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.

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 <ol><li> 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. <ol><li> 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. </li><li> Haga clic en Croquis,dibujar un rectángulo y extruir para hacer un cubo rectangular. </li><li> Dibuje un disco en la superficie superior del cubo para definir una característica rebajada circular para cubrir y sostener el tipo anillo de PZT. </li><li> Definir un orificio central para tener un acceso óptico para ambos de imágenes en tiempo real y de captura. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Convertir estos modelos tridimensionales (3D) en un formato de archivo de estereolitografía (STL) para un proceso de impresión 3D (Figura 2b). </li></ol></li><li> La impresión en 3D de los objetos diseñados <ol><li> Abra el archivo de diseño ( &quot;-.STL&quot;) 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: &quot;Mover&quot;, &quot;Sobre la plataforma&quot;, y &quot;Centro&quot;. Orientar el titular de PZT para hacer frente a los rasgos delicados hacia arriba. La superficie rebajada se enfrentará al alza. </li><li> En el menú ir a &quot;Configuración&quot; y la pestaña &quot;Calidad&quot;. Establecer los valores de impresión de la siguiente manera, Relleno: 100%, Número de cáscaras: 2, y la altura de capa: 0,2mm. </li><li> 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 &quot;.x3g&quot; y guardarlo para usar en la impresora 3D. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Imprimir los objetos diseñados. Una vez finalizado el trabajo de impresión, apague la impresora después de que se haya enfriado. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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 </li></ol></li></ol> 2. Carga trampa óptica de una micropartícula seleccionada <ol><li> preparación de la muestra <ol><li> Almacenar las micropartículas en unadesecador evacuado para reducir el contacto con la humedad del aire antes del experimento. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol&gt; </li><li> Ensamblaje lanzador piezoeléctrico <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Por último, pegar el recinto de la muestra en la pila y montar el conjunto en una etapa de traslación XYZ en el microscopio. </li></ol></li><li> 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. <ol><li> Conectar el PZT conduce al amplificador de voltaje y conecte el generador de funciones a un puerto de entrada del amplificador de tensión. </li><li> 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. </li><li> Encienda el amplificador de tensión y generar la onda cuadrada de la tensión de salida de 1 V, permitiendo la salida. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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 &quot;ráfaga&quot; en el panel frontal y seleccione &quot;N ciclo de la ráfaga&quot;. </li><li> Elija el recuento de salvas pulsando &quot;# Ciclos&quot; tecla de función y establecer el recuento a 10 o 20. </li><li> 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. </li></ol></li><li> 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. <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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). </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol></li></ol> 3. Adquisición de Datos <ol><li> Alinear el condensador y la lente de enfoque para maximizar la &quot;suma&quot; de la señal QPD con una partícula en la trampa. </li><li> 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. </li><li> 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<html> (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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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 &quot;&gt; 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. </li></ol>

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</ol>

The authors declare no competing financial interest.

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...

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

<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.

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 ...

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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.

Cargando óptica Trampa de micropartículas en dieléctrica del aire

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 vistas.  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.

Una de microfluidos basada en hidrodinámica trampa para las partículas individuales

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

Investigación

Bioingeniería

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.

Trampas ópticas de las nanopartículas

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 ...

Ingeniería

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.

Utilización de nanoestructuras fotónicas de cristal plasmónicos y para la manipulación mejorada de Micro y nanopartículas

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.

Fabricación y operación de una banda transportadora nano-óptica

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.

Plasmónica la captura y liberación de nanopartículas en un entorno de monitorización

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.

Métodos experimentales para atrapar iones usando recientemente trampas de iones de la superficie

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.

Uso de pinzas ópticas duales y microfluídica para estudios de moléculas individuales

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

Bioquímica

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.

Captura de partículas Micro en enrejado óptico Nanoplasmonic

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.

Mediciones directas de la fuerza de la mecánica subcelular en confinamiento utilizando pinzas ópticas

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

Biología del Desarrollo

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.