Introduction
Ashkin rapporterede acceleration og indfangning af mikropartikler ved stråling pres i 1970. 1 Hans roman præstation fremmet udviklingen af optiske fældefangst teknikker som et vigtigt værktøj for grundlæggende studier af fysik og biofysik. 2, 3, 4, 5 har til dato anvendelsen af optisk indfangning hovedsageligt fokuseret på flydende miljøer, og er blevet anvendt til at undersøge en meget bred vifte af systemer, fra adfærd kolloider til de mekaniske egenskaber af enkelte biomolekyler. 6, 7, 8 Anvendelse af optisk indfangning til gasformige medier, kræver imidlertid løse en række nye tekniske spørgsmål.
For nylig, optisk indfangning i luft / vakuum stigende grad er blevet anvendt i grundforskning. Da optiske levitation potentielt giver næsten-fuldstændig isolation af et system fra det omgivende miljø, det optisk svæve partikel bliver en ideel laboratorium til at studere quantum jorden stater i små genstande, 4 måler højfrekvente gravitationsbølger, 9 og søge efter fraktioneret gebyr. 10 Endvidere er den lave viskositet af luft / vakuum tillader en at bruge inerti til at måle den øjeblikkelige hastighed af en Brownsk partikel 11 og skabe ballistisk bevægelse over et bredt område af bevægelse ud over den lineære fjederlignende regime. 12 Derfor, detaljerede tekniske oplysninger og praksis for optiske fælder i gasformige medier er blevet mere værdifuld for det bredere forskersamfund.
Nye eksperimentelle teknikker skal indlæse nano / mikropartikler i optiske fælder i gasformige medier. En piezoelektrisk transducer (PZT), en anordning, der konverterer strømic energi til mekanisk-akustisk energi, er blevet anvendt til at levere små partikler til optiske fælder i luft / vakuum 5, 12 siden den første demonstration af optisk levitation. 1 Siden da er der blevet foreslået flere lastning teknikker til at indlæse mindre partikler ved hjælp af flygtige aerosoler genereret af en kommerciel forstøver 13 eller en akustisk bølge generator. 14 De flydende aerosoler med solide inklusioner (partikler) passerer tilfældigt nær fokus og er fanget ved en tilfældighed. Når aerosolen er fanget, opløsningsmidlet fordamper, og partiklen forbliver i den optiske fælde. Imidlertid er disse metoder ikke velegnede til at identificere ønskede partikler inde fra en prøve, indlæse en valgt partikel og spore dets ændringer ved frigivelse fra fælden. Denne protokol er beregnet til at give detaljer til nye praktikere på selektiv optisk fælde lastning i luften, herunder eksperimentetal opsætning, fremstilling af en PZT holder og prøve kabinet, fælde lastning, og dataopsamling i forbindelse med analysen af partikel bevægelse i både frekvens og tid domæner. Protokoller til fældefangst i flydende medier er også blevet offentliggjort. 15, 16
Den samlede forsøgsopstilling er udviklet på en kommerciel inverteret optisk mikroskop. Figur 1 viser et skematisk diagram af opsætningen anvendes til at vise trin i den selektive optiske fælde loading: frigør hvilende mikropartikler, løfte den valgte partikel med den fokuserede stråle, måle dens bevægelse, og placere den på substratet igen. Først translationelle stadier (tværgående og lodrette), der anvendes til at bringe en udvalgt mikropartikel på underlaget til fokus for en trapping laser (bølgelængde 1064 nm) fokuserede af en objektiv linse (nær-infrarødt korrigeret lange arbejdsafstand mål: NA 0,4, forstørrelse 20X, arbejder distance 20 mm) gennem det transparente substrat. Derefter blev en piezoelektrisk launcher (a mekanisk pre-loaded ring-typen PZT) genererer ultrasoniske vibrationer at bryde vedhæftningen mellem mikropartikler og et substrat. Således kan enhver befriet partikel løftes af den single-beam gradient laser fælde fokuseret på den valgte partikel. Når partiklen er fanget, er det oversat til midten af prøven indelukke indeholdende to parallelle ledende plader til elektrostatisk excitation. Endelig a (DAQ) -system datafangst samtidigt registrerer partikel bevægelse, fanget af en kvadrant-celle fotodetektor (QPD), og det påførte elektriske felt. Efter endt måling partiklen styrbart placeret på substratet, så den igen kan blive fanget i en reversibel måde. Denne samlede proces kan gentages hundredvis af gange uden partikel tab at måle ændringer såsom kontakt elektrificering forekommer over flere fældefangst cyklusser. Se vores seneste artikel feller detaljer. 12
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Forsigtig: Se venligst alle relevante sikkerhedskrav programmer, før forsøget. Alle de eksperimentelle procedurer beskrevet i denne protokol udføres i overensstemmelse med NIST LASER sikkerhed program samt andre gældende regler. Sørg for at vælge og bære korrekt personlige værnemidler (PPE) såsom laser beskyttelse briller designet til specifik bølgelængde og magt. Håndtering af tørre nano / mikropartikler kan kræve yderligere åndedrætsværn.
1. Design og fremstilling af en PZT Holder og en Sample kabinet
- Design en PZT holder og en prøve kabinet
BEMÆRK: Særlige designværdier variere afhængigt af valget af en PZT.- Åbn computerstøttet design (CAD) software-pakke. Tegn en todimensional (2D) skitse af en holder til en given PZT dimension. Udvikle 2D skitse til volumetriske funktioner ved hjælp af kombinationer af Extrude / Extrude-cut.
- Klik Sketch,tegne et rektangel og presse det til at gøre en rektangulær kube.
- Skitsere en disk på den øvre overflade af kuben at definere en cirkulært forsænket funktion til at dække og holde det ringformede typen PZT.
- Definer et centralt hul til at have en optisk adgang for både real-time imaging og trapping.
- Definere en cirkulær guide langs randen af det centrale hul for at indsætte en flad metallisk (kobber) ring at koncentrere ultralyd magt mod midten område som vist i figur 2 a.
- Opret to boringer til M6 skruer på holderen PZT, der skal samles med en bundplade (købt, 4 mm tyk bund aluminiumsplade med et hul i midten), som vist i figur 2c og 2d.
- På lignende måde, designe en rektangulær ramme af prøven kabinet. Klik Sketch, og tegne et rektangel, ekstrudere rektangel at gøre det en rektangulær kasse.
- Tegn en mindre rektangel på den øverste overflade af rektangulÃr box og extrude-cut rektanglet at gøre det så et rektangulært rør.
- Tegn en mindre rektangel på sidevæggen af røret og Extrude-cut at omdanne det til rammen af prøve kabinet kassen.
- Konverter disse tredimensionale (3D) modeller i en stereolitografi (STL) filformat til et 3D-print proces (figur 2b).
- 3D-print af de designede genstande
- Åbn design fil ( "-.STL") fra 3D-printer operativsystem software. Læg objekt flad 0 / .og center objektet på (0, 0, 0), ved at klikke på objektet for at markere det og ved hjælp af alignment funktioner: "Flyt", "On Platform" og "Center". Vend holderen PZT at møde de fine funktioner opad. Den forsænkede overflade vil blive konfronteret opad.
- I menuen gå til "Indstillinger" og fanen "Kvalitet". Indstil udskrivning værdier som følgende, Infill: 100%, Antal skaller: 2, og Layer højde: 0,2mm.
- Få vist objekter for at kontrollere det samlede print tid, og sørg de lagdelte objekter vil blive udskrevet som ønsket. Eksporter 3D print fil i en ".x3g" format og gemme den til at bruge i 3D-printer.
- Tænd for 3D-printer og varme det op, indtil temperaturen af ekstruderingsdysen når en driftstemperatur, 230 ° C. Læg design fil fra et hukommelseskort eller netværksdrev.
- Under den varme op, placere Build platform med blå malers tape til at hjælpe objekter klæbe fast. Som et termoplastisk materiale til trykning job, bruge en polymælkesyre (PLA) glødetråd for begge objekter.
- Udskriv designede objekter. Når udskrivningen jobbet er afsluttet, skal du slukke for printeren, efter at den er afkølet.
- Frigør den trykte genstand fra platformen ved hjælp af en mejsel. Ret dig op de trykte objekter. Hvis retningen hensigtsmæssigt vælges, kan holderen PZT anvendes direkte uden yderligere efterbehandling.
- for prøven kabinet, forberede et par indiumtinoxid (ITO) belagt dækglas og tre dækglas at dække rammen. Brug en diamantsliber at passe dækglasset til kabinettet.
- Wire de to parallelle ledende plader ved hjælp af en hurtig tørring sølv maling til at levere spænding hele to plader. Lim disse fem vinduer på prøven kabinettet ved hjælp af en øjeblikkelig selvklæbende lim.
BEMÆRK: ét par ITO-overtrukket dækglas er installeret på prøven indelukke parallelt (vendende mod hinanden) for at tilvejebringe ensartet elektrisk felt og til at generere ballistisk bevægelse af det naturligt ladet partikel langs det elektriske felt. De tre konventionelle dækglas dække resten af prøven kabinet overflader (top og to andre sider) for at beskytte fanget partikel fra den eksterne strøm af luft
2. Optisk Trap Loading af en valgt mikropartikel
- Prøveforberedelse
- Opbevar mikropartikler i enevakueret eksikkator at reducere kontakt med fugt i luften før eksperimentet.
- Hæld en lille del af mikropartikler på et objektglas og omgående sætte producentens flasken tilbage i ekssikkatoren.
- Hente nogle af mikropartiklerne med et glas kapillarrør. Scatter partiklerne over underlaget ved forsigtigt at banke på kapillarrøret, mens du holder kapillar over dækglasset.
- Kontroller mængden og fordelingen af deponerede partikler på underlaget med en mørk-felt mikroskop.
Bemærk: I prøven forberedelse trin partiklen bare spredt på et dækglas og filmede med et optisk mikroskop for at kontrollere den samlede arrangement, før du indsætter dem (et dækglas med spredte mikropartikler) mellem PZT og PZT holderen. Da overfladeadhæsion er stærk nok til at holde individuelle mikropartikler på substratet, bliver de adhærerede partikler fast fikseret medmindre betydelig ekstern kraft påføres. - Piezoelektrisk løfteraket samling
- Få alle komponenter i den piezoelektriske launcher: den flade bundplade, isolerende film, PZT, den dækglas, en kobber ring, indehaveren af PZT, to M6 skruer, og prøven kabinet.
- Påfør en tynd film (eller bånd) på bundpladen at isolere PZT. Den dækglas isolerer toppen af stakken.
- Saml stakken ved at centrere PZT oven på den flade plade nu isoleret med tape, efterfulgt af dækglasset, kobber ring, og indehaveren af PZT. Skrue stakken sammen opretholde centrering af PZT at undgå kortslutning PZT til holderen hvis holderen fører som vist i figur 2c og 2d. Kobber ring giver en jævnt fordelt mekanisk forbelastning på stakken for plast PZT indehavere.
- Endelig lim prøven kabinettet på stakken og montere montering på en XYZ translationel etape i mikroskopet.
- Konfiguration af PZT launcher
BEMÆRK: Kørsel PZT med en høj spænding signal har potentielle elektriske farer. Kontakt med sikkerhedspersonale før forsøget. Alle de elektriske forbindelser skal sikres før eksperimentet. Sluk for forstærkeren og afbryd PZT fører når det er muligt.- Forbind PZT fører til spændingsforstærker og tilslut funktion generator til en indgangsport af spændingen forstærker.
- Tænd for funktionen generator og konfigurere den til at generere kontinuerlige firkantede bølger med en udgangsspænding på 1 V. Må ikke generere den spænding signal, før alle tilslutninger er kontrolleret og sikret.
- Tænd for spændingsforstærker og generere firkantbølge af udgangsspænding 1 V ved at aktivere udgangen.
- Tilslut overvågning udgangsport (udgangsspænding 200 V) af forstærkeren til et oscilloskop. Konfigurere forstærkeren at have gevinst på 200 V / V ved at drejevinde knop på frontpanelet. Kontroller, at overvågningen udgangsspændingen har en amplitude på 1 V målt ved oscilloskopet.
- Når funktionen generator og forstærkeren er konfigureret, find resonansfrekvensen af PZT launcher ved at scanne modulation hyppigheden af de drivende signal, mens de realtid video mikroskop billeder klæbet partikler. Gentage scanningen indtil mikropartiklen bevægelse er et maksimum. Brug denne frekvens (64 kHz her) for at frigøre partikler.
BEMÆRK: frekvens modulation manuelt ændres (scannet) fra nul til 150 kHz for at finde resonansfrekvensen. - Konfigurere funktionsgenerator til at generere en firkantet bølge med en bestemt antal cyklusser i burst mode. Tryk på "Burst" knappen på frontpanelet og vælg "N Cycle Burst".
- Vælg den burst tæller ved at trykke "# Cycles" soft key og indstil tæller til 10 eller 20.
- Konfigurer firkantet bølgeform at generere spænding signaler meden amplitude på 600 V (tre gange den spænding, der anvendes til kontinuerlig excitation) ved resonansfrekvensen for 64 kHz, som har fundet fra det foregående trin. Kontroller, at pulserende signal frigiver målet partikel i en gentagelig måde ved at sikre partikler bevæger sig efter hver puls.
- Selektiv optisk fælde lastning
BEMÆRK: PZT launcher samling er installeret på en manuel lineær translation XY-scene. Partiklerne kan oversættes forhold til den faste stråle fokus ved at flytte den translationelle fase.- Fjern laserlinien filter for at identificere fokus for indfangning stråle ved at dreje mikroskopet tårn (figur 3a). Flyt motoriseret fokuseringsblokken frem og tilbage vertikalt omkring det bedste fokus for det synlige billede at optimere fokus.
- Når fokus position er bekræftet, sættes filteret tilbage at give en klar real-time video uden indblanding fra trapping stråle.
- Oversæt prøven til pblonder en valgt partikel ved fokus position trapping laser. Fokus på partiklen til billedet centrum af en valgt partikel, som placerer den nominelle trapping position under partikel center med omkring en halv radius samtidig med at levitation position over partiklen.
- Juster strømforsyningen tilsluttet elektro-optisk modulator (EOM) føreren at indstille trapping magt optisk. Den optimale effekt afhænger partikelstørrelse og materiale. Den optiske effekt blev fundet ved gentagne forsøg for at bestemme kraften er tilstrækkelig til at svæve partiklen uden at udskyde det fra strålen. Her skal du bruge en optisk effekt på 140 mW på bagsiden brændplan af målet at fange de 20 um diameter polystyren (PS) partikler.
- Efter midten af den valgte partikel er rettet ind, aktivere det piezoelektriske launcher med flere pulser. Ændringen af partiklen billede fra en statisk fokuseret billede med en bevægelig sløret billede indikerer vellykket indlæsning til levgrænsning position.
- Oversætte levitated partikel vertikalt omkring en millimeter over substratet ved at bevæge objektivlinsen opad for at forhindre mulige overfladeinteraktioner. Derefter reducere den optiske effekt til at overflytte levitated partikel (figur 3b) i den nominelle trapping position (figur 3c), som er mere stabil.
BEMÆRK: optiske effekt for klemning laser kan moduleres ved en elektro-optisk modulator (EOM). Den EOM regulerer udgangseffekten med en forspænding tilføres gennem en digital strømforsyning. Man kan iagttage overgangen fra levitation til indfangning position gennem CCD mens langsomt reducerer den optiske effekt. - Til stillingen måling, som vist i figur 3c at 3d, bevæge omhyggeligt midten af holderen PZT til den optiske akse og derefter flytte objektivlinsen op (lodret) til at oversætte partiklen ind i midten af prøven kabinet (9 mm over substrspiste) hvis yderkant elektriske felt minimeres.
- Efter at målingen kan foretages som beskrevet nedenfor, placere partiklen på substratet ved at flytte målet ned, indtil partiklen rører underlaget. Da de fleste af partiklerne påføres nær hjørnerne, kan de fangne partikel let genkendes og re-fanget, når den anbringes i det centrale område. Dette gør det muligt reversibel fælde lastning til at måle forandringer ud over en enkelt fangstøjeblikket såsom kontaktoplysninger interaktioner mellem partiklen og substrat.
3. Data Acquisition
- Juster kondensatoren og fokuseringslinsen at maksimere QPD "SUM" signal med en partikel i fælden.
- Juster fokuseringslinse til nominelt nul X- og Y-kanaler af QPD, som vist i figur 4c.
- Gentag justeringen af kondensatoren og fokuseringslinsen indtil Fourier transformerede positionssignaler (eller kraftspektret densitet (PSD) plots) af X og Y kanaler overlejre at vise en afbalanceret følsomhed. Korrekt afstemt QPD signaler (X og Y) viser næsten identiske opførsel, som vist i figur 4b.
- Når QPD alignment er verificeret, tilslut spænding forstærker til de to ITO plader. Tilslut spændingsovervågning udgangssignalet fra forstærkeren til DAQ system til registrering trinnet excitationssignal og den inducerede partikel bane synkront.
- Levere en kontinuert firkantet bølge af 400 V for at frembringe et elektrisk felt (figur 4d), som bevæger partiklen på tværs af den optiske akse ved ca. 500 nm (figur 4e). Mål stepresponsen af den indespærrede partikel ved hjælp af QPD.
- Gennemsnitlige flere perioder som er nødvendigt for at mindske virkningerne af Brownsk bevægelse. Den inducerede bevægelse kan anvendes til at måle den optiske kraft over et bredere område af bevægelse end termiske udsving. 12,ef "> 17 Figur 4d og 4e viser gennemsnit signaler af påtrykt spænding og den inducerede partikel bane over 50 iterationer af trin excitation.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Den PZT løfteraket er konstrueret ved hjælp af en CAD-software-pakke. Her, bruger vi en simpel sandwich struktur for forbelastning (a PZT fastspændt med to plader), som vist i figur 2. PZT holder og prøven kabinet kan være fremstillet af en række forskellige materialer og metoder. For en hurtig demonstration, vælger vi 3D-print med termoplast som illustreret i figur 2d. Baseret på de fabrikerede komponenter, er optisk fælde loading vist i figur 3. Til selektiv påføring reflekterede fældefangst laser blokeret under eksperimentet af et filter monteret på et mikroskop tårn for at beskytte CCD-kameraet, mens det synlige lys passerer filteret til billeddannelse i refleksion som illustreret i figur 1. En kalibreret CCD-kamera letter også kvantitativ måling ved at tillade måling af partikeldiameteren og yderligere position detektion. Diameteren af et målpartikel kan anvendes til at beregne den masse, som giver fælde stivhed fra den naturlige frekvens, som beskrevet nedenfor. Banerne målt ved anvendelse af CCD-kameraet anvendes også til at kalibrere QPD spændingssignalet til måling af forskydningen. 12
Når partiklen er fanget, lyse spredning fra en rød laser tillader indespærrede partikel at blive anerkendt med det blotte øje, som vist i figur 1 (indsat fotografi). Desuden kan realtid billeder af substratet bestemme, om partiklen er blevet fanget, da det er i en forskellig højde (fokus) fra de andre mikropartikler klæbet til substratet (figur 3). Mikropartiklerne kan være fanget i to positioner: en fældefangst position og en levitation position. I trapping position, optiske kræfter stabiliserer partikel i alle retninger. I modsætning hertil i levitation position partiklen er kun stabiliseret traversfløjteely med optiske kræfter. I den lodrette den opadrettede kraft fra strålingstryk afbalanceres af tyngdekraften. Med vores læsning metode, den valgte partikel generelt leveret til en levitation position. På levitation position, den lodrette placering af den suspenderede partikel er meget mere følsom over for variationer i den optiske effekt, end ved trapping position nær fokus. 18 Man kan bevæge sig lodret partiklen repeatably mellem disse to stabile positioner ved at variere den optiske effekt. Den levitation position har også højere følsomhed over for eksterne kræfter end den nominelle trapping stilling på grund fælden stivhed bliver blødere som lyset udbreder sig væk fra fokus. Derfor kan levitation position også anvendes til mere følsomme målinger, når forskydning støj ikke er domineret af Brownsk bevægelse. Når positionen støj er termisk begrænset, da det er her, faldende stivheden øges både følsomhed og støj, så der er ingen gevinst feller præcision måling.
Bevægelsen af fanget partikel overvåges af en QPD og registreres af en DAQ board. Den QPD signalet registreres i tidsdomænet (figur 4c) og Fourier transformeret (4a og 4b). Den samlede tilpasning kan hensigtsmæssigt kontrolleres ved at sammenligne effektspektre for to radiale kanaler (X og Y). Hvis de ikke er overlejret (figur 4a), den optiske justering korrigeres indtil der sker superposition (som vist i figur 4b).
Partikelbanen viser både Brownsk og ballistisk bevægelse som vist i figur 4. Tid og frekvens domæne analyser kan anvendes til at fortolke disse målinger. Vi har indført to metoder til at tvinge måling som tillader mere fuldstændig forståelse af den optiske fælde ved at sammenligne Brownsk bevægelsetil ballistiske bevægelser induceres af en elektrostatisk kraft. Partiklen forløb for Brownsk bevægelse under ingen elektrostatisk felt omdannes til spektrale effekttæthed som derefter kan analyseres ved en ikke-lineær mindste kvadraters løsning af den fulde Langevin ligningen. 19 Denne analyse af PSD giver resonansfrekvensen og dæmpning nær fælden centrum. Resonansfrekvensen omdannes til fælden stivhed ved hjælp af den kendte masse i formlen 
. Den målte forskydning giver derefter den optiske kraft hjælp af formlen for en fjeder F = -kx.
Den ballistiske bevægelse fremkaldt af en markant ændring i det elektrostatiske felt kan også give resonansfrekvensen af fælden og dæmpning af mediet. 12 Som vi fjerner det elektrostatiske felt fra de fangne partikel, vil partiklen blive frigivet til return til området-fri aflytning position.as vist i figur 4d og 4e. Forskydningen som funktion af tiden kan være egnet til den generelle opløsning af en dæmpet harmonisk oscillator til opnåelse af resonansfrekvensen, dæmpning, og steady-state forskydning. Begge disse fremgangsmåder forudsætter, at partiklen i fælden virker som en lineær fjeder. Disse målinger kan udvides til generelle (ikke-lineære) kræfter ved hjælp af den parametriske kraftmetoden. 12 Detaljerne i PSD analyse og parametrisk kraft analyse er ikke i fokus i denne protokol, men de kan findes i litteraturen. 12, 19
Figur 1: Skematisk af forsøgsopstillingen anvendes til Selective Optical Trap Loading i Air. En enkelt-stråle gradient kraft optisk trap er udviklet på en inverteret optisk mikroskop. Forkortelser anvendt i den skematiske er angivet nedenfor: EOM, elektro-optisk modulator; HAL, halogen illuminator; MFS, motoriserede fokusering fase; NIR-LWD mål, infrarød korrigeret lang arbejdsafstand objektiv linse; TS, oversættelse etape (x-y); PZT, piezoelektrisk transducer; ESM, elektrostatisk felt modulator; ND, gråfilter; QPD, kvadrant-celle fotodetektor; DM, dielektrisk spejl; ITO, indiumtinoxid overtrukket dækglas; CCD, charge coupled device-kamera; HeNe, helium neon laser (633 nm); Nd: YVO 4, 1064 nm laser til fældefangst. 12 Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: Fremstilling af den piezoelektriske Launcher Assembly. (A) Afsmeltet billeder af en PZT holder ved hjælp af CAD-software-pakke i en "-.SLDPRT" format og (b) "-.STL" format til 3D-print. (C) En gengivet billede af den endelige samling af den piezoelektriske launcher: prøve kabinet (med ITO-overtrukket dækglas), PZT holder, ring spacer, ring-typen PZT, aluminiumplade, dækglas. (D) Billede af den endelige samling. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: Trin for trin Demonstration af Selective Optical Trap Loading af en 20 pm PS Partikel. (A) lokalisering fokus for indfangning stråle, (b) levitering partiklen ovenfor fokus (Delenkel billede er en dim sløre fordi levitation holdning er et godt stykke over den nominelle mikroskop fokus), (c) overgang til trapping position (nominelt i fokus), og derefter (d) at flytte fanget partikel til det centrale område for dataopsamling. Partiklen er fanget på et fast sted af bjælken fokus mens prøven scenen flyttes som indikeret med en gul pil i figur 3d (Scale bar = 100 um). Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: QPD Captured partikelbaner Både i Frekvens og Time Domain. (A) Et dårligt afstemt forsøgsopstilling viser lavfrekvente støj og støj toppe ved bestemte frekvenser, mens (b) veltilpassede PSDs af x- og y-aksen angiver korrekt optisk justering. (C) En QPD registrerer den Brownske bevægelse af fanget partikel i tidsdomænet. (E) Et skridt ændring i anvendt elektrisk felt over den fanget partikel er synkront optaget med den inducerede (d) ballistisk bevægelse gennem dataopsamling (DAQ) system. Klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Den piezoelektriske løfteraket er designet til at optimere den dynamiske udførelsen af en udvalgt PZT. Korrekt valg af PZT materialer og styring af ultralyds vibrationer er de vigtigste skridt til at giver en vellykket eksperiment. PZTs har forskellige egenskaber afhængigt af typen af transducer (bulk eller stablet) og komponent materialer (hårde eller bløde). En bulk-typen PZT fremstillet af et hårdt piezoelektrisk materiale er valgt af følgende grunde. Første, hårde piezoelektriske materialer har lavere dielektriske tab og højere mekanisk kvalitetsfaktor end bløde materialer. For det andet, hovedparten typen PZT betegner en lavere elektrisk belastning og er lettere at køre ved høje frekvenser end en stablet typen transducer. Under dynamisk drift, kan høj amplitude oscillation forårsage trækkræfter på en ubelastet PZT keramik, der resulterer i mekanisk svigt. En mekanisk forbelastning struktur bruges til at tilvejebringe en konstant belastning for at reducere tilbageslag og forbedre dynamiske funktion PZT. En opfyldtindsættes allic ring spacer mellem PZT indehaveren og ringen-typen PZT. Denne metalring spacer koncentrerer ultralyd magt og fordeler det jævnt rundt i ringen (Enhver lokal (ujævn) stress kan nemt bryde dækglasset.). Med en veltilrettelagt PZT løfteraket, korrekt tilpasning af partiklen til fældefangst stråle i både aksiale og radiale retninger bestemmer effektiviteten af fælden belastning. Hvis partiklen ikke er lykkedes leviterede efter pulsering, gentages substratet tilpasning og flytte fokus lidt under partiklen at finde den optiske loading position. For det nærinfrarøde korrigeret objektiv, er fokus for trapping stråle sat til at være et par mikrometer under prøven planet, der er fokuseret på CCD. Den optimale trapping strøm, der kræves til at fange mikropartikler varierer som størrelsen af target mikropartikelpræparater ændringer. 13 Den optimale trapping magt kan findes empirisk gennem trial and error. Den nødvendige effekt her (140 mW) errelativt høj på grund af den lave NA og lang arbejdsafstand anvendes.
Her demonstrerede vi reversibel fælde lastning af en 20 pm PS partikel. Dog kan vores tilgang udvides til mindre partikler. For mindre mikropartikler, kan vores nuværende PZT løfteraket ikke er i stand til at give nok ultralyd magt til at frigøre partiklerne. Anvendelse af en hurtigere PZT drivkredsløb er blevet vist at frigive mindre partikler. 20 Endvidere kan en lav friktionskoefficient være en alternativ fremgangsmåde. 21 Reduktion af adhæsion mellem mikropartikler og substratet vil afbøde den minimale ultralyd magt kræves for at frigøre den således vores aktuelle PZT launcher kan også anvendes til at frigøre mindre partikler partikel.
De fleste konventionelle lasteteknikker er tilfældige processer, hvor talrige aerosoldråber med solide inklusioner kontinuerligt genereres indtil en af dem er fanget ved en tilfældighed nær fælden center. Således denne konventionelle teknik kan ikke være passende for fældefangst prøver med en begrænset mængde eller opretholde ensartet prøvetagning. I protokollen, demonstrerer vi reversibel optisk fælde belastning, der omfatter gentagne cyklusser af fælde lastning og landing. Dette muliggør unikke eksperimenter, for eksempel den undersøgelse beregning akkumulering på partiklen. 22 Ladningen på fanget partikel kan måles ved at montere forbigående reaktion (figur 4d) til den ideelle løsning af harmoniske oscillator i en ikke-lineær mindste kvadraters måde. Den inducerede forskydning multipliceret med fælde stivhed giver den elektrostatiske kraft, der muliggør beregning af ladning fra den kendte elektriske feltstyrke (givet af den påtrykte spænding divideret med afstanden mellem de to parallelle ITO-overtrukne plader). 12 Denne enkle charge måling kan udvides til at studere partikel-overfladen interaktion ved kombination med den reversible fælde loading technique demonstrerede 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. Biological Applications of Optical Forces. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 23 (1), 247-285 (1994).
- 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).
