher (mechanisch pre-loaded ringtype PZT) genereert ultrasone trillingen om de hechting tussen microdeeltjes en een substraat breken. Aldus kan elk deeltje bevrijd door de enkelstraals gradiënt laser controleren gericht op het geselecteerde deeltje worden opgeheven. Zodra het deeltje wordt opgesloten, wordt vertaald naar het midden van het monster behuizing met twee parallelle geleidingsplaten elektrostatische excitatie. Ten slotte is een data acquisitie (DAQ) systeem registreert gelijktijdig de deeltjesbeweging, gevangen door een kwadrant-fotodetector cel (QPD), en het aangelegde elektrische veld. Na de meting, wordt het deeltje regelbaar geplaatst op het substraat nodig om weer op een omkeerbare wijze kan worden opgesloten. Dit hele proces kan worden herhaald honderden keren zonder deeltje verlies voor veranderingen, zoals contact elektrificatie die zich over meerdere trapping cycli te meten. Verwijzen wij u naar onze recent artikel fof details. 12
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Let op: Neem contact op met alle relevante veiligheidsprogramma's voor het experiment. Alle in dit protocol beschreven experimentele procedures worden uitgevoerd in overeenstemming met de NIST veiligheid LASER programma, evenals andere toepasselijke regelgeving. Zorg ervoor dat u te selecteren en te dragen juiste persoonlijke beschermingsmiddelen (PBM), zoals een bril bescherming laser ontworpen voor de specifieke golflengte en macht. Omgaan met droge nano / micropartikels kunnen extra adembescherming nodig.
1. ontwerp en de fabricage van een PZT Holder en een monster Enclosure
- Ontwerp een PZT houder en een monster behuizing
OPMERKING: Bijzondere ontwerp waarden variëren afhankelijk van de keuze van een PZT.- Open de computer-aided design (CAD) software pakket. Teken een tweedimensionale (2D) schets van een houder voor een bepaalde dimensie PZT. Ontwikkel de 2D schets tot volumetrische functies met combinaties van Extrude / Extrude-cut.
- Klik op Sketch,een rechthoek en extruderen aan een rechthoekige kubus te maken.
- Schets een schijf op de bovenkant van de kubus een cirkelvormig verzonken functie te dekken en houd de ring-type PZT definiëren.
- Definieer een centraal gat van een optische toegang van zowel real-time imaging en trapping hebben.
- Definieer een cirkelgeleider langs de rand van de centrale opening een platte metalen (koper) ring om de ultrasone energie naar het middengedeelte gericht plaatst zoals getoond in figuur 2a.
- Maak twee gaten voor bouten M6 op de PZT houder voor assemblage met een bodemplaat (gekocht, 4 mm dikke bodem aluminiumplaat met een gat in het midden), zie figuur 2c en 2d.
- Op soortgelijke wijze ontwerpen van een rechthoekig frame van het monster behuizing. Klik op Sketch, en teken een rechthoek, extrusie van de rechthoek om het een rechthoekige doos te maken.
- Teken een kleinere rechthoek op het bovenoppervlak van de rectangular doos en extrusie-snijd de rechthoek om het te maken als een rechthoekige buis.
- Teken een kleinere rechthoek op de zijwand van de buis en Diepte gesneden om te zetten in het kader van het monster BEHUIZING.
- Converteer deze driedimensionale (3D) modellen in een (STL) stereolithografie file format voor een 3D drukproces (Figuur 2b).
- 3D-printen van de ontworpen objecten
- Open het ontwerp-bestand ( "-.STL") uit de 3D-operationele printersoftware. Leg het object plat 0 / .en het centrum van het object op (0, 0, 0) door te klikken op het object om het te selecteren en met behulp van de alignment functies: "Move", "On Platform", en "Center". Richt de PZT houder om de delicate functies naar boven wijzen. De verzonken oppervlak zal naar boven worden geconfronteerd.
- In het menu naar het het tabblad "Kwaliteit" "Instellingen" en. Stel de drukkerij waarden als volgt, Infill: 100%, Aantal shells: 2, en Layer hoogte: 0,2mm.
- Een voorbeeld van de objecten om de totale druk te controleren en zorg ervoor dat de gelaagde objecten naar wens worden afgedrukt. Exporteer het 3D-printen bestand in een ".x3g" formaat en op te slaan om te gebruiken in de 3D-printer.
- Zet de 3D-printer en warmdraaien totdat de temperatuur van de extrusiekop een werktemperatuur bereikt, 230 ° C. Laad het ontwerp-bestand van een geheugenkaart of een netwerkschijf.
- Tijdens de warming-up, plaatst u de Build-platform met tape blauw schilder te helpen objecten houden veilig. Als thermoplastisch materiaal voor de afdruktaak, gebruikt een polymelkzuur (PLA) filament voor beide objecten.
- Druk de ontworpen objecten. Zodra de afdruktaak is voltooid, schakelt u de printer nadat het is afgekoeld.
- Maak de gedrukte voorwerp vanaf het platform met behulp van een beitel. Strek de gedrukte voorwerpen. Als de oriëntatie op de juiste wijze wordt gekozen, kan het PZT houder direct worden gebruikt zonder verdere post-processing.
- for het monster omhulling Bereid een paar indiumtinoxide (ITO) beklede dekglaasjes en drie dekglaasjes het beeld beslaan. Gebruik een diamantslijper aan het dekglaasje te passen aan de behuizing.
- Draad de twee parallelle geleidende platen met behulp van een sneldrogende zilveren verf aan de voedingsspanning over twee platen. Lijm deze vijf deuren naar het monster behuizing met behulp van een instant lijm.
NB: Een paar ITO beklede dekglaasjes worden op het monster behuizing parallel geïnstalleerd (tegenover elkaar) om uniform elektrisch veld te verschaffen en ballistische beweging van de natuurlijk geladen deeltje langs het elektrisch veld genereren. De drie conventionele dekglaasje betrekking op de rest van monster behuizing oppervlakken (boven- en twee andere zijden) aan de gevangen deeltjes te beschermen tegen de externe luchtstroom
2. optische Trap Laden van een geselecteerd microdeeltjes
- monstervoorbereiding
- Bewaar de microdeeltjes pervacuüm exsiccator contact met vocht in de lucht voor het experiment te verminderen.
- Giet een klein deel van microdeeltjes op een glasplaatje en meteen de fles van de fabrikant terug in de exsiccator.
- Neem sommige van de microdeeltjes met een glazen capillair. Strooi de deeltjes over het substraat door voorzichtig te tikken op de capillaire terwijl de capillaire over de dekglaasje.
- Controleer de hoeveelheid en de verdeling van afgezette deeltjes op het substraat met een donkerveld microscoop.
Opmerking: In de steekproef voorbereiding stap wordt het deeltje enkel verspreid op een dekglaasje en afgebeeld met een optische microscoop om algemene regeling te controleren voordat u deze (een dekglaasje met verspreide microdeeltjes) tussen de PZT en PZT houder. Aangezien het oppervlak hechting is sterk genoeg voor bepaalde microdeeltjes op het substraat te houden, worden de deeltjes stevig gehecht tenzij significante uitwendige kracht wordt uitgeoefend. - Piëzo-elektrische launcher assemblage
- Verkrijgen van alle componenten van het piëzo-elektrische launcher: de vlakke bodemplaat, isolatiefilm, de PZT, de glazen dekglaasje, een koperen ring, de PZT houder twee M6 bouten, en het monster behuizing.
- Breng een dun laagje (of tape) op de bodemplaat van de PZT isoleren. De glazen dekglaasje isoleert de bovenkant van de stapel.
- Monteer de stapel door het centreren van de PZT boven de vlakke plaat nu geïsoleerd met tape, gevolgd door het dekglaasje, de koperen ring, en de PZT houder. Schroef de stapel samen handhaven van de centrering van de PZT vermijden kortsluiting de PZT aan de houder wanneer de houder voert zoals in figuur 2c en 2d. De koperen ring zorgt voor een gelijkmatig verdeeld mechanische voorbelasting op de stapel voor plastic PZT houders.
- Tot slot, lijm de steekproef behuizing op de stapel en monteer het geheel op een XYZ translationele stadium van de microscoop.
- Configuratie van de PZT launcher
LET OP: Rijden met de PZT met een hoog voltage signaal heeft potentieel elektrische gevaren. Neem contact op met de veiligheid van het personeel voor het experiment. Alle elektrische aansluitingen moeten worden vastgezet voor het experiment. Schakel de versterker uit en haal PZT leidt waar mogelijk.- Sluit de PZT leidt tot de spanningsversterker en sluit de functiegenerator aan een ingangspoort van de spanningsversterker.
- Schakel de functie generator en configureren om continue vierkante golven te genereren met een uitgangsspanning van 1 V. Laat de spanning signaal genereren totdat alle aansluitingen zijn gecontroleerd en beveiligd.
- Schakel de spanning versterker en het genereren van de blokgolf uitgangsspanning V 1 doordat de uitgang.
- Sluit de controle uitvoerpoort (uitgangsspanning 200 V) van de versterker op een oscilloscoop. Configureren van de versterker winst van 200 V / V hebben door dekrijgen knop op het voorpaneel. Controleer of de controle uitgangsspanning heeft een amplitude van 1V zoals gemeten met de oscilloscoop.
- Zodra de functiegenerator en de versterker geconfigureerd, vindt de resonantiefrequentie van de PZT opstartprogramma scannen van de modulatiefrequentie van het stuursignaal terwijl de real-time video microscoopbeelden gehecht deeltjes. Het scannen herhalen totdat het microdeeltje beweging maximaal. Gebruik deze frequentie (64 kHz hier) om deeltjes vrij te geven.
OPMERKING: De modulatiefrequentie is handmatig gewijzigd (gescande) van nul tot 150 kHz aan de resonantiefrequentie vinden. - Configureer de functiegenerator een blokgolf met een gespecificeerd aantal cycli burstmodus genereren. Druk op de "Burst" knop op het voorpaneel en selecteer "N Cycle Burst".
- Kies de burst-telling door te drukken "# Cycles" zachte toets en stel de telling tot 10 of 20.
- Configureren het plein golfvorm spanning signalen te generereneen amplitude van 600 V (drie keer de spanning voor de continue bekrachtiging) aan de resonantiefrequentie van 64 kHz is geconstateerd uit de vorige stap. Controleer of de pulserende signaal afgeeft het doel deeltje in een herhaalbare wijze door te zorgen voor deeltjes bewegen na elke puls.
- Selectieve optische val loading
OPMERKING: De PZT lanceerinrichting is geïnstalleerd op een handmatige lineaire translatie xy fase. De deeltjes kunnen ten opzichte van de vaste focussering worden vertaald in door de translationele fase.- Verwijder de laserlijn filter om de focus van de bundel vangen identificeren door rotatie van de carrousel microscoop (Figuur 3a). Verplaats de gemotoriseerde focus blok heen en weer verticaal rond de beste focus van het zichtbare beeld om de focus te optimaliseren.
- Zodra de focus positie wordt gecontroleerd, zet de filter terug naar een duidelijke real-time video te geven, zonder inmenging van de trapping balk.
- Vertalen van het monster aan pkant een geselecteerd deeltje in het brandpunt positie van de trapping laser. Focus op het deeltje naar het middelste beeld van een geselecteerd deeltje, waarbij de nominale vangst positie onder het midden vestigt deeltje ongeveer wordt gehalveerd straal terwijl de levitatie boven het deeltje.
- Pas de voeding aangesloten op de elektro-optische modulator (EOM) driver om de optische trapping vermogen in te stellen. De optimale mate afhangen van de deeltjesgrootte en materiaal. De optische stroom werd gevonden door middel van herhaalde proeven om de kracht voldoende is om het deeltje zweven zonder het uitwerpen van het uit de bundel te bepalen. Hier, gebruik maken van een optisch vermogen van 140 mW aan de achterkant brandvlak van de doelstelling om de vangst van de 20 urn diameter polystyreen (PS) deeltjes.
- Nadat de punt van het geselecteerde deeltje uitgelijnd, drijven de piëzo-manager met meerdere pulsen. De verandering het deeltje afbeelding van een statische gefocusseerd beeld van een bewegend beeld wazig of geeft succesvolle lading tot de levitation positie.
- Vertalen zweven deeltje verticaal ongeveer een millimeter boven het substraat door het bewegen van de objectieflens maximaal mogelijke oppervlakte interacties te voorkomen. Verminderen dan het optische vermogen om de opgetilde deeltje (figuur 3b) in de nominale trapping positie (figuur 3c) overgang die stabieler.
OPMERKING: De optische sterkte van opsluiten laser kan worden gemoduleerd door een elektro-optische modulator (EOM). De EOM regelt het uitgangsvermogen met een voorspanning via een digitale voeding geleverd. Men kan de overgang van de levitatie waarnemen te vangen positie door de CCD terwijl de optische sterkte langzaam vermindert. - Voor de positiemeting, zoals in figuur 3c tot 3d voorzichtig verplaatst het centrum van de PZT houder de optische as en beweeg de objectieflens up (verticaal) op het deeltje te vertalen naar het midden van het monster behuizing (9 mm boven het substrat) wanneer het elektrische veld pony geminimaliseerd.
- Na uitvoering van de meting zoals hieronder beschreven, plaats de deeltjes op het substraat door het bewegen van het doel naar beneden totdat het deeltje raakt het substraat. Aangezien de meeste van de deeltjes aangebracht nabij de hoeken, kan de gevangen deeltjes gemakkelijk worden herkend en opnieuw gevangen wanneer het wordt geplaatst in het centrale gebied. Dit maakt het mogelijk omkeerbare val lading tot veranderingen die zich buiten een enkele vangst, zoals contactgegevens interacties van het deeltje en het substraat te meten.
3. Data Acquisition
- Lijn de condensor en de focus lens met de QPD "SUM" signaal te maximaliseren met een deeltje in de val.
- Lijn de focusseerlens naar nominaal nul de X- en Y kanalen van de QPD, zie figuur 4c.
- Herhaal de aanpassing van de condensor en de focusseerlens tot de Fourier getransformeerde positiesignalen (of vermogensspectrum dichtheid (PSD) percelen) van de X en Y kanalen superponeren evenwichtige gevoeligheid tonen. Scheef QPD signalen (X en Y) blijkt vrijwel identiek gedrag, zie figuur 4b.
- Zodra de QPD uitlijning is gecontroleerd, sluit de spanning versterker naar de twee ITO platen. Sluit de spanningsbewaking uitgangssignaal van de versterker naar de DAQ systeem de stap excitatiesignaal en de geïnduceerde partikeltraject synchroon opnemen.
- Leveren een continue blokgolf van 400 V een elektrisch veld (figuur 4d) die het deeltje dwars op de optische as beweegt door ongeveer 500 nm (figuur 4e) genereren. Meet de stap reactie van de gevangen deeltje met behulp van de QPD.
- Gemiddelde meerdere perioden waarbij de gevolgen van Brownse beweging te verminderen. De geïnduceerde beweging kan worden gebruikt om de optische kracht te meten over een groter bewegingsbereik dan thermische fluctuaties. 12,ef "> 17 Figuur 4d en 4e shows gemiddeld signalen van de toegepaste spanning en de geïnduceerde partikeltraject meer dan 50 herhalingen van stap excitatie.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De PZT launcher is ontworpen met behulp van een CAD-software pakket. Hier gebruiken we een eenvoudige sandwichstructuur de voorspaninrichting (a PZT geklemd met twee platen), zoals getoond in figuur 2. De PZT houder en het monster behuizing kan worden vervaardigd uit verschillende materialen en methoden. Voor een snelle demonstratie, we kiezen voor 3D printen met thermoplastische zoals weergegeven in figuur 2d. Op basis van de vervaardigde onderdelen, wordt optische val loading figuur 3. Voor selectieve belading wordt de gereflecteerde laser trapping geblokkeerd tijdens het experiment van een filter op een microscoop turret de CCD camera te beschermen terwijl het zichtbare licht door het filter voor beeldvorming in reflectie geïnstalleerd zoals weergegeven in figuur 1. Een gekalibreerde CCD camera maakt ook kwantitatieve meting door zowel het meten van de deeltjesdiameter en aanvullende positiedetectie. De diameter van een doeldeeltje kan worden gebruikt om de massa te houden stijfheid oplevert van de eigenfrequentie, zoals hieronder besproken berekenen. De trajecten gemeten met de CCD camera worden ook gebruikt om de QPD spanningssignaal kalibreren voor het meten van de verplaatsing. 12
Zodra het deeltje is gevangen, licht verstrooiing van een rode laser kan de gevangen deeltjes te herkennen met het blote oog, zoals getoond in figuur 1 (inzet foto). Ook kan real-time beelden van het substraat bepalen of het deeltje gevangen omdat het op een andere hoogte (focus) vanaf de andere microdeeltjes gehecht aan het substraat (figuur 3). De microdeeltjes kunnen worden opgesloten in twee standen: een trapping positie en een levitatie positie. In de trapping positie, optische krachten stabiliseren van de deeltjes in alle richtingen. Daarentegen, in het levitatie positie het deeltje enige gestabiliseerd transversEly door optische krachten. In de verticale opwaartse kracht vanuit de radiatiedruk wordt gecompenseerd door de zwaartekracht. Met onze laadmethode wordt het geselecteerde deeltje in het algemeen geleverd aan een levitatie positie. Voor deze levitatie positie, de verticale locatie van de gesuspendeerde deeltjes is veel gevoeliger voor variaties in de optische sterkte dan de vangst liggen bij de focus. 18 Men kan verticaal bewegen de deeltjes herhaalbaar tussen de twee stabiele posities door variatie van de optische sterkte. De levitatie positie heeft ook een hogere gevoeligheid voor externe krachten dan de nominale trapping positie, omdat de val stijfheid wordt zachter als het licht zich voortplant weg van de focus. Daarom kan de positie levitatie ook worden gebruikt voor meer gevoelige metingen bij verplaatsing lawaai wordt gedomineerd door de Brownse beweging. Wanneer de positie ruis thermisch beperkt als hier, verminderen de stijfheid verhoogt de gevoeligheid en de ruis zodat er geen winst fof nauwkeurige meting.
De beweging van de gevangen deeltje wordt bewaakt door een QPD en opgenomen door een DAQ kaart. De QPD is opgetekend in het tijdsdomein (figuur 4c) en Fourier getransformeerde (figuren 4a en 4b). De algehele uitlijning kan gemakkelijk worden gecontroleerd door het vergelijken van de kracht spectra van twee radiale kanalen (X en Y). Als ze niet worden gesuperponeerd (figuur 4a), de optische uitlijning gecorrigeerd worden tot superpositie plaatsvindt (zie figuur 4b).
De partikeltraject toont beide Brownse beweging en ballistische zoals getoond in figuur 4. Tijd en frequentie domein analyses kunnen worden gebruikt om deze metingen te interpreteren. We hebben twee benaderingen meetmethoden vollediger begrip van de optische val mogelijk door vergelijking Brownse beweging dwingen geïntroduceerdaan de Ballistic beweging veroorzaakt door een elektrostatische kracht. De partikeltraject voor Brownse beweging in geen elektrostatisch veld wordt omgezet in de spectrale vermogensdichtheid die vervolgens kunnen worden geanalyseerd door een niet-lineaire kleinste kwadraten de oplossing van de volledige Langevin vergelijking. 19 Deze analyse van de PSD geeft de resonantiefrequentie en demping nabij de val centrum. De resonantiefrequentie wordt omgezet in de val stijfheid met de bekende massa in de formule 
. De gemeten verplaatsing geeft dan de optische kracht met behulp van de formule voor een veer F = -kx.
De ballistische beweging geïnduceerd door een abrupte verandering van de elektrostatische veld kan leveren ook de resonantiefrequentie van de val en demping van het medium. 12 Als we de elektrostatisch veld van de opgesloten deeltjes te verwijderen, zal het deeltje worden vrijgegeven aan return de veldvrije tappen position.as figuur 4d en 4e. De verplaatsing als functie van de tijd kan geschikt zijn om de algemene oplossing van een gedempte harmonische oscillator met de resonantiefrequentie geven damping en steady-state verplaatsing. Beide benaderingen veronderstellen dat het deeltje in de val fungeert als lineaire veer. Deze metingen kunnen worden uitgebreid tot algemene (niet-lineaire) krachten met de parametrische geweldmethode. 12 De details van de PSD-analyse en parametrische kracht analyse zijn niet de nadruk in dit protocol, maar ze kunnen worden gevonden uit de literatuur. 12, 19
Figuur 1: Schema van de experimentele opstelling gebruikt voor selectieve optische val Laden in Air. Een single-beam gradient force optische trap is ontwikkeld op een omgekeerde optische microscoop. Afkortingen in het schema zijn hieronder opgesomd: EOM, elektro-optische modulator; HAL, halogeen verlichting; MFS, gemotoriseerde focus stadium; NIR-LWD doelstelling, infrarood gecorrigeerd lange werkafstand objectief; TS, vertaling fase (x-y); PZT piëzo-elektrische transducent; ESM, elektrostatisch veld modulator; ND, grijsfilter; QPD, quadrant-cel fotodetector; DM, diëlektrische spiegel; ITO, indium tinoxide gecoate dekglaasjes; CCD, charge coupled camera-apparaat; HeNe, helium neon laser (633 nm); Nd: YVO 4, 1064 nm laser voor het opsluiten. 12 Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: fabricage van de piëzo-elektrische Launcher Assembly. (A) Gesmolten beelden van een PZT houder CAD software in een "-.SLDPRT" formaat en (b) "-.STL" format voor 3D printing. (C) Een teruggegeven beeld van de eindassemblage van de piëzo-elektrische launcher: monster behuizing (met ITO beklede dekglaasjes), PZT houder, ring spacer, ring-type PZT, aluminiumplaat, dekglaasjes. (D) Foto van de eindmontage. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Stap voor stap Demonstratie van selectieve optische val Laden van een 20 pm PS Particle. (A) het lokaliseren van de focus van de bundel vangen, (b) de deeltjes zweven boven gericht (Het gedeeltekel beeld is een zwak blur omdat de levitatie positie ver boven het nominale microscoop focus), (c) de overgang naar de trapping positie (nominaal in focus) en (d) het verplaatsen van de gevangen deeltjes op het centrale gebied voor data-acquisitie. Het deeltje ingevangen op een vaste plaats van de focussering dat de monstertafel wordt bewogen zoals aangeduid met een gele pijl in figuur 3d (Schaal bar = 100 urn). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: QPD Captured Particle Trajecten Zowel in frequentie en tijd Domain. (A) Een slecht uitgelijnde experimentele opstelling toont laagfrequent geluid en geluidspieken bij specifieke frequenties, terwijl (b) Goed afgestemd PSD's van de x- en y-as duiden juiste optische uitlijning. (C) A QPD registreert de Brownse beweging van de deeltjes gevangen in het tijdsdomein. (E) een stapsgewijze verandering in de toegepaste elektrisch veld over de gevangen deeltje synchroon opgenomen met de geïnduceerde (d) ballistische beweging door de data-acquisitie (DAQ) systeem. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De piëzoelektrische launcher is ontworpen om de dynamiek van een geselecteerde PZT optimaliseren. Juiste keuze van materialen PZT en het beheer van ultrasone trillingen zijn de belangrijkste stappen voor een geslaagd experiment verkregen. PZTs hebben verschillende eigenschappen afhankelijk van het type transducer (bulk of gestapelde) en component materiaal (hard of zacht). Een type PZT bulk van een hard piëzo-elektrisch materiaal wordt gekozen om de volgende redenen. Ten eerste, harde piëzo-elektrische materialen hebben een lagere diëlektrische verliezen en hogere mechanische kwaliteit factor dan zachte materialen. Ten tweede, het grootste soort PZT een lagere elektrische belasting en gemakkelijker te rijden bij hoge frequenties dan gestapelde transducer. Onder dynamische werking, hoge amplitude oscillatie trekkrachten hebben op een ongeladen PZT keramiek die leiden tot mechanisch falen. Een mechanische voorspanning structuur wordt gebruikt om een constante belasting geven aan speling te verminderen en dynamiek van de PZT verbeteren. Een ontmoetteallic ring spacer ingevoegd tussen de PZT houder en de ring-type PZT. Deze metalen ring spacer concentreert de ultrasone macht en verdeelt het gelijkmatig rond de ring (Elke lokale (ongelijke) stress kan gemakkelijk breken het dekglaasje.). Met een goed ontworpen PZT launcher, een goede afstemming van het deeltje aan de trapping balk in zowel axiale en radiale richtingen bepaalt de efficiëntie van de val laden. Als het deeltje niet met succes is zweven na pulseren, herhaal het substraat uitlijning en verplaats de focus een beetje onder het deeltje naar de optische laadpositie te vinden. Voor de nabij-infrarood gecorrigeerde objectieflens, is de focus van de bundel trapping ingesteld op enkele micrometers onder het monstervlak die wordt gefocusseerd op de CCD is. De optimale trapping kracht nodig te controleren microdeeltjes varieert de grootte van de beoogde veranderingen microdeeltje. 13 De optimale trapping macht kan empirisch worden gevonden door middel van trial and error. De kracht hier vereist (140 mW) isrelatief hoog vanwege de lage NA en lange werkafstand gebruikt.
Hier toonden we omkeerbaar val laden van een 20 pm PS deeltje. Echter kunnen onze benadering worden uitgebreid tot kleinere deeltjes. Voor kleinere microdeeltjes, onze huidige PZT launcher mogelijk niet in staat om voldoende ultrasone energie aan de deeltjes los te bieden. Toepassing van een snellere PZT aandrijfschakeling is aangetoond dat kleinere deeltjes los. 20 Bovendien kan een lage wrijvingscoëfficiënt een alternatieve benadering. 21 Vermindering van de hechting tussen microdeeltjes en het substraat zal zo min ultrasoon vermogen nodig om de aldus onze huidige PZT launcher kan ook worden gebruikt om kleinere deeltjes los deeltje los te beperken.
De meeste conventionele technieken loading toevalsprocessen waarin talrijke aërosoldruppeltjes met vaste inclusies continu worden gegenereerd totdat een van hen wordt gevangen toevallig bij de val center. Dus deze conventionele techniek is mogelijk niet geschikt voor het vangen van monsters met een beperkte hoeveelheid of het behoud van een uniforme bemonstering. In het protocol, tonen we omkeerbare optische val laden die herhaalde cycli van val laad- en landen omvat. Hierdoor kunnen unieke experimenten, bijvoorbeeld de studie van oplading van het deeltje. 22 De lading op de gevangen deeltjes kan worden gemeten door het aanbrengen van de voorbijgaande reactie (figuur 4d) aan de oplossing harmonische oscillator in een niet-lineaire kleinste kwadraten wijze. De geïnduceerde verplaatsing vermenigvuldigd met val stijfheid geeft de elektrostatische kracht die berekend lading van de bekende elektrische veldsterkte (gegeven door de aangelegde spanning gedeeld door de afstand tussen de twee evenwijdige ITO beklede platen) toelaat. 12 Deze eenvoudige ladingsgraadmetingen kan worden uitgebreid tot deeltjes-oppervlak interactie te bestuderen in combinatie met de omkeerbare trap loading technique aangetoond hier. 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).
