Introduction
Ashkins berichtet die Beschleunigung und das Einfangen von Mikroteilchen durch Strahlungsdruck im Jahr 1970 1 Sein Roman Erfolg förderte die Entwicklung von optischen Trapping Techniken als primäres Werkzeug für die Grundlagenforschung der Physik und Biophysik. 2, 3, 4, 5 Bisher wurde die Anwendung von optischen Einfangen konzentrierte sich hauptsächlich auf flüssigen Umgebungen, und einen sehr weiten Bereich von Systemen zu untersuchen, von dem Verhalten von Kolloiden zu den mechanischen Eigenschaften von einzelnen Biomolekülen verwendet. 6, 7, 8 Anwendung von optischen Fallen zu gasförmigen Medien, erfordert jedoch einige neue technische Probleme zu lösen.
Vor kurzem optische Fallen in Luft / Vakuum zunehmend wurde in der Grundlagenforschung eingesetzt. Da optische levitation bietet potenziell nahezu vollständige Isolierung eines Systems aus der Umgebung, die optisch levitierten Partikel für das Studium der Quantengrundzustände in kleinen Objekten, 4 Messung Hochfrequenz Gravitationswellen, 9 und der Suche nach fraktionierte Ladung ein ideales Labor wird. Außerdem 10 ermöglicht die niedrige Viskosität von Luft / Vakuum eine Trägheit zu verwenden , um die momentane Geschwindigkeit eines Brownsche Teilchen 11 zu messen und zu ballistischen Bewegung über einen weiten Bereich von Bewegung über die linearen federartigen Regelung zu schaffen. 12 Daher detaillierte technische Informationen und Verfahren für optische Fallen in gasförmigen Medien haben wertvoller für den breiteren Forschungsgemeinschaft geworden.
Neue experimentelle Techniken sind erforderlich, Nano- / Mikropartikel in optischen Fallen in gasförmigen Medien zu laden. Ein piezoelektrischer Wandler (PZT), eine Einrichtung, die Strom umwandeltic Energie in mechanisch-akustischen Energie, verwendet worden , um kleine Partikel in optischen Fallen in Luft / Vakuum - 5, 12 , da die erste Demonstration der optischen Schwebe zu liefern. 1 Seitdem haben mehrere Ladetechniken vorgeschlagen worden , kleinere Teilchen unter Verwendung von flüchtigen Aerosolen durch einen kommerziellen Vernebler 13 oder einen akustischen Wellengenerator erzeugt zu laden. 14 Die schwimmenden Aerosole mit festen Einschlüsse (Partikel) zufällig in der Nähe des Fokus passieren und durch Zufall gefangen. Nachdem das Aerosol eingefangen wird, verdampft das Lösungsmittel und das Teilchen verbleibt in der optischen Falle. Jedoch sind diese Verfahren nicht gut geeignet, um die gewünschten Partikel aus einer Probe zu identifizieren, um eine ausgewählte Partikel laden und seine Veränderungen zu verfolgen, wenn von der Falle freigegeben. Dieses Protokoll soll Details neue Praktizierende auf selektiven optischen Falle Laden in Luft zu versorgen, einschließlich des Experimentesal-Setup, die Herstellung einer PZT Halter und Probengehäuse, Trap-Laden, und die Datenerfassung mit der Analyse der Partikelbewegung zugeordnet ist sowohl in der Frequenz- und Zeitbereich. Protokolle für die in flüssigen Medien Trapping wurden ebenfalls veröffentlicht. 15, 16
Die gesamte Versuchsaufbau ist auf einem kommerziellen invertierten optischen Mikroskop entwickelt. Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung der Einrichtung verwendeten Schritte der selektiven optischen Falle Laden zu demonstrieren: Die Ruhe Mikroteilchen befreien, die gewählte Teilchen mit dem fokussierten Strahl Anheben Messen seiner Bewegung, und sie auf dem Substrat wieder setzt. Zuerst Translationsstufen (quer und vertikal) werden verwendet, um eine ausgewählte Mikropartikel auf dem Substrat zu dem Fokus eines Trapping-Laser (Wellenlänge 1064 nm) durch eine Objektivlinse (near-infrared korrigiert Langarbeitsabstand Ziel fokussiert zu bringen: NA 0,4 ist, Vergrößerung 20X, Arbeits distance 20 mm) durch das transparente Substrat. Dann wird eine piezoelektrische Werfer (ein mechanisch vorgeladene Ring-PZT) erzeugt Ultraschallvibrationen, die Haftung zwischen Mikroteilchen und einem Substrat zu brechen. Somit kann jeder befreite Partikel vom Einzelstrahl Gradient Laser trap auf dem ausgewählten Partikel konzentriert angehoben werden. Sobald das Teilchen eingefangen ist, wird es in der Mitte des Proben Gehäuse zur elektrostatischen Anregung mit zwei Platten parallel leitende übersetzt. Schließlich zeichnet eine Datenerfassung (DAQ) System gleichzeitig die Partikelbewegung, erfasst durch einen Quadranten-Photodetektor Zelle (QPD) und dem angelegten elektrischen Feld. Nach Beendigung der Messung wird die Partikel steuerbar auf das Substrat gelegt, so daß es wieder in einer reversiblen Art und Weise eingefangen werden kann. Dieser Gesamtprozess kann mehrere hundert Mal ohne Partikelverlust wiederholt werden, um Änderungen zu messen, wie Kontaktelektrisierung mehrere Fang Zyklen auftreten über. Bitte beachten Sie unsere aktuellen Artikel foder Details. 12
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Protocol
Achtung: Bitte lesen Sie alle relevanten Sicherheitsprogramme vor dem Experiment. Alle experimentellen Verfahren in diesem Protokoll beschrieben werden, in Übereinstimmung mit dem NIST LASER Sicherheitsprogramm sowie andere einschlägigen Bestimmungen durchgeführt. Bitte achten Sie darauf, die richtige persönliche Schutzausrüstung (PSA), wie Laserschutzbrille für die spezifische Wellenlänge und Leistung ausgelegt zu wählen und zu tragen. trocken Nano- / Mikropartikel Handhabung können zusätzliche Atemschutz erforderlich.
1. Design und Herstellung einer PZT-Halter und eine Probe-Gehäuse
- Entwerfen Sie eine PZT - Halter und eine Probe - Gehäuse
HINWEIS: Besondere Bemessungswerte in Abhängigkeit von der Auswahl eines PZT variieren.- Öffnen Sie den Computer-Aided Design (CAD) Software-Paket. Zeichnen eines zweidimensionalen (2D) Skizze eines Halters für eine gegebene PZT Dimension. Entwickeln Sie die 2D-Skizze auf volumetrischen Eigenschaften Kombinationen von Extrude / Extrude-Schnitt verwenden.
- Klicken Sie auf Skizze,zeichnen Sie ein Rechteck und extrudieren sie einen rechteckigen Kubus zu machen.
- Skizzieren Sie eine Platte auf der Oberseite des Würfels eine kreisförmig vertieften Merkmal definieren abzudecken und halten Sie den Ring-PZT.
- Definieren Sie ein zentrales Loch einen optischen Zugang sowohl für Echtzeit-Bildgebung und Trapping zu haben.
- Definieren Sie eine Rundführung entlang des Randes des zentralen Loch mit einem flachen metallischen (Kupfer) Ring einzulegen , um die Ultraschallenergie in Richtung der Mitte Bereich zu konzentrieren , wie in Abbildung 2 a gezeigt.
- Erstellen Sie zwei Bohrungen für Schrauben M6 auf der PZT - Halter mit einer Bodenplatte montiert werden (gekauft, 4 mm dicken Boden Aluminiumplatte mit einem Loch in der Mitte), wie in Abbildung 2c und 2d gezeigt.
- In ähnlicher Weise, die Gestaltung eines rechteckigen Rahmens des Proben Gehäuse. Klicken Sie auf Skizze, und zeichnen Sie ein Rechteck, extrudieren das Rechteck es ein rechteckiger Kasten zu machen.
- Zeichnen Sie ein kleineres Rechteck auf der Oberseite des rectangular Box und extrudieren-schneiden Sie das Rechteck, um es als Rechteckrohr zu machen.
- Zeichne ein kleineres Rechteck auf der Seitenwand des Rohres und Extrude-cut es in den Rahmen der Probengehäusekasten zu verwandeln.
- Konvertieren Sie diese dreidimensionalen (3D) Modelle in eine Stereolithografie (STL) Dateiformat für einen 3D - Druckverfahren (Abbildung 2b).
- 3D - Druck der entworfenen Objekte
- Öffnen Sie die Design-Datei ( "-.STL") aus dem 3D-Drucker Betriebssoftware. Legen Sie das Objekt flach 0 / .und Zentrum das Objekt auf (0, 0, 0) durch Klicken auf das Objekt, um es auszuwählen und die Ausrichtungsfunktionen: "Move", "On Platform" und "Center". Richten Sie den PZT Halter die feinen Gesichtszüge nach oben zu stellen. Die vertiefte Fläche wird nach oben gerichtet werden.
- Gehen Sie im Menü auf "Einstellungen" und die Registerkarte "Qualität". Stellen Sie die Druckwerte, wie folgend, Füllung: 100%, Schalenanzahl: 2 und Layer-Höhe: 0.2mm.
- Vorschau der Objekte die Gesamtdruckzeit zu überprüfen und sicherzustellen, dass die geschichteten Objekte wie gewünscht gedruckt wird. Exportieren Sie die 3D-Druckdatei in einem ".x3g" Format und speichern Sie sie im 3D-Drucker zu verwenden.
- Schalten Sie den 3D - Drucker und warm laufen lassen , bis die Temperatur der Extrudierdüse erreicht eine Betriebstemperatur, 230 ° C Legen Sie das Design - Datei von einer Speicherkarte oder einem Netzlaufwerk.
- Während der Aufwärm, legen Sie die Bauplattform mit blauen Malerband Objekte sicher halten zu helfen. Als thermoplastisches Material für den Druckauftrag, verwenden, um eine Polymilchsäure (PLA) Filament für beide Objekte.
- Drucken Sie die Designobjekte. Sobald der Druckauftrag abgeschlossen ist, schalten Sie den Drucker, nachdem er abgekühlt ist.
- Nehmen Sie das gedruckte Objekt von der Plattform einen Meißel. Richten Sie die Druckobjekte auf. Wenn die Ausrichtung geeignet gewählt wird, kann die PZT Halter direkt ohne weitere Nachbearbeitung verwendet werden.
- for das Probengehäuse, bereiten ein Paar aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) beschichtete Deckgläser und drei Glasplättchen um den Rahmen zu decken. Verwenden Sie einen Diamantschneider das Deckglas auf das Gehäuse zu passen.
- Verbinden Sie die zwei parallelen Leiterplatten eine schnelle Trocknung Silberfarbe mit Spannung über zwei Platten zu versorgen. Kleben Sie diese fünf Fenster auf die Probe Gehäuse mit einem Sekundenkleber Klebstoff.
HINWEIS: Die ein Paar ITO beschichtete Deckgläser werden auf dem Probengehäuse parallel installiert (einander zugewandt) gleichmäßiges elektrisches Feld zu schaffen und ballistische Bewegung des natürlich geladenen Teilchen entlang des elektrischen Feldes zu erzeugen. Die drei herkömmliche Deck den Rest der Probengehäuseflächen (oben und zwei andere Seiten) decken die eingeschlossene Partikel aus dem externen Luftstrom zu schützen
2. Optische Trap-Laden eines ausgewählten Mikroteilchen
- Probenvorbereitung
- Lagern Sie die Mikropartikel in einevakuierten Exsikkator Kontakt mit Feuchtigkeit in der Luft vor dem Experiment zu verringern.
- Gießen Sie einen kleinen Teil der Mikropartikel auf einen Glasträger und sofort die Flaschenherstellung setzen im Exsikkator.
- Pick-up einige der Mikropartikel mit einer Glaskapillare. Streuen die Teilchen über das Substrat durch sanft auf die Kapillare klopfen, während die Kapillare über das Deckglas zu halten.
- Überprüfen, um die Menge und Verteilung der abgelagerten Partikel auf dem Substrat ein Dunkelfeldmikroskop.
Hinweis: In der Probenvorbereitungsschritt wird das Teilchen nur auf einem Deckglas gestreut und mit einem optischen Mikroskop abgebildet Gesamtanordnung zu überprüfen, bevor sie (a Deck mit verstreuten Mikroteilchen) zwischen dem PZT und PZT Halter einlegen. Da die Oberflächenhaftung stark genug ist, einzelne Mikropartikel auf dem Substrat zu halten, werden die anhaftenden Partikel fest fixiert, es sei denn erhebliche externe Kraft ausgeübt wird. - Piezo - Launcher Montage
- Erhalten Sie alle Komponenten des piezoelektrischen Launcher: die flache Bodenplatte, isolierenden Film, der PZT, das Deckglas, einen Kupferring, der PZT-Halter, zwei M6-Schrauben, und die Probe-Gehäuse.
- Tragen Sie eine dünne Folie (oder Band) auf der Bodenplatte des PZT zu isolieren. Das Deckglas isoliert die Oberseite des Stapels.
- Montieren Sie den Stapel durch die PZT auf der flachen Platte Zentrierung jetzt mit Klebeband isoliert, durch das Deckglas gefolgt, der Kupferring, und der PZT-Halter. Schrauben Sie die zusammen Stapel die Zentrierung des PZT aufrechterhalten zu vermeiden , dass die PZT mit dem Halter einen Kurzschluss , wenn der Halter wie in Abbildung 2c und 2d leitend ist . Der Kupferring bietet eine gleichmäßig verteilte mechanische Vorspannung auf dem Stapel für Kunststoff PZT Inhaber.
- Schließlich kleben Sie die Probe-Gehäuse auf den Stapel und montieren Sie die Montage auf einem XYZ-Translationsstufe im Mikroskop.
- Die Konfiguration des PZT - Launcher
HINWEIS: Fahren des PZT mit einem Hochspannungssignal hat das Potenzial, elektrische Gefahren. Bitte wenden Sie sich an das Sicherheitspersonal vor dem Experiment. Alle elektrischen Anschlüsse sollten vor dem Experiment sichergestellt werden. Schalten Sie den Verstärker aus und ziehen PZT führt, wann immer möglich.- Verbinden der PZT führt zu dem Spannungsverstärker und eine Verbindung des Funktionsgenerators mit einem Eingangsanschluß des Spannungsverstärkers.
- Schalten Sie den Funktionsgenerator und konfigurieren kontinuierlichen Rechteckwellen mit einer Ausgangsspannung von 1 V zu erzeugen, nicht das Spannungssignal zu erzeugen, bis alle Verbindungen überprüft und gesichert.
- Schalten Sie den Spannungsverstärker und erzeugen die Rechteckwelle der Ausgangsspannung 1 V durch den Ausgang zu ermöglichen.
- Verbinden der Überwachungsausgangsanschluß (Ausgangsspannung 200 V) des Verstärkers auf einem Oszilloskop. Konfigurieren Sie den Verstärker zu haben Gewinn von 200 V / V, die durch die Drehgewinnen Knopf auf der Vorderseite. Überprüfen, ob der Überwachungsausgangsspannung mit einer Amplitude von 1 V hat, wie durch das Oszilloskop gemessen.
- Sobald der Funktionsgenerator und der Verstärker konfiguriert sind, durch Abtasten der Modulationsfrequenz des Ansteuerungssignals mit der Resonanzfrequenz des PZT Abschuß finden, während die Echtzeit-Partikel Videomikroskopbilder haftete. Wiederholen der Abtastung, bis die Mikroteilchen Bewegung maximal ist. Verwenden Sie diese Frequenz (64 kHz hier) Teilchen zu lösen.
HINWEIS: Die Modulationsfrequenz wird manuell geändert (gescannt) von Null auf 150 kHz, die Resonanzfrequenz zu finden. - Konfigurieren der Funktionsgenerator eine Rechteckwelle mit einer bestimmten Anzahl von Zyklen im Burst-Modus zu erzeugen. Drücken Sie die "Burst" Taste auf der Frontplatte und wählen Sie "N Cycle-Burst".
- Wählen Sie die Burst-Anzahl von "# Cycles" Soft-Taste und stellen Sie die Anzahl auf 10 oder 20.
- Konfigurieren Sie die Rechteck-Wellenform zu erzeugen Spannungssignale miteine Amplitude von 600 V (das Dreifache der Spannung für Dauererregung verwendet wird) bei der Resonanzfrequenz von 64 kHz, die aus dem vorhergehenden Schritt gefunden wurde. Stellen Sie sicher, dass das pulsierende Signal, das die Zielpartikel in einer wiederholbaren Weise freigibt, indem sichergestellt Partikel nach jedem Impuls zu bewegen.
- Selektive optische Falle Laden
HINWEIS: Die Montage PZT-Launcher auf einer manuellen linearen Übersetzung xy-Ebene installiert ist. Die Teilchen können durch an der feststehenden Strahlfokus relativ übersetzt werden, um die Translationsstufe bewegt.- Entfernen Sie die Laserlinienfilter , den Fokus der Fangstrahl durch Drehen des Mikroskoprevolvers (Abbildung 3a) zu identifizieren. Bewegen Sie den motorisierten Fokussierblock hin und her vertikal um den besten Fokus des sichtbaren Bildes Fokus zu optimieren.
- Sobald der Fokusposition überprüft wird, setzen Sie den Filter wieder eine klare Echtzeit-Video ohne Störung durch den Fangstrahl zu geben.
- Übersetzen Sie die Probe auf peines ausgewählten Partikels an der Fokusposition des Fanglaser Spitze. Konzentrieren sich auf das Teilchen dem Bild den Mittelpunkt eines ausgewählten Partikels, das die Nennfangposition unterhalb der Partikelzentrum platziert um etwa einen halben Radius, während die Schwebeposition oberhalb des Partikels zu verlassen.
- Stellen Sie die Stromversorgung mit dem elektro-optischen Modulator (EOM) Fahrer die optische Trapping Leistung einzustellen. Die optimale Leistung ist abhängig von der Partikelgröße und Material. Die optische Leistung wurde durch wiederholte Versuche gefunden, ausreichend, um die Leistung zu bestimmen, die Teilchen schweben zu lassen, ohne sie aus dem Strahl ausgeworfen wird. Hier verwenden eine optische Leistung von 140 mW auf der hinteren Brennebene des Objektivs zu stoppen die 20 & mgr; m Durchmesser Polystyrol (PS) -Partikel.
- Nachdem die Mitte der ausgewählten Partikel ausgerichtet ist, betätigen, um den piezoelektrischen Werfer mit mehreren Impulsen. Die Änderung des Partikelbildes von einem statischen fokussiertes Bild auf eine sich bewegende unscharfes Bild zeigt die erfolgreiche Belastung an das levitation Position.
- Übersetzen der Schwebe gehaltenen Teilchen vertikal um einen Millimeter über dem Substrat durch Bewegen der Objektivlinse nach oben möglich, Oberflächen-Wechselwirkungen zu vermeiden. Dann reduzieren die optische Leistung der Schwebe gehaltenen Teilchen (3b) in die Nennfangstellung (Figur 3c) , um den Übergang , die stabiler ist.
HINWEIS: Die optische Leistung des Einfangens von Laser kann durch einen elektro-optischen Modulator (EOM) moduliert werden. Das EOM regelt die Ausgangsleistung mit einer Vorspannung durch eine digitale Stromversorgung geliefert. Man kann den Übergang von der Schwebe beobachten Position durch das CCD zu Trapping während langsam die optische Leistung reduziert. - Für die Positionsmessung, wie in Abbildung 3c bis 3d dargestellt, sorgfältig auf die Mitte des PZT - Halter zur optischen Achse bewegen und dann die Objektivlinse nach oben bewegen (vertikal) , um die Partikel in die Mitte des Proben Gehäuse (9 mm über das zu übersetzen substraß), wo das elektrische Streufeld minimiert wird.
- Nach Durchführung der Messung, wie unten beschrieben, stellen die Partikel auf dem Substrat durch das Ziel nach unten bewegt, bis das Teilchen das Substrat berührt. Da die meisten der Teilchen in der Nähe der Ecken angelegt werden, kann die eingeschlossene Partikel leicht erkannt und eingefangen Wieder werden, wenn es in dem zentralen Bereich angeordnet ist. Dies ermöglicht eine reversible trap Belastungsänderungen über einen einzigen Fangprozesses auftreten, zu messen, wie beispielsweise Kontakt Wechselwirkungen des Teilchens und Substrat.
3. Datenerfassung
- Ausrichten der Kondensator und die Fokussierlinse das QPD "SUM" -Signal mit einer Partikel in der Falle zu maximieren.
- Richten der Fokussierlinse auf nominell die X und Y - Kanäle des QPD Null, wie in 4c gezeigt.
- Wiederholen Sie die Einstellung des Kondensators und die Fokussierlinse bis die Fourier transformierte Positionssignale (oder Leistungsspektrumsdichte (PSD) Plots) der X- und Y-Kanäle überlagern ausgewogene Empfindlichkeit zu zeigen. Richtig ausgerichtet QPD Signale (X und Y) zeigen nahezu identisches Verhalten, wie in 4b gezeigt.
- Sobald die QPD Ausrichtung überprüft wird, schließen Sie den Spannungsverstärker an die beiden ITO-Platten. Schließen Sie das Spannungsüberwachungsausgangssignal des Verstärkers mit dem Messsystem synchron den Schritt Anregungssignal und die induzierte Teilchenbahn aufzuzeichnen.
- Liefern eine kontinuierliche Rechteckwelle von 400 V ein elektrisches Feld (Figur 4d) zu erzeugen , die um etwa 500 nm (Figur 4e) die Partikel quer zur optischen Achse bewegt. Messen der Sprungantwort des eingefangenen Teilchen die QPD verwenden.
- Durchschnittliche mehrere Perioden als notwendig, um die Auswirkungen der Brownsche Bewegung zu reduzieren. Die induzierte Bewegung kann die optische Kraft über einen größeren Bewegungsbereich als der thermische Fluktuationen zu messen. 12,ef "> 17 4d und 4e zeigt gemittelten Signale der angelegten Spannung und der induzierten Teilchenbahn über 50 Iterationen von Schritt Anregung.
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Representative Results
Die PZT-Launcher ist so konzipiert, eine CAD-Software-Paket. Hier verwenden wir eine einfache Sandwich - Struktur für die Vorbelastung (a PZT eingespannt mit zwei Platten), wie in Abbildung 2. Die PZT Halter und das Probengehäuse gezeigt , kann aus einer Vielzahl von Materialien und Verfahren hergestellt werden. Für eine schnelle Demonstration, wählen wir den 3D - Druck mit thermoplastischen wie in 2d dargestellt ist . Basierend auf den vorgefertigten Komponenten wird optischen Falle Laden in Abbildung 3 dargestellt. Zur selektiven Beladung wird das reflektierte Laser Trapping während des Experiments durch ein Filter installiert auf einem Mikroskop - Revolvers blockiert die CCD - Kamera , während das sichtbare Licht passiert den Filter für die Bildgebung in der Reflexion zu schützen , wie in Abbildung 1 A kalibrierten CCD - Kamera dargestellt erleichtert auch quantitative Messung durch Messung des Teilchendurchmessers und zusätzliche Positionserfassung ermöglicht. Der Durchmesser eines ZielPartikel können verwendet werden, um die Masse zu berechnen, die trap Steifigkeit der Eigenfrequenz ergibt, wie unten diskutiert. Die Trajektorien gemessen, um die CCD-Kamera auch die QPD Spannungssignal zur Messung der Verschiebung zur Kalibrierung verwendet. 12
Sobald das Teilchen eingefangen ist, helle Streuung von einem roten Laser ermöglicht die eingeschlossene Teilchen mit dem bloßen Auge erkannt zu werden, wie in Figur 1 (Einschub Bild) dargestellt. Auch kann Echtzeitbilder des Substrats bestimmen , ob das Teilchen gefangen ist , da es in einer anderen Höhe (Fokus) von den anderen Mikropartikel anhaften an dem Substrat (3) ist. Die Mikropartikel können in zwei Positionen festgehalten werden: eine Fangposition und einer Schwebeposition. In der Fangposition stabilisieren optischen Kräfte die Teilchen in alle Richtungen. Im Gegensatz dazu wird das Partikel in der Schwebeposition stabilisiert nur transversely durch optische Kräfte. In der vertikalen die Aufwärtskraft von Strahlungsdruck wird durch die Schwerkraft ausgeglichen. Mit unserer Ladeverfahren wird die ausgewählte Teilchen in eine Schwebeposition allgemein geliefert. An der Schwebeposition, die vertikale Lage des suspendierten Teilchen ist viel empfindlicher gegenüber Variationen in der optischen Leistung als an der Fangposition in der Nähe des Fokus. Eine 18 kann vertikal um die Partikel bewegen wiederholbar zwischen diesen beiden stabilen Positionen durch die optische Leistung zu variieren. Die Schwebeposition hat auch eine höhere Empfindlichkeit gegenüber äußeren Kräften als die Nenn Einfangposition weil die Falle Steifigkeit weicher als das Licht von dem Fokus entfernt ausbreitet. Daher kann der Schwebeposition auch für empfindlichere Messungen verwendet werden, wenn die Versetzung Rauschen nicht durch die Brownsche Bewegung beherrscht wird. Wenn das Positionsrauschen thermisch begrenzt, wie es hier ist, sowohl die Steifigkeit erhöht abnehmende Empfindlichkeit und Rauschen so gibt es keine Verstärkung foder Präzisionsmessung.
Die Bewegung der eingeschlossenen Teilchen wird von einem QPD und aufgenommen von einer DAQ-Karte überwacht. Das QPD Signal wird im Zeitbereich (4c) und Fourier - transformiert (4a und 4b) aufgezeichnet. Die Gesamtausrichtung zweckmßigerweise durch Vergleichen der Leistungsspektren von zwei radialen Kanälen (X und Y) überprüft werden kann. Wenn sie nicht überlagert (Abbildung 4a) werden, hat die optische Ausrichtung korrigiert werden , bis Überlagerung auftritt (wie in 4b gezeigt).
Die Teilchenbahn zeigt sowohl die Brownsche und ballistische Bewegung , wie in Abbildung 4 dargestellt. Zeit- und Frequenzbereich Analysen können diese Messungen zu interpretieren, verwendet werden. Wir haben zwei Ansätze eingeführt Messkraft, die vollständigeres Verständnis der optischen Falle erlauben durch Brownsche Bewegung Vergleichdie Ballistic Bewegung durch eine elektrostatische Kraft induziert. Die Partikelflugbahn für die Brownsche Bewegung unter keinen elektrostatischen Feld wird auf die spektrale Leistungsdichte umgewandelt, die dann durch einen nichtlinearen kleinsten Quadrate passen die Lösung der vollständigen Langevingleichung analysiert werden kann. 19 Diese Analyse der PSD liefert die Resonanzfrequenz und die Dämpfung in der Nähe der Falle entfernt. Die Resonanzfrequenz wird an die Falle Steifigkeit umgewandelt, um die bekannten Masse in der Formel 
. Die gemessene Verschiebung ergibt dann die optische Kraft , die die Formel für eine Feder F = kx verwenden.
Die ballistische Bewegung durch eine Schrittänderung in dem elektrostatischen Feld induziert können auch die Resonanzfrequenz der Falle ergeben und Dämpfung des Mediums. 12 Wie wir das elektrostatische Feld von der eingeschlossenen Partikel zu entfernen, wird das Teilchen r freigesetzt werdeneturn den feldfreien Abstich position.as in Figur 4d und 4e dargestellt. Die Verschiebung als Funktion der Zeit kann auf die allgemeine Lösung eines gedämpften harmonischen Oszillators geeignet sein, die Resonanzfrequenz, Dämpfung und Dauerzustands Verschiebung zu geben. Beide Ansätze annehmen, dass die Partikel in die Falle wirkt als Linearfeder. Diese Messungen können zur allgemeinen (nichtlinearen) Kräfte ausgedehnt werden, um die parametrischen Kraft-Verfahren. 12 Die Einzelheiten der PSD Analyse und parametrischer Kraftanalyse sind nicht im Mittelpunkt stehen in diesem Protokoll , aber sie können in der Literatur gefunden werden. 12, 19
Abbildung 1: Schema des experimentellen Aufbaus zur selektiven optischen Falle Laden in Luft verwendet. Ein Single-Beam-Gradientenfallen optischen tRap ist auf einem invertierten optischen Mikroskop entwickelt. Abkürzungen, die in der schematischen verwendet werden nachstehend aufgeführt: EOM, elektro-optischen Modulator; HAL, Halogenbeleuchtung; MFS, motorisierte Fokussierung Bühne; NIR-LWD Ziel, Infrarot korrigiert lange Arbeitsabstand Objektivlinse; TS, Übersetzung Stufe (x-y); PZT, piezoelektrischen Wandler; ESM, elektrostatische Feldmodulator; ND, Neutraldichtefilter; QPD, Quadrant-Zellen-Photodetektor; DM, dielektrische Spiegel; ITO, Indium-Zinnoxid-beschichtete Deckgläser; CCD, charge coupled device-Kamera; HeNe, Helium-Neon-Laser (633 nm); Nd: YVO 4, 1064 nm - Laser zum Einfangen. 12 Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 2: Die Herstellung des piezoelektrischen Launcher AssemBly. (A) Übertragene Bilder eines PZT Halter mit CAD - Software - Paket in einer "-.SLDPRT" Format und (b) "-.STL" Format für 3D - Druck. (C) ein gerendertes Bild der Endmontage des piezoelektrischen Launcher: Probengehäuse (mit ITO beschichtete Deckgläser), PZT Halter, Abstandsring, Ring-Typ PZT, Aluminiumplatte, Deckgläser. (D) Bild der Endmontage. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 3: Schritt für Schritt Demonstration der selektiven optischen Falle Laden einer 20 & mgr; m PS - Teilchen. (A) Anordnen der Fokus des Fangstrahls, (b) die Partikel oberhalb Fokus levitating (Der Teilicle Bild ist eine dunkle Unschärfe , da die Schwebeposition deutlich über dem nominalen Mikroskop Fokus ist), (c) in die Fangposition Übergang (nominell im Fokus) und dann (d) für die Datenerfassung , die eingeschlossenen Teilchen in den mittleren Bereich bewegt. Das Teilchen wird an einer festen Stelle des Strahlfokus gefangen, während der Probentisch mit einem gelben Pfeil in Figur 3d (Maßstabsbalken = 100 & mgr; m), wie angegeben bewegt wird. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 4: QPD Partikeltrajektorien Captured Sowohl in Frequenz- und Zeitbereich. (A) Ein schlecht ausgerichtete Versuchsaufbau zeigt niederfrequente Rauschen und Rauschspitzen bei bestimmten Frequenzen , während (b) Gut aufeinander abgestimmt PSDs der x- und y-Achse anzuzeigen korrekte optische Ausrichtung. (C) A QPD zeichnet die Brownsche Bewegung der eingeschlossenen Teilchen in der Zeitdomäne. (E) Ein Schritt Änderung der angelegten elektrischen Feldes über die eingeschlossenen Teilchen mit der induzierten (d) ballistische Bewegung durch die Datenerfassung (DAQ) System synchron aufgezeichnet. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
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Discussion
Der piezoelektrische Abschuß soll die dynamische Leistung eines ausgewählten PZT zu optimieren. Die richtige Auswahl von PZT-Materialien und das Management von Ultraschallschwingungen sind die wichtigsten Schritte, um ein erfolgreiches Experiment zu erhalten. PZTs haben unterschiedliche Eigenschaften in Abhängigkeit von der Art des Wandlers (bulk oder gestapelt) und Komponentenmaterialien (hart oder weich). Eine Masse Typ PZT aus einem harten piezoelektrischen Material wird aus den folgenden Gründen ausgewählt. Erstens haben harte piezoelektrische Materialien geringere dielektrische Verluste und höhere mechanische Qualitätsfaktor als weiche Materialien. Zweitens stellt die Masse Typ PZT eine geringere elektrische Last und ist einfacher zu fahren bei hohen Frequenzen als eine gestapelte Meßwertumformer. Unter dynamischen Betrieb kann eine hohe Schwingungsamplitude Zugkräfte auf einem unbelasteten PZT-Keramik verursachen, die in einem mechanischen Versagen führen. Eine mechanische Vorspannstruktur wird verwendet, um eine konstante Last bereitzustellen Totgang zu reduzieren und die dynamische Leistung des PZT verbessern. A erfülltallic Ringabstandshalter zwischen dem PZT Halter und dem Ring-PZT eingesetzt. Dieser Metallring Spacer konzentriert die Ultraschallleistung und verteilt sie gleichmäßig um den Ring (Jeder lokale (ungerade) Stress kann leicht das Deckglas brechen.). Mit einem gut gestalteten PZT Abschuß, die richtige Ausrichtung des Partikels an die Trapping-Strahl in beiden axialen und radialen Richtungen bestimmt die Effizienz der Beladung trap. Wenn die Teilchen nicht erfolgreich nach Pulsieren levitiert, wiederholen Sie die Substratausrichtung und bewegen den Fokus ein wenig unterhalb der Partikel die optische Ladeposition zu finden. Für die im nahen Infrarot korrigierte Objektivlinse, der Fokus des Fangstrahl wird wenige Mikrometer unterhalb der Probenebene zu sein, die auf die CCD fokussiert wird. Die optimale Fangleistung erforderlich abzufangen Mikropartikel variiert die Größe der Ziel Mikroteilchens verändert. 13 Die optimale Fangleistung kann empirisch durch Versuch und Irrtum gefunden werden. Die Leistung hier erforderlich (140 mW) istrelativ hoch aufgrund der geringen NA und lange Arbeitsabstand verwendet.
Hier haben wir gezeigt, reversible Falle Laden eines 20 & mgr; m PS-Teilchen. Allerdings kann unser Ansatz zu kleineren Teilchen erweitert werden. Für kleinere Mikropartikel, unsere aktuellen PZT-Launcher nicht in der Lage kann genug Ultraschall-Leistung zur Verfügung zu stellen, die Teilchen zu lösen. Die Verwendung eines schnelleren PZT-Treiberschaltung wurde kleinere Partikel gezeigt zu lösen. 20 Darüber hinaus ist eine schwachhaftende Oberfläche kann ein alternativer Ansatz. 21 Verringerung der Haftung zwischen Mikroteilchen und dem Substrat wird die minimale Ultraschallenergie erforderlich mildern das Partikel so in unserem aktuellen PZT Abschuß abzulösen auch kleinere Partikel abzutrennen verwendet werden können.
Die meisten herkömmlichen Ladetechniken sind statistische Verfahren, bei denen zahlreiche Aerosoltröpfchen mit festen Einschlüssen kontinuierlich erzeugt werden, bis einer von ihnen zufällig in der Nähe der Falle gefangen ist center. So ist diese herkömmliche Technik zum Einfangen von Proben mit einer begrenzten Menge oder die Wahrung einheitlicher Probenahme möglicherweise nicht geeignet. Im Protokoll zeigen wir reversible optische Falle Belastung, die wiederholten Zyklen der Trap-Laden und Landung enthält. Dies ermöglicht eine einzigartige Experimente, beispielsweise die Untersuchung der Ladungsansammlung auf der Teilchenoberfläche. 22 die Ladung auf dem eingeschlossenen Partikel kann durch Einpassen des Einschwingverhaltens (4d) an die ideale Lösung des harmonischen Oszillators in einem nichtlinearen Least - Square Weise gemessen werden. Die induzierte Verdrängung durch trap Steifigkeit multipliziert gibt die elektrostatische Kraft, die aus dem bekannten elektrischen Feldstärke (angegebenen durch die angelegte Spannung dividiert durch den Abstand zwischen den beiden parallel ITO beschichteten Platten) Berechnung der Ladung erlaubt. 12 Diese einfache Ladungsmessung kann erweitert werden , Partikel-Oberflächen - Wechselwirkung zu untersuchen , wenn sie mit der reversiblen Falle Lade techni kombiniertque demonstriert hier. 22
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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).
