Name: optical trap loading of dielectric microparticles in air
Uploaded: 2017-02-05T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 57 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air at JoVE.com

All work performed under the support of the National Institute of Standards and Technology. Certain commercial equipment, instruments, or materials are identified to foster understanding of this protocol. Such identification does not imply recommendation or endorsement by the National Institute of Standards and Technology, nor does it imply that the materials or equipment identified are necessarily the best available for the purpose.

<ol>
	<li>Ashkin, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Acceleration+and+Trapping+of+Particles+by+Radiation+Pressure.">Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure.</a> Phys. Rev. Lett. 24 (4), 156-159 (1970).</li><li>Gieseler, J., Novotny, L., Quidant, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+nonlinearities+in+a+nanomechanical+oscillator.">Thermal nonlinearities in a nanomechanical oscillator.</a> Nat. Phys. 9 (12), 806-810 (2013).</li><li>Gieseler, J., Deutsch, B., Quidant, R., Novotny, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Subkelvin+Parametric+Feedback+Cooling+of+a+Laser-Trapped+Nanoparticle.">Subkelvin Parametric Feedback Cooling of a Laser-Trapped Nanoparticle.</a> Phys. Rev. Lett. 109 (10), 103603 (2012).</li><li>Chang, D. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cavity+opto-mechanics+using+an+optically+levitated+nanosphere.">Cavity opto-mechanics using an optically levitated nanosphere.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. 107 (3), 1005-1010 (2010).</li><li>Arita, Y., Mazilu, M., Dholakia, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laser-induced+rotation+and+cooling+of+a+trapped+microgyroscope+in+vacuum.">Laser-induced rotation and cooling of a trapped microgyroscope in vacuum.</a> Nat. Commun. 4, 2374 (2013).</li><li>Ashkin, A., Dziedzic, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+trapping+and+manipulation+of+viruses+and+bacteria.">Optical trapping and manipulation of viruses and bacteria.</a> Science. 235 (4795), 1517-1520 (1987).</li><li>Svoboda, K., Block, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biological+Applications+of+Optical+Forces.">Biological Applications of Optical Forces.</a> Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 23 (1), 247-285 (1994).</li><li>Mehta, A. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-Molecule+Biomechanics+with+Optical+Methods.">Single-Molecule Biomechanics with Optical Methods.</a> Science. 283 (5408), 1689-1695 (1999).</li><li>Arvanitaki, A., Geraci, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Detecting+High-Frequency+Gravitational+Waves+with+Optically+Levitated+Sensors.">Detecting High-Frequency Gravitational Waves with Optically Levitated Sensors.</a> Phys. Rev. Lett. 110 (7), 071105 (2013).</li><li>Moore, D. C., Rider, A. D., Gratta, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Search+for+Millicharged+Particles+Using+Optically+Levitated+Microspheres.">Search for Millicharged Particles Using Optically Levitated Microspheres.</a> Phys. Rev. Lett. 113 (25), 251801 (2014).</li><li>Li, T., Kheifets, S., Medellin, D., Raizen, M. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+of+the+instantaneous+velocity+of+a+Brownian+particle.">Measurement of the instantaneous velocity of a Brownian particle.</a> Science. 328 (5986), 1673-1675 (2010).</li><li>Park, H., LeBrun, T. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Parametric+Force+Analysis+for+Measurement+of+Arbitrary+Optical+Forces+on+Particles+Trapped+in+Air+or+Vacuum.">Parametric Force Analysis for Measurement of Arbitrary Optical Forces on Particles Trapped in Air or Vacuum.</a> ACS Photonics. 2 (10), 1451-1459 (2015).</li><li>Summers, M. D., Burnham, D. R., McGloin, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Trapping+solid+aerosols+with+optical+tweezers:+A+comparison+between+gas+and+liquid+phase+optical+traps.">Trapping solid aerosols with optical tweezers: A comparison between gas and liquid phase optical traps.</a> Opt. Express. 16 (11), 7739-7747 (2008).</li><li>Anand, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Aerosol+droplet+optical+trap+loading+using+surface+acoustic+wave+nebulization.">Aerosol droplet optical trap loading using surface acoustic wave nebulization.</a> Opt. Express. 21 (25), 30148-30155 (2013).</li><li>Lee, W. M., Reece, P. J., Marchington, R. F., Metzger, N. K., Dholakia, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Construction+and+calibration+of+an+optical+trap+on+a+fluorescence+optical+microscope.">Construction and calibration of an optical trap on a fluorescence optical microscope.</a> Nat. Protoc. 2 (12), 3226-3238 (2007).</li><li>Pesce, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Step-by-step+guide+to+the+realization+of+advanced+optical+tweezers.">Step-by-step guide to the realization of advanced optical tweezers.</a> J. Opt. Soc. Am. B. 32 (5), B84 (2015).</li><li>Thornton, S. T., Marion, J. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Classical Dynamics of Particles and Systems. , (2003).</li><li>Ashkin, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stability+of+optical+levitation+by+radiation+pressure.">Stability of optical levitation by radiation pressure.</a> Appl. Phys. Lett. 24 (12), 586-588 (1974).</li><li>Chandrasekhar, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stochastic+Problems+in+Physics+and+Astronomy.">Stochastic Problems in Physics and Astronomy.</a> Rev. Mod. Phys. 15 (1), 1-89 (1943).</li><li>Li, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Fundamental Tests of Physics with Optically Trapped Microspheres. , 9-21 (2013).</li><li>Chai, Z., Liu, Y., Lu, X., He, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reducing+Adhesion+Force+by+Means+of+Atomic+Layer+Deposition+of+ZnO+Films+with+Nanoscale+Surface+Roughness.">Reducing Adhesion Force by Means of Atomic Layer Deposition of ZnO Films with Nanoscale Surface Roughness.</a> ACS Appl. Mater. Interfaces. 6 (5), 3325-3330 (2014).</li><li>Park, H., LeBrun, T. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+and+accumulation+of+electric+charge+on+a+single+dielectric+particle+trapped+in+air.">Measurement and accumulation of electric charge on a single dielectric particle trapped in air.</a> SPIE OPTO. 9764, (2016).</li></ol>

The authors declare no competing financial interest.

تم تصميم قاذفة كهرضغطية لتحسين الأداء الديناميكي للPZT المحدد. الاختيار السليم للمواد PZT وإدارة الذبذبات فوق الصوتية هي الخطوات الرئيسية لانتاج تجربة ناجحة. PZTs لها خصائص مختلفة اعتمادا على نوع من محول (بالجملة أو مكدسة) والمواد المكونة (أو القوة الناعمة). كما يتم اختيار PZT نوع الأكبر مصنوعة من مادة كهرضغطية الصعبة للأسباب التالية. أولا، المواد كهرضغطية الصلبة لديها خسائر عازلة أقل وأعلى جودة عامل ميكانيكي من مواد لينة. ثانيا، يمثل نوع PZT بالجملة على الحمل الكهربائي أقل وأسهل لدفع بترددات عالية من نوع محول مكدسة. تحت عملية ديناميكية، يمكن عالية السعة التذبذب يسبب القوات الشد على السيراميك PZT إلغاء تحميل التي تؤدي إلى عطل ميكانيكي. ويستخدم هيكل تحميلها مسبقا الميكانيكية لتوفير ثبات الحمل للحد من رد فعل عنيف وتعزيز الأداء الديناميكي للPZT. والتقىيتم إدخال allic هل حلقة بين صاحب PZT وعصابة من نوع PZT. هذا الفاصل حلقة معدنية يركز السلطة بالموجات فوق الصوتية وتوزع بالتساوي حول الحلبة (أي المحليين متفاوتة) الضغط (يمكن بسهولة كسر ساترة.). مع قاذفة PZT مصممة تصميما جيدا، المحاذاة الصحيحة للجسيمات لشعاع محاصرة في كلا الاتجاهين المحورية والشعاعية تحدد كفاءة فخ التحميل. إذا لم يتم السابحة الجسيم بنجاح بعد ينبض، كرر محاذاة الركيزة ونقل التركيز قليلا أقل من الجسيمات للعثور على موضع التحميل البصرية. لعدسة الهدف القريب من الأشعة تحت الحمراء تصحيح، يتم تعيين تركيز شعاع محاصرة أن تكون قليلة ميكرومتر تحت الطائرة العينة التي تركز على اتفاقية مكافحة التصحر. قوة محاصرة المثلى اللازمة لالمجهرية الدقيقة فخ يختلف لحجم التغييرات microparticle الهدف. 13 ويمكن الاطلاع على السلطة محاصرة الأمثل تجريبيا من خلال التجربة والخطأ. الطاقة المطلوبة هنا (140 ميغاواط) هومرتفعة نسبيا نظرا لانخفاض NA والعمل لمسافات طويلة المستخدمة. نحن هنا أثبت عكسها فخ تحميل 20 ميكرون PS الجسيمات. ومع ذلك، يمكن أن يمتد نهجنا لجسيمات أصغر. لالمجهرية الدقيقة الصغيرة، قد لدينا قاذفة PZT الحالية غير قادرة على توفير ما يكفي من السلطة بالموجات فوق الصوتية لفصل الجسيمات. وقد تبين أن استخدام أسرع الدائرة PZT القيادة للافراج عن جسيمات أصغر. 20 وبالإضافة إلى ذلك، على سطح التصاق منخفضة يمكن أن يكون نهجا بديلا. و21 الحد من التصاق بين المجهرية الدقيقة والركيزة تخفيف الحد الأدنى من السلطة بالموجات فوق الصوتية اللازمة لفصل الجسيمات وبالتالي يمكن أن تستخدم أيضا لدينا قاذفة PZT الحالية لفصل جسيمات أصغر. معظم تقنيات التحميل التقليدية هي العمليات العشوائية التي يتم إنشاء العديد من قطرات مع شوائب صلبة بشكل مستمر حتى واحد منهم هو المحاصرين بالصدفة بالقرب من تجمع دول الساحل فخثالثا. وبالتالي هذه التقنية التقليدية قد لا يكون مناسبا لمحاصرة العينات مع كمية محدودة أو الحفاظ على العينات موحدة. في البروتوكول، ونحن لشرح عكسها الضوئية فخ تحميل والذي يتضمن دورات متكررة من فخ التحميل والإنزال. وهذا يتيح تجارب فريدة من نوعها، على سبيل المثال دراسة تراكم المسؤول عن الجسيمات. 22 وأكد القائمون على الجسيمات المحاصرين يمكن قياسها عن طريق تركيب الاستجابة العابرة (الشكل 4D) إلى الحل الأمثل للمذبذب التوافقي بطريقة مربع غير الخطية الأقل. النزوح الناجم عن ضرب مصيدة صلابة يعطي القوة الكهروستاتيكية التي تسمح حساب المسؤول من قوة الحقل الكهربائي المعروف (التي قدمها الجهد المطبق مقسوما على المسافة بين اثنين من موازية لوحات ايتو مغلفة). 12 ويمكن تمديد هذا القياس تهمة بسيطة لدراسة تفاعل الجسيمات السطح عندما جنبا إلى جنب مع TECHNI تحميل فخ عكسهاأظهرت كيو هنا. 22

ذكرت Ashkin تسارع ومحاصرة المجهرية الدقيقة التي الضغط الاشعاعي في عام 1970. 1 انجازاته رواية الترويج لتطوير تقنيات محاصرة البصرية كأداة رئيسية للدراسات الأساسية للفيزياء والفيزياء الحيوية. 2، 3، 4، 5 وحتى الآن، ركزت تطبيق محاصرة البصرية بشكل رئيسي على البيئات السائلة، واستخدمت لدراسة مجموعة واسعة جدا من النظم، من سلوك الغرويات إلى الخواص الميكانيكية للجزيئات الحيوية واحدة. 6، 7، 8 تطبيق محاصرة البصرية لوسائل الاعلام غازي، ومع ذلك، يتطلب حل العديد من القضايا الفنية الجديدة. في الآونة الأخيرة، وقد تم تطبيق محاصرة البصرية في الهواء / فراغ متزايد في البحوث الأساسية. منذ ليفي بصريالكساء يحتمل أن يوفر ما يقرب من العزلة الكاملة للنظام من البيئة المحيطة بها، والجسيمات السابحة بصريا يصبح مختبرا مثاليا لدراسة حالة قاعية نوعية في الأشياء الصغيرة، 4 قياس ارتفاع وتيرة موجات الجاذبية، 9 والبحث عن المسؤول الجزئية. 10 وعلاوة على ذلك، اللزوجة المنخفضة من الهواء / فراغ يسمح احد لاستخدام الجمود لقياس السرعة اللحظية لجسيم البراونية 11 وخلق حركة البالستية على نطاق واسع من الحركة وراء النظام الخطي مثل فصل الربيع. 12 لذلك، أصبحت المعلومات والممارسات لالفخاخ البصرية في وسائل الإعلام غازي تقنية مفصلة أكثر قيمة للمجتمع العلمي الأوسع. مطلوبة تقنيات تجريبية جديدة لتحميل نانو / المجهرية الدقيقة في الفخاخ البصرية في وسائل الإعلام الغازي. ومحول كهربائي ضغطي (PZT)، وهو الجهاز الذي يحول إلكترونياتجيم الطاقة إلى طاقة والميكانيكية الصوتية، وقد استخدمت لتقديم جزيئات صغيرة إلى الفخاخ البصرية في الهواء / فراغ 5، 12 منذ أول مظاهرة من الارتفاع البصرية. 1 ومنذ ذلك الحين، تم اقتراح عدة تقنيات التحميل لتحميل جسيمات أصغر باستخدام الهباء المتقلبة التي تم إنشاؤها بواسطة البخاخات التجاري 13 أو مولد موجة الصوتية. 14 هباء العائمة مع شوائب صلبة (جسيمات) تمر بشكل عشوائي بالقرب من التركيز ومحاصرون عن طريق الصدفة. بمجرد المحاصرين الهباء الجوي، المذيب يتبخر بها ويبقى الجسيمات في فخ البصرية. ومع ذلك، لا تناسب هذه الأساليب جيدا لتحديد جزيئات المرجوة من داخل العينة، تحميل الجسيمات المختارة ولتعقب التغييرات في حال صدر من الفخ. ويهدف هذا البروتوكول إلى تقديم تفاصيل للممارسين جديد على انتقائية البصرية تحميل فخ في الهواء، بما في ذلك التجربةالإعداد القاعدة وتلفيق حامل PZT وضميمة عينة، فخ تحميل، والحصول على البيانات المرتبطة تحليل حركة الجسيمات في كل المجالات التردد والوقت. كما تم نشر بروتوكولات لمحاصرة في وسائل الإعلام السائلة. 15، 16 تم تطوير الإعداد العام التجريبية على المجهر الضوئي المقلوب التجاري. ويبين الشكل 1 الرسم التخطيطي للإعداد تستخدم للتدليل خطوات انتقائية فخ البصرية التحميل: تحرير المجهرية الدقيقة يستريح، ورفع الجسيمات المختار مع شعاع مركزة، وقياس حركته، ووضعه على الركيزة مرة أخرى. أولا، يتم استخدام مراحل متعدية (عرضية ورأسية) لجلب microparticle اختيارهم على الركيزة لمحور الليزر محاصرة (الطول الموجي 1064 نانومتر) تركز من قبل العدسة الشيئية (بالقرب من الأشعة تحت الحمراء تصحيح الهدف والعمل لمسافات طويلة: NA 0.4، التكبير 20X، د العملistance 20 مم) من خلال الركيزة شفافة. ثم، قاذفة كهرضغطية (أ ميكانيكيا قبل تحميلها عصابة من نوع PZT) يولد ذبذبات الموجات فوق الصوتية لكسر التصاق بين المجهرية الدقيقة والركيزة. وهكذا، أي الجسيمات سراح يمكن رفع من قبل شعاع واحد فخ التدرج ليزر تركز على الجسيمات المحدد. بمجرد المحاصرين الجسيمات، وترجمته إلى مركز العلبة عينة تحتوي على اثنين من لوحات إجراء موازية لإثارة كهرباء. وأخيرا، والحصول على البيانات (دق) نظام يسجل في الوقت نفسه حركة الجسيمات، التي استولت عليها في مكشاف ضوئي رباعي الخلية (QPD)، والحقل الكهربائي تطبيقها. بعد الانتهاء من قياس، يتم وضع جسيم controllably على الركيزة بحيث يمكن المحاصرين مرة أخرى بطريقة عكسية. هذه العملية الشاملة يمكن أن تتكرر مئات المرات من دون خسارة الجسيمات لقياس التغيرات مثل كهربة الاتصال التي تحدث على مدى عدة دورات محاصرة. يرجى الرجوع إلى موقعنا الأخيرة من المادة وأو تفاصيل. 12

<table><tbody><tr><td>ScotchBlue Painter&#039;s Tape Original</td><td>3M</td><td>3M2090</td><td></td></tr><tr><td>Scotch 810 Magic Tape</td><td>3M</td><td>3M810</td><td></td></tr><tr><td>Function/Arbitrary Waveform generator</td><td>Agilent</td><td>HP33250A</td><td></td></tr><tr><td>Power supply/Digital voltage supplier</td><td>Agilent</td><td>E3634A</td><td></td></tr><tr><td>Ring-type piezoelectric transducer</td><td>American Piezo Company</td><td>item91</td><td></td></tr><tr><td>Electro-optic modulator</td><td>Con-Optics</td><td>350&amp;minus;80-LA</td><td></td></tr><tr><td>Amplifier for Electro-optic modulator</td><td>Con-Optics</td><td>302RM</td><td></td></tr><tr><td>Mitutoyo NIR infinity Corrected Objective</td><td>Edmund optics</td><td>46-404</td><td>Manufactured by Mitutoyo and Distributed by Edmund optics</td></tr><tr><td>LOCTITE SUPER GLUE LONGNECK BOTTLE</td><td>Loctite</td><td>230992</td><td></td></tr><tr><td>3D printer</td><td>MakerBot</td><td>Replicator 2</td><td></td></tr><tr><td>Polylactic acid (PLA) filament</td><td>MakerBot</td><td>True Red PLA Small Spool</td><td></td></tr><tr><td>Data Acquisition system</td><td>National Instruments</td><td>780114-01</td><td></td></tr><tr><td>Quadrant-cell photodetector</td><td>Newport</td><td>2031</td><td></td></tr><tr><td>Translational stage</td><td>Newport</td><td>562-XYZ</td><td></td></tr><tr><td>Inverted optical microscope</td><td>Nikon Instruments</td><td>EclipsTE2000</td><td></td></tr><tr><td>Fluorescence filter (green)</td><td>Nikon Instruments</td><td>G-2B</td><td></td></tr><tr><td>Flea3/CCD camera</td><td>Point Grey</td><td>FL3-U3-13S2M-CS</td><td>Trapping laser</td></tr><tr><td>Diode pumped neodymium yttrium vanadate(Nd:YVO&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;)</td><td>Spectra Physics</td><td>J20I-8S-12K/ BL-106C</td><td></td></tr><tr><td>Indium tin oxide (ITO) Coated coverslips</td><td>SPI supplies</td><td>06463B-AB</td><td>Polystyrene microparticles</td></tr><tr><td>Fast Drying Silver Paint</td><td>Tedpella</td><td>16040-30</td><td></td></tr><tr><td>Dri-Cal size standards</td><td>Thermo Scientific</td><td>DC-20</td><td></td></tr><tr><td>Optical Fiber</td><td>Thorlabs</td><td>P1&amp;minus;1064PM-FC-5</td><td>bottom plate</td></tr><tr><td>Aluminium plate&amp;nbsp;</td><td>Thorlabs</td><td>CP4S</td><td></td></tr><tr><td>High voltage power amplifier</td><td>TREK</td><td>PZD700A M/S</td><td></td></tr></tbody></table>

optical trap loading of dielectric microparticles in air

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly scattered dielectric microparticles adhered to a glass substrate are momentarily detached using ultrasonic vibrations generated by a piezoelectric transducer (PZT). Then, the optical beam focused on a selected particle lifts it up to the optical trap while the vibrationally excited microparticles fall back to the substrate. A particle may be trapped at the nominal focus of the trapping beam or at a position above the focus (referred to here as the levitation position) where gravity provides the restoring force. After the measurement, the trapped particle can be placed at a desired position on the substrate in a controlled manner. 
In this protocol, an experimental procedure for selective optical trap loading in air is outlined. First, the experimental setup is briefly introduced. Second, the design and fabrication of a PZT holder and a sample enclosure are illustrated in detail. The optical trap loading of a selected microparticle is then demonstrated with step-by-step instructions including sample preparation, launching into the trap, and use of electrostatic force to excite particle motion in the trap and measure charge. Finally, we present recorded particle trajectories of Brownian and ballistic motions of a trapped microparticle in air. These trajectories can be used to measure stiffness or to verify optical alignment through time domain and frequency domain analysis. Selective trap loading enables optical tweezers to track a particle and its changes over repeated trap loadings in a reversible manner, thereby enabling studies of particle-surface interaction.

تم تصميم قاذفة PZT باستخدام حزمة برامج CAD. هنا، ونحن نستخدم بنية شطيرة بسيط لتحميلها مسبقا (فرضت على PZT مع اثنين من لوحات)، كما هو مبين في الشكل 2. حامل PZT والعلبة عينة يمكن أن تكون ملفقة من مجموعة متنوعة من المواد والأساليب. للمشاركة في مظاهرة سريعة، نختار الطباعة 3D مع بالحرارة كما هو موضح في الشكل 2D. على أساس المكونات ملفقة، ويظهر البصرية فخ تحميل في الشكل (3). لتحميل انتقائية، يتم حظر الليزر محاصرة ينعكس خلال التجربة من قبل مرشح المثبتة على برج المجهر لحماية الكاميرا CCD في حين أن الضوء المرئي يمر مرشح للتصوير في التفكير كما هو موضح في الشكل 1. يسهل كاميرا CCD معايرة أيضا الكمي قياس من خلال السماح للقياس قطر الجسيم وكشف موقف إضافي. قطر هدفاالجسيمات يمكن أن تستخدم لحساب كتلة والتي ينتج فخ صلابة من التردد الطبيعي، كما هو مبين أدناه. تستخدم مسارات قياسها باستخدام كاميرا CCD أيضا لمعايرة الجهد إشارة QPD لقياس التشرد. 12 بمجرد المحاصرين الجسيمات، وتشتت مشرق من ليزر أحمر يسمح للجسيمات المحاصرين لا بد من الاعتراف بالعين المجردة، كما هو مبين في الشكل رقم 1 (أقحم الصورة). أيضا، يمكن للصور في الوقت الحقيقي من الركيزة تحديد ما إذا كان قد حوصر الجسيم لأنه على ارتفاع مختلفة (التركيز) من المجهرية الدقيقة أخرى انضمت إلى الركيزة (الشكل 3). والمجهرية الدقيقة يمكن محاصرين في موقعين: موقف محاصرة وموقف الارتفاع. في موقف محاصرة قوات البصرية استقرار الجسيمات في كل الاتجاهات. في المقابل، في موقف الارتفاع الجسيم يستقر فقط transversاعل من قبل قوات البصرية. في رأسي ومتوازنة القوة الصاعدة من ضغط الإشعاع عن طريق الجاذبية. مع طريقة تحميل لدينا، يتم تسليم الجسيمات اختيار عموما إلى موقف الارتفاع. في موقف الارتفاع، والموقع الرأسي للالجسيمات المعلقة هو أكثر حساسية للتغيرات في الطاقة الضوئية من في موقف محاصرة بالقرب من التركيز. 18 يمكن للمرء أن يتحرك رأسيا الجسيمات repeatably بين هذه المواقف مستقرة اثنين متفاوتة من الطاقة الضوئية. لديه موقف الارتفاع أيضا أعلى حساسية لقوى خارجية من موقف محاصرة الاسمي بسبب صلابة فخ تصبح أكثر ليونة بمثابة الضوء ينتشر بعيدا عن التركيز. ولذلك، فإن موقف الارتفاع يمكن أن تستخدم أيضا لقياسات أكثر حساسية عندما لا يهيمن الضجيج التشريد من قبل الحركة البراونية. عندما يتم الضوضاء موقف محدودة حراريا كما هو الحال هنا، والحد من زيادة صلابة كل من حساسية والضوضاء حتى لا يكون هناك أي مكسب وأو قياس الدقة. ويتم رصد حركة الجسيمات المحاصرين من قبل QPD وسجلت من قبل مجلس دق. يتم تسجيل إشارة QPD في المجال الزمني (الشكل 4C) وفورييه تحول (الأرقام 4A و 4B). محاذاة الشاملة يمكن التحقق بشكل ملائم من خلال مقارنة الأطياف قوة قناتين شعاعي (X و Y). إذا لم يتم فرضه انهم (الشكل 4A)، محاذاة البصرية لابد من تصحيحها حتى يحدث تراكب (كما هو موضح في الشكل 4B). يظهر مسار الجسيمات على حد سواء البراونية والحركة الباليستية كما هو مبين في الشكل (4). يمكن استخدام الوقت ومجال التردد التحليلات لتفسير هذه القياسات. وأدخلنا نهجين لإجبار قياس والتي تسمح فهم أكثر اكتمالا من فخ البصرية بمقارنة الحركة البراونيةإلى الحركة البالستية الناجم عن قوة كهرباء. يتم تحويل مسار الجسيمات عن الحركة البراونية تحت أي مجال الكهرباء إلى الكثافة الطيفية السلطة ومن ثم يمكن تحليلها بواسطة غير الخطية تناسب الأقل مربع حل المعادلة انجيفين كاملة. 19 هذا التحليل من مديرية الأمن العام غلة تردد الرنين والتخميد بالقرب من مركز الفخ. يتم تحويل تردد الرنين لصلابة فخ باستخدام كتلة معروفة في الصيغة <img alt="المعادلة 1" src="/files/ftp_upload/54862/54862eq1.jpg" /> . تشريد يقاس ثم يعطي القوة البصرية باستخدام صيغة لربيع F = -kx. حركة ذاتية الدفع الناجمة عن تغير خطوة في مجال الكهرباء ويمكن أيضا أن تسفر عن تردد الرنين من فخ والتخميد من المتوسط. 12 ونحن إزالة الحقل الكهربائي من الجسيمات المحاصرين، سيتم الافراج عن الجسيمات إلى return إلى position.as التنصت خالية من الحقل هو مبين في الشكل 4D و4E. تشريد وظيفة من الوقت يمكن أن يكون لائقا للحل العام للمذبذب التوافقي ثبط لإعطاء تردد الرنين، التخميد، وتشريد ثابتة للدولة. كل من هذه الأساليب نفترض أن الجسيمات في فخ بمثابة ربيع الخطي. ويمكن تمديد هذه القياسات إلى (غير الخطية) القوات العامة باستخدام أسلوب القوة حدودي. 12 تفاصيل التحليل مديرية الأمن العام وتحليل القوة حدودي ليست هي التركيز في هذا البروتوكول ولكنها يمكن أن تكون وجدت من الأدب. 12 و 19 <img alt="شكل 1" src="/files/ftp_upload/54862/54862fig1.jpg" /> الشكل 1: الخطط من الإعداد التجريبية المستخدمة في الانتقائي تحميل فخ البصرية في الهواء. واحد العارضة قوة الانحدار ر البصريتم تطوير الراب على المجهر الضوئي المقلوب. وترد المختصرات المستخدمة في التخطيطي أدناه: بعثة مراقبة الانتخابات، الكهربائية الضوئية المغير. HAL، الهالوجين إضاءة. MFS، بمحركات تركز المرحلة؛ الهدف الجرد الوطني LWD، الأشعة تحت الحمراء تصحيح المسافة العمل الطويلة عدسة الهدف. TS، مرحلة الترجمة (س-ص). PZT، محول كهربائي ضغطي. ESM، كهرباء المغير الميدان؛ ND، محايد مرشح كثافة. QPD، رباعي خلايا مكشاف ضوئي. DM، مرآة عازلة. ايتو، الإنديوم coverslips أكسيد القصدير مطلي. CCD، تهمة كاميرا الجهاز بالإضافة. الحنة الهيليوم نيون ليزر (633 نانومتر)؛ ثانيا: YVO 4، 1064 نانومتر ليزر لمحاصرة. 12 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54862/54862fig1large.jpg" target="_blank">الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a> <img alt="الشكل 2" src="/files/ftp_upload/54862/54862fig2.jpg" /> الشكل 2: تلفيق من الكهروإجهادية قاذفة عاصمبلاي. (أ) وصور المعادين للحامل PZT باستخدام حزمة برامج CAD في شكل &quot;-.SLDPRT&quot; و (ب) شكل &quot;-.STL&quot; للطباعة 3D. (ج) تقديم الصورة من التجميع النهائي للقاذفة كهرضغطية: الضميمة عينة (مع coverslips ايتو مغلفة)، حامل PZT، خاتم الفاصل، عصابة من نوع PZT، لوحة الألومنيوم، coverslips. (د) صورة من التجميع النهائي. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54862/54862fig2large.jpg" target="_blank">الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a> <img alt="الشكل (3)" src="/files/ftp_upload/54862/54862fig3.jpg" /> الشكل (3): خطوة مظاهرة الخطوة من الانتقائية فخ البصرية تحميل من 20 ميكرون PS الجسيمات. (أ) تحديد مكان وجود تركيز شعاع محاصرة، (ب) الرفع الجسيمات فوق التركيز (الجزءصورة ICLE هو طمس قاتمة بسبب موقف الارتفاع هو أعلى بكثير من التركيز المجهر الاسمي) و (ج) التحول في موقف محاصرة (اسميا في التركيز)، ثم (د) تحريك الجسيمات المحاصرين في المنطقة الوسطى للحصول على البيانات. والمحاصرين الجسيمات في موقع ثابت للتركيز شعاع في حين انتقل إلى مرحلة العينة كما هو مبين مع السهم الأصفر في الشكل 3D (مقياس بار = 100 ميكرون). <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54862/54862fig3large.jpg" target="_blank">الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a> <img alt="الشكل (4)" src="/files/ftp_upload/54862/54862fig4.jpg" /> الشكل 4: QPD الملتقطة الجسيمات مسارات في كل من التردد والوقت المجال. (أ) ويظهر الإعداد التجريبية الانحياز سيئة تردد انخفاض مستوى الضجيج والضوضاء قمم على ترددات محددة في حين (ب) عناصر أمنية مطابقة تماما للمحور x و Y-تشير محاذاة البصرية الصحيحة. (ج) يسجل QPD الحركة البراونية للجسيمات المحاصرين في المجال الزمني. (ه) تغير خطوة في الحقل الكهربائي التطبيقية عبر الجسيمات المحاصرين يتم تسجيلها بشكل متزامن مع يسببها (د) الحركة البالستية من خلال (دق) نظام الحصول على البيانات. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54862/54862fig4large.jpg" target="_blank">الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air at JoVE.com

Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air

A protocol for launching and stably trapping selected dielectric microparticles in air is presented.

فخ تحميل البصري للعازل المجهرية الدقيقة في الهواء

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly ...

optical-trap-loading-of-dielectric-microparticles-in-air

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Engineering

9.0K Views.  National Institute of Standards and Technology. A protocol for launching and stably trapping selected dielectric microparticles in air is presented.

Video: Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air

A Microfluidic-based Hydrodynamic Trap for Single Particles

The ability to confine and manipulate single particles in free solution is a key enabling technology for fundamental and applied science. Methods for particle trapping based on optical, magnetic, electrokinetic, and acoustic techniques have led to major advancements in physics and biology ranging from the molecular to cellular level. In this article, we introduce a new microfluidic-based technique for particle trapping and manipulation based solely on hydrodynamic fluid flow. Using this method, we demonstrate trapping of micro- and nano-scale particles in aqueous solutions for long time scales. The hydrodynamic trap consists of an integrated microfluidic device with a cross-slot channel geometry where two opposing laminar streams converge, thereby generating a planar extensional flow with a fluid stagnation point (zero-velocity point). In this device, particles are confined at the trap center by active control of the flow field to maintain particle position at the fluid stagnation point. In this manner, particles are effectively trapped in free solution using a feedback control algorithm implemented with a custom-built LabVIEW code. The control algorithm consists of image acquisition for a particle in the microfluidic device, followed by particle tracking, determination of particle centroid position, and active adjustment of fluid flow by regulating the pressure applied to an on-chip pneumatic valve using a pressure regulator. In this way, the on-chip dynamic metering valve functions to regulate the relative flow rates in the outlet channels, thereby enabling fine-scale control of stagnation point position and particle trapping. The microfluidic-based hydrodynamic trap exhibits several advantages as a method for particle trapping. Hydrodynamic trapping is possible for any arbitrary particle without specific requirements on the physical or chemical properties of the trapped object. In addition, hydrodynamic trapping enables confinement of a "single" target object in concentrated or crowded particle suspensions, which is difficult using alternative force field-based trapping methods. The hydrodynamic trap is user-friendly, straightforward to implement and may be added to existing microfluidic devices to facilitate trapping and long-time analysis of particles. Overall, the hydrodynamic trap is a new platform for confinement, micromanipulation, and observation of particles without surface immobilization and eliminates the need for potentially perturbative optical, magnetic, and electric fields in the free-solution trapping of small particles.

In this article, we present a microfluidic-based method for particle confinement based on hydrodynamic flow. We demonstrate stable particle trapping at a fluid stagnation point using a feedback control mechanism, thereby enabling confinement and micromanipulation of arbitrary particles in an integrated microdevice.

A فخ هيدرودينامي ميكروفلويديك المستندة للجسيمات واحدة

The ability to confine and manipulate single particles in free solution is a key enabling technology for fundamental and applied science.  Methods for ...

Bioengineering

Optical Trapping of Nanoparticles

Optical trapping is a technique for immobilizing and manipulating small objects in a gentle way using light, and it has been widely applied in trapping and manipulating small biological particles. Ashkin and co-workers first demonstrated optical tweezers using a single focused beam1. The single beam trap can be described accurately using the perturbative gradient force formulation in the case of small Rayleigh regime particles1. In the perturbative regime, the optical power required for trapping a particle scales as the inverse fourth power of the particle size. High optical powers can damage dielectric particles and cause heating. For instance, trapped latex spheres of 109 nm in diameter were destroyed by a 15 mW beam in 25 sec1, which has serious implications for biological matter2,3.
A self-induced back-action (SIBA) optical trapping was proposed to trap 50 nm polystyrene spheres in the non-perturbative regime4. In a non-perturbative regime, even a small particle with little permittivity contrast to the background can influence significantly the ambient electromagnetic field and induce a large optical force. As a particle enters an illuminated aperture, light transmission increases dramatically because of dielectric loading. If the particle attempts to leave the aperture, decreased transmission causes a change in momentum outwards from the hole and, by Newton's Third Law, results in a force on the particle inwards into the hole, trapping the particle. The light transmission can be monitored; hence, the trap can become a sensor. The SIBA trapping technique can be further improved by using a double-nanohole structure.
The double-nanohole structure has been shown to give a strong local field enhancement5,6. Between the two sharp tips of the double-nanohole, a small particle can cause a large change in optical transmission, thereby inducing a large optical force. As a result, smaller nanoparticles can be trapped, such as 12 nm silicate spheres7 and 3.4 nm hydrodynamic radius bovine serum albumin proteins8. In this work, the experimental configuration used for nanoparticle trapping is outlined. First, we detail the assembly of the trapping setup which is based on a Thorlabs Optical Tweezer Kit. Next, we explain the nanofabrication procedure of the double-nanohole in a metal film, the fabrication of the microfluidic chamber and the sample preparation. Finally, we detail the data acquisition procedure and provide typical results for trapping 20 nm polystyrene nanospheres.

The following setup approach details low power optical trapping of dielectric nanoparticles using a double-nanohole in metal film.

البصرية محاصرة من الجسيمات النانوية

Optical trapping is a technique for immobilizing and manipulating small objects in a gentle way using light, and it has been widely applied in trapping ...

Utilization of Plasmonic and Photonic Crystal Nanostructures for Enhanced Micro- and Nanoparticle Manipulation

A method to manipulate the position and orientation of submicron particles nondestructively would be an incredibly useful tool for basic biological research. Perhaps the most widely used physical force to achieve noninvasive manipulation of small particles has been dielectrophoresis(DEP).1 However, DEP on its own lacks the versatility and precision that are desired when manipulating cells since it is traditionally done with stationary electrodes. Optical tweezers, which utilize a three dimensional electromagnetic field gradient to exert forces on small particles, achieve this desired versatility and precision.2 However, a major drawback of this approach is the high radiation intensity required to achieve the necessary force to trap a particle which can damage biological samples.3 A solution that allows trapping and sorting with lower optical intensities are optoelectronic tweezers (OET) but OET's have limitations with fine manipulation of small particles; being DEP-based technology also puts constraint on the property of the solution.4,5
This video article will describe two methods that decrease the intensity of the radiation needed for optical manipulation of living cells and also describe a method for orientation control. The first method is plasmonic tweezers which use a random gold nanoparticle (AuNP) array as a substrate for the sample as shown in Figure 1. The AuNP array converts the incident photons into localized surface plasmons (LSP) which consist of resonant dipole moments that radiate and generate a patterned radiation field with a large gradient in the cell solution. Initial work on surface plasmon enhanced trapping by Righini et al and our own modeling have shown the fields generated by the plasmonic substrate reduce the initial intensity required by enhancing the gradient field that traps the particle.6,7,8 The plasmonic approach allows for fine orientation control of ellipsoidal particles and cells with low optical intensities because of more efficient optical energy conversion into mechanical energy and a dipole-dependent radiation field. These fields are shown in figure 2 and the low trapping intensities are detailed in figures 4 and 5. The main problems with plasmonic tweezers are that the LSP's generate a considerable amount of heat and the trapping is only two dimensional. This heat generates convective flows and thermophoresis which can be powerful enough to expel submicron particles from the trap.9,10 The second approach that we will describe is utilizing periodic dielectric nanostructures to scatter incident light very efficiently into diffraction modes, as shown in figure 6.11 Ideally, one would make this structure out of a dielectric material to avoid the same heating problems experienced with the plasmonic tweezers but in our approach an aluminum-coated diffraction grating is used as a one-dimensional periodic dielectric nanostructure. Although it is not a semiconductor, it did not experience significant heating and effectively trapped small particles with low trapping intensities, as shown in figure 7. Alignment of particles with the grating substrate conceptually validates the proposition that a 2-D photonic crystal could allow precise rotation of non-spherical micron sized particles.10 The efficiencies of these optical traps are increased due to the enhanced fields produced by the nanostructures described in this paper.

Plasmonic tweezers and photonic crystal nanostructures are shown to produce useful enhancements in the efficiency and orientation control of optically trapping micro- and nano-particles.

الاستفادة من النانو كريستال Plasmonic والضوئية لتعزيز التلاعب الصغرى ، والجسيمات النانوية

A method to manipulate the position and orientation of submicron particles nondestructively would be an incredibly useful tool for basic biological ...

Fabrication and Operation of a Nano-Optical Conveyor Belt

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological and physical sciences over the past few decades. The progress made in this field invites further study of even smaller systems and at a larger scale, with tools that could be distributed more easily and made more widely available. Unfortunately, the fundamental laws of diffraction limit the minimum size of the focal spot of a laser beam, which makes particles smaller than a half-wavelength in diameter hard to trap and generally prevents an operator from discriminating between particles which are closer together than one half-wavelength. This precludes the optical manipulation of many closely-spaced nanoparticles and&#160;limits the&#160;resolution of optical-mechanical systems. Furthermore, manipulation using focused beams requires beam-forming or steering optics, which can be very bulky and expensive. To address these limitations in the system scalability of conventional optical trapping our lab has devised an alternative technique which utilizes near-field optics to move particles across a chip. Instead of focusing laser beams in the far-field, the optical near field of plasmonic resonators produces the necessary local optical intensity enhancement to overcome the restrictions of diffraction and manipulate particles at higher resolution. Closely-spaced resonators produce strong optical traps which can be addressed to mediate the hand-off of particles from one to the next in a conveyor-belt-like fashion. Here, we describe how to design and produce a conveyor belt using a gold surface patterned with plasmonic C-shaped resonators and how to operate it with polarized laser light to achieve super-resolution nanoparticle manipulation and transport. The nano-optical conveyor belt chip can be produced using lithography techniques and easily packaged and distributed.

The scalability and resolution of conventional optical manipulation techniques are limited by diffraction. We circumvent the diffraction limit and describe a method of optically transporting nanoparticles across a chip using a gold surface patterned with a path of closely spaced C-shaped plasmonic resonators.

تصنيع وتشغيل الحزام الناقل النانو البصرية

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological ...

Plasmonic Trapping and Release of Nanoparticles in a Monitoring Environment

Plasmonic tweezers use surface plasmon polaritons to confine polarizable nanoscale objects. Among the various designs of plasmonic tweezers, only a few can observe immobilized particles. Moreover, a limited number of studies have experimentally measured the exertable forces on the particles. The designs can be classified as the protruding nanodisk type or the suppressed nanohole type. For the latter, microscopic observation is extremely challenging. In this paper, a new plasmonic tweezer system is introduced to monitor particles, both in directions parallel and orthogonal to the symmetric axis of a plasmonic nanohole structure. This feature enables us to observe the movement of each particle near the rim of the nanohole. Furthermore, we can quantitatively estimate the maximal trapping forces using a new fluidic channel.

A microchip fabrication process that incorporates plasmonic tweezers is presented here. The microchip enables the imaging of a trapped particle to measure maximal trapping forces.

Plasmonic اصطياد والإفراج عن النانوية في بيئة المراقبة

Plasmonic tweezers use surface plasmon polaritons to confine polarizable nanoscale objects. Among the various designs of plasmonic tweezers, only a few ...

Experimental Methods for Trapping Ions Using Microfabricated Surface Ion Traps

Ions trapped in a quadrupole Paul trap have been considered one of the strong physical candidates to implement quantum information processing. This is due to their long coherence time and their capability to manipulate and detect individual quantum bits (qubits). In more recent years, microfabricated surface ion traps have received more attention for large-scale integrated qubit platforms. This paper presents a microfabrication methodology for ion traps using micro-electro-mechanical system (MEMS) technology, including the fabrication method for a 14 &#181;m-thick dielectric layer and metal overhang structures atop the dielectric layer. In addition, an experimental procedure for trapping ytterbium (Yb) ions of isotope 174 (174Yb+) using 369.5 nm, 399 nm, and 935 nm diode lasers is described. These methodologies and procedures involve many scientific and engineering disciplines, and this paper first presents the detailed experimental procedures. The methods discussed in this paper can easily be extended to the trapping of Yb ions of isotope 171 (171Yb+) and to the manipulation of qubits.

This paper presents a microfabrication methodology for surface ion traps, as well as a detailed experimental procedure for trapping ytterbium ions in a room-temperature environment.

طرق تجريبية لمحاصرة الأيونات باستخدام ميكروفابريكاتيد السطحية الفخاخ أيون

Ions trapped in a quadrupole Paul trap have been considered one of the strong physical candidates to implement quantum information processing. This is due ...

Use of Dual Optical Tweezers and Microfluidics for Single-Molecule Studies

Visual biochemistry is a powerful technique for observing the stochastic properties of single enzymes or enzyme complexes that are obscured in the averaging that takes place in bulk-phase studies. To achieve visualization, dual optical tweezers, where one trap is fixed and the other is mobile, are focused into one channel of a multi-stream microfluidic chamber positioned on the stage of an inverted fluorescence microscope. The optical tweezers trap single molecules of fluorescently labeled DNA and fluid flow through the chamber and past the trapped beads, stretches the DNA to B-form (under minimal force, i.e., 0 pN) with the nucleic acid being observed as a white string against a black background. DNA molecules are moved from one stream to the next, by translating the stage perpendicular to the flow to enable the initiation of reactions in a controlled manner. To achieve success, microfluidic devices with optically clear channels are mated to glass syringes held in place in a syringe pump. Optimal results use connectors permanently bonded to the flow cell, tubing that is mechanically rigid and chemically resistant, and which is connected to switching valves that eliminate bubbles that prohibit laminar flow.

Visual, single-molecule biochemistry studied through microfluidic chambers is greatly facilitated using glass barrel, gas-tight syringes, stable connections of tubing to flow cells, and elimination of bubbles by placing switching valves between the syringes and tubing. The protocol describes dual optical traps that enable visualization of DNA transactions and intermolecular interactions.

استخدام الملقط البصري المزدوج والموائع الدقيقة للدراسات أحادية الجزيء

Visual biochemistry is a powerful technique for observing the stochastic properties of single enzymes or enzyme complexes that are obscured in the ...

Biochemistry

Trapping of Micro Particles in Nanoplasmonic Optical Lattice

The plasmonic optical tweezer has been developed to overcome the diffraction limits of the conventional far field optical tweezer. Plasmonic optical lattice consists of an array of nanostructures, which exhibit a variety of trapping and transport behaviors. We report the experimental procedures to trap micro-particles in a simple square nanoplasmonic optical lattice. We also describe the optical setup and the nanofabrication of a nanoplasmonic array. The optical potential is created by illuminating an array of gold nanodiscs with a Gaussian beam of 980 nm wavelength, and exciting plasmon resonance. The motion of particles is monitored by fluorescence imaging. A scheme to suppress photothermal convection is also described to increase usable optical power for optimal trapping. Suppression of convection is achieved by cooling the sample to a low temperature, and utilizing the near-zero thermal expansion coefficient of a water medium. Both single particle transport and multiple particle trapping are reported here.

We describe a procedure to optically trap micro-particles in nanoplasmonic optical lattice.

الملائمة للجسيمات الدقيقة في نانوبلاسمونيك الضوئية شعرية

The plasmonic optical tweezer has been developed to overcome the diffraction limits of the conventional far field optical tweezer. Plasmonic optical ...

Direct Force Measurements of Subcellular Mechanics in Confinement using Optical Tweezers

During the development of a multicellular organism, a single fertilized cell divides and gives rise to multiple tissues with diverse functions. Tissue morphogenesis goes in hand with molecular and structural changes at the single cell level that result in variations of subcellular mechanical properties. As a consequence, even within the same cell, different organelles and compartments resist differently to mechanical stresses; and mechanotransduction pathways can actively regulate their mechanical properties. The ability of a cell to adapt to the microenvironment of the tissue niche thus is in part due to the ability to sense and respond to mechanical stresses. We recently proposed a new mechanosensation paradigm in which nuclear deformation and positioning enables a cell to gauge the physical 3D environment and endows the cell with a sense of proprioception to decode changes in cell shape. In this article, we describe a new method to measure the forces and material properties that shape the cell nucleus inside living cells, exemplified on adherent cells and mechanically confined cells. The measurements can be performed non-invasively with optical traps inside cells, and the forces are directly accessible through calibration-free detection of light momentum. This allows measuring the mechanics of the nucleus independently from cell surface deformations and allowing dissection of exteroceptive and interoceptive mechanotransduction pathways. Importantly, the trapping experiment can be combined with optical microscopy to investigate the cellular response and subcellular dynamics using fluorescence imaging of the cytoskeleton, calcium ions, or nuclear morphology. The presented method is straightforward to apply, compatible with commercial solutions for force measurements, and can easily be extended to investigate the mechanics of other subcellular compartments, e.g., mitochondria, stress-fibers, and endosomes.

Here, we present a protocol to investigate the intracellular mechanical properties of isolated embryonic zebrafish cells in three-dimensional confinement with direct force measurement by an optical trap.

قياسات القوة المباشرة للميكانيكا دون الخلوية في الحبس باستخدام ملاقط بصرية

During the development of a multicellular organism, a single fertilized cell divides and gives rise to multiple tissues with diverse functions. Tissue ...

Developmental Biology

Optical Trapping of Plasmonic Nanoparticles for In Situ Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Characterizations

Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) enables the ultrasensitive detection of analyte molecules in various applications due to the enhanced electric field of metallic nanostructures. Salt-induced silver nanoparticle aggregation is the most popular method for generating SERS-active substrates; however, it is limited by poor reproducibility, stability, and biocompatibility. The present protocol integrates optical manipulation and SERS detection to develop an efficient analytical platform to address this. A 1064 nm trapping laser and a 532 nm Raman probe laser are combined in a microscope to assemble silver nanoparticles, which generate plasmonic hotspots for in situ SERS measurements in aqueous environments. Without aggregating agents, this dynamic plasmonic silver nanoparticle assembly enables an approximately 50-fold enhancement of the analyte molecule signal. Moreover, it provides spatial and temporal control to form the SERS-active assembly in as low as 0.05 nM analyte-coated silver nanoparticle solution, which minimizes the potential perturbation for in vivo analysis. Hence, this optical trapping-integrated SERS platform holds great potential for efficient, reproducible, and stable molecular analyses in liquids, especially in aqueous physiological environments.

Optical Trapping of Plasmonic Nanoparticles for In Situ Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Characterizations

The present protocol describes a convenient approach to integrating optical trapping and surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) to manipulate plasmonic nanoparticles for sensitive molecular detection. Without aggregating agents, the trapping laser assembles plasmonic nanoparticles to enhance the SERS signals of target analytes for in situ spectroscopic measurements.

المحاصرة البصرية للجسيمات النانوية البلازمونية لتوصيف التحليل الطيفي رامان المحسن للسطح في الموقع

Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) enables the ultrasensitive detection of analyte molecules in various applications due to the enhanced electric ...