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.

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 <ol><li> Projetar um suporte PZT e um gabinete de amostra Nota: Os valores projeto particular variar de acordo com a seleção de um PZT. <ol><li> 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. </li><li> Clique Esboço,desenhar um retângulo e expulse-lo para fazer um cubo rectangular. </li><li> Esboçar um disco na superfície superior do cubo para definir um recesso circular recurso para cobrir e segurar o anel do tipo PZT. </li><li> Definir um furo central para ter um acesso óptico tanto para imagens em tempo real e aprisionamento. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Desenhe um retângulo menor na parede lateral do tubo e Extrusão de corte para transformá-lo no quadro da caixa compartimento de amostra. </li><li> Converter esses modelos tridimensionais (3D) em um formato de arquivo estereolitografia (STL) para um processo de impressão 3D (Figura 2b). </li></ol></li><li> Impressão 3D dos objetos projetados <ol><li> Abra o arquivo de projeto (o &quot;-.STL&quot;) 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: &quot;Move&quot;, &quot;On Platform&quot;, e &quot;Center&quot;. Orientar o porta-PZT para enfrentar os traços delicados para cima. A superfície de recesso serão confrontados para cima. </li><li> No menu de ir para o &quot;Configurações&quot; e na guia &quot;Qualidade&quot;. Defina os valores de impressão da seguinte forma, Infill: 100%, Número de conchas: 2, e altura da camada: 0,2milímetros. </li><li> 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 &quot;.x3g&quot; e guardá-lo para usar na impressora 3D. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Imprimir os objetos projetados. Uma vez que o trabalho de impressão estiver concluída, desligue a impressora depois de ter arrefecido. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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 </li></ol></li></ol> 2. armadilha óptica Carregamento de uma micropartículas selecionado <ol><li> Preparação de amostra <ol><li> Armazenar as micropartículas numacâmara sob vácuo para reduzir o contato com a umidade do ar antes do experimento. </li><li> Despeje uma pequena porção de micropartículas numa lâmina de vidro e colocar imediatamente garrafa da fabricação de volta no exsicador. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol&gt; </li><li> Montagem lançador piezoelétrico <ol><li> 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. </li><li> Aplique uma fina camada (ou fita) sobre a placa de fundo para isolar o PZT. A lamela de vidro isola o topo da pilha. </li><li> 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. </li><li> Finalmente, cole o gabinete de exemplo na pilha e montar o conjunto em um estágio de translação XYZ no microscópio. </li></ol></li><li> 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. <ol><li> Ligue o PZT leva para o amplificador de voltagem e ligar o gerador de função para uma porta de entrada do amplificador de tensão. </li><li> 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. </li><li> Ligue o amplificador de tensão e gerar a onda quadrada de tensão de saída 1 V, permitindo a saída. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Configurar o gerador de função para gerar uma onda quadrada com um determinado número de ciclos no modo burst. Pressione o botão &quot;Explosão&quot; no painel frontal e selecione &quot;Explosão Ciclo N&quot;. </li><li> Escolha a contagem estourar pressionando &quot;# Ciclos&quot; tecla de função e definir a contagem a 10 ou 20. </li><li> 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. </li></ol></li><li> 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. <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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). </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol></li></ol> 3. Aquisição de Dados <ol><li> Alinhar o condensador e a lente de focagem para maximizar a &quot;soma&quot; sinal QPD com uma partícula na armadilha. </li><li> Alinhar a lente de focagem para nominalmente zero os canais X e Y do QPD, como mostrado na Figura 4c. </li><li> 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<html> (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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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 &quot;&gt; 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. </li></ol>

<ol><li>Ashkin, A. <a target="_blank" href="http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.24.156">Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure.</a> Phys. Rev. Lett. 24 (4), 156-159 (1970).</li>
<li>Gieseler, J., Novotny, L., Quidant, R. <a target="_blank" href="http://www.nature.com/nphys/journal/v9/n12/full/nphys2798.html">Thermal nonlinearities in a nanomechanical oscillator.</a> Nat. Phys. 9 (12), 806-810 (2013).</li>
<li>Gieseler, J., Deutsch, B., Quidant, R., Novotny, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Subkelvin+Parametric+Feedback+Cooling+of+a+Laser-Trapped+Nanoparticle%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Subkelvin Parametric Feedback Cooling of a Laser-Trapped Nanoparticle.</a> Phys. Rev. Lett. 109 (10), 103603(2012).</li>
<li>Chang, D. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cavity+opto-mechanics+using+an+optically+levitated+nanosphere%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci%22%5BJournal%5D)">Cavity opto-mechanics using an optically levitated nanosphere.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. 107 (3), 1005-1010 (2010).</li>
<li>Arita, Y., Mazilu, M., Dholakia, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Laser-induced+rotation+and+cooling+of+a+trapped+microgyroscope+in+vacuum%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Commun%22%5BJournal%5D)">Laser-induced rotation and cooling of a trapped microgyroscope in vacuum.</a> Nat. Commun. 4, 2374(2013).</li>
<li>Ashkin, A., Dziedzic, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+trapping+and+manipulation+of+viruses+and+bacteria%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Optical trapping and manipulation of viruses and bacteria.</a> Science. 235 (4795), 1517-1520 (1987).</li>
<li>Svoboda, K., Block, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biological+Applications+of+Optical+Forces%5BTitle%5D)+AND+%22Annu.+Rev.+Biophys.+Biomol.+Struct%22%5BJournal%5D)">Biological Applications of Optical Forces.</a> Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 23 (1), 247-285 (1994).</li>
<li>Mehta, A. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Single-Molecule+Biomechanics+with+Optical+Methods%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Single-Molecule Biomechanics with Optical Methods.</a> Science. 283 (5408), 1689-1695 (1999).</li>
<li>Arvanitaki, A., Geraci, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Detecting+High-Frequency+Gravitational+Waves+with+Optically+Levitated+Sensors%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Detecting High-Frequency Gravitational Waves with Optically Levitated Sensors.</a> Phys. Rev. Lett. 110 (7), 071105(2013).</li>
<li>Moore, D. C., Rider, A. D., Gratta, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Search+for+Millicharged+Particles+Using+Optically+Levitated+Microspheres%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Search for Millicharged Particles Using Optically Levitated Microspheres.</a> Phys. Rev. Lett. 113 (25), 251801(2014).</li>
<li>Li, T., Kheifets, S., Medellin, D., Raizen, M. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+of+the+instantaneous+velocity+of+a+Brownian+particle%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Measurement of the instantaneous velocity of a Brownian particle.</a> Science. 328 (5986), 1673-1675 (2010).</li>
<li>Park, H., LeBrun, T. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Parametric+Force+Analysis+for+Measurement+of+Arbitrary+Optical+Forces+on+Particles+Trapped+in+Air+or+Vacuum%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Photonics%22%5BJournal%5D)">Parametric Force Analysis for Measurement of Arbitrary Optical Forces on Particles Trapped in Air or Vacuum.</a> ACS Photonics. 2 (10), 1451-1459 (2015).</li>
<li>Summers, M. D., Burnham, D. R., McGloin, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Trapping+solid+aerosols+with+optical+tweezers%3A+A+comparison+between+gas+and+liquid+phase+optical+traps%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Trapping solid aerosols with optical tweezers: A comparison between gas and liquid phase optical traps.</a> Opt. Express. 16 (11), 7739-7747 (2008).</li>
<li>Anand, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Aerosol+droplet+optical+trap+loading+using+surface+acoustic+wave+nebulization%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Aerosol droplet optical trap loading using surface acoustic wave nebulization.</a> Opt. Express. 21 (25), 30148-30155 (2013).</li>
<li>Lee, W. M., Reece, P. J., Marchington, R. F., Metzger, N. K., Dholakia, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Construction+and+calibration+of+an+optical+trap+on+a+fluorescence+optical+microscope%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Protoc%22%5BJournal%5D)">Construction and calibration of an optical trap on a fluorescence optical microscope.</a> Nat. Protoc. 2 (12), 3226-3238 (2007).</li>
<li>Pesce, G., et al. <a target="_blank" href="https://www.osapublishing.org/josab/abstract.cfm?uri=josab-32-5-B84">Step-by-step guide to the realization of advanced optical tweezers.</a> J. Opt. Soc. Am. B. 32 (5), B84(2015).</li>
<li>Thornton, S. T., Marion, J. B. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aThornton%2C+ST+%22Classical+Dynamics+of+Particles+and+Systems%22">Classical Dynamics of Particles and Systems</a>. , Brooks/Cole. (2003).</li>
<li>Ashkin, A. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.1655064">Stability of optical levitation by radiation pressure.</a> Appl. Phys. Lett. 24 (12), 586-588 (1974).</li>
<li>Chandrasekhar, S. <a target="_blank" href="http://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.15.1">Stochastic Problems in Physics and Astronomy.</a> Rev. Mod. Phys. 15 (1), 1-89 (1943).</li>
<li>Li, T. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLi%2C+T+%22Fundamental+Tests+of+Physics+with+Optically+Trapped+Microspheres%22">Fundamental Tests of Physics with Optically Trapped Microspheres</a>. , New York. 9-21 (2013).</li>
<li>Chai, Z., Liu, Y., Lu, X., He, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reducing+Adhesion+Force+by+Means+of+Atomic+Layer+Deposition+of+ZnO+Films+with+Nanoscale+Surface+Roughness%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Appl.+Mater.+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Reducing Adhesion Force by Means of Atomic Layer Deposition of ZnO Films with Nanoscale Surface Roughness.</a> ACS Appl. Mater. Interfaces. 6 (5), 3325-3330 (2014).</li>
<li>Park, H., LeBrun, T. W. <a target="_blank" href="http://proceedings.spiedigitallibrary.org/proceeding.aspx?articleid=2501139">Measurement and accumulation of electric charge on a single dielectric particle trapped in air.</a> SPIE OPTO. 9764, (2016).</li>
</ol>

The authors declare no competing financial interest.

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...

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

<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.

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...

Watch this Scientific Journal Video about Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air at JoVE.com

Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air

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

Armadilha óptica carregamento de dielétrico micropartículas no ar

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly ...

optical-trap-loading-of-dielectric-microparticles-in-air

Research

JoVE Journal

Engineering

9.0K visualizações.  National Institute of Standards and Technology. A protocol for launching and stably trapping selected dielectric microparticles in air is presented.

Vídeo: 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.

A Armadilha hidrodinâmica microfluídicos baseados em partículas individuais

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

Bioengenharia

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.

Captura óptica de nanopartículas

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 ...

Engenharia

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.

Utilização de Nanoestruturas Cristal plasmônicos e Fotônica para Manipulação de Micro-e Nanopartículas melhorada

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.

Fabricação e operação de uma Correia Transportadora Nano-óptica

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.

Plasmonic captura e liberação de nanopartículas em um ambiente de Monitoramento

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.

Os métodos experimentais de armadilhagem sem crueldade íons usando Microfabricated íon armadilhas de superfície

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 de pinças ópticas duplas e microfluídicas para estudos de molécula única

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

Bioquímica

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.

Captura de Micro partículas em Lattice ótico 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.

Medições de força direta de mecânica subcelular em confinamento usando pinças ópticas

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

Biologia do Desenvolvimento

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.