Armadilha óptica carregamento de dielétrico micropartículas no ar

Resumo

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

Resumo

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.

Introdução

Ashkin relatou a aceleração e aprisionamento de micropartículas por pressão de radiação em 1970. ¹ Sua novela conquista promoveu o desenvolvimento de técnicas de captura óptica como uma ferramenta fundamental para estudos fundamentais da física e biofísica. ^{2, 3, 4, 5} Até à data, a aplicação de captura óptica tem-se centrado principalmente em ambientes líquidos, e foi usado para estudar uma gama muito ampla de sistemas, a partir do comportamento de colóides para as propriedades mecânicas de biomoléculas individuais. ^{6, 7, 8} Aplicação de captura óptica para meios gasosos, no entanto, exige a resolução de várias novas questões técnicas.

Recentemente, captura óptica no ar / vácuo tem sido cada vez mais aplicados em pesquisa fundamental. Desde levi ópticostação potencialmente fornece isolamento quase-completo de um sistema a partir do ambiente circundante, a partícula opticamente levitado se torna um laboratório ideal para o estudo de estados fundamentais quânticos em pequenos objetos, ⁴ medem as ondas gravitacionais de alta frequência, ⁹ e à procura de carga fraccionada. ¹⁰ Além disso, a baixa viscosidade de ar / vácuo permite a utilização de inércia para medir a velocidade instantânea de uma partícula Browniano ¹¹ e para criar um movimento balísticos sobre uma ampla gama de movimento para além do regime linear tipo mola. ¹² Portanto, informações e práticas para armadilhas ópticas em meios gasosos técnica detalhada tornaram-se mais valioso para a comunidade de pesquisa mais amplo.

técnicas experimentais novas são necessários para carregar nano / micropartículas em armadilhas ópticas em meio gasoso. Um transdutor piezoelétrico (PZT), um dispositivo que converte electrIC energia em energia mecano-acústica, tem sido usada para fornecer pequenas partículas em armadilhas ópticas em ar / vácuo ^{5, 12} uma vez que a primeira demonstração de levitação óptico. ¹ Desde então, várias técnicas de carregamento têm sido propostos para carregar as partículas mais pequenas que utilizam aerossóis voláteis gerados por um nebulizador comercial ¹³ ou um gerador de onda acústica. ¹⁴ Os aerossóis flutuantes com inclusões sólidos (partículas) passam aleatoriamente perto do foco e está preso por acaso. Uma vez que o aerossol é preso, o solvente evapora-se para fora e a partícula mantém-se na armadilha óptica. No entanto, estes métodos não são adequados para identificar partículas desejadas a partir de uma amostra, uma partícula de carga seleccionado e para controlar as suas modificações se libertado da armadilha. Este protocolo destina-se a fornecer detalhes para novos praticantes no carregamento armadilha óptica seletiva no ar, incluindo o experimentoconfiguração ai, o fabrico de um suporte de PZT e invólucro da amostra, carga armadilha, e aquisição de dados associada com a análise do movimento das partículas em ambos os domínios de frequência e tempo. Os protocolos para aprisionamento em meios líquidos, também foram publicados. ^{15, 16}

A configuração experimental global é desenvolvido em um microscópio óptico invertido comercial. A Figura 1 mostra um diagrama esquemático da configuração utilizada para demonstrar passos de a carga armadilha óptica selectiva: libertar as micropartículas de repouso, o levantamento da partícula escolhida com o feixe focado, medindo o seu movimento, e colocando-o sobre o substrato novamente. objectivo distância longa de trabalho Primeiro, as fases de translação (transversais e verticais) são usadas para trazer uma micropartícula seleccionado sobre o substrato para o foco de um laser de aprisionamento (comprimento de onda de 1064 nm), focada por uma lente objectiva (infravermelho próximo corrigido: NA 0,4, ampliação de 20X, d trabalhandoistance 20 mm) através do substrato transparente. Em seguida, um lançador piezoelétrico (a mecanicamente pré-carregada do tipo anel de PZT) gera vibrações ultra-sônicas para quebrar a adesão entre micropartículas e um substrato. Assim, qualquer partícula libertado pode ser levantada pela armadilha de feixe único laser de gradiente focado sobre a partícula seleccionado. Uma vez que a partícula é preso, é traduzido para o centro do compartimento de amostra contendo duas placas condutoras paralelas para excitação electrostática. Finalmente, um sistema (DAQ) de aquisição de dados grava simultaneamente o movimento de partículas, capturadas por um fotodetector de células quadrante (QPD), e o campo eléctrico aplicado. Depois de terminar a medição, a partícula é controlavelmente colocada sobre o substrato de modo que possa ser presa de novo de uma maneira reversível. Este processo global pode ser repetido centenas de vezes sem perda de partículas para medir as mudanças, como a electrificação de contato que ocorrem ao longo de vários ciclos de armadilhagem. Por favor, consulte o nosso artigo recente fou detalhes. ¹²

Protocolo

Cuidado: Por favor, consulte todos os programas de segurança relevantes antes do experimento. Todos os procedimentos experimentais descritos neste protocolo são realizadas em conformidade com o programa de segurança LASER NIST, bem como outros regulamentos aplicáveis. Por favor, não se esqueça de selecionar e usar equipamento de proteção individual (EPI), como óculos de proteção do laser projetado para o comprimento de onda e potência específica. Manipulação de nano secos / micropartículas podem exigir proteção respiratória adicional.

1. Projeto e Fabricação de um Detentor PZT e um gabinete de Amostra

1. Projetar um suporte PZT e um gabinete de amostra
   Nota: Os valores projeto particular variar de acordo com a seleção de um PZT.
   1. Abra o pacote de software de desenho assistido por computador (CAD). Desenhar um (2D) bidimensional esboço de um suporte para uma dada dimensão de PZT. Desenvolver o esboço 2D para recursos volumétricos usando combinações de Extrusão / Extrusão de corte.
   2. Clique Esboço,desenhar um retângulo e expulse-lo para fazer um cubo rectangular.
   3. Esboçar um disco na superfície superior do cubo para definir um recesso circular recurso para cobrir e segurar o anel do tipo PZT.
   4. Definir um furo central para ter um acesso óptico tanto para imagens em tempo real e aprisionamento.
   5. Definir uma guia circular ao longo da borda do furo central para inserir um anel metálico liso (cobre) para concentrar a energia ultra-sónica para a área do centro, como mostrado na Figura 2-A.
   6. Criar dois furos para parafusos M6 relativos ao titular do PZT para serem montados com uma placa de fundo (adquirido, placa de alumínio inferior a 4 mm de espessura com um furo no centro), conforme mostrado na Figura 2c e 2d.
   7. De um modo semelhante, conceber uma estrutura rectangular do compartimento da amostra. Clique Esboço, e desenhe um retângulo, expulsar o retângulo para torná-lo uma caixa retangular.
   8. Desenhar um pequeno rectângulo sobre a superfície de topo do caixcaixa de r e expulse-cortar o rectângulo para torná-lo como um tubo rectangular.
   9. Desenhe um retângulo menor na parede lateral do tubo e Extrusão de corte para transformá-lo no quadro da caixa compartimento de amostra.
   10. Converter esses modelos tridimensionais (3D) em um formato de arquivo estereolitografia (STL) para um processo de impressão 3D (Figura 2b).
2. Impressão 3D dos objetos projetados
   1. Abra o arquivo de projeto (o "-.STL") a partir do software de operação da impressora 3D. Coloque o objeto plano 0 / .e centro do objeto em (0, 0, 0), clicando no objeto para selecioná-lo e utilizar as funções de alinhamento: "Move", "On Platform", e "Center". Orientar o porta-PZT para enfrentar os traços delicados para cima. A superfície de recesso serão confrontados para cima.
   2. No menu de ir para o "Configurações" e na guia "Qualidade". Defina os valores de impressão da seguinte forma, Infill: 100%, Número de conchas: 2, e altura da camada: 0,2milímetros.
   3. Visualizar os objetos para verificar o tempo total de impressão e certifique-se os objetos em camadas serão impressas como desejado. Exportar o arquivo de impressão 3D em um formato ".x3g" e guardá-lo para usar na impressora 3D.
   4. Ligue a impressora 3D e aquecê-lo até que a temperatura do bico de extrusão atinge uma temperatura de funcionamento, 230 ° C. Coloque o arquivo de design a partir de um cartão de memória ou unidade de rede.
   5. Durante o aquecimento, coloque a plataforma de construção com fita azul do pintor para ajudar objetos aderir de forma segura. Como um material termoplástico para a tarefa de impressão, utilizar um filamento de ácido poliláctico (PLA) para ambos os objectos.
   6. Imprimir os objetos projetados. Uma vez que o trabalho de impressão estiver concluída, desligue a impressora depois de ter arrefecido.
   7. Retire o objeto impresso a partir da plataforma usando um cinzel. Endireitar-se os objetos impressos. Se a orientação for adequadamente escolhido, o suporte do PZT pode ser utilizado directamente sem mais o pós-processamento.
   8. for recinto amostra, preparar um par de óxido de índio-estanho (ITO) lamelas revestidas e três lamelas de vidro para cobrir o quadro. Use um cortador de diamante para caber a lamela ao gabinete.
   9. Fio as duas placas condutoras paralelas utilizando uma tinta de prata de secagem rápida para fornecer tensão entre duas placas. Cole estes cinco janelas sobre o gabinete de amostra usando uma cola adesivo instantâneo.
      NOTA: O um par de lamelas recoberta com ITO estão instalados no compartimento de amostra em paralelo (voltadas uma para a outra) para proporcionar campo eléctrico uniforme e para gerar movimento balístico da partícula carregada naturalmente ao longo do campo eléctrico. Os três lamela convencional cobrir o resto das superfícies das amostras caixa (superior e dois outros lados) para proteger a partícula preso a partir do fluxo externo de ar

2. armadilha óptica Carregamento de uma micropartículas selecionado

1. Preparação de amostra
   1. Armazenar as micropartículas numacâmara sob vácuo para reduzir o contato com a umidade do ar antes do experimento.
   2. Despeje uma pequena porção de micropartículas numa lâmina de vidro e colocar imediatamente garrafa da fabricação de volta no exsicador.
   3. Pegar algumas das micropartículas com um tubo capilar de vidro. Dispersar as partículas sobre o substrato batendo suavemente na capilar, mantendo o capilar sobre a lamela.
   4. Verificar a quantidade e a distribuição de partículas depositadas sobre o substrato usando um microscópio de campo escuro.
      Nota: Na etapa de preparação da amostra, a partícula é apenas espalhadas sobre uma lamela e fotografada com um microscópio óptico para verificar acordo global antes de inseri-los (uma lamela com micropartículas dispersas) entre o suporte de PZT e PZT. Uma vez que a adesão de superfície é suficientemente forte para manter as micropartículas individuais sobre o substrato, as partículas aderentes são firmemente fixa, a menos que seja aplicada uma força externa significativa.
2. Montagem lançador piezoelétrico
   1. Obter todos os componentes do lançador piezoelétrico: a placa de fundo plano, filme, o PZT, a lamela de vidro, um anel de cobre, o titular do PZT, dois parafusos M6, eo gabinete amostra isolantes.
   2. Aplique uma fina camada (ou fita) sobre a placa de fundo para isolar o PZT. A lamela de vidro isola o topo da pilha.
   3. Montar a pilha de centragem do PZT em cima da placa plana agora isolados com fita, seguido pela lamela, o anel de cobre, e o suporte de PZT. Parafuso da pilha em conjunto mantendo a centragem do PZT para evitar curto-circuito o PZT para o titular, se o suporte está a realizar, como mostrado na Figura 2c e 2d. O anel de cobre proporciona uma pré-carga mecânica uniformemente distribuída na pilha para os titulares de PZT de plástico.
   4. Finalmente, cole o gabinete de exemplo na pilha e montar o conjunto em um estágio de translação XYZ no microscópio.
3. Configuração do lançador PZT
   NOTA: Conduzindo o PZT com um sinal de alta tensão tem riscos elétricos potenciais. Por favor consulte o pessoal de segurança antes do experimento. Todas as ligações eléctricas devem ser fixados antes do experimento. Desligue o amplificador e retire PZT leva sempre que possível.
   1. Ligue o PZT leva para o amplificador de voltagem e ligar o gerador de função para uma porta de entrada do amplificador de tensão.
   2. Ligue o gerador de função e configurá-lo para gerar ondas quadradas contínuas com uma tensão de 1 V. saída Não gerar o sinal de tensão até que todas as ligações são verificados e garantidos.
   3. Ligue o amplificador de tensão e gerar a onda quadrada de tensão de saída 1 V, permitindo a saída.
   4. Ligue a porta de saída de monitorização (tensão de saída de 200 V) do amplificador a um osciloscópio. Configurar o amplificador para ter ganho de 200 V / V rodando oganhar botão no painel frontal. Verificar que a tensão de saída de monitorização tem uma amplitude de um V, tal como medido pelo osciloscópio.
   5. Uma vez que o gerador de função eo amplificador estão configurados, encontrar a frequência de ressonância do lançador de PZT por digitalizar a frequência de modulação do sinal de condução, enquanto as imagens de vídeo microscópio em tempo real aderiu partículas. Repita a verificação até que o movimento de micropartículas é máximo. Utilize este frequência (64 kHz aqui) para liberar partículas.
      NOTA: A frequência de modulação for alterada manualmente (digitalizada) de zero a 150 kHz para encontrar a frequência de ressonância.
   6. Configurar o gerador de função para gerar uma onda quadrada com um determinado número de ciclos no modo burst. Pressione o botão "Explosão" no painel frontal e selecione "Explosão Ciclo N".
   7. Escolha a contagem estourar pressionando "# Ciclos" tecla de função e definir a contagem a 10 ou 20.
   8. Configurar a forma de onda quadrada para gerar sinais de tensão comuma amplitude de 600 V (três vezes a voltagem utilizada para excitação contínua) à frequência de ressonância de 64 kHz, que tem encontrado a partir do passo anterior. Verifique se o sinal pulsante libera a partícula alvo de um modo repetitivo, garantindo partículas se movem depois de cada pulso.
4. Selective carregamento armadilha óptica
   NOTA: O conjunto lançador de PZT é instalado em uma fase de tradução XY linear manual. As partículas podem ser traduzidas em relação ao foco do feixe fixa, movendo o estágio de translação.
   1. Remover o filtro de linha de laser para identificar o foco do feixe de armadilhagem por rotação da torreta microscópio (Figura 3a). Mova o bloco de focagem motorizados e para trás verticalmente em torno do melhor foco da imagem visível para otimizar o foco.
   2. Uma vez que a posição do foco é verificada, colocar o filtro de volta para dar um vídeo em tempo real, claro, sem interferência do feixe de aprisionamento.
   3. Traduzir a amostra para pate uma partícula selecionada na posição do foco do laser de aprisionamento. Concentre-se na partícula para a imagem do centro de uma partícula seleccionado, o que o coloca na posição nominal aprisionamento abaixo do centro da partícula de cerca de metade do raio, deixando a posição levitação acima da partícula.
   4. Ajustar a fonte de alimentação ligado ao modulador (MOE) accionador electro-óptica para ajustar a potência óptica aprisionamento. A energia óptima depende do tamanho da partícula e material. A potência óptica foi determinada por meio de ensaios repetidos para determinar a potência suficiente para levitar a partícula sem ejectando-o do feixe. Aqui, use uma potência óptica de 140 MW no plano focal de trás do objetivo de prender as partículas de 20 mm de diâmetro de poliestireno (PS).
   5. Depois do centro da partícula seleccionado está alinhado, accionar o lançador piezoeléctrico com vários impulsos. A mudança da imagem de partículas a partir de uma imagem focada estática para uma imagem borrada movimento indica carregamento bem-sucedido ao levposição itation.
   6. Traduzir a partícula levitado verticalmente cerca de um milímetro acima do substrato ao mover a lente objectiva para prevenir possíveis interacções superficiais. Em seguida, reduzir a potência óptica para fazer a transição da partícula levitado (Figura 3b) na posição nominal aprisionamento (Figura 3c), que é mais estável.
      NOTA: A potência óptica de laser de aprisionamento pode ser modulada por um modulador electro-óptico (MOE). A MOE regula a potência de saída com uma tensão de polarização fornecida através de uma fonte de alimentação digital. Pode-se observar a transição a partir da levitação à armadilhagem posição através do CCD, enquanto lentamente reduz a potência óptica.
   7. Para a medição da posição, conforme ilustrado na Figura 3C para 3d, mover cuidadosamente o centro do suporte de PZT ao eixo óptico e em seguida, mover a lente objectiva para cima (verticalmente) para traduzir a partícula no meio da amostra de invólucro (9 mm acima da substrComeram), onde o campo eléctrico franja é minimizado.
   8. Depois de se efectuar a medição, como descrito abaixo, colocar a partícula sobre o substrato movendo o objectivo para baixo até que a partícula atinge o substrato. Uma vez que a maioria das partículas são aplicados perto dos cantos, a partícula pode ser preso facilmente reconhecido e re-preso quando é colocado na área central. Isso permite o carregamento armadilha reversível para medir as mudanças que ocorrem para além de um único evento trapping tais como interações de contato da partícula e do substrato.

3. Aquisição de Dados

1. Alinhar o condensador e a lente de focagem para maximizar a "soma" sinal QPD com uma partícula na armadilha.
2. Alinhar a lente de focagem para nominalmente zero os canais X e Y do QPD, como mostrado na Figura 4c.
3. Repita o ajuste do condensador e da lente de focagem até que os sinais de posição com transformada de Fourier (ou densidade de espectro de potência (PSD) parcelas) do X e Y canais sobrepor para mostrar sensibilidade equilibrada. Sinais QPD devidamente alinhados (X e Y) mostram um comportamento quase idênticas, como mostrado na Figura 4b.
4. Uma vez que o alinhamento QPD é verificado, ligar o amplificador de tensão para as duas placas de ITO. Ligue o sinal de saída de monitorização da tensão do amplificador para o sistema de aquisição de dados para gravar o sinal de excitação e o passo trajectória de partícula induzida de forma sincronizada.
5. Fornecer uma onda quadrada de 400 V contínua para gerar um campo eléctrico (Figura 4d) que se move a partículas transversalmente em relação ao eixo óptico de cerca de 500 nm (Figura 4E). Medir a resposta de passo da partícula preso usando o QPD.
6. Média de vários períodos como necessário para reduzir os efeitos do movimento browniano. O movimento induzida pode ser utilizado para medir a força óptico sobre uma ampla gama de movimento do que a flutuações térmicas. ^12,ef "> 17 Figura 4d e 4e mostra uma média de sinais de tensão aplicada e a trajetória de partículas induzida mais de 50 iterações da etapa de excitação.

Resultados

O lançador de PZT é projetado usando um pacote de software CAD. Aqui, utilizamos uma estrutura em sanduíche simples para a pré-carga (PZT uma apertada com duas placas), como mostrado na Figura 2. O suporte de PZT e a amostra de invólucro pode ser fabricado a partir de uma variedade de materiais e métodos. Para uma demonstração rápida, nós escolhemos a impressão 3D com termoplástico como ilustrado na Figura 2-D. Com base nos componentes fabric...

Discussão

O lançador piezoelétrico é projetado para otimizar o desempenho dinâmico de um PZT selecionado. A seleção adequada de materiais e gestão das vibrações ultra-sônicas de PZT são os principais passos para produzir uma experiência bem sucedida. PZT têm características diferentes, consoante o tipo de transdutor (a granel ou empilhadas) e materiais de componentes (dura ou mole). Um tipo PZT em massa feitos de um material piezoeléctrico disco é escolhida para as seguintes razões. Primeiro, materiais piezoelét...

Materiais

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