空気中の誘電体微粒子の光学トラップのロード

要約

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

要約

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.

概要

Ashkinは、物理学や生物物理学の基礎的な研究のための主要なツールとして、光トラッピング技術の開発を進め、1970年¹彼の小説成果の加速度と放射圧による微粒子の捕捉を報告しました。これまでに^{2、3、4、5は} 、光トラッピングの適用は、液体環境で主に集中しており、単一の生体分子の機械的特性へのコロイドの挙動から、システムの非常に広い範囲を研究するために使用されて。 ^6、7、ガス状のメディアへの光トラッピングの⁸アプリケーションは、しかし、いくつかの新しい技術的な問題を解決する必要があります。

最近では、空気/真空中の光トラッピングはますます基礎研究に応用されています。光学レヴィので、テーションは、潜在的に光学的に浮揚粒子は、小さな物体で⁴高周波測定重力波^、9を量子基底状態を研究し、分数電荷を探索するための理想的な実験室となり、周囲の環境からシステムのほぼ完全な絶縁を提供します。 ^図10はまた、空気/真空の低い粘度は1つがブラウン粒子¹¹の瞬間速度を測定するための慣性を利用して、線形ばね様体制を超えて動き、広範囲の弾道運動を作成することを可能にします。 ^{12したがって} 、気体媒体における光学トラップの詳細な技術情報や慣行は、より広い研究コミュニティにより貴重になってきています。

新しい実験技術は、気体媒体中の光トラップにナノ/マイクロ粒子をロードする必要があります。圧電変換器（PZT）、電動式を変換する装置メカノ音響エネルギーへのICエネルギーは、光浮上の最初の実証以来、空気/真空^5、12で光トラップに小さな粒子を送達するために用いられています。 ¹以来、いくつかのローディング技術は、商業的噴霧器¹³又は音響波発生器によって生成された揮発性のエアロゾルを用いてより小さな粒子をロードするために提案されています。 ¹⁴固体含有物（粒子）との浮遊エアロゾルはランダムに焦点近傍を通過し、偶然にトラップされます。エアロゾルがトラップされると、溶媒が出て蒸発し、粒子が光トラップに残ります。しかし、これらの方法は、サンプルの中から所望の粒子を識別する選択された粒子をロードし、トラップから放出された場合、その変更を追跡するのにはあまり適していません。このプロトコルは、実験など、空気中の選択光トラップの読み込み、上の新しい実務に詳細を提供することを目的としますアルセットアップ、PZTホルダーとサンプルエンクロージャの製造、トラップロード、両方の周波数領域および時間領域における粒子運動の解析に関連したデータ収集。液体培地中に捕捉するためのプロトコルも公開されています。 ^15、16

全体的な実験は、市販の倒立光学顕微鏡上で開発されています。 図1は、選択光トラップの負荷のステップを示すために使用されたセットアップの概略図を示しています、休憩微粒子を解放集束ビームで選ばれた粒子を持ち上げ、その動きを測定し、再び基板上にそれを置きます。まず、並進ステージ（横と縦）は、対物レンズにより集光されたトラッピングレーザー（波長1064 nm）での焦点に、基板上に選択された微小粒子をもたらすために使用されている（近赤外補正後の長い作動距離の目的：NA 0.4、倍率20X、作業D透明基板を通して20ミリメートル）をistance。そして、圧電ランチャー（機械的にプリロードされたリング型PZT）は、微粒子と基板との間の接着を破壊するために超音波振動を発生させます。したがって、任意の解放された粒子は、選択された粒子に着目し、単一のビーム傾斜レーザートラップにより持ち上げることができます。粒子がトラップされると、静電励起するための2つの平行な導電板を含むサンプル容器の中心に変換されます。最後に、データ収集（DAQ）システムは、同時に象限セルの光検出器（QPD）、及び印加電界によって捕捉粒子運動を記録します。測定終了後、粒子を制御可能それが可逆的に再捕捉することができるように、基板上に配置されます。この全体のプロセスは、いくつかの捕捉サイクルにわたって発生する接触帯電などの変化を測定するために、粒子損失なしに数百回も繰り返すことができます。我々の最近の記事Fを参照してくださいまたは詳細。 ¹²

プロトコル

注意：実験の前に、すべての関連する安全プログラムを参照してください。このプロトコルに記載されている全ての実験手順は、NISTレーザー安全プログラムだけでなく、他の適用規則に従って実行されています。選択して、このような特定の波長および出力用に設計されたレーザー保護メガネとして適切な個人用保護具（PPE）を着用するようにしてください。乾燥ナノ/マイクロ粒子を処理する追加の呼吸保護を必要とするかもしれません。

1.設計とPZTホルダーの作製とサンプルエンクロージャ

1. PZTホルダーとサンプルエンクロージャを設計します
   注記：特定の設計値は、PZTの選択に応じて変化します。
   1. コンピュータ支援設計（CAD）ソフトウェアパッケージを開きます。与えられたPZTディメンションのホルダーの2次元（2D）スケッチを描きます。押し出し/押し出しカットの組み合わせを使用して、体積フィーチャに2Dスケッチを開発します。
   2. スケッチをクリックして、四角形を描画し、長方形のキューブを作ってそれを押し出します。
   3. カバーおよびリング型PZTを保持するための環状凹部機能を定義するために、キューブの上面にディスクをスケッチ。
   4. リアルタイムイメージング及び捕獲の両方のために光アクセスを持つように中心孔を規定します。
   5. 図2に示すように、中心部に向かって超音波パワーを集中するために平らな金属（銅）リングを挿入するために、中央の穴の縁に沿って円形ガイドを定義します。
   6. 図2cおよび2dに示すように、底板（中央に穴の開いた購入し、厚さ4mmの底のアルミニウム板）で組み立てられるように、PZTホルダーにM6ネジ用の2つのボアの穴を作成します。
   7. 同様に、サンプルエンクロージャの長方形の枠を設計します。スケッチをクリックして、四角形を描画し、それ長方形のボックスにするために矩形を押し出します。
   8. rectangulaの上面に小さい四角形を描画Rボックスと押し出しカット矩形管としてそれを作るために長方形。
   9. サンプルエンクロージャボックスのフレームに変換するために、チューブと押し出しカットの側壁に小さい四角形を描画します。
   10. これらの3次元（3D）モデルは、3D印刷用ステレオリソグラフィ（STL）ファイルフォーマット（ 図2b）に変換します。
2. 設計されたオブジェクトの3Dプリント
   1. 3Dプリンタオペレーティングソフトウェアからデザインファイル（「-.STLを」）を開きます。 「プラットフォーム上」、「移動」を、そして「センター」：それを選択するオブジェクトをクリックするとアライメント機能を使って、（0、0、0）でオブジェクトのフラット0 / .AND中心にオブジェクトを置きます。上向きの繊細な機能に直面してPZTホルダーを向けます。凹面が上方に直面することになります。
   2. メニューの「設定」と「品質」タブに移動します。 、次のようにインフィルを印刷値を設定：100％、シェルの数：2、およびレイヤの高さ：0.2ミリメートル。
   3. 総印刷時間を確認し、必要に応じて階層化のオブジェクトが印刷されることを確認するオブジェクトをプレビューします。 「.x3g」形式の3D印刷ファイルをエクスポートし、3Dプリンタで使用するためにそれを保存します。
   4. 3Dプリンターの電源をオンにし、押し出しノズルの温度が動作温度に達するまでのウォームアップ、230℃のメモリカードまたはネットワークドライブからデザインファイルをロードします。
   5. ウォームアップ時には、オブジェクトがしっかり付着を助けるために青画家のテープでビルドプラットフォームを配置します。印刷ジョブのための熱可塑性材料としては、両方のオブジェクトのためのポリ乳酸（PLA）繊維を使用。
   6. 設計されたオブジェクトを印刷します。印刷ジョブが完了すると、それが冷却した後、プリンタの電源を切ります。
   7. ノミを使用してプラットフォームから印刷オブジェクトを切り離します。印刷されたオブジェクトをまっすぐにします。配向が適切に選択された場合に、PZTホルダを直接さらに後処理することなく使用することができます。
   8. フォーRサンプルエンクロージャは、フレームをカバーするために、インジウムスズ酸化物（ITO）コーティングしたカバースリップ三カバーガラスの一対を準備します。エンクロージャにカバースリップにフィットするようにダイヤモンドカッターを使用してください。
   9. 線速乾性銀ペイントを用いて2つの平行な導電プレートは、二つのプレートの間に電圧を供給する。瞬間接着剤の接着剤を使用して、サンプルエンクロージャにこれらの5つの窓を接着。
      注：ITOコーティングされたカバースリップの一組は、平行にサンプルエンクロージャにインストールされて均一な電場を提供し、電界に沿って自然に荷電粒子の弾道運動を生成するために（互いに対向します）。 3従来のカバーガラスは、空気の外部流れから捕捉された粒子を保護するために、サンプルエンクロージャ面（トップと他の2つの辺）の残りの部分をカバー

選択された微粒子の2光トラップの読み込み

1. 試料調製
   1. 中の微粒子を保存実験の前に空気中の水分との接触を減らすためにデシケーターを避難。
   2. スライドガラス上に微粒子の小さな部分を注ぎ、すぐに戻ってデシケーター中で、製造業者のボトルを置きます。
   3. ガラス毛細管を有する微粒子のいくつかをピックアップ。カバーガラスの上に、キャピラリを保持しながら、そっとキャピラリーをタップして、基板上に粒子を散乱。
   4. 暗視野顕微鏡を用いて基板上に堆積された粒子の量と分布を確認します。
      注意：試料調製工程では、粒子がちょうどカバースリップ上に散乱され、PZTとPZTホルダとの間にそれらを挿入する前に、全体の構成を確認するために、光学顕微鏡（散乱微粒子とカバーガラス）で画像化。表面接着は、基板上の個々の微粒子を保持するのに十分強力であるので重要な外力が印加されない限り、付着粒子が強固に固定されています。
2. 圧電ランチャアセンブリ
   1. 平らな底板、フィルム、PZT、カバーガラス、銅リング、PZTホルダー、2本のM6ネジ、およびサンプルエンクロージャを絶縁：圧電ランチャーのすべてのコンポーネントを取得します。
   2. PZTを絶縁するために、底板上に薄膜（またはテープ）を適用します。カバーガラスは、スタックの先頭を分離します。
   3. カバースリップに続く今テープで絶縁平板、銅リング、およびPZTホルダーの上にPZTを中心にして、スタックを組み立てます。 図2cおよび2dに示すように、ホルダーが導通している場合はホルダーにPZTの短絡を回避するために、PZTのセンタリングを維持一緒にスタックをねじ込みます。銅リングは、プラスチック製のPZTホルダー用スタック上に均一に分布機械的予圧を提供します。
   4. 最後に、スタックにサンプルエンクロージャを接着し、顕微鏡でXYZ並進ステージ上にマウントアセンブリ。
3. PZTランチャーの設定
   注：高電圧信号とPZTを駆動するには、潜在的な電気的な危険があります。実験の前に、安全担当者にご相談ください。すべての電気接続は、実験前に保護する必要があります。アンプの電源をオフにし、切り離しPZTは、可能な限りつながります。
   1. PZTは、電圧アンプにリードを接続し、電圧増幅器の入力ポートにファンクション・ジェネレータを接続します。
   2. ファンクション・ジェネレータをオンにして、すべての接続が検証されて固定されるまで、電圧信号を生成しない1 Vの出力電圧を連続的に方形波を発生するように設定します。
   3. 電圧アンプの電源をオンにし、出力を可能にすることにより、出力電圧1 Vの方形波を発生させます。
   4. オシロスコープにアンプの監視出力ポート（出力電圧200 V）を接続します。回して、200 V / Vのゲインを持つように、増幅器を構成しますフロントパネルのノブを得ることができます。オシロスコープで測定したモニタ出力電圧は1 Vの振幅を持っていることを確認します。
   5. 関数発生器と増幅器を設定すると、リアルタイムのビデオ顕微鏡画像は、粒子を付着しながら駆動信号の変調周波数を走査することによりPZTランチャーの共振周波数を見つけます。微粒子動きが最大になるまでスキャンを繰り返します。粒子を解放するために、この周波数（ここでは64 kHzの）を使用します。
      注：変調周波数を手動で共振周波数を見つけるために、150 kHzに、ゼロから（スキャン）が変化します。
   6. バーストモードで指定された数のサイクルの方形波を生成するために、ファンクション・ジェネレータを設定します。フロントパネルに「バースト」ボタンを押すと「Nサイクルバースト」を選択します。
   7. 「＃サイクル」のソフトキーを押して、バースト数を選択して、10または20にカウントを設定します。
   8. との電圧信号を生成する方形波を設定600 Vの振幅前のステップから見つかった64キロヘルツの共振周波数で（3回連続励起のために使用される電圧）。パルス信号は、粒子は、各パルスの後に移動を保証することにより、繰り返し可能な方法で標的粒子を放出することを確認します。
4. 選択光トラップのロード
   注：PZTランチャアセンブリは手動線形変換XYステージ上に設置されています。粒子は、並進ステージを移動させることにより、固定ビーム焦点を基準に翻訳することができます。
   1. 顕微鏡のタレット（ 図3a）を回転させることにより、トラップビームの焦点を識別するために、レーザラインフィルタを削除。フォーカスを最適化するために、可視画像の最良の焦点の周りに垂直方向に前後に電動フォーカシングブロックを移動します。
   2. 焦点位置が確認されると、トラップビームからの干渉なしに明確なリアルタイムビデオを与えるために戻ってフィルタをかけます。
   3. pまでのサンプルを翻訳トラップレーザーの焦点位置に選択された粒子をレース。画像への粒子の粒子上に浮上位置を残しながら、約半分の半径によって粒子中心部以下の公称トラッピング位置を配置する選択された粒子の中心に焦点を当てています。
   4. 光トラッピング力を設定するための電気光学変調器（EOM）ドライバに接続された電源を調整します。最適な電力は、粒子サイズおよび材料に依存します。光パワービームから吐出させずに粒子を浮揚させるのに十分な電力を決定するために反復試験によって見出されました。ここでは、直径20μmのポリスチレン（PS）粒子を捕捉する対物レンズの後焦点面で140ミリワットの光パワーを使用しています。
   5. 選択された粒子の中心が整列された後、いくつかのパルスで圧電ランチャーを作動させます。移動ぼやけた画像への静的な合焦画像から粒子像の変化がLEVに成功した負荷を示していますitation位置。
   6. 基板上ミリメートル程度垂直浮遊粒子は、可能な表面相互作用を防止するように対物レンズを移動させることによって変換します。そして、より安定している公称トラッピング位置（ 図3c）に浮揚粒子（ 図3b）を移行するための光パワーを低減します。
      注：トラッピングレーザの光パワーは、電気光学変調器（EOM）によって調節することができます。 EOMは、デジタル電源を介して供給されるバイアス電圧で出力電力を調整します。一つは、ゆっくりと光パワーを低減しながら、CCDを介して位置をトラップに浮上からの移行を観察することができます。
   7. 位置測定のために、3Dに、図3Cに示すように、慎重に光軸にPZTホルダーの中心を移動し、サンプルエンクロージャの中央上記（9 mmの中に粒子を変換するための対物レンズまでの（垂直方向）に移動させますSUBSTRフリンジ電界が最小化される）を食べました。
   8. 粒子が基板に接触するまで、以下に記載されるように測定を行った後、対物レンズを下に移動することによって、基板上に粒子を配置します。粒子の大部分が角部近傍に適用されるので、トラップされた粒子は、容易に認識することができ、再捕捉され、それが中央部に配置されたとき。これは、粒子と基板との接触相互作用のような単一のトラップイベントを越えて生じる変化を測定するための可逆的トラップの読み込みを可能にします。

3.データ集録

1. トラップ内の粒子とQPD「SUM」信号を最大化するために、凝縮器フォーカスレンズの位置を合わせます。
2. 図4cに示すように、QPDのXとYのチャネルを名目上ゼロに集束レンズの位置を合わせます。
3. フーリエ変換された位置信号（又は電力スペクトル密度まで凝縮器の調整とフォーカスレンズを繰り返し XとYのチャンネル（PSD）プロットは）バランスのとれた感度を示すように重ね合わせます。 図4bに示すように適切に整列QPD信号（XとY）は、ほぼ同一の挙動を示します。
4. QPDアライメントが確認されると、2枚のITOプレートに電圧アンプを接続します。ステップ励磁信号と同期して誘導された粒子の軌跡を記録するためにDAQシステムにアンプの電圧監視出力信号を接続します。
5. 約500nm（ 図4e）により光軸に対して横方向に粒子を移動させる電界（ 図4d）を生成するために400 Vの連続的な矩形波を供給する。 QPDを使用して捕捉された粒子のステップ応答を測定します。
6. ブラウン運動の影響を低減するために、必要に応じて平均複数の期間。誘導運動は、熱揺らぎよりも運動のより広い範囲にわたって光力を測定するために使用することができます。 ^12、EF "> 17 図4dおよび4eのショーは、印加電圧とステップ励磁の50回の反復を超える誘起される粒子軌道の信号を平均しました。

結果

PZTランチャは、CADソフトウェアパッケージを用いて設計されています。 PZTホルダが図2に示されており、サンプルエンクロージャは、材料および方法の様々な製造することができるようにここで、我々は、（PZTは、2つのプレートでクランプ）プリロードのためのシンプルなサンドイッチ構造を使用します。 図2dに示すように、簡単なデモの?...

ディスカッション

圧電ランチャは、選択されたPZTの動的性能を最適化するように設計されています。超音波振動のPZT材料と管理の適切な選択が成功した実験を生成する重要なステップです。 PZTは、異なる特性の変換器のタイプに応じて（バルク又は積層）し、構成材料（ハードまたはソフト）を有します。硬質圧電材料からなるバルク型PZTは、次の理由のために選択されます。まず、ハード圧電材料は柔らか...

資料

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