Introduction
Ashkin rapportert akselerasjon og fangst av mikropartikler av strålingstrykk i 1970. 1 Hans roman prestasjon fremmet utviklingen av optiske fangstteknikker som et hovedverktøy for grunnleggende studier av fysikk og biofysikk. 2, 3, 4, 5 Hittil har anvendelsen av optiske fangst hovedsakelig fokuserer på flytende miljøer og er blitt brukt til å studere et svært bredt spekter av systemer, fra oppførselen av kolloider til de mekaniske egenskaper for enkelt biomolekyler. 6, 7, 8 Bruk av optisk fangst til gassform miljø, krever imidlertid løse flere nye tekniske problemer.
Nylig, optisk fangst i luft / vakuum er blitt stadig mer brukt i grunnleggende forskning. Siden optiske levitering gir potensielt nesten-fullstendig isolasjon av et system fra omgivelsene, det optisk levi partikkel blir en ideell laboratorium for å studere quantum grunntilstander i små gjenstander, 4 måle høyfrekvente gravitasjonsbølger, 9 og søker etter brøk kostnad. 10 Videre er den lave viskositet av luft / vakuum gjør det mulig å benytte treghet til å måle den øyeblikkelige hastigheten av en Brownsk partikkel 11 og for å skape ballistisk bevegelse over et vidt spekter av bevegelse utover den lineære fjærlignende regime. 12 Derfor, detaljert teknisk informasjon og praksis for optiske feller i gass media har blitt mer verdifull for den bredere forskningsmiljø.
Nye eksperimentelle teknikker er nødvendig å laste nano / mikropartikler i optiske feller i gasser. En piezoelektrisk transduser (PZT), en enhet som konverterer strømic energi til mekanisk-akustiske energi, har vært brukt til å levere små partikler til optiske feller i luft / vakuum-5, 12 ettersom den første demonstrasjonen av optisk levitasjon. 1. Siden den gang har flere lastende teknikker blitt foreslått å legge i mindre partikler ved hjelp av flyktige aerosol som genereres av en kommersiell forstøver 13, eller en akustisk bølgegenerator. 14 Den flytende aerosoler med solide slutninger (partikler) tilfeldig passerer nær fokus og er fanget ved en tilfeldighet. Når aerosol er fanget, fordamper løsningsmidlet ut og partikkel forblir i den optiske fellen. Men disse metodene ikke er godt egnet til å identifisere ønskede partikler fra innen en prøve, legger en valgt partikkel og for å spore sine endringer hvis løslatt fra fellen. Denne protokollen er ment å gi informasjon til nye utøvere på selektiv optisk felle lasting i luft, inkludert eksperimentetal oppsett, fabrikasjon av en PZT holder og prøve kabinett, felle lasting og datainnsamling i forbindelse med analyse av partikkelbevegelse i både frekvens og tid domener. Protokoller for fangst i flytende medier har også blitt publisert. 15, 16
Den generelle eksperimentelle oppsettet er utviklet på en kommersiell invertert optisk mikroskop. Figur 1 viser et skjematisk diagram av oppsettet som brukes til å demonstrere trinn i den selektive optiske felle lasting: frigjør hvilende mikropartikler, løfte den valgte partikkel med den fokuserte strålen, måler dens bevegelse, og plassere det på underlaget igjen. Først blir translasjonelle trinn (tverrgående og vertikale) som brukes for å bringe en valgt mikropartikkel på substratet til fokus for en felle laser (bølgelengde 1064 nm) fokuseres ved hjelp av en objektivlinse (nær infrarødt korrigert lang arbeidsavstand objektiv: NA 0,4, forstørrelse 20X, arbeider distance 20 mm) gjennom det gjennomsiktige substrat. Deretter ble en piezoelektrisk Utskytningsrampe (en mekanisk forhåndslastede ringtypen PZT) genererer ultrasoniske vibrasjoner for å bryte adhesjon mellom mikropartikler og et substrat. Således kan en hvilken som helst frigjort partikkel løftes opp av enkeltstråle gradient laser felle fokusert på den valgte partikkel. Når partikkelen er fanget, blir den oversatt til midten av prøven kabinettet som inneholder to parallelle, ledende plater for elektrostatisk eksitasjon. Til slutt, en datainnsamlings (DAQ) Systemet lagrer samtidig partikkelbevegelsen, fanges opp av en kvadrant-celle fotodetektor (QPD), og det påtrykte elektriske felt. Etter endt målingen blir partikkelstyrbart plasseres på substratet, slik at den kan fanges igjen på en reversibel måte. Denne generelle prosess kan gjentas flere hundre ganger uten tap partikkel for å måle endringer slik som kontaktdermatitt elektrifisering som forekommer i løpet av flere sykluser overlapping. Vennligst referer til vår siste artikkel feller detaljer. 12
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Forsiktig: Sjå alle relevante sikkerhetsprogrammer før eksperimentet. Alle de eksperimentelle prosedyrene som er beskrevet i denne protokollen er utført i henhold til NIST LASER sikkerhet programmet samt andre gjeldende bestemmelser. Vennligst sørg for å velge og bruke riktig personlig verneutstyr (PVU) som laser vernebriller konstruert for den spesifikke bølgelengde og makt. Håndtering tørre nano / mikropartikler kan kreve ekstra åndedrettsvern.
1. Design og fabrikasjon av en PZT Holder og en prøve Enclosure
- Design en PZT holder og en prøve kabinett
MERK: Spesielle designverdiene variere avhengig av valg av en PZT.- Åpne datamaskinassistert konstruksjon (DAK) programvarepakken. Tegn en to-dimensjonal (2D) skisse av en holder for en gitt PZT dimensjon. Utvikle 2D-skisse til volumetriske funksjoner ved hjelp av kombinasjoner av Extrude / Extrude snitt.
- Klikk Sketch,tegne et rektangel og press den til å lage en rektangulær kube.
- Skisser en disk på toppen overflaten av kuben for å definere et sirkulært innfelt funksjon for å dekke og holde den ringtypen PZT.
- Definer et sentralt hull for å ha en optisk tilgang for både sanntids bildebehandling og fangst.
- Definere en sirkulær førings langs kanten av det sentrale hull for å sette inn en flat metall (kobber) ringen for å konsentrere den ultrasoniske strøm mot senterområdet som er vist i figur 2 en.
- Lag to boringene for M6 skruene på PZT holderen som skal settes sammen med en bunnplate (kjøpt, 4 mm tykk bunn aluminiumplate med et hull i midten), som vist på figur 2c og 2d.
- På lignende måte, å utforme en rektangulær ramme av prøven kabinettet. Klikk Sketch og tegne et rektangel, ekstrudere rektangel for å gjøre det en rektangulær boks.
- Tegn et mindre rektangel på den øvre overflate av rectangular boksen og extrude snitt rektangelet å gjøre det som en rektangulær tube.
- Tegn et mindre rektangel på sideveggen av røret og Extrude snitt til å forvandle det inn i rammen av prøven hsubwooferkasse.
- Konvertere disse tredimensjonale (3D) modeller i et stereolitografi (STL) filformat for en 3D trykkeprosessen (figur 2b).
- 3D printing av de utformede gjenstander
- Åpne design filen ( "-.STL") fra 3D printer driftsprogramvare. Lå objektet flat 0 / .og sentrum objektet på (0, 0, 0) ved å klikke på objektet for å markere det, og ved hjelp av justeringsfunksjoner: "Move", "On Platform", og "Center". Orientere PZT innehaveren å møte de delikate funksjoner oppover. Den innfelte overflaten vil bli møtt oppover.
- I menyen gå til "Innstillinger" og "Kvalitet" -fanen. Angi utskrifts verdier som følgende, Infill: 100% Antall skjell: 2, og lag høyde: 0,2mm.
- Forhånd objektene for å kontrollere det totale utskriftstiden og sørge for at de lagdelte objekter vil bli skrevet ut etter ønske. Eksportere 3D-print-filen i en ".x3g" format og lagre den i bruk i 3D-skriveren.
- Slå på 3D-skriveren og varme den opp til temperaturen ekstruderingsdysen når en driftstemperatur 230 ° C. Legg utformingen fil fra et minnekort eller en nettverksstasjon.
- Under varme opp, plasserer Bygg plattform med blå malerens tape for å hjelpe gjenstander holde forsvarlig. Som et termoplastmateriale for utskriftsjobben, kan du bruke en polymelkesyre (PLA) glødetråd for begge stedene.
- Skriv ut de utformede gjenstander. Når utskriftsjobben er ferdig, slår du av skriveren etter at den er avkjølt.
- Ta den trykte objekt fra plattformen ved hjelp av en meisel. Rett opp de trykte stedene. Hvis retningen er riktig valgt, kan PZT holderen brukes direkte uten ytterligere etterbehandling.
- for prøven kabinett, forberede ett par indium tinn oksid (ITO) belagt Dekk og tre dekkglass for å dekke rammen. Bruk en diamant kutter for å passe dekkglass til kabinettet.
- Wire de to parallelle ledende plater ved hjelp av et hurtigtørkende sølv maling til å levere spenning over to plater. Lim disse fem vinduer på prøven kabinettet ved hjelp av en umiddelbar selvklebende lim.
MERK: ett par av ITO-belagte dekkglass er montert på prøven kapsling parallelt (som vender mot hverandre) for å tilveiebringe ensartet elektrisk felt, og for å generere ballistisk bevegelse av naturlig ladet partikkel langs det elektriske felt. De tre konvensjonelle dekk dekke resten av prøven kabinett overflater (topp og to andre sider) for å beskytte fanget partikkel fra den eksterne luftstrømmen
2. Optisk Trap Lasting av et valgt Mikropartikkel
- prøveopparbeidelse
- Oppbevar mikropartiklene i enevakuert eksikator for å redusere kontakt med fuktighet i luften før forsøket.
- Hell ut en liten andel av mikropartikler på et objektglass og umiddelbart satt til fremstilling flaske tilbake i eksikator.
- Plukk opp noen av mikropartikler med et glass kapillarrør. Spre partiklene over underlaget ved å banke lett på kapillær mens du holder kapillær over dekkglass.
- Kontrollere mengden og fordelingen av partikler som avsettes på substratet ved hjelp av en mørkefelt mikroskop.
Merk: I prøveprepareringstrinnet blir partikkel bare spredt på et dekkglass og avbildes med et optisk mikroskop for å kontrollere samlede anordning før innsetting av dem (en dekkglass med mikropartikler spredte) mellom PZT og PZT holderen. Siden overflaten adhesjon er sterk nok til å holde de enkelte mikropartikler på substratet, blir adherert partiklene godt festet med mindre betydelig ytre kraft påføres. - Piezoelektriske launcher montering
- Oppnå alle komponentene i den piezoelektriske utskytnings: den flatbunnet plate, isolerende film, PZT, glass dekkglass, en kobberring, PZT holderen, to M6 skruer, og prøven kabinett.
- Påfør en tynn film (eller tape) på bunnplaten for å isolere PZT. Glasset dekk isolerer toppen av stabelen.
- Monter stabelen ved sentrering av PZT på toppen av den flate platen nå er isolert med tape, etterfulgt av dekkglass, kobber ringen, og den PZT holderen. Skru stabelen sammen opprettholde sentrering av PZT for å unngå å kortslutte PZT til holderen dersom holderen gjennomfører som vist på figur 2c og 2d. Den kobber ring gir et jevnt fordelt mekanisk forspenning på stakken for plast PZT holdere.
- Til slutt, lim prøven kabinett på stakken og montere montering på en XYZ translasjonell stadium i mikroskop.
- Konfigurasjon av PZT rakett
MERK: Kjøring PZT med en høy spenning signal har potensielle elektriske farer. Ta kontakt med sikkerhetspersonell før eksperimentet. Alle elektriske tilkoblinger skal sikres før forsøket. Slå av forsterkeren og koble PZT fører når det er mulig.- Koble PZT fører til spenningsforsterker og koble funksjonsgeneratoren til en inngangsport til spenningsforsterkeren.
- Slå på funksjonsgenerator og konfigurere den til å generere kontinuerlig firkantbølger med en spenning på 1 V. Ikke generere spenning signal til alle tilkoblinger er bekreftet og sikret.
- Slå på spenningsforsterker og generere firkantbølge av utgangsspenning 1 V ved å aktivere utgang.
- Koble overvåkningsutgangsporten (utgangsspenning 200 V) av forsterkeren til et oscilloskop. Konfigurer forsterkeren å ha gevinst på 200 V / V ved å vrifå knotten på frontpanelet. Kontroller at overvåkingsutgangsspenningen har en amplitude av en V som målt ved hjelp av oscilloskopet.
- Når funksjonsgeneratoren og forsterkeren er utformet, finner den resonansfrekvensen til PZT utskytnings ved å skanne modulasjonsfrekvensen til drivsignalet, mens de sanntids video mikroskop bilder holdt partikler. Gjenta skanning til mikropartikkelen bevegelse er et maksimum. Bruk denne frekvensen (64 kHz her) for å frigjøre partikler.
MERK: modulasjonsfrekvens endres manuelt (skannet) fra null til 150 kHz for å finne det resonansfrekvensen. - Konfigurer funksjonen generator for å generere en firkantbølge med et bestemt antall sykluser i seriemodus. Trykk på "Burst" -knappen på frontpanelet og velg "N Cycle Burst".
- Velg sprengning tellingen ved å trykke "# Cycles" soft-tasten og satt telle til 10 eller 20.
- Konfigurer torget bølgeform å generere spenningssignaler meden amplitude på 600 V (tre ganger den spenning som brukes for kontinuerlig magnetisering) ved resonansfrekvensen på 64 kHz som er funnet fra det forrige trinnet. Kontroller at pulserende signal utgivelser målet partikkel i en repeterbar måte ved å sikre partikler beveger seg etter hver puls.
- Selektiv optisk felle lasting
MERK: PZT launcher forsamlingen er installert på en manuell lineær oversettelse xy scenen. Partiklene kan oversettes i forhold til den faste bjelke fokus ved å bevege det translasjonelle trinnet.- Fjern laserlinjen filter for å identifisere fokus for fangst trålen ved å dreie mikroskop turret (figur 3a). Flytt motorisert fokus blokken frem og tilbake vertikalt rundt beste fokus på synlig bilde for å optimalisere fokus.
- Når fokusposisjonen er bekreftet, sette filteret tilbake for å gi en klar video i sanntid uten innblanding fra fangst strålen.
- Oversett prøven til psnøre en valgt partikkel ved fokusposisjonen av fangst laser. Fokus på partikkelen til bildet i sentrum av en valgt partikkel, noe som plasserer den nominelle overlapping stilling under partikkelen sentrum av omtrent en halv radius og samtidig la levitasjon posisjon over partikkelen.
- Justere strømforsyningen er koblet til det elektro-optisk modulator (EOM) sjåføren til å sette den optiske overlapping strøm. Den optimale effekt er avhengig av partikkelstørrelse og materiale. Den optiske effekt ble funnet gjennom gjentatte forsøk for å bestemme den kraft tilstrekkelig til å sveve partikkelen uten å mate den ut fra bjelken. Her bruker en optisk effekt på 140 mW ved baksiden fokalplan for objektiv å fange de 20 um diameter polystyren (PS) partikler.
- Etter at sentrum av den valgte partikkel er på linje, påvirke den piezoelektriske bærerakett med flere pulser. Endringen av partikkelbildet fra et statisk fokusert bilde til et bevegelig uskarpt bilde indikerer vellykket lasting til lev-utfelling posisjon.
- Sette levi partikkel vertikalt om en millimeter over underlaget ved å bevege objektiv opp for å hindre mulige overflate interaksjoner. Deretter redusere den optiske effekt for å gå over den levipartikkel (figur 3b) til den nominelle overlapping stilling (figur 3c), som er mer stabil.
MERK: optisk effekt klem laser kan moduleres ved hjelp av en elektro-optisk modulator (EOM). Den EOM regulerer utgangseffekten med en forspenning tilføres gjennom en digital strømforsyning. Man kan observere overgangen fra den levitasjon til fangstilling gjennom CCD mens langsomt reduserer den optiske effekt. - Til stillingen målingen, som vist i figur 3c til 3d, forsiktig beveger midten av PZT holderen til den optiske akse, og deretter bevege objektivlinsen opp (loddrett) for å oversette partikkelen inn i midten av prøven kapsling (9 mm over substrspiste) hvor frynse elektriske felt blir minimalisert.
- Etter å ha utført måling som beskrevet nedenfor, å plassere partikkel på substratet ved å bevege objektivet ned inntil partikkel berører underlaget. Siden de fleste av partiklene er påført nær hjørnene, kan den fangede partikler lett gjenkjennes og re-fanget når den er plassert i det sentrale området. Dette gjør at reversibel felle lasting for å måle endringer som skjer utover en enkelt fangst hendelse som kontakt interaksjoner av partikkelen og underlaget.
3. Data Acquisition
- Juster kondensatoren og fokuseringslinsen for å maksimere QPD "sum" signal med en partikkel i fellen.
- Juster fokuseringslinsen til nominelt null X-og Y-kanaler av QPD, som vist i figur 4c.
- Gjenta justeringen av kondensatoren og fokuseringslinsen før Fourier-transformerte posisjonssignaler (eller effektspektrum tetthet (PSD) plott) av X og Y kanaler innkopierer vise balansert følsomhet. Riktig justert QPD signaler (X og Y) viser nesten identisk oppførsel, som vist i figur 4b.
- Når QPD justering er bekreftet, koble spenningsforsterker til de to ITO plater. Koble spenningsovervåkningsutgangssignalet fra forsterkeren til DAQ system for å registrere trinnet eksiteringssignal, og den induserte partikkel bane synkront.
- Leverer en kontinuerlig firkantbølge på 400 V for å generere et elektrisk felt (figur 4d) som beveger partikkelen på tvers av den optiske aksen ved ca. 500 nm (figur 4e). Mål trinn responsen til det innfangede partikkelen ved hjelp av QPD.
- Gjennomsnittlig flere perioder som er nødvendig for å redusere virkningene av Brownske bevegelser. Den induserte bevegelse kan benyttes til å måle den optiske styrke over et bredere spekter av bevegelse enn den for termiske svingninger. 12,ef "> 17 Figur 4d og 4e viser gjennomsnitt signaler om påtrykt spenning og den induserte partikkelbanen over 50 gjentakelser av trinn eksitasjon.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Den PZT launcher er utformet ved hjelp av et CAD-programvarepakken. Her bruker vi en enkel sandwich-struktur for forspenningen (en PZT fastspent med to plater), som vist på figur 2. PZT holderen og prøven kabinettet kan fremstilles fra en rekke forskjellige materialer og metoder. For en rask demonstrasjon, vi velger 3D-utskrift med termo figur 2d. Basert på fabrikkerte komponentene, optisk felle lasting er vist på figur 3. For selektiv lasting, er det reflekterte overlapping laseren blokkert i løpet av eksperimentet ved et filter som er installert på et mikroskop turret å beskytte CCD-kameraet, mens det synlige lyset passerer filteret for avbildning i refleksjon som illustrert i Figur 1. En kalibrert CCD-kamera letter også kvantitativ måling ved å tillate måling av partikkeldiameter og ytterligere posisjon deteksjon. Diameteren av et målpartikkel kan brukes til å beregne massen som gir felle stivhet fra den naturlige frekvens, som diskutert nedenfor. De baner som måles ved hjelp av CCD-kameraet brukes også til å kalibrere QPD spenningssignalet for å måle forskyvningen. 12
Når partikkelen er fanget, tillater lys spredning fra en rød laser fanget partikkel som skal gjenkjennes med det blotte øye, slik det er vist i figur 1 (innfelt fotografi). Dessuten kan sanntids bilder til substratet avgjøre om partikkelen er blitt fanget, siden det er i en annen høyde (fokus) fra de andre mikropartiklene til underlaget (figur 3). Mikropartiklene kan bli fanget i to stillinger: en fangstposisjon og en levitasjon posisjon. I fangstposisjon, optiske krefter stabilisere partikkel i alle retninger. I motsetning til dette, i den levitasjon stilling partikkelen er stabilisert bare tverely av optiske krefter. I den vertikale den oppadrettede kraft fra strålingstrykk blir balansert ved hjelp av tyngdekraft. Med vår ileggingsmetode blir valgt partikkel generelt levert til en levitasjon posisjon. Ved levitasjon stilling, den vertikale plasseringen av det suspenderte partikkel er mye mer følsom for variasjoner i den optiske effekt enn ved overlapping posisjon nær fokus. 18 Man kan bevege seg vertikalt partikkelen repeterbart mellom disse to stabile posisjoner ved å variere den optiske effekt. Den levitasjon posisjon har også høyere følsomhet for ytre krefter enn den nominelle fangst posisjon fordi den fellen stivhet blir mykere som lyset forplanter seg bort fra fokus. Derfor kan levitasjon posisjon også brukes til mer følsomme målinger når forskyvning støy ikke er dominert av Brownske bevegelser. Når stillingen støyen er termisk begrenset som det er her, redusere stivhet øker både følsomhet og støy, slik at det er ingen gevinst feller presisjon måling.
Bevegelsen av det innfangede partikkel overvåkes av en QPD og registreres av en DAQ bord. Den QPD signal tas opp i tidsdomenet (figur 4c) og Fourier transformert (Figur 4a og 4b). Den generelle justering kan enkelt kontrolleres ved å sammenligne effektspektra av to radiale kanaler (X og Y). Hvis de ikke er overlagret (figur 4a), har den optiske innretting som skal korrigeres til overlagring finner sted (som vist på figur 4b).
Partikkel bane viser både Brownske bevegelser og ballistisk som vist i figur 4. Tid og frekvens-domene analyser kan anvendes for å tolke disse målingene. Vi har innført to tilnærminger for å tvinge måle som tillater mer fullstendig forståelse av den optiske fellen ved å sammenligne Brownske bevegelsertil den ballistiske bevegelsen som induseres av en elektrostatisk kraft. Partikkel banen for Brownske bevegelser under ikke noe elektrostatisk felt omdannes til den spektrale effekttetthet som deretter kan analyseres ved en ikke-lineær minste kvadraters passer oppløsning av full Langevin ligningen. 19 Denne analysen av PSD gir resonansfrekvens og dempning i nærheten av fellen sentrum. Resonansfrekvensen blir omdannet til fellen stivhet ved hjelp av kjent masse i formelen 
. Den målte forskyvning gir deretter den optiske kraft ved hjelp av formelen for en fjær F = -kx.
Den ballistiske bevegelse indusert ved en trinnvis endring i det elektrostatiske felt kan også gi resonansfrekvensen av fellen og demping av mediet. 12 Som vi fjerne det elektrostatiske felt fra fanget partikkel, vil partikkelen bli sluppet til return til feltfrie tappe position.as vist i figur 4d og 4e. Den forskyvning som funksjon av tiden kan være egnet til den generelle løsning av en dempet harmonisk oscillator for å gi resonansfrekvensen, demping, og steady-state forskyvning. Begge disse metodene forutsetter at partikkelen i fellen fungerer som en lineær fjær. Disse målingene kan utvides til generelle (ikke-lineære) krefter ved bruk av parametriske kraft-metoden. 12 Detaljene i PSD analyse og parametrisk kraft analyse ikke er i fokus i denne protokollen, men de kan finnes i litteraturen. 12, 19
Figur 1: Skjematisk av den eksperimentelle oppsett brukes for Selective Optical Trap Lasting i Air. En enkelt-bjelke gradient kraft optisk trap er utviklet på en invertert optisk mikroskop. Forkortelser brukt i skjematisk er listet nedenfor: EOM, elektro-optisk modulator; HAL, halogen-lys; MFS, motorisert fokus scenen; NIR-LWD objektiv, infrarød korrigert lang arbeidsavstand objektiv; TS, oversettelsestrinnet (x-y); PZT, piezoelektrisk svinger; ESM, elektrostatiske feltet modulator; ND, nøytral tetthet filter; QPD, kvadrant-celle fotodetektor; DM, dielektriske speil; ITO, indium tinnoksid belagt Dekk; CCD, Charge Coupled Device kamera; HeNe, helium neon laser (633 nm); Nd: YVO 4, 1064 nm laser for fangst. 12 Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: Fabrikasjon av Piezoelektriske Launcher Assembly. (A) gjengitte bilder av en PZT holderen med CAD-programvare pakken i en "-.SLDPRT" format og (b) "-.STL" format for 3D-utskrift. (C) En gjengitte bildet av den endelige monteringen av den piezoelektriske rakett: sample kabinett (med ITO belagt Dekk), PZT holder, ring spacer, ring-type PZT, aluminiumsplate, Dekk. (D) Bilde av sluttmontering. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: Step by Step demonstrasjon av Selektiv Optisk Trap Lasting av en 20 mikrometer PS Partikkel. (A) å finne fokus for fangst strålen, (b) levitating partikkel ovenfor fokus (Den delenicle bilde er en svak sløring, fordi levitasjon stilling er godt over den nominelle mikroskop fokus), (c) overfører i fellestilling (nominelt i fokus), og deretter (d) å bevege det innfangede partikler til det sentrale området for datainnsamling. Partikkel fanges opp på et fast sted av bjelken fokus, mens prøven trinnet blir beveget som indikert med en gul pil i figur 3d (Skala bar = 100 pm). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4: QPD Captured Partikkel Trajectories Både i frekvens og tidsplan. (A) En dårlig justert eksperimentelle oppsettet viser lavfrekvente støy og støytopper ved bestemte frekvenser, mens (b) godt matchet PSD av x- og y-aksen viser riktig optisk justering. (C) En QPD registrerer Brownske bevegelser av det innfangede partikler i tidsdomenet. (E) Et avgjørende skritt i anvendt elektrisk felt over fanget partikkel er synkront registrert med indusert (d) ballistisk bevegelse gjennom datainnsamling (DAQ) system. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Den piezoelektriske launcher er designet for å optimalisere den dynamiske ytelsen til en valgt PZT. Riktig valg av PZT materialer og forvaltning av ultrasoniske vibrasjoner er de viktigste trinnene for å gi et vellykket eksperiment. PZTs har ulike egenskaper avhengig av type svinger (bulk eller stablet) og komponent materialer (harde eller myke). En massetypen PZT laget av et hardt piezoelektrisk materiale er valgt av følgende grunner. Først harde piezoelektriske materialer har lavere dielektriske tap og høyere mekanisk kvalitet faktor enn myke materialer. For det andre, representerer massetypen PZT en lavere elektrisk belastning, og er lettere å kjøre ved høye frekvenser enn en stablet typen transduser. Under dynamisk drift, kan høy amplitude svingning forårsaker strekkrefter på en ubelastet PZT-keramiske som fører til mekanisk svikt. En mekanisk forbelastning struktur blir brukt til å tilveiebringe en konstant belastning for å redusere dødgang og forbedre dynamiske ytelse av PZT. En oppfyltallic ring spacer er satt inn mellom PZT holderen og ringtypen PZT. Dette metallic ring spacer konsentrerer ultralyd makt og fordeler den jevnt rundt ringen (Kommuner (ujevn) stress kan lett brekke dekkglass.). Med en godt designet PZT launcher, riktig justering av partikkel til fangst bjelken i både aksiale og radiale retninger bestemmer effektiviteten av fellen lasting. Hvis partikkelen ikke er vellykket levitert etter pulsering, gjentar substratet innretting og flytte fokus litt under partikkelen for å finne den optiske lasteposisjonen. For den nær-infrarøde korrigert objektiv, er fokus for fangst bjelke satt til å være noen få mikrometer under prøven flyet som er fokusert på CCD. Den optimale overlapping strømmen som er nødvendig for å fange opp mikropartikler varierer som størrelsen på målet mikropartikkel endringer. 13 Den optimale overlappingseffekt kan bli funnet empirisk gjennom prøving og feiling. Kraften som kreves her (140 mW) erforholdsvis høy på grunn av den lave NA og lang arbeidsavstand benyttes.
Her demonstrerte vi reversibel felle lasting av en 20 mikrometer PS partikkel. Imidlertid kan vår tilnærming utvides til mindre partikler. For mindre mikropartikler, kan vår nåværende PZT launcher ikke i stand til å gi nok ultralyd kraft for å løsne partiklene. har blitt vist bruk av en hurtigere PZT drivkrets for å frigjøre mindre partikler. 20 I tillegg kan en lav adhesjon overflate være en alternativ tilnærming. 21 Reduksjon av adhesjonen mellom mikropartikler og underlaget vil redusere den minimale ultrasonisk kraft som er nødvendig for å løsne partikler således vår nåværende PZT utskytnings kan også brukes til å koble mindre partikler.
De fleste konvensjonelle lastende teknikker er tilfeldige prosesser hvor mange aerosoldråpene med faste inneslutninger er kontinuerlig generert til en av dem er fanget ved en tilfeldighet i nærheten av fellen CENter. Derfor er denne konvensjonell teknikk kan ikke være hensiktsmessig for fangst prøver med en begrenset mengde eller opprettholde uniform sampling. I protokollen, viser vi reversible optisk felle lasting som omfatter gjentatte sykluser av fellen lasting og landing. Dette muliggjør unike eksperimenter, for eksempel studier av ladningsakkumuleringstid på partikkelen. 22 Belastningen på den innfangede partikler kan måles ved å montere den transiente respons (figur 4d) til den ideelle løsning av harmonisk oscillator i en ikke-lineær minste kvadraters måte. Den induserte forskyvning multiplisert med felle stivheten gir den elektrostatiske kraft som tillater beregning av ladning fra den kjente elektriske feltstyrke (gitt av den påtrykte spenningen dividert med avstanden mellom de to parallelle ITO-belagte plater). 12 Denne enkle ladning målingen kan utvides for å studere partikkel-overflate interaksjon når den kombineres med den reversible felle laste tekque demonstrert her. 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).
