Name: optical trap loading of dielectric microparticles in air
Uploaded: 2017-02-05T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 57 s
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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.

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 <ol><li> Entwerfen Sie eine PZT - Halter und eine Probe - Gehäuse HINWEIS: Besondere Bemessungswerte in Abhängigkeit von der Auswahl eines PZT variieren. <ol><li> 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. </li><li> Klicken Sie auf Skizze,zeichnen Sie ein Rechteck und extrudieren sie einen rechteckigen Kubus zu machen. </li><li> Skizzieren Sie eine Platte auf der Oberseite des Würfels eine kreisförmig vertieften Merkmal definieren abzudecken und halten Sie den Ring-PZT. </li><li> Definieren Sie ein zentrales Loch einen optischen Zugang sowohl für Echtzeit-Bildgebung und Trapping zu haben. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Zeichnen Sie ein kleineres Rechteck auf der Oberseite des rectangular Box und extrudieren-schneiden Sie das Rechteck, um es als Rechteckrohr zu machen. </li><li> Zeichne ein kleineres Rechteck auf der Seitenwand des Rohres und Extrude-cut es in den Rahmen der Probengehäusekasten zu verwandeln. </li><li> Konvertieren Sie diese dreidimensionalen (3D) Modelle in eine Stereolithografie (STL) Dateiformat für einen 3D - Druckverfahren (Abbildung 2b). </li></ol></li><li> 3D - Druck der entworfenen Objekte <ol><li> Öffnen Sie die Design-Datei ( &quot;-.STL&quot;) 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: &quot;Move&quot;, &quot;On Platform&quot; und &quot;Center&quot;. Richten Sie den PZT Halter die feinen Gesichtszüge nach oben zu stellen. Die vertiefte Fläche wird nach oben gerichtet werden. </li><li> Gehen Sie im Menü auf &quot;Einstellungen&quot; und die Registerkarte &quot;Qualität&quot;. Stellen Sie die Druckwerte, wie folgend, Füllung: 100%, Schalenanzahl: 2 und Layer-Höhe: 0.2mm. </li><li> Vorschau der Objekte die Gesamtdruckzeit zu überprüfen und sicherzustellen, dass die geschichteten Objekte wie gewünscht gedruckt wird. Exportieren Sie die 3D-Druckdatei in einem &quot;.x3g&quot; Format und speichern Sie sie im 3D-Drucker zu verwenden. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Drucken Sie die Designobjekte. Sobald der Druckauftrag abgeschlossen ist, schalten Sie den Drucker, nachdem er abgekühlt ist. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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 </li></ol></li></ol> 2. Optische Trap-Laden eines ausgewählten Mikroteilchen <ol><li> Probenvorbereitung <ol><li> Lagern Sie die Mikropartikel in einevakuierten Exsikkator Kontakt mit Feuchtigkeit in der Luft vor dem Experiment zu verringern. </li><li> Gießen Sie einen kleinen Teil der Mikropartikel auf einen Glasträger und sofort die Flaschenherstellung setzen im Exsikkator. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol&gt; </li><li> Piezo - Launcher Montage <ol><li> 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. </li><li> Tragen Sie eine dünne Folie (oder Band) auf der Bodenplatte des PZT zu isolieren. Das Deckglas isoliert die Oberseite des Stapels. </li><li> 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. </li><li> Schließlich kleben Sie die Probe-Gehäuse auf den Stapel und montieren Sie die Montage auf einem XYZ-Translationsstufe im Mikroskop. </li></ol></li><li> 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. <ol><li> Verbinden der PZT führt zu dem Spannungsverstärker und eine Verbindung des Funktionsgenerators mit einem Eingangsanschluß des Spannungsverstärkers. </li><li> 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. </li><li> Schalten Sie den Spannungsverstärker und erzeugen die Rechteckwelle der Ausgangsspannung 1 V durch den Ausgang zu ermöglichen. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Konfigurieren der Funktionsgenerator eine Rechteckwelle mit einer bestimmten Anzahl von Zyklen im Burst-Modus zu erzeugen. Drücken Sie die &quot;Burst&quot; Taste auf der Frontplatte und wählen Sie &quot;N Cycle-Burst&quot;. </li><li> Wählen Sie die Burst-Anzahl von &quot;# Cycles&quot; Soft-Taste und stellen Sie die Anzahl auf 10 oder 20. </li><li> 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. </li></ol></li><li> 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. <ol><li> 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. </li><li> Sobald der Fokusposition überprüft wird, setzen Sie den Filter wieder eine klare Echtzeit-Video ohne Störung durch den Fangstrahl zu geben. </li><li> 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. </li><li> 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 &amp; mgr; m Durchmesser Polystyrol (PS) -Partikel. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol></li></ol> 3. Datenerfassung <ol><li> Ausrichten der Kondensator und die Fokussierlinse das QPD &quot;SUM&quot; -Signal mit einer Partikel in der Falle zu maximieren. </li><li> Richten der Fokussierlinse auf nominell die X und Y - Kanäle des QPD Null, wie in 4c gezeigt. </li><li> Wiederholen Sie die Einstellung des Kondensators und die Fokussierlinse bis die Fourier transformierte Positionssignale (oder Leistungsspektrumsdichte<html> (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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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 &quot;&gt; 17 4d und 4e zeigt gemittelten Signale der angelegten Spannung und der induzierten Teilchenbahn über 50 Iterationen von Schritt Anregung. </li></ol>

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The authors declare no competing financial interest.

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. Ers...

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

<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.

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 vorgefertigte...

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Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air

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

Optische Trap-Laden von Dielectric Mikroteilchen in der Luft

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

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Research

JoVE Journal

Engineering

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

Serie: 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.

Einem mikrofluidischen-basierte Hydrodynamische Trap für einzelne Teilchen

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

Forschung

Biotechnik

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.

Optical Trapping von Nanopartikeln

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 ...

Ingenieurwesen

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.

Nutzung von Plasmonic und Photonic Crystal Nanostrukturen für verbesserte Mikro-und Nanopartikel-Manipulation

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.

Herstellung und Betrieb eines Nano-Optical Fließband

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.

Plasmonische Trapping und Freisetzung von Nanopartikeln in einer Monitoring-Umgebung

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.

Experimentelle Methoden für das Einfangen von Ionen mit Microfabricated Oberfläche Ionenfallen

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.

Verwendung von zwei optischen Pinzetten und Mikrofluidik für Einzelmolekülstudien

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

Biochemie

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.

Trapping von Mikropartikeln in Nanoplasmonic optischen Gitter

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.

Direkte Kraftmessungen der subzellulären Mechanik im Einschluss mit optischen Pinzetten

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

Entwicklungsbiologie

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.

Optisches Einfangen plasmonischer Nanopartikel für In-situ-oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie-Charakterisierungen

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