Optical Trappola Caricamento di dielettrico microparticelle in aria

Riepilogo

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

Abstract

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.

Introduzione

Ashkin ha riferito l'accelerazione e la cattura di microparticelle dalla pressione di radiazione nel 1970. ¹ Il suo romanzo raggiungimento promosso lo sviluppo di tecniche di intrappolamento ottico come strumento primario per gli studi fondamentali della fisica e biofisica. ^{2, 3, 4, 5} Ad oggi, l'applicazione di intrappolamento ottico è concentrata principalmente sugli ambienti liquidi, e stato utilizzato per studiare una vasta gamma di sistemi, dal comportamento di colloidi alle proprietà meccaniche di singole biomolecole. ^{6, 7, 8} Applicazione di intrappolamento ottico di fluidi gassosi, tuttavia, richiede di risolvere diversi nuovi problemi tecnici.

Recentemente, intrappolamento ottico in aria / vuoto è stata sempre più applicata nella ricerca fondamentale. Dal momento che levi otticizione fornisce potenzialmente quasi-completo isolamento di un sistema dall'ambiente circostante, la particella otticamente levitare diventa un laboratorio ideale per studiare stati fondamentali quantici in piccoli oggetti, ⁴ misura onde gravitazionali ad alta frequenza, ⁹ e ricerca di carica frazionaria. ¹⁰ Inoltre, la bassa viscosità del vuoto / aria permette di utilizzare l'inerzia per misurare la velocità istantanea di una particella browniano ¹¹ e per creare un movimento balistico su una vasta gamma di movimento oltre il regime lineare primaverile. ¹² Pertanto, le informazioni tecniche dettagliate e pratiche per le trappole ottiche in fluidi gassosi sono diventati più prezioso per la comunità di ricerca più ampio.

Le nuove tecniche sperimentali sono necessari per caricare nano / microparticelle in trappole ottiche in fluidi gassosi. Un trasduttore piezoelettrico (PZT), un dispositivo che converte elettric energia in energia meccano-acustica, è stato usato per trasportare piccole particelle in trappole ottici a vuoto / aria ^{5, 12} poiché la prima dimostrazione di levitazione ottica. ¹ Da allora, diverse tecniche di carico sono state proposte per caricare le particelle più piccole che utilizzano aerosol volatili generati da un nebulizzatore commerciale ¹³ o un generatore di onda acustica. ¹⁴ Gli aerosol galleggianti con inclusioni solide (particelle) passano a caso vicino al fuoco e sono intrappolati per caso. Una volta che l'aerosol è intrappolato, il solvente evapora e la particella rimane nella trappola ottica. Tuttavia, questi metodi non sono adatti per identificare le particelle desiderati all'interno di un campione, caricare una particella selezionata e di tenere traccia dei suoi cambiamenti, se liberato dalla trappola. Questo protocollo è destinato a fornire dettagli ai nuovi praticanti sul caricamento trappola ottica selettiva in aria, compresa l'esperimentoinstallazione al, realizzazione di un supporto PZT e recinzione campione, trap carico, e acquisizione dati associati con l'analisi del moto delle particelle sia della frequenza e di tempo. Protocolli per intrappolare in mezzi liquidi sono stati pubblicati. ^{15, 16}

Il setup sperimentale complessiva si sviluppa su un microscopio ottico invertito commerciale. La figura 1 mostra un diagramma schematico della configurazione usata per dimostrare gradini della trappola ottica selettiva loading: liberando le microparticelle riposo, sollevando la particella scelta con il fascio focalizzato, misura il suo movimento, e l'immissione sul substrato di nuovo. In primo luogo, le fasi di traslazione (trasversali e verticali) vengono utilizzati per portare un microparticelle selezionato sul substrato per la messa a fuoco di un laser di cattura (lunghezza d'onda di 1064 nm) focalizzata da una lente obiettiva (vicino infrarosso corretti lunga lavorazione obiettivo distanza: NA 0.4, ingrandimento 20X, d lavoroistance 20 mm) attraverso il substrato trasparente. Poi, un lanciatore piezoelettrico (a meccanicamente precaricata ad anello PZT) genera vibrazioni ultrasoniche per rompere l'adesione tra microparticelle ed un substrato. Così, ogni particella liberato può essere sollevato dal singolo fascio laser trap gradiente focalizzato sulla particella selezionata. Una volta che la particella è intrappolato, è tradotto al centro dell'involucro campione contenente due piastre conduttrici parallele per l'eccitazione elettrostatico. Infine, un sistema di acquisizione dati (DAQ) registra contemporaneamente il moto delle particelle, catturato da un fotorivelatore quadranti celle (QPD), e il campo elettrico applicato. Dopo aver terminato la misurazione, la particella è controllabile posizionato sul substrato in modo che possa essere intrappolato di nuovo in modo reversibile. Questo processo può essere ripetuto centinaia di volte senza perdita di particelle per misurare i cambiamenti, come effetto volta che si verificano su più cicli di cattura. Si prega di fare riferimento al nostro recente articolo Fo dettagli. ¹²

Protocollo

Attenzione: Si prega di consultare tutti i programmi di sicurezza rilevanti prima dell'esperimento. Tutte le procedure sperimentali descritte in questo protocollo sono eseguite in conformità con il programma di sicurezza LASER NIST così come altre norme vigenti. Si prega di essere sicuri di scegliere ed indossare un equipaggiamento di protezione individuale (DPI), come gli occhiali di protezione laser progettati per la lunghezza d'onda e potenza specifica. Manipolazione secco nano / microparticelle può richiedere ulteriore protezione delle vie respiratorie.

1. Progettazione e Realizzazione di un Titolare PZT e un recinto di esempio

1. Progettare un titolare PZT e un recinto campione
   NOTA: I valori di design particolari variano a seconda della selezione di un PZT.
   1. Aprire il pacchetto software computer-aided design (CAD). Disegnare un (2D) disegno bidimensionale di un supporto per una data dimensione PZT. Sviluppare lo schizzo 2D alle caratteristiche volumetriche utilizzando combinazioni di estrusione / estrusione-cut.
   2. Fare clic su Schizzo,disegnare un rettangolo e estrudere per fare un cubo rettangolare.
   3. Disegnare un disco sulla superficie superiore del cubo di definire una funzione incasso circolarmente per coprire e tenere l'anello di tipo PZT.
   4. Definire un foro centrale per avere un accesso ottico sia per l'imaging in tempo reale e cattura.
   5. Definire una guida circolare lungo il bordo del foro centrale per inserire un anello piatto metallico (rame) per concentrare la potenza ultrasonica verso la zona centrale, come mostrato in figura 2 a.
   6. Creare due fori per viti M6 sul supporto PZT da assemblare con una piastra di fondo (acquistato, spessore 4 mm piastra in alluminio inferiore con un foro al centro), come mostrato in figura 2c e 2d.
   7. In modo simile, la progettazione di un telaio rettangolare del contenitore del campione. Fare clic Sketch, e disegnare un rettangolo, estrudere il rettangolo di farne una scatola rettangolare.
   8. Disegnare un rettangolo più piccolo sulla superficie superiore del rettR scatola ed estrudere-tagliate il rettangolo di renderlo come un tubo rettangolare.
   9. Disegnare un rettangolo più piccolo sulla parete laterale del tubo e Extrude taglio per trasformarlo nel telaio della scatola contenitore campione.
   10. Convertire questi modelli tridimensionali (3D) in un formato di file di stereolitografia (STL) per un processo di stampa 3D (Figura 2b).
2. Stampa 3D degli oggetti disegnati
   1. Aprire il file di disegno ( "-.STL") dal software operativo stampante 3D. Posare l'oggetto piatto 0 / .e centro l'oggetto su (0, 0, 0) facendo clic sull'oggetto per selezionarlo e utilizzando le funzioni di allineamento: "Move", "On Platform", e "Center". Orientare il supporto PZT per affrontare i tratti delicati verso l'alto. La superficie incasso sarà di fronte verso l'alto.
   2. Nel menu andare in "Impostazioni" e la scheda "Qualità". Impostare i valori di stampa come segue, Infill: 100%, N. di calotte: 2, e l'altezza di livello: 0.2mm.
   3. Visualizzare in anteprima gli oggetti per controllare il tempo di stampa totale e assicurarsi che gli oggetti sovrapposti vengono stampati, se lo desideri. Esportare il file di stampa 3D in un formato ".x3g" e salvarlo da utilizzare nella stampante 3D.
   4. Accendere la stampante 3D e riscaldarlo fino alla temperatura del ugello di estrusione raggiunge una temperatura di esercizio, 230 ° C. Caricare il file di progetto da una scheda di memoria o unità di rete.
   5. Durante il warm up, posizionare la piattaforma di costruzione con nastro blu del pittore per aiutare gli oggetti aderire in modo sicuro. Come materiale termoplastico per il lavoro di stampa, utilizzare un filamento di acido polilattico (PLA) per entrambi gli oggetti.
   6. Stampa gli oggetti disegnati. Una volta che il lavoro di stampa è terminato, spegnere la stampante dopo che si è raffreddato.
   7. Staccare l'oggetto stampato dalla piattaforma con uno scalpello. Raddrizzare gli oggetti stampati. Se l'orientamento è opportunamente scelto, il titolare PZT può essere utilizzato direttamente senza ulteriore post-elaborazione.
   8. foR la custodia del campione, preparare un paio di ossido di indio e stagno (ITO) vetrini rivestiti e tre vetrini per coprire il telaio. Utilizzare un tagliatore di diamanti per adattare il vetrino alla custodia.
   9. Filo le due piastre conduttrici parallele utilizzando una vernice d'argento rapida essiccazione per la fornitura di tensione attraverso due piastre. Incollare questi cinque finestre sul contenitore campione utilizzando una colla adesivo istantaneo.
      NOTA: Il una coppia di coprioggetto rivestiti ITO sono installati sul contenitore del campione in parallelo (fronte all'altro) fornire campo elettrico uniforme e per generare il movimento balistico della particella naturalmente carica lungo il campo elettrico. I tre coprioggetto convenzionale coprire il resto delle superfici campione custodia (in alto e altri due lati) per proteggere la particella intrappolata dal flusso d'aria esterna

2. Trappola Caricamento ottica di un microparticelle selezionati

1. preparazione del campione
   1. Conservare le microparticelle in unessiccatore evacuato per ridurre il contatto con l'umidità nell'aria prima dell'esperimento.
   2. Versare una piccola porzione di microparticelle su un vetrino e subito messo la bottiglia della produzione di nuovo in un essiccatore.
   3. Pick up alcune delle microparticelle con un tubo di vetro capillare. Spargere le particelle sopra il substrato toccando delicatamente sul capillare mentre si tiene la capillare sul vetrino.
   4. Verificare la quantità e distribuzione delle particelle depositate sul substrato utilizzando un microscopio a campo oscuro.
      Nota: Nella fase di preparazione del campione, la particella è solo sparso su un vetrino e ripreso con un microscopio ottico per verificare disposizione generale prima di inserirle (un coprioggetto con microparticelle sparsi) tra il titolare PZT e PZT. Poiché l'adesione superficiale è abbastanza forte per tenere singole microparticelle sul substrato, le particelle aderiscono sono saldamente fissati se viene applicata significativa forza esterna.
2. Assemblaggio launcher piezoelettrico
   1. Ottenere tutti i componenti del lanciatore piezoelettrico: la piastra di fondo piatto, film, il PZT, coprioggetto di vetro, un anello di rame, il titolare PZT, due viti M6, e il contenitore del campione isolanti.
   2. Applicare un film sottile (o nastro) sulla piastra inferiore per isolare il PZT. Il coprioggetto di vetro isola la cima della pila.
   3. Assemblare lo stack centrando il PZT sulla parte superiore della piastra piana ora isolati con nastro, seguito dal vetrino, l'anello di rame, e il titolare PZT. Vite pila insieme mantenendo la centratura del PZT per evitare corto circuito l'PZT al titolare se il titolare conduce come mostrato in figura 2c e 2d. L'anello di rame fornisce un precarico meccanico distribuito uniformemente sullo stack per i titolari PZT plastica.
   4. Infine, incollare il recinto del campione nello stack e montare il gruppo su un palcoscenico traslazionale XYZ al microscopio.
3. Configurazione del lanciatore PZT
   NOTA: Guidare il PZT con un segnale di alta tensione ha potenziali rischi di natura elettrica. Si prega di consultare con il personale di sicurezza prima l'esperimento. Tutti i collegamenti elettrici devono essere fissati prima dell'esperimento. Spegnere l'amplificatore e staccare PZT porta quando possibile.
   1. Collegare il PZT conduce all'amplificatore tensione e collegare il generatore di funzioni per una porta di ingresso dell'amplificatore di tensione.
   2. Accendere il generatore di funzioni e configurarlo per generare onde quadre continue con una tensione di uscita di 1 V. Non generare il segnale di tensione fino a quando tutti i collegamenti sono verificati e protetti.
   3. Accendere l'amplificatore di tensione e generare l'onda quadra di tensione di uscita 1 V abilitando l'uscita.
   4. Collegare la porta di uscita di controllo (tensione di uscita 200 V) dell'amplificatore ad un oscilloscopio. Configurare l'amplificatore di avere guadagno di 200 V / V girando laguadagnare manopola sul pannello frontale. Verificare che la tensione di uscita di monitoraggio ha un'ampiezza di 1 V come misurato dal oscilloscopio.
   5. Una volta che il generatore di funzioni e l'amplificatore sono configurati, per la frequenza di risonanza del lanciatore PZT scansionando la frequenza di modulazione del segnale di pilotaggio mentre le immagini video di microscopio in tempo reale rispettate particelle. Ripetere la scansione fino il moto microparticelle è massima. Utilizzare questa frequenza (64 kHz qui) per rilasciare particelle.
      NOTA: La frequenza di modulazione viene modificato manualmente (digitalizzata) da zero a 150 kHz per individuare la frequenza di risonanza.
   6. Configurare il generatore di funzioni per generare un'onda quadra con un determinato numero di cicli in modalità burst. Premere il tasto "Burst" sul pannello frontale e selezionare "Burst Cycle N".
   7. Scegliere il conteggio dei burst premendo "# cicli" soft key e impostare il conteggio a 10 o 20.
   8. Configurare la forma d'onda quadra per generare segnali di tensione conun'ampiezza di 600 V (tre volte la tensione utilizzata per l'eccitazione continuo) alla frequenza di risonanza 64 kHz che ha trovato dal passaggio precedente. Verificare che il segnale pulsare rilascia la particella bersaglio in modo ripetibile garantendo particelle si muovono dopo ogni impulso.
4. Selective trappola carico ottica
   NOTA: Il gruppo lanciatore PZT è installato su una fase di traduzione XY lineari manuale. Le particelle possono essere tradotti rispetto al fuoco del fascio fissa spostando la fase traslazionale.
   1. Rimuovere il filtro linea laser per identificare il fuoco del fascio cattura ruotando la torretta microscopio (Figura 3a). Spostare il blocco di messa a fuoco motorizzata avanti e indietro in senso verticale intorno alla migliore messa a fuoco dell'immagine visibile per ottimizzare la messa a fuoco.
   2. Una volta che la posizione di messa a fuoco è verificato, mettere il filtro per dare un chiaro video in tempo reale, senza interferenze da parte del fascio di cattura.
   3. Tradurre il campione di ppizzo una particella selezionata alla posizione del fuoco del laser cattura. Focus sulla particella di immagine al centro di una particella selezionata, che pone la posizione trapping nominale sotto il centro della particella di circa la metà del raggio lasciando la posizione di levitazione sopra particella.
   4. Regolare il alimentatore collegato al modulatore (EOM) conducente elettro-ottico per impostare la potenza intrappolamento ottico. La potenza ottimale dipende dalla dimensione delle particelle e materiale. La potenza ottica è stata trovata attraverso ripetute prove per determinare la potenza sufficiente a levitare la particella senza espellerlo dal fascio. Qui, utilizzare una potenza ottica di 140 mW in corrispondenza del piano focale posteriore dell'obiettivo per intrappolare le particelle 20 micron di diametro polistirene (PS).
   5. Dopo il centro della particella selezionata è allineato, azionare il lanciatore piezoelettrico con diversi impulsi. Il cambiamento dell'immagine delle particelle da un'immagine statica mirato ad una immagine sfocata in movimento indica il caricamento di successo al levposizione itazione.
   6. Traduci la particella levitare verticalmente circa un millimetro al di sopra del substrato spostando la lente obiettivo per prevenire possibili interazioni di superficie. Quindi ridurre la potenza ottica di transizione particella levitare (Figura 3b) nella posizione nominale intrappolamento (figura 3c) che è più stabile.
      NOTA: La potenza ottica del laser cattura può essere modulato da un modulatore elettro-ottico (EOM). La missione di regolare la tensione di uscita con una tensione di polarizzazione alimentata attraverso un alimentatore digitale. Si può osservare il passaggio dalla posizione di levitazione per intrappolare attraverso il CCD mentre riduce lentamente la potenza ottica.
   7. Per la misura di posizione, come illustrato nella Figura 3c al 3d, spostare accuratamente il centro del supporto PZT all'asse ottico e quindi spostare la lente obiettivo up (verticale) per tradurre la particella verso il centro della custodia campione (9 mm dal substrate) dove il campo elettrico frangia è ridotto al minimo.
   8. Dopo aver eseguito la misurazione come descritto di seguito, posizionare la particella sul substrato spostando l'obiettivo finché la particella tocca il substrato. Poiché la maggior parte delle particelle sono applicati in prossimità degli angoli, la particella intrappolata può essere facilmente riconosciuto e re-intrappolato quando è posto in zona centrale. In questo modo reversibile trappola di carico per misurare i cambiamenti che si verificano al di là di un singolo evento di cattura, come interazioni di contatto della particella e il substrato.

3. Acquisizione Dati

1. Allineare il condensatore e la lente di focalizzazione per massimizzare la "somma" QPD segnale con una particella nella trappola.
2. Allineare la lente di focalizzazione a zero nominalmente canali X e Y della QPD, come mostrato in figura 4c.
3. Ripetere la regolazione del condensatore e la lente di focalizzazione finché i segnali di posizione Fourier trasformati (o densità di potenza di spettro (PSD) trame) di canali X e Y si sovrappongono per mostrare sensibilità equilibrata. Segnali QPD correttamente allineati (X e Y) mostrano un comportamento quasi identico, come mostrato in Figura 4b.
4. Una volta che l'allineamento QPD è verificato, collegare l'amplificatore di tensione alle due piastre ITO. Collegare il segnale di uscita di monitoraggio della tensione dell'amplificatore al sistema DAQ per registrare il segnale fase di eccitazione e la traiettoria delle particelle indotta sincrono.
5. Fornire un onda quadra continua di 400 V per generare un campo elettrico (figura 4d) che muove la particella trasversalmente all'asse ottico di circa 500 nm (Figura 4e). Misurare la risposta al gradino della particella intrappolata utilizzando il QPD.
6. Media più periodi come necessario per ridurre gli effetti del moto browniano. Il movimento indotto può essere utilizzato per misurare la forza ottica su una gamma più ampia di movimento di quella di fluttuazioni termiche. ^12,ef "> 17 Figura 4d e 4e spettacoli media di segnali di tensione applicata e la traiettoria delle particelle indotta oltre 50 iterazioni della fase di eccitazione.

Risultati

Il lanciatore PZT è stato progettato utilizzando un pacchetto software CAD. Qui, si usa una semplice struttura a sandwich per il precarico (a PZT fissata con due piastre), come mostrato in Figura 2. Il titolare PZT e il contenitore campione può essere fabbricata da una varietà di materiali e metodi. Per una rapida dimostrazione, abbiamo scelto la stampa 3D con termoplastico come illustrato nella figura 2d. Sulla base dei componenti fabbricati, trap lo...

Discussione

Il lanciatore piezoelettrico è progettato per ottimizzare le prestazioni dinamiche di una PZT selezionato. La corretta scelta dei materiali e la gestione di vibrazioni ultrasoniche PZT sono i passaggi chiave per produrre un esperimento riuscito. PZTs hanno caratteristiche diverse a seconda del tipo di trasduttore (bulk o impilati) e materiali componenti (hard o soft). Un tipo bulk PZT in materiale piezoelettrico disco viene scelto per i seguenti motivi. In primo luogo, i materiali piezoelettrici rigidi hanno minori per...

Materiali

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