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.

Attenzione: Si prega di consultare tutti i programmi di sicurezza rilevanti prima dell&#39;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&#39;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 <ol><li> Progettare un titolare PZT e un recinto campione NOTA: I valori di design particolari variano a seconda della selezione di un PZT. <ol><li> 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. </li><li> Fare clic su Schizzo,disegnare un rettangolo e estrudere per fare un cubo rettangolare. </li><li> Disegnare un disco sulla superficie superiore del cubo di definire una funzione incasso circolarmente per coprire e tenere l&#39;anello di tipo PZT. </li><li> Definire un foro centrale per avere un accesso ottico sia per l&#39;imaging in tempo reale e cattura. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Disegnare un rettangolo più piccolo sulla superficie superiore del rettR scatola ed estrudere-tagliate il rettangolo di renderlo come un tubo rettangolare. </li><li> Disegnare un rettangolo più piccolo sulla parete laterale del tubo e Extrude taglio per trasformarlo nel telaio della scatola contenitore campione. </li><li> Convertire questi modelli tridimensionali (3D) in un formato di file di stereolitografia (STL) per un processo di stampa 3D (Figura 2b). </li></ol></li><li> Stampa 3D degli oggetti disegnati <ol><li> Aprire il file di disegno ( &quot;-.STL&quot;) dal software operativo stampante 3D. Posare l&#39;oggetto piatto 0 / .e centro l&#39;oggetto su (0, 0, 0) facendo clic sull&#39;oggetto per selezionarlo e utilizzando le funzioni di allineamento: &quot;Move&quot;, &quot;On Platform&quot;, e &quot;Center&quot;. Orientare il supporto PZT per affrontare i tratti delicati verso l&#39;alto. La superficie incasso sarà di fronte verso l&#39;alto. </li><li> Nel menu andare in &quot;Impostazioni&quot; e la scheda &quot;Qualità&quot;. Impostare i valori di stampa come segue, Infill: 100%, N. di calotte: 2, e l&#39;altezza di livello: 0.2mm. </li><li> 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 &quot;.x3g&quot; e salvarlo da utilizzare nella stampante 3D. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Stampa gli oggetti disegnati. Una volta che il lavoro di stampa è terminato, spegnere la stampante dopo che si è raffreddato. </li><li> Staccare l&#39;oggetto stampato dalla piattaforma con uno scalpello. Raddrizzare gli oggetti stampati. Se l&#39;orientamento è opportunamente scelto, il titolare PZT può essere utilizzato direttamente senza ulteriore post-elaborazione. </li><li> 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. </li><li> Filo le due piastre conduttrici parallele utilizzando una vernice d&#39;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&#39;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&#39;aria esterna </li></ol></li></ol> 2. Trappola Caricamento ottica di un microparticelle selezionati <ol><li> preparazione del campione <ol><li> Conservare le microparticelle in unessiccatore evacuato per ridurre il contatto con l&#39;umidità nell&#39;aria prima dell&#39;esperimento. </li><li> Versare una piccola porzione di microparticelle su un vetrino e subito messo la bottiglia della produzione di nuovo in un essiccatore. </li><li> 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. </li><li> 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&#39;adesione superficiale è abbastanza forte per tenere singole microparticelle sul substrato, le particelle aderiscono sono saldamente fissati se viene applicata significativa forza esterna. </li></ol&gt; </li><li> Assemblaggio launcher piezoelettrico <ol><li> 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. </li><li> Applicare un film sottile (o nastro) sulla piastra inferiore per isolare il PZT. Il coprioggetto di vetro isola la cima della pila. </li><li> Assemblare lo stack centrando il PZT sulla parte superiore della piastra piana ora isolati con nastro, seguito dal vetrino, l&#39;anello di rame, e il titolare PZT. Vite pila insieme mantenendo la centratura del PZT per evitare corto circuito l&#39;PZT al titolare se il titolare conduce come mostrato in figura 2c e 2d. L&#39;anello di rame fornisce un precarico meccanico distribuito uniformemente sullo stack per i titolari PZT plastica. </li><li> Infine, incollare il recinto del campione nello stack e montare il gruppo su un palcoscenico traslazionale XYZ al microscopio. </li></ol></li><li> 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&#39;esperimento. Tutti i collegamenti elettrici devono essere fissati prima dell&#39;esperimento. Spegnere l&#39;amplificatore e staccare PZT porta quando possibile. <ol><li> Collegare il PZT conduce all&#39;amplificatore tensione e collegare il generatore di funzioni per una porta di ingresso dell&#39;amplificatore di tensione. </li><li> 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. </li><li> Accendere l&#39;amplificatore di tensione e generare l&#39;onda quadra di tensione di uscita 1 V abilitando l&#39;uscita. </li><li> Collegare la porta di uscita di controllo (tensione di uscita 200 V) dell&#39;amplificatore ad un oscilloscopio. Configurare l&#39;amplificatore di avere guadagno di 200 V / V girando laguadagnare manopola sul pannello frontale. Verificare che la tensione di uscita di monitoraggio ha un&#39;ampiezza di 1 V come misurato dal oscilloscopio. </li><li> Una volta che il generatore di funzioni e l&#39;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. </li><li> Configurare il generatore di funzioni per generare un&#39;onda quadra con un determinato numero di cicli in modalità burst. Premere il tasto &quot;Burst&quot; sul pannello frontale e selezionare &quot;Burst Cycle N&quot;. </li><li> Scegliere il conteggio dei burst premendo &quot;# cicli&quot; soft key e impostare il conteggio a 10 o 20. </li><li> Configurare la forma d&#39;onda quadra per generare segnali di tensione conun&#39;ampiezza di 600 V (tre volte la tensione utilizzata per l&#39;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. </li></ol></li><li> 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. <ol><li> 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&#39;immagine visibile per ottimizzare la messa a fuoco. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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&#39;obiettivo per intrappolare le particelle 20 micron di diametro polistirene (PS). </li><li> Dopo il centro della particella selezionata è allineato, azionare il lanciatore piezoelettrico con diversi impulsi. Il cambiamento dell&#39;immagine delle particelle da un&#39;immagine statica mirato ad una immagine sfocata in movimento indica il caricamento di successo al levposizione itazione. </li><li> 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. </li><li> Per la misura di posizione, come illustrato nella Figura 3c al 3d, spostare accuratamente il centro del supporto PZT all&#39;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. </li><li> Dopo aver eseguito la misurazione come descritto di seguito, posizionare la particella sul substrato spostando l&#39;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. </li></ol></li></ol> 3. Acquisizione Dati <ol><li> Allineare il condensatore e la lente di focalizzazione per massimizzare la &quot;somma&quot; QPD segnale con una particella nella trappola. </li><li> Allineare la lente di focalizzazione a zero nominalmente canali X e Y della QPD, come mostrato in figura 4c. </li><li> Ripetere la regolazione del condensatore e la lente di focalizzazione finché i segnali di posizione Fourier trasformati (o densità di potenza di spettro<html> (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. </li><li> Una volta che l&#39;allineamento QPD è verificato, collegare l&#39;amplificatore di tensione alle due piastre ITO. Collegare il segnale di uscita di monitoraggio della tensione dell&#39;amplificatore al sistema DAQ per registrare il segnale fase di eccitazione e la traiettoria delle particelle indotta sincrono. </li><li> Fornire un onda quadra continua di 400 V per generare un campo elettrico (figura 4d) che muove la particella trasversalmente all&#39;asse ottico di circa 500 nm (Figura 4e). Misurare la risposta al gradino della particella intrappolata utilizzando il QPD. </li><li> 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 &quot;&gt; 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. </li></ol>

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The authors declare no competing financial interest.

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...

Ashkin ha riferito l&#39;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&#39;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&#39;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&#39;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&#39;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&#39;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&#39;esperimentoinstallazione al, realizzazione di un supporto PZT e recinzione campione, trap carico, e acquisizione dati associati con l&#39;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&#39;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&#39;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&#39;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&#39;involucro campione contenente due piastre conduttrici parallele per l&#39;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

<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.

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...

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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.

Optical Trappola Caricamento di dielettrico microparticelle in aria

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 Views.  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.

Un Microfluidic basato Trappola idrodinamico per particelle singole

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

Ricerca

Bioingegneria

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.

Trapping ottica di nanoparticelle

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 ...

Ingegneria

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;utilizzo di nanostrutture di cristallo plasmoniche e fotonici per Enhanced manipolazione micro e nanoparticelle

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.

Fabbricazione e funzionamento di un nano-ottica Nastro trasportatore

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.

Plasmonico cattura e rilascio di nanoparticelle in un ambiente di monitoraggio

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.

Metodi sperimentali per intrappolare gli ioni utilizzando microfabbricati trappole ioniche in 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 di pinzette ottiche doppie e microfluidica per studi a singola molecola

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

Biochimica

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.

Intrappolamento delle Micro particelle in grata ottica 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.

Misure di forza diretta della meccanica subcellulare nel confinamento mediante pinzette ottiche

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

Biologia dello sviluppo

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.

Intrappolamento ottico di nanoparticelle plasmoniche per la caratterizzazione della spettroscopia Raman potenziata dalla superficie in situ

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