Cargando óptica Trampa de micropartículas en dieléctrica del aire

Resumen

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

Resumen

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.

Introducción

Ashkin informó la aceleración y la captura de micropartículas por la presión de radiación en 1970. ¹ Su novela logro promovido el desarrollo de técnicas de captura óptica como una herramienta primaria para los estudios fundamentales de la física y biofísica. ^{2, 3, 4, 5} Hasta la fecha, la aplicación de captura óptica se ha centrado principalmente en los ambientes líquidos, y han utilizado para estudiar una gama muy amplia de los sistemas, a partir del comportamiento de los coloides a las propiedades mecánicas de biomoléculas individuales. ^{6, 7, 8} Aplicación de atrapamiento óptico para medios gaseosos, sin embargo, requiere la resolución de varios nuevos problemas técnicos.

Recientemente, las trampas ópticas en el aire / vacío se ha aplicado cada vez más en la investigación fundamental. Desde Levi ópticastación potencialmente proporciona un aislamiento casi completo de un sistema del medio ambiente circundante, la partícula ópticamente levitado se convierte en un laboratorio ideal para el estudio de estados fundamentales cuántica en objetos pequeños, ⁴ ondas gravitacionales de alta frecuencia de medición, ⁹ y la búsqueda de la carga fraccionada. ¹⁰ Por otra parte, la baja viscosidad del aire / vacío permite usar la inercia para medir la velocidad instantánea de una partícula browniano ¹¹ y para crear un movimiento balístico en un amplio rango de movimiento más allá de la régimen lineal primaveral. ¹² Por lo tanto, la información y las prácticas de trampas ópticas en medios gaseosos técnica detallada se han vuelto más valioso para la comunidad de investigación más amplio.

Se requieren nuevas técnicas experimentales para cargar nano / micropartículas en trampas ópticas en medios gaseosos. Un transductor piezoeléctrico (PZT), un dispositivo que convierte electric energía en energía mecano-acústico, se ha utilizado para suministrar partículas pequeñas en las trampas ópticas en el aire / vacío ^{5, 12} desde la primera demostración de levitación óptica. ¹ Desde entonces, se han propuesto varias técnicas de carga para cargar las partículas más pequeñas utilizando aerosoles volátiles generados por un nebulizador comercial ¹³ o un generador de ondas acústicas. ¹⁴ Los aerosoles flotantes con inclusiones sólidas (partículas) pasan al azar cerca del foco y se encuentran atrapados por casualidad. Una vez que está atrapado el aerosol, el disolvente se evapora y la partícula permanece en la trampa óptica. Sin embargo, estos métodos no son muy adecuados para identificar las partículas deseadas de dentro de una muestra, la carga de una partícula seleccionado y realizar un seguimiento de sus cambios si se libera de la trampa. Este protocolo está destinado a proporcionar detalles a nuevos practicantes en selectiva trampa de carga óptica en el aire, incluyendo el experimentoal configuración, la fabricación de un soporte de PZT y el recinto de la muestra, trampa de carga, y la adquisición de datos asociada con el análisis de movimiento de las partículas en los dominios de frecuencia y de tiempo. Los protocolos para atrapar en medios líquidos también han sido publicados. ^{15, 16}

La configuración experimental global se desarrolla en un microscopio óptico invertido comercial. La figura 1 muestra un diagrama esquemático de la configuración utilizada para demostrar pasos de la trampa óptica selectiva de carga: liberar las micropartículas de descanso, el levantamiento de la partícula elegido con el haz enfocado, la medición de su movimiento y de colocarla sobre el sustrato nuevo. En primer lugar, las etapas de traslación (transversales y verticales) se utilizan para llevar una micropartícula seleccionada sobre el sustrato con el enfoque de un láser de captura (longitud de onda 1.064 nm) enfocada por una lente de objetivo (infrarrojo cercano corregidos objetivo distancia de trabajo larga: NA 0,4, magnificación 20X, d trabajarIstance 20 mm) a través del sustrato transparente. Entonces, un lanzador piezoeléctrico (un pre-cargado mecánicamente en forma de anillo PZT) genera vibraciones ultrasónicas para romper la adherencia entre micropartículas y un sustrato. Por lo tanto, cualquier partícula liberado puede ser levantada por la trampa láser gradiente de un solo haz enfocado sobre la partícula seleccionada. Una vez que se atrapa la partícula, se traduce en el centro de la carcasa muestra que contiene dos placas conductoras paralelas para la excitación electrostática. Finalmente, un sistema de adquisición de datos (DAQ) registra simultáneamente el movimiento de las partículas, capturada por un fotodetector de células cuadrante (QPD), y el campo eléctrico aplicado. Después de terminar la medición, la partícula se coloca de forma controlable sobre el sustrato de manera que puede ser atrapado de nuevo de una manera reversible. Este proceso en general puede repetirse cientos de veces sin pérdida de partículas para medir los cambios, como la electrificación de contacto que ocurren durante varios ciclos de captura. Por favor refiérase a nuestro reciente artículo Fo detalles. ¹²

Protocolo

Precaución: Por favor, consulte a todos los programas de seguridad pertinentes antes del experimento. Todos los procedimientos experimentales descritos en este protocolo se realizan de acuerdo con el programa de seguridad del láser NIST, así como otras regulaciones aplicables. Por favor, asegúrese de seleccionar y usar equipo de protección personal (PPE), como gafas de protección láser diseñado para la longitud de onda y potencia específica. Manipulación nano / micropartículas secas puede requerir protección respiratoria adicional.

1. Diseño y fabricación de un titular de PZT y un recinto de la Muestra

1. Diseñar un soporte de PZT y un recinto de la muestra
   NOTA: Los valores de diseño en particular varían dependiendo de la selección de un PZT.
   1. Abra el paquete de software de diseño asistido por ordenador (CAD). Haz un dibujo de dos dimensiones (2D) de un soporte para una dimensión dada de PZT. Desarrollar el boceto 2D a las características volumétricas utilizando combinaciones de Extrusión / Extrusión de corte.
   2. Haga clic en Croquis,dibujar un rectángulo y extruir para hacer un cubo rectangular.
   3. Dibuje un disco en la superficie superior del cubo para definir una característica rebajada circular para cubrir y sostener el tipo anillo de PZT.
   4. Definir un orificio central para tener un acceso óptico para ambos de imágenes en tiempo real y de captura.
   5. Definir una guía circular a lo largo del borde del orificio central para insertar un anillo plano metálico (cobre) para concentrar la energía ultrasónica hacia la zona central como se muestra en la Figura 2 a.
   6. Crear dos agujeros para tornillos M6 sobre el soporte de PZT para ser ensamblado con una placa de fondo (comprado, la placa inferior de aluminio de 4 mm de espesor con un agujero en el centro), como se muestra en la figura 2c y 2d.
   7. De una manera similar, el diseño de un marco rectangular de la caja de la muestra. Haga clic en Croquis, y dibujar un rectángulo, extruir el rectángulo para que sea una caja rectangular.
   8. Dibuje un rectángulo más pequeño en la superficie superior de la Rectangulacaja de r-extrusión y cortar el rectángulo para que sea como un tubo rectangular.
   9. Dibujar un rectángulo más pequeño en la pared lateral del tubo y Extrusión de corte para transformarlo en el marco del cuadro recinto de la muestra.
   10. Convertir estos modelos tridimensionales (3D) en un formato de archivo de estereolitografía (STL) para un proceso de impresión 3D (Figura 2b).
2. La impresión en 3D de los objetos diseñados
   1. Abra el archivo de diseño ( "-.STL") desde el software operativo de la impresora 3D. Coloque el objeto plano central 0 / .y el objeto en (0, 0, 0) haciendo clic en el objeto para seleccionarlo y utilizar las funciones de alineación: "Mover", "Sobre la plataforma", y "Centro". Orientar el titular de PZT para hacer frente a los rasgos delicados hacia arriba. La superficie rebajada se enfrentará al alza.
   2. En el menú ir a "Configuración" y la pestaña "Calidad". Establecer los valores de impresión de la siguiente manera, Relleno: 100%, Número de cáscaras: 2, y la altura de capa: 0,2mm.
   3. Una vista previa de los objetos para comprobar el tiempo total de impresión y asegúrese de que los objetos en capas se pueden imprimir si lo deseas. Exportar el archivo de impresión 3D en un formato ".x3g" y guardarlo para usar en la impresora 3D.
   4. Encienda la impresora 3D y deje que se caliente hasta que la temperatura de la boquilla de extrusión alcanza una temperatura de funcionamiento, 230 ° C. Cargar el archivo de diseño de una tarjeta de memoria o unidad de red.
   5. Durante el calentamiento, coloque la plataforma de construcción con cinta de pintor azul para ayudar a los objetos se adhieren firmemente. Como un material termoplástico para el trabajo de impresión, utilice un filamento de ácido poliláctico (PLA) para ambos objetos.
   6. Imprimir los objetos diseñados. Una vez finalizado el trabajo de impresión, apague la impresora después de que se haya enfriado.
   7. Separar el objeto impreso desde la plataforma usando un cincel. Enderezar los objetos impresos. Si la orientación se elige apropiadamente, el titular de PZT puede ser utilizado directamente sin más post-procesamiento.
   8. for el recinto muestra, preparar un par de óxido de indio y estaño (ITO) cubreobjetos recubiertos y tres cubreobjetos de vidrio para cubrir el marco. Utilice un cortador de diamante para encajar el cubre al recinto.
   9. Alambre de las dos placas conductoras paralelas utilizando una pintura de plata de secado rápido para el suministro de voltaje a través de dos placas. Pegue estas cinco ventanas en el recinto de la muestra usando un pegamento adhesivo instantáneo.
      NOTA: La un par de cubreobjetos recubiertos de ITO están instalados en el recinto de la muestra en paralelo (uno frente al otro) para proporcionar campo eléctrico uniforme y para generar movimiento balístico de la partícula cargada de forma natural a lo largo del campo eléctrico. Los tres cubreobjetos convencional cubrir el resto de las superficies de la muestra del recinto (arriba y otros dos lados) para proteger la partícula atrapada a partir del flujo de aire externo

2. Carga trampa óptica de una micropartícula seleccionada

1. preparación de la muestra
   1. Almacenar las micropartículas en unadesecador evacuado para reducir el contacto con la humedad del aire antes del experimento.
   2. Vierta una pequeña porción de micropartículas en un portaobjetos de vidrio y de inmediato puso la botella de la fabricación de nuevo en el desecador.
   3. Recoger algunas de las micropartículas con un tubo capilar de vidrio. Dispersar las partículas sobre el sustrato golpeando suavemente en el capilar mientras mantiene el capilar sobre el cubreobjetos.
   4. Verificar la cantidad y distribución de las partículas depositadas sobre el sustrato utilizando un microscopio de campo oscuro.
      Nota: En la etapa de preparación de la muestra, la partícula se acaba dispersa en un cubreobjetos y fotografiada con un microscopio óptico para verificar disposición general antes de insertarlos (un cubreobjetos con micropartículas dispersas) entre el titular de PZT y PZT. Dado que la adhesión a la superficie es lo suficientemente fuerte como para mantener micropartículas individuales en el sustrato, las partículas adheridas se fijan firmemente a menos que se aplica una fuerza externa significativa.
2. Ensamblaje lanzador piezoeléctrico
   1. Obtener todos los componentes del lanzador piezoeléctrico: la placa de fondo plano, película, el PZT, el cubreobjetos de vidrio, un anillo de cobre, el titular de PZT, dos tornillos M6, y el recinto de la muestra aislantes.
   2. Aplicar una película delgada (o cinta) en la placa inferior para aislar el PZT. El cubreobjetos de vidrio aísla la parte superior de la pila.
   3. Montar la pila centrando el PZT en la parte superior de la placa plana ahora aislado con cinta, seguido por el cubreobjetos, el anillo de cobre, y el soporte de PZT. Tornillo de la pila juntos manteniendo el centrado del PZT para evitar un cortocircuito en el PZT al titular si el titular está llevando a cabo como se muestra en la figura 2c y 2d. El anillo de cobre proporciona una precarga mecánica uniformemente distribuida en la pila para los titulares de PZT de plástico.
   4. Por último, pegar el recinto de la muestra en la pila y montar el conjunto en una etapa de traslación XYZ en el microscopio.
3. Configuración del lanzador PZT
   NOTA: La conducción del PZT con una señal de alta tensión tiene potenciales riesgos eléctricos. Por favor, consulte con personal de seguridad antes del experimento. Todas las conexiones eléctricas deben ser asegurados antes del experimento. Apague el amplificador y desconecte PZT conduce siempre que sea posible.
   1. Conectar el PZT conduce al amplificador de voltaje y conecte el generador de funciones a un puerto de entrada del amplificador de tensión.
   2. Encienda el generador de funciones y configurarlo para generar ondas cuadradas continua con una tensión de salida de 1 V. No generar la señal de tensión hasta que todas las conexiones se verifican y asegurados.
   3. Encienda el amplificador de tensión y generar la onda cuadrada de la tensión de salida de 1 V, permitiendo la salida.
   4. Conectar el puerto de salida de control (tensión de salida 200 V) del amplificador a un osciloscopio. Configurar el amplificador a una ganancia de 200 V / V girando elganar mando en el panel frontal. Verificar que la tensión de salida de vigilancia tiene una amplitud de 1 V, medida por el osciloscopio.
   5. Una vez que el generador de funciones y el amplificador se configuran, encontrar la frecuencia de resonancia del lanzador PZT mediante la exploración de la frecuencia de modulación de la señal de activación, mientras que las imágenes del microscopio de vídeo en tiempo real adheridas partículas. Repetir la exploración hasta que el movimiento de micropartículas es un máximo. Utilice esta frecuencia (64 kHz aquí) para liberar partículas.
      NOTA: La frecuencia de modulación se cambia manualmente (escaneado) de cero a 150 kHz para encontrar la frecuencia de resonancia.
   6. Configurar el generador de funciones para generar una onda cuadrada con un número determinado de ciclos en el modo de ráfaga. Presione el botón de "ráfaga" en el panel frontal y seleccione "N ciclo de la ráfaga".
   7. Elija el recuento de salvas pulsando "# Ciclos" tecla de función y establecer el recuento a 10 o 20.
   8. Configurar la forma de onda cuadrada para generar señales de tensión conuna amplitud de 600 V (tres veces el voltaje utilizado para la excitación continua) a la frecuencia de resonancia de 64 kHz que se ha encontrado en el paso anterior. Compruebe que la señal pulsante libera la partícula diana de manera repetible asegurando partículas se mueven después de cada pulso.
4. Selectiva trampa óptica de carga
   NOTA: El conjunto lanzador PZT está instalado en una etapa xy traslación lineal manual. Las partículas pueden ser traducidos en relación con el enfoque de haz fijo moviendo la etapa de traslación.
   1. Retire el filtro de línea de láser para identificar el foco del haz de captura mediante la rotación de la torreta microscopio (Figura 3a). Mover el bloque de enfoque motorizado de ida y vuelta verticalmente alrededor del mejor enfoque de la imagen visible para optimizar el enfoque.
   2. Una vez verificada la posición de enfoque, ponga el filtro de nuevo a darle un video en tiempo real claro sin interferencia del haz de atrapamiento.
   3. Traducir la muestra apata una partícula seleccionado en la posición de enfoque del láser de captura. Centrarse en la partícula a la imagen del centro de una partícula seleccionado, lo que sitúa la posición de captura nominal por debajo del centro de las partículas en alrededor de un medio de radio, dejando la posición de levitación por encima de la partícula.
   4. Ajustar la fuente de alimentación conectada al conductor electro-óptico modulador (MOE) para ajustar la potencia de captura óptico. La potencia óptima depende del tamaño de las partículas y material. Se encontró que la potencia óptica a través de pruebas repetidas para determinar la potencia suficiente para hacer levitar la partícula sin expulsar desde el haz. A continuación, utilice una potencia óptica de 140 mW en el plano focal del objetivo para atrapar las partículas de 20 micras de diámetro de poliestireno (PS).
   5. Después de que el centro de la partícula seleccionada está alineado, accionar el lanzador piezoeléctrico con varios pulsos. El cambio de la imagen de partícula de una imagen enfocada estática a una imagen borrosa en movimiento indica la carga satisfactoria de la levsanea- posición.
   6. Traducir la partícula levitado verticalmente alrededor de un milímetro por encima del sustrato moviendo la lente objetivo para evitar que las posibles interacciones de superficie. A continuación, reducir la potencia óptica para la transición de la partícula de levitación (figura 3b) a la posición nominal de captura (Figura 3c), que es más estable.
      NOTA: la potencia óptica de láser de captura puede ser modulada por un modulador electro-óptico (MOE). La MOE regula la potencia de salida con una tensión de polarización suministrada a través de una fuente de alimentación digital. Se puede observar la transición de la levitación en la captura de posición a través de la CCD, mientras que reduce lentamente la potencia óptica.
   7. Para la medición de la posición, como se representa en la Figura 3c a 3D, mover con cuidado el centro del soporte PZT al eje óptico y luego mover la lente objetivo hacia arriba (verticalmente) para traducir la partícula en el medio del recinto de la muestra (9 mm por encima de la substrate) donde se reduce al mínimo el campo eléctrico franja.
   8. Después de realizar la medición tal como se describe a continuación, colocar la partícula sobre el sustrato moviendo el objetivo hacia abajo hasta que la partícula toca el sustrato. Dado que la mayoría de las partículas se aplican cerca de las esquinas, la partícula atrapada se puede reconocer fácilmente y re-atrapado cuando se coloca en la zona central. Esto permite reversible trampa de carga para medir los cambios que se producen más allá de un único evento de captura tales como las interacciones de contacto de la partícula y el sustrato.

3. Adquisición de Datos

1. Alinear el condensador y la lente de enfoque para maximizar la "suma" de la señal QPD con una partícula en la trampa.
2. Alinear la lente de enfoque para poner a cero nominalmente los canales X e Y de la QPD, como se muestra en la Figura 4c.
3. Repetir el ajuste del condensador y la lente de enfoque hasta que las señales de posición Fourier transformadas (o la densidad del espectro de potencia (PSD) parcelas) de la X e Y se superponen canales para mostrar la sensibilidad equilibrada. Señales QPD correctamente alineados (X e Y) muestran un comportamiento casi idéntico, como se muestra en la Figura 4b.
4. Una vez que se verifica la alineación QPD, conectar el amplificador de tensión a las dos placas de ITO. Conectar la señal de salida de monitorización de tensión del amplificador al sistema de adquisición de datos para registrar la señal de paso de excitación y la trayectoria de la partícula inducida de forma sincrónica.
5. Suministro de una onda cuadrada continua de 400 V para generar un campo eléctrico (Figura 4d) que se mueve la partícula transversalmente al eje óptico en alrededor de 500 nm (Figura 4e). Medir la respuesta de paso de la partícula atrapada mediante el QPD.
6. Promedio de varios períodos que sean necesarias para reducir los efectos del movimiento browniano. El movimiento inducido puede ser usado para medir la fuerza óptica sobre una gama más amplia de movimiento que el de las fluctuaciones térmicas. ^12,ef "> 17 Figura 4d y 4e muestra un promedio de señales de tensión aplicada y la trayectoria de la partícula inducida por más de 50 iteraciones de excitación paso.

Resultados

El lanzador PZT está diseñado usando un paquete de software CAD. Aquí, nosotros usamos una estructura de emparedado simple para la precarga (a PZT sujeta con dos placas), como se muestra en la Figura 2. El titular de PZT y el recinto de la muestra se puede fabricar de una variedad de materiales y métodos. Para una rápida demostración, elegimos la impresión en 3D con termoplástico como se ilustra en la Figura 2d. Sobre la base de ...

Discusión

El lanzador piezoeléctrico está diseñado para optimizar el rendimiento dinámico de un PZT seleccionado. La selección adecuada de materiales y gestión de las vibraciones ultrasónicas PZT son los pasos clave para dar un experimento exitoso. PZT tienen diferentes características dependiendo del tipo de transductor (mayor o apilados) y materiales de los componentes (duras o blandas). A PZT tipo mayor hecho de un material piezoeléctrico duro se elige por las siguientes razones. En primer lugar, los materiales piezoe...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
ScotchBlue Painter's Tape Original	3M	3M2090
Scotch 810 Magic Tape	3M	3M810
Function/Arbitrary Waveform generator	Agilent	HP33250A
Power supply/Digital voltage supplier	Agilent	E3634A
Ring-type piezoelectric transducer	American Piezo Company	item91
Electro-optic modulator	Con-Optics	350−80-LA
Amplifier for Electro-optic modulator	Con-Optics	302RM
Mitutoyo NIR infinity Corrected Objective	Edmund optics	46-404	Manufactured by Mitutoyo and Distributed by Edmund optics
LOCTITE SUPER GLUE LONGNECK BOTTLE	Loctite	230992
3D printer	MakerBot	Replicator 2
Polylactic acid (PLA) filament	MakerBot	True Red PLA Small Spool
Data Acquisition system	National Instruments	780114-01
Quadrant-cell photodetector	Newport	2031
Translational stage	Newport	562-XYZ
Inverted optical microscope	Nikon Instruments	EclipsTE2000
Fluorescence filter (green)	Nikon Instruments	G-2B
Flea3/CCD camera	Point Grey	FL3-U3-13S2M-CS	Trapping laser
Diode pumped neodymium yttrium vanadate(Nd:YVO4)	Spectra Physics	J20I-8S-12K/ BL-106C
Indium tin oxide (ITO) Coated coverslips	SPI supplies	06463B-AB	Polystyrene microparticles
Fast Drying Silver Paint	Tedpella	16040-30
Dri-Cal size standards	Thermo Scientific	DC-20
Optical Fiber	Thorlabs	P1−1064PM-FC-5	bottom plate
Aluminium plate	Thorlabs	CP4S
High voltage power amplifier	TREK	PZD700A M/S