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.

Attention: S&#39;il vous plaît consulter tous les programmes de sécurité applicables avant l&#39;expérience. Toutes les procédures expérimentales décrites dans ce protocole sont effectuées en conformité avec le programme de sécurité LASER NIST ainsi que d&#39;autres règlements applicables. S&#39;il vous plaît assurez-vous de choisir et porter un équipement de protection individuelle (EPI) tels que des lunettes de protection laser conçus pour la longueur d&#39;onde et de puissance spécifique. Manipulation nano sec / microparticules peut nécessiter une protection respiratoire supplémentaire. 1. Conception et fabrication d&#39;un porteur de PZT et un boîtier échantillon <ol><li> Concevoir un porte-PZT et une enceinte de l&#39; échantillon REMARQUE: Les valeurs de conception particulières varient en fonction de la sélection d&#39;un PZT. <ol><li> Ouvrez le logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO). Dessinez un à deux dimensions (2D) esquisse d&#39;un support pour une dimension de PZT donné. Développer l&#39;esquisse 2D à des caractéristiques volumétriques en utilisant des combinaisons de Extrusion / Extrusion-cut. </li><li> Cliquez sur Sketch,dessiner un rectangle et l&#39;extruder pour faire un cube rectangulaire. </li><li> Dessinez un disque sur la surface supérieure du cube pour définir une fonction encastrée circulairement pour couvrir et tenir le PZT de type annulaire. </li><li> Définir un trou central pour avoir un accès optique à la fois pour l&#39;imagerie en temps réel et le piégeage. </li><li> Définir un guide circulaire le long du bord du trou central pour insérer une bague métallique plate (cuivre) pour concentrer l&#39;énergie ultrasonore vers la zone centrale , comme indiqué sur la figure 2a. </li><li> Créer deux perçages pour vis M6 sur le support de PZT à assembler avec une plaque de fond (acheté, 4 mm d&#39; épaisseur plaque d&#39;aluminium fond avec un trou au centre), comme le montre la figure 2c et 2d. </li><li> D&#39;une manière similaire, la conception d&#39;un cadre rectangulaire de l&#39;enceinte de l&#39;échantillon. Cliquez sur Sketch, et dessiner un rectangle, extruder le rectangle pour en faire une boîte rectangulaire. </li><li> Dessinez un rectangle plus petit sur la surface supérieure de la rectangulaboîte de r et extruder-coupent le rectangle pour faire comme un tube rectangulaire. </li><li> Dessinez un rectangle plus petit sur la paroi latérale du tube et Extrusion-cut pour le transformer dans le cadre de la boîte de l&#39;enceinte de l&#39;échantillon. </li><li> Convertissez ces (3D) des modèles en trois dimensions dans un format stéréolithographie (STL) de fichier pour un procédé d&#39;impression 3D (Figure 2b). </li></ol></li><li> Impression 3D des objets conçus <ol><li> Ouvrez le fichier de conception ( &quot;de -.STL&quot;) à partir du logiciel d&#39;exploitation de l&#39;imprimante 3D. Couchez l&#39;objet plat centre 0 / .et l&#39;objet sur (0, 0, 0) en cliquant sur l&#39;objet pour le sélectionner et utiliser les fonctions d&#39;alignement: &quot;Move&quot;, &quot;Sur la plate-forme&quot;, et &quot;Centre&quot;. Orientez le porte-PZT pour faire face aux traits délicats vers le haut. La surface évidée sera face vers le haut. </li><li> Dans le menu aller dans les &quot;Paramètres&quot; et l&#39;onglet &quot;Qualité&quot;. Définissez les valeurs d&#39;impression de la manière suivante, Infill: 100%, Nombre de coquilles: 2, et la hauteur de la couche: 0,2mm. </li><li> Aperçu des objets pour vérifier le temps d&#39;impression totale et assurez-vous que les objets en couches seront imprimées comme souhaité. Exporter le fichier d&#39;impression 3D dans un format &quot;.x3g&quot; et enregistrez-le à utiliser dans l&#39;imprimante 3D. </li><li> Allumez l&#39;imprimante 3D et chauffer jusqu&#39;à ce que la température de la buse d&#39;extrusion atteint une température de fonctionnement, 230 ° C Charger le fichier de conception à partir d&#39; une carte mémoire ou un lecteur réseau. </li><li> Pendant l&#39;échauffement, placer la plate-forme de construction avec le ruban bleu pour peintres pour aider les objets adhèrent en toute sécurité. En tant que matériau thermoplastique pour le travail d&#39;impression, utiliser un acide polylactique (PLA) filament pour les deux objets. </li><li> Imprimer les objets conçus. Une fois le travail d&#39;impression est terminée, éteignez l&#39;imprimante après qu&#39;il a refroidi. </li><li> Détacher l&#39;objet imprimé à partir de la plate-forme à l&#39;aide d&#39;un ciseau. Redressez les objets imprimés. Si l&#39;orientation est choisie de manière appropriée, le support de PZT peut être directement utilisé sans autre post-traitement. </li><li> for l&#39;enceinte de l&#39;échantillon, préparer une paire d&#39;oxyde d&#39;indium-étain (ITO) et des lamelles revêtues trois lamelles de verre pour couvrir le cadre. Utilisez un coupe de diamant pour adapter la lamelle à l&#39;enceinte. </li><li> Relier les deux plaques conductrices parallèles, au moyen d&#39;un séchage rapide de la peinture d&#39;argent pour fournir une tension à travers deux plaques. Collez ces cinq fenêtres sur l&#39;enceinte de l&#39;échantillon à l&#39;aide d&#39;un adhésif colle instantanée. NOTE: L&#39;une paire de lamelles recouvertes d&#39;ITO sont installés sur l&#39;enceinte échantillon en parallèle (en regard de l&#39;autre) pour obtenir un champ électrique uniforme et pour engendrer le mouvement de la particule balistique naturellement chargée le long du champ électrique. Les trois lamelle conventionnelle couvre le reste des surfaces de l&#39;échantillon de l&#39;enceinte (en haut et deux autres côtés) pour protéger la particule piégée dans le flux d&#39;air extérieur </li></ol></li></ol> 2. Piège optique Chargement d&#39;un microparticule sélectionné <ol><li> La préparation des échantillons <ol><li> Stocker les microparticules dans undessiccateur évacués afin de réduire le contact avec l&#39;humidité dans l&#39;air avant l&#39;expérience. </li><li> Versez une petite partie des microparticules sur une lame de verre et de mettre immédiatement la bouteille de la fabrication de retour dans le dessiccateur. </li><li> Ramasser une partie des microparticules ayant un tube capillaire en verre. Disperser les particules sur le substrat en tapotant doucement sur le capillaire tout en maintenant le capillaire sur la lamelle. </li><li> Vérifiez la quantité et la distribution des particules déposées sur le substrat en utilisant un microscope à fond noir. Remarque: dans l&#39;étape de préparation de l&#39;échantillon, la particule est simplement dispersé sur une lamelle couvre-objet et imagé avec un microscope optique pour vérifier l&#39;agencement d&#39;ensemble avant de les insérer (une lamelle couvre-objet avec des microparticules dispersées) entre le support de PZT et PZT. Depuis l&#39;adhésion de surface est suffisamment solide pour supporter des microparticules individuelles sur le substrat, les particules collées sont solidement fixés, sauf si une force externe importante est appliquée. </li></ol&gt; </li><li> Assemblage du lanceur piézoélectriques <ol><li> Obtenir tous les composants du lanceur piézo-électrique: la plaque de fond plat, film, le PZT, la lamelle de verre, un anneau de cuivre, le porte-PZT, deux vis M6, et l&#39;enceinte de l&#39;échantillon d&#39;isolation. </li><li> Appliquer une couche mince (ou bande) sur la plaque de fond pour isoler le PZT. La lamelle de verre isole la partie supérieure de la pile. </li><li> Assembler la pile en centrant le PZT sur le dessus de la plaque plane maintenant isolée avec du ruban adhésif, suivie par la lamelle, l&#39;anneau de cuivre, et le porte-PZT. Vissez la pile ainsi que le maintien du centrage du PZT pour éviter un court - circuit du PZT au titulaire si le titulaire procède comme le montre la figure 2c et 2d. L&#39;anneau de cuivre fournit une précharge mécanique répartie uniformément sur la pile pour les détenteurs de PZT en plastique. </li><li> Enfin, collez l&#39;enceinte de l&#39;échantillon sur la pile et monter l&#39;ensemble sur une scène de translation XYZ dans le microscope. </li></ol></li><li> Configuration du lanceur PZT NOTE: La conduite du PZT avec un signal à haute tension a des risques électriques potentiels. S&#39;il vous plaît consulter le personnel de sécurité avant l&#39;expérience. Toutes les connexions électriques doivent être fixés avant l&#39;expérience. Éteignez l&#39;amplificateur et débranchez PZT conduit chaque fois que possible. <ol><li> Connecter le PZT conduit à l&#39;amplificateur de tension et connecter le générateur de fonction à un port de l&#39;amplificateur de tension d&#39;entrée. </li><li> Activer le générateur de fonction et le configurer pour générer des ondes carrées en continu avec une tension de sortie de 1 V. Ne pas générer le signal de tension jusqu&#39;à ce que toutes les connexions sont vérifiées et sécurisées. </li><li> Allumez l&#39;amplificateur de tension et de générer l&#39;onde carrée de tension de sortie 1 V en permettant la sortie. </li><li> Connecter le port de sortie de contrôle (tension de sortie 200 V) de l&#39;amplificateur à un oscilloscope. Configurez l&#39;amplificateur pour avoir gain de 200 V / V en tournant lagagner le bouton sur le panneau avant. Vérifier que la tension de sortie de contrôle a une amplitude de 1 V, telle que mesurée par l&#39;oscilloscope. </li><li> Une fois que le générateur de fonction et l&#39;amplificateur sont configurés, pour la fréquence de résonance du lanceur PZT par balayage de la fréquence de modulation du signal d&#39;attaque tandis que les images en temps réel vidéo particules microscopiques observées. Répéter le balayage jusqu&#39;à ce que le mouvement de microparticule est un maximum. Utilisez cette fréquence (64 kHz ici) pour libérer les particules. NOTE: La fréquence de modulation est modifiée manuellement (numérisée) de zéro à 150 kHz pour trouver la fréquence de résonance. </li><li> Configurer le générateur de fonction pour générer une onde carrée avec un nombre spécifié de cycles en mode rafale. Appuyez sur le bouton &quot;Burst&quot; sur le panneau avant et sélectionnez &quot;Cycle Burst N&quot;. </li><li> Choisissez le compte de salve en appuyant sur &quot;# Cycles&quot; touche programmable et réglez le nombre à 10 ou 20. </li><li> Configurer la forme d&#39;onde carrée pour générer des signaux de tension avecune amplitude de 600 V (trois fois la tension utilisée pour l&#39;excitation continue) à la fréquence de résonance de 64 kHz, ce qui a trouvé à l&#39;étape précédente. Vérifiez que le signal d&#39;impulsion libère la particule cible d&#39;une manière reproductible en assurant les particules se déplacent après chaque impulsion. </li></ol></li><li> Selective optique piège chargement REMARQUE: L&#39;assemblage du lanceur PZT est installé sur un linéaire étape manuelle traduction xy. Les particules peuvent être traduites par rapport au foyer du faisceau fixe, par déplacement de la platine de translation. <ol><li> Retirer le filtre de ligne laser pour identifier la focalisation du faisceau de piégeage par rotation de la tourelle de microscope (Figure 3a). Déplacez le bloc de focalisation motorisé avant et en arrière à la verticale autour de la meilleure mise au point de l&#39;image visible pour optimiser le focus. </li><li> Une fois la position de mise au point est vérifiée, remettre le filtre pour donner une vidéo claire et en temps réel, sans interférence du faisceau de piégeage. </li><li> Traduire l&#39;échantillon à placer une particule sélectionnée à la position de mise au point du laser de piégeage. Mettre l&#39;accent sur la particule de l&#39;image au centre d&#39;une particule choisie, ce qui place la position de capture nominale en dessous du centre de la particule d&#39;environ un demi-rayon, tout en laissant la position de lévitation au-dessus de la particule. </li><li> Réglez l&#39;alimentation électrique connecté au modulateur (EOM) pilote électro-optique pour régler la puissance de piégeage optique. La puissance optimale dépend de la taille et le matériau particulaire. La puissance optique a été constaté par des essais répétés pour déterminer la puissance suffisante pour faire léviter la particule sans l&#39;éjecter de la poutre. Ici, utiliser une puissance optique de 140 mW au niveau du plan focal arrière de l&#39;objectif de piéger les particules de 20 um de diamètre de polystyrène (PS). </li><li> Après le centre de la particule choisie est aligné, actionner le lanceur piézoélectrique à plusieurs impulsions. Le changement de l&#39;image de particule à partir d&#39;une image focalisée statique à une image floue en mouvement indique le chargement réussi à levposition itation. </li><li> Traduire la particule à sustentation verticale d&#39;environ un millimètre au-dessus du substrat en déplaçant la lentille d&#39;objectif pour empêcher les interactions superficielles éventuelles. Puis réduire la puissance optique de la transition de la particule à sustentation (figure 3b) dans la position de capture nominale (figure 3c) , qui est plus stable. REMARQUE: La puissance optique du laser de piégeage peut être modulée par un modulateur électro-optique (EOM). La MOE régule la puissance de sortie avec une tension de polarisation fournie par une source d&#39;alimentation numérique. On peut observer la transition de la position de lévitation à travers le piégeage du CCD pendant réduit lentement la puissance optique. </li><li> Pour la mesure de position, comme représenté sur la figure 3c à 3d, déplacer avec précaution le centre du porte - PZT à l&#39;axe optique et ensuite déplacer la lentille d&#39; objectif vers le haut (verticalement) pour traduire la particule dans le milieu de l&#39; enceinte de l&#39; échantillon (9 mm au- dessus du substrate) où le champ électrique de franges est minimisé. </li><li> Après avoir effectué la mesure décrite ci-dessous, placer la particule sur le substrat par déplacement de l&#39;objectif jusqu&#39;à ce que la particule en contact avec le substrat. Etant donné que la plupart des particules sont appliquées près des coins, la particule piégée peut être facilement reconnu et re-piégé quand il est placé dans la zone centrale. Cela permet réversible piège de chargement pour mesurer les changements qui se produisent au-delà d&#39;un événement de piégeage unique tels que les interactions de la particule et le substrat contact. </li></ol></li></ol> 3. Acquisition de données <ol><li> Aligner le condenseur et la lentille de focalisation afin de maximiser la &quot;somme&quot; de signal DOU avec une particule dans le piège. </li><li> Aligner la lentille de focalisation à zéro nominalement les canaux X et Y du DOU, comme représenté sur la figure 4c. </li><li> Répéter l&#39;ajustement du condenseur et la lentille de focalisation jusqu&#39;à ce que les signaux de position transformée de Fourier (ou densité spectrale de puissance<html> (PSD) des parcelles) de X et Y canaux se superposent pour afficher la sensibilité équilibrée. Signaux QPD correctement alignés (X et Y) montrent un comportement presque identique, comme le montre la figure 4b. </li><li> Une fois l&#39;alignement DOU est vérifié, la connexion de l&#39;amplificateur de tension aux deux plaques d&#39;ITO. Connecter le signal de sortie de surveillance de tension de l&#39;amplificateur au système d&#39;acquisition de données pour enregistrer le signal étape d&#39;excitation et la trajectoire de la particule induite de manière synchrone. </li><li> Fournir une onde carrée en continu de 400 V pour générer un champ électrique (figure 4d) qui se déplace transversalement par rapport à la particule à l&#39;axe optique d&#39;environ 500 nm (figure 4E). Mesurer la réponse indicielle de la particule piégée à l&#39;aide du DOU. </li><li> plusieurs périodes moyennes que nécessaire pour réduire les effets du mouvement brownien. Le mouvement induit peut être utilisé pour mesurer la force optique sur une large gamme de mouvement que celle des fluctuations thermiques. 12,ef &quot;&gt; 17 Figure 4d et 4E représente la moyenne des signaux de tension appliquée et la trajectoire des particules induite par plus de 50 itérations de l&#39; étape d&#39; excitation. </li></ol>

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The authors declare no competing financial interest.

Le lanceur piézoélectrique est conçu pour optimiser les performances dynamiques d&#39;un PZT sélectionné. Une sélection appropriée des matériaux et la gestion des vibrations ultrasonores PZT sont les étapes clés pour donner une expérience réussie. PZT présentent des caractéristiques différentes en fonction du type de capteur (en vrac ou empilés) et les matériaux constitutifs (dur ou mou). Un type PZT en vrac constitué d&#39;un matériau piézoélectrique dur est choisie pour les raisons suivantes. Tout...

Ashkin a rapporté l&#39;accélération et le piégeage des microparticules par la pression de radiation en 1970. 1 Son roman réalisation favorisé le développement des techniques de piégeage optique comme outil principal pour les études fondamentales de la physique et de la biophysique. 2, 3, 4, 5 A ce jour, l&#39;application de piégeage optique a porté principalement sur les environnements liquides, et ont été utilisés pour étudier une très large gamme de systèmes, du comportement des colloïdes aux propriétés mécaniques de biomolécules simples. 6, 7, 8 Application de piégeage optique milieux gazeux, cependant, exige la résolution de plusieurs nouveaux problèmes techniques. Récemment, le piégeage optique dans l&#39;air / vide a été de plus en plus appliqué dans la recherche fondamentale. Depuis levi optiquestation fournit potentiellement l&#39; isolement quasi-complet d&#39;un système à partir de l&#39;environnement, la particule optiquement sustentation devient un laboratoire idéal pour étudier les états du sol quantique dans les petits objets, 4 de mesure à haute fréquence des ondes gravitationnelles, 9 et la recherche de charge fractionnaire. 10 En outre, la faible viscosité de l&#39; air / vide permet d&#39;utiliser l&#39; inertie pour mesurer la vitesse instantanée d&#39;une particule brownienne 11 et pour créer un mouvement balistique sur une large gamme de mouvement au - delà du régime printanier linéaire. 12 Par conséquent, l&#39; information et les pratiques de pièges optiques dans les milieux gazeux techniques sont devenus plus précieux pour la communauté de recherche plus large. De nouvelles techniques expérimentales sont nécessaires pour charger nano / microparticules dans des pièges optiques dans les milieux gazeux. Un transducteur piézo-électrique (PZT), un dispositif qui convertit électric énergie en énergie mécano-acoustique, a été utilisé pour fournir de petites particules dans des pièges optiques dans l&#39; air / vide 5, 12 depuis la première démonstration de lévitation optique. 1 Depuis lors, plusieurs techniques de chargement ont été proposées pour charger des particules plus petites en utilisant des aérosols volatils générés par un nébuliseur commercial 13 ou un générateur d&#39;ondes acoustiques. 14 Les aérosols flottants avec des inclusions solides (particules) passent au hasard près du foyer et sont piégés par hasard. Une fois que l&#39;aérosol est piégé, le solvant s&#39;évapore et la particule reste dans le piège optique. Cependant, ces méthodes ne sont pas bien adaptés pour identifier les particules désirées à partir d&#39;un échantillon, charger une particule sélectionnée et de suivre ses modifications si libéré du piège. Ce protocole est destiné à fournir des détails aux nouveaux praticiens sur sélectif piège chargement optique dans l&#39;air, y compris l&#39;expérienceconfiguration al, la fabrication d&#39;un support de PZT et enceinte échantillon, piège chargement, et l&#39;acquisition de données associée à l&#39;analyse du mouvement des particules dans les deux domaines fréquentiel et temporel. Les protocoles de piégeage dans des milieux liquides ont également été publiés. 15, 16 Le dispositif expérimental global est développé sur un microscope optique inversé commercial. La figure 1 montre un schéma de la configuration utilisée pour démontrer les étapes du piège optique sélective chargement: libérer les microparticules de repos, en soulevant la particule choisie avec le faisceau focalisé, mesurant son mouvement, et en le plaçant sur le substrat à nouveau. objectif d&#39;abord, les étapes de translation (transversales et verticales) sont utilisés pour apporter une microparticule choisie sur le substrat pour la mise au point d&#39;un laser de piégeage (longueur d&#39;onde de 1064 nm) focalisé par un objectif (proche infrarouge corrigées à long distance de travail: NA 0,4, grossissement 20X, d travailIstance 20 mm) à travers le substrat transparent. Puis, un lanceur piézo-électrique (une mécanique pré-chargée de type annulaire PZT) génère des vibrations ultrasoniques pour briser l&#39;adhérence entre les microparticules et un substrat. Ainsi, toute particule libérée peut être levée par le faisceau unique piège laser gradient centré sur la particule sélectionnée. Une fois que la particule est piégée, elle se traduit par rapport au centre de l&#39;enceinte d&#39;échantillon contenant deux plaques conductrices parallèles pour l&#39;excitation électrostatique. Enfin, un système d&#39;acquisition de données (DAQ) enregistre simultanément le mouvement des particules, captée par un photodétecteur à cellules quadrant (DOU), et le champ électrique appliqué. Après avoir terminé la mesure, la particule est placée de manière contrôlable sur le substrat afin qu&#39;il puisse être pris au piège à nouveau d&#39;une manière réversible. Ce processus global peut être répété des centaines de fois sans perte de particules pour mesurer les changements tels que le contact électrification se produisant sur plusieurs cycles de piégeage. S&#39;il vous plaît se référer à notre article récent fou des détails. 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.

Le lanceur de PZT est conçu en utilisant un logiciel de CAO. Ici, on utilise une structure de type sandwich simple pour le préchargement (PZT serrée par deux plaques), comme représenté sur la figure 2. Le porte-PZT et l&#39;enceinte de l&#39; échantillon peut être fabriqué à partir d&#39; une variété de matériaux et méthodes. Pour une démonstration rapide, nous choisissons l&#39; impression 3D avec thermoplastique comme illustré sur la figure 2d.</...

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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.

Piège optique Chargement de Dielectric Microparticules Dans Air

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

Vidéo: 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.

Un piège hydrodynamique microfluidique à base de particules uniques

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

Recherche

Bio-ingénierie

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.

Le piégeage optique de nanoparticules

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 ...

Ingénierie

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.

L&#39;utilisation de nanostructures cristal plasmonique et photoniques pour la manipulation des micro-et nanoparticules améliorée

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.

Fabrication et fonctionnement d&#39;un Convoyeur Nano-optique

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.

Plasmonique et Piégeage Libération de Nanoparticules dans un environnement de surveillance

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.

Méthodes expérimentales de piégeage d’Ions à l’aide de microfabriques pièges à ions de Surface

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.

Utilisation de pincettes optiques doubles et de microfluidique pour les études sur une seule molécule

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

Biochimie

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.

Piégeage de Micro particules dans trellis optique 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.

Mesures de force directe de la mécanique subcellulaire en confinement à l’aide de pinces optiques

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

Biologie du développement

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.

Piégeage optique de nanoparticules plasmoniques pour la caractérisation in situ de la spectroscopie Raman améliorée en surface

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

Piège optique Chargement de Dielectric Microparticules Dans Air

Résumé

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