Оптическая ловушка Загрузка Диэлектрические микрочастицами In Air

Резюме

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

Аннотация

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.

Введение

Эшкина сообщает ускорение и улавливанию микрочастиц давления излучения в 1970 году ¹ Его новым достижением способствовали развитию оптических методов отлова в качестве основного инструмента для фундаментальных исследований физики и биофизики. ^{2, 3, 4, 5} На сегодняшний день применение оптического захвата была сосредоточена главным образом на жидких средах, и был использован для изучения очень широкий спектр систем, от поведения коллоидов от механических свойств единичных биомолекул. ^{6, 7, 8} Применение оптического захвата в газообразных средах, однако, требует решения ряда новых технических проблем.

В последнее время оптический захват в воздухе / вакууме все чаще применяется в фундаментальных исследованиях. Поскольку оптические Левияставление потенциально обеспечивает почти полную изоляцию-системы от окружающей среды, оптически левитации частиц становится идеальной лабораторией для изучения квантовых основных состояний в малых объектов, ⁴ измерения высокочастотных гравитационных волн, ⁹ и поиска дробного заряда. ¹⁰ Кроме того, низкая вязкость воздуха / вакуума позволяет использовать инерцию для измерения мгновенной скорости броуновской частицы ¹¹ и создать баллистическую движение в широком диапазоне движения за рамки линейного пружинному режима. ¹² Таким образом, подробная техническая информация и практика для оптических ловушек в газовых средах становятся все более ценным для более широкого научного сообщества.

Новые экспериментальные методы, необходимые для загрузки нано / микрочастиц в оптические ловушки в газовых средах. Пьезоэлектрический преобразователь (ЦТС), устройство, преобразующее Электрэнергия IC в механо-акустической энергии, используется для доставки мелких частиц в оптические ловушки в воздухе / вакууме ^{5, 12} с момента первой демонстрации оптической левитации. ¹ С тех пор, несколько методов погрузки были предложены для загрузки более мелких частиц , используя летучие аэрозоли , генерируемые коммерческим распылителе ¹³ или генератор акустических волн. ¹⁴ Плавающие аэрозоли с твердыми включениями (частиц) случайным образом проходят вблизи фокуса и улавливаются случайно. После того как аэрозоль в ловушке, растворитель испаряется, и частица остается в оптической ловушке. Тем не менее, эти методы не очень хорошо подходят для идентификации желаемых частиц внутри образца, загрузите выбранную частицу и отслеживать его изменения в случае освобождения из ловушки. Этот протокол предназначен для обеспечения деталей для новых практикующих на селективной оптической ловушки нагрузки в воздухе, в том числе экспериментаАль установка, изготовление держателя ЦТС и образец корпуса, ловушки загрузки и сбора данных, связанных с анализом движения частиц в частотной и временной областях. Протоколы для улавливания в жидких средах также были опубликованы. ^{15, 16}

Общая экспериментальная установка разработана на коммерческой перевернутой оптического микроскопа. На рисунке 1 показана принципиальная схема установки , используемой для демонстрации этапы избирательной загрузки оптической ловушки: освободив отдыха микрочастицы, поднимая выбранную частицу с сфокусированного пучка, измеряя его движение, и размещение его на подложку снова. Во-первых, поступательные этапы (поперечные и вертикальные) используются, чтобы принести выбранный микрочастицы на подложке в фокусе отлова лазера (длина волны 1064 нм), сфокусированного объектива (ближней инфракрасной области исправлен расстояние Цель долгосрочной рабочей: NA 0,4, увеличение 20x, работая distance 20 мм) через прозрачную подложку. Затем пьезоэлектрический пусковой установки (механически предварительно нагруженный кольцевого типа ЦТС) генерирует ультразвуковые колебания, чтобы сломать адгезию между микрочастицами и подложкой. Таким образом, любая освободила частица может быть поднята с помощью однолучевой градиента лазерной ловушки сосредоточены на выбранной частицы. После того, как частица в ловушке, он переводится в центр корпуса образца, содержащего два параллельных токопроводящих пластин для электростатического возбуждения. Наконец, (DAQ) система сбора данных одновременно регистрирует движение частиц, захваченных с помощью квадранта-клеточного фотодетектор (QPD) и приложенного электрического поля. После окончания измерения, частица управляемо помещается на подложку таким образом, что он может быть введен снова в обратимым образом. Этот общий процесс может повторяться сотни раз без потери частиц для измерения изменений, таких как контакт электризации, возникающие в течение нескольких циклов, улавливающих. Пожалуйста, обратитесь к нашей недавней статье Fили детали. ¹²

протокол

Внимание: Пожалуйста, обратитесь все соответствующие программы по безопасности до начала эксперимента. Все экспериментальные процедуры, описанные в данном протоколе выполняются в соответствии с программой безопасности ЛАЗЕР NIST, а также других применимых правил. Пожалуйста, не забудьте выбрать и носить соответствующие средства индивидуальной защиты (СИЗ), такие как очки для защиты лазера, предназначенных для определенной длины волны и мощности. Обработка сухих нано / микрочастицы могут потребоваться дополнительные средства защиты органов дыхания.

1. Проектирование и изготовление из ЦТС держатель и образец корпуса

1. Конструкция держателя PZT и корпус образца
   Примечание: Конкретные расчетные значения варьируются в зависимости от выбора ЦТС.
   1. Откройте пакет программного обеспечения системы автоматизированного проектирования (САПР). Нарисуйте двумерную (2D) эскиз держателя для данного измерения ЦТС. Разработка 2D эскиз для объемных функций с использованием комбинации Выдавливание / Выдавливание огранке.
   2. Нажмите эскиз,нарисуйте прямоугольник и выдавить его, чтобы сделать прямоугольный куб.
   3. Эскиз диска на верхней поверхности куба, чтобы определить круговую утопленную функцию, чтобы покрыть и удерживать кольцо типа PZT.
   4. Определить центральное отверстие, чтобы иметь оптический доступ как в режиме реального времени визуализации и отлова.
   5. Определить круговую направляющую по краю центрального отверстия , чтобы вставить плоский металлический (медь) кольцо концентрировать ультразвуковую энергию в направлении центральной области , как показано на рисунке 2 , а.
   6. Создайте два отверстиями для винтов M6 на держателе ЦТС быть собранным с нижней пластиной (купленного, толщиной 4 мм нижняя алюминиевая пластина с отверстием в центре), как показано на рисунке 2в и 2г.
   7. Аналогичным образом, спроектировать прямоугольную раму шкафа образца. Нажмите эскиз, и нарисуйте прямоугольник, выдавить прямоугольник, чтобы сделать его прямоугольный ящик.
   8. Нарисуйте меньший прямоугольник на верхней поверхности rectangulaг коробка и выталкивать вырезать прямоугольник, чтобы сделать его в виде прямоугольной трубы.
   9. Нарисуйте меньший прямоугольник на боковой стенке трубы и выталкивать огранке, чтобы превратить его в рамку образца корпуса коробки.
   10. Преобразование этих трехмерных (3D) моделей в формат файла стереолитографии (STL) для 3D процесса печати (2б).
2. 3D печать проектируемых объектов
   1. Откройте файл проекта ( "-.STL") от операционной принтера программного обеспечения 3D. Положите объект плоский 0 / .И отцентрировать объект на (0, 0, 0), нажав на объект, чтобы выбрать его и с помощью функции выравнивания: "Move", "на платформе" и "Центр". Сориентируйте держатель PZT к лицу тонкие черты вверх. Углубленная поверхность будет сталкиваться вверх.
   2. В меню перейдите в раздел "Настройки" и на вкладке "Качество". Установите значения печати следующим образом, филенка: 100%, количество снарядов: 2, и высота слоя: 0,2мм.
   3. Предварительный просмотр объектов, чтобы проверить общее время печати и убедитесь, что слоистые объекты будут напечатаны по желанию. Экспорт файла печати 3D в формате ".x3g" и сохранить его для использования в 3D-принтере.
   4. Включите 3D - принтер и нагреть его до температуры экструзионного сопла не достигнет рабочей температуры, 230 ° C. Загрузите файл дизайна с карты памяти или сетевой диск.
   5. Во время разминки, место сборки платформы с лентой синего художника, чтобы помочь объекты придерживаться надежно. В качестве термопластичного материала для работы печати используйте полимолочной кислоты (PLA) нить для обоих объектов.
   6. Печать проектируемых объектов. После того, как задание на печать закончена, выключите принтер после того, как он остынет.
   7. Отделить печатного объекта с платформы с помощью зубила. Распрямись напечатанные объекты. Если ориентация соответствующим образом выбран, держатель ЦТС может быть использован непосредственно без дополнительной постобработки.
   8. Foг корпус образца, подготовить одну пару оксида индия и олова (ITO) покровных покрытием и тремя покровные стекла, чтобы покрыть рамку. Используйте алмазный резец, чтобы соответствовать покровное к корпусу.
   9. Проволока две параллельные пластины с помощью токопроводящих быстрой сушки серебряной краской для подачи напряжения на двух пластинах. Клей эти пять окон на корпус образца, используя Моментальный клей клей.
      Примечание: одна пара покровных стеклах, покрытых ИТО устанавливаются на образце корпуса параллельно (обращенные друг к другу), чтобы обеспечить однородное электрическое поле и генерировать баллистическую движение естественно заряженной частицы вдоль электрического поля. Три обычные покровного покрытия остальной части поверхности образца корпуса (верх и двух других сторон), чтобы защитить запертой частицы от внешнего потока воздуха

2. Оптическая ловушка Загрузка селекционного микрочастица

1. Базовые приготовления
   1. Храните микрочастицы вэвакуировали сушилке, чтобы уменьшить контакт с влагой в воздухе перед экспериментом.
   2. Вылейте небольшую часть микрочастиц на предметное стекло и сразу же поставил бутылку при изготовлении обратно в эксикаторе.
   3. Возьмите некоторые из микрочастиц с стеклянной капиллярной трубкой. Разброс частиц на подложку, осторожно нажав на капилляр, держа капилляр над покровным.
   4. Проверьте количество и распределение осажденных частиц на подложке с использованием темного поля микроскопа.
      Примечание: На стадии подготовки образца, частица просто рассеивается на покровное и визуализируют с помощью оптического микроскопа, чтобы проверить общую компоновку, прежде чем вставлять их (покровное с разбросанными микрочастицы) между держателем ЦТС и ЦТС. Поскольку поверхность сцепления достаточно сильна, чтобы держать отдельные микрочастицы на подложке, то прилипшие частицы прочно закреплены, если не применяется значительная внешняя сила.
   5. Пьезоэлектрический сборки пусковой
      1. Получить все компоненты пьезоэлектрического Ракета-носитель: плоскую нижнюю пластину, изолирующую пленку, ЦТС, стекло покровное, медный кольцо, держатель PZT, два винта M6, а корпус образца.
      2. Нанесите тонкую пленку (или ленты) на нижней пластине, чтобы изолировать ЦТС. Стекло покровное изолирует верхнюю часть стека.
      3. Собирают стопку путем центрирования ЦТС на верхней части плоской пластины в настоящее время изолированы лентой, а затем покровное, медного кольца и держатель ЦТС. Привинтить стек вместе , поддерживая центровку ЦТС , чтобы избежать короткого замыкания ЦТС к держателю , если владелец проводит , как показано на рисунке 2в и 2г. Медное кольцо обеспечивает равномерно распределенную механическую преднагрузку на стек для пластиковых держателей ЦТС.
      4. И, наконец, склеить корпус образца на стек и смонтировать узел на этапе трансляционной XYZ в микроскоп,
   6. Конфигурация пусковой установки ЦТС
      Примечание: Вождение ЦТС с сигналом высокого напряжения имеет потенциальные опасности поражения электрическим током. Пожалуйста, проконсультируйтесь с персоналом безопасности перед экспериментом. Все электрические соединения должны быть защищены перед экспериментом. Выключите усилитель и отсоедините ЦТС приводит всякий раз, когда это возможно.
      1. Подключение ЦТС приводит к усилителю напряжения и подключить функцию генератора к входному порту усилителя напряжения.
      2. Включите функции генератора и настроить его, чтобы генерировать непрерывные квадратные волны с выходным напряжением 1 В. Не генерировать сигнал напряжения, пока все соединения не будут проверены и закреплены.
      3. Включите усилитель напряжения и генерировать квадратные волны выходного напряжения 1 В, обеспечивая выход.
      4. Подключите выходной порт мониторинга (выходное напряжение 200 В) усилителя к осциллографу. Настройка усилителя, чтобы иметь коэффициент усиления 200 V / V поворотомполучить ручку на передней панели. Убедитесь в том, что выходной контроль напряжения имеет амплитуду 1 V, измеренная с помощью осциллографа.
      5. После того, как функциональный генератор и усилитель настроены, найти резонансную частоту запуска ЦТС при сканировании частоты модуляции управляющего сигнала в то время как в режиме реального времени видео микроскопа изображения придерживалась частиц. Повторите сканирование, пока движение микрочастицы не является максимальным. Используйте эту частоту (64 кГц) здесь, чтобы освободить частицы.
         Примечание: Частота модуляции вручную изменена (отсканированные) от нуля до 150 кГц, чтобы найти резонансную частоту.
      6. Настройте функцию генератора для генерации прямоугольных импульсов с заданным числом циклов в режиме серийной съемки. Нажмите кнопку "всплеска" на передней панели и выберите "N" Цикл Серийн.съемк.
      7. Выберите взрыв счетчик, нажав "# циклы" программную клавишу и установить счетчик 10 или 20.
      8. Настройка прямоугольной волны для генерации сигналов напряжения самплитуда 600 В (в три раза напряжения используется для непрерывного возбуждения) на резонансной частоте 64 кГц, который нашел из предыдущего шага. Убедитесь в том, что сигнал пульсирующий освобождает частица-мишень в повторяемым способом, обеспечивая движение частиц после каждого импульса.
   7. Селективный оптическая ловушка нагрузки
      Примечание: Пусковая сборка ЦТС установлен на ручной линейной стадии перевода ху. Частицы могут быть переведены относительно фокуса фиксированный луч, перемещая поступательную ступень.
      1. Снимите фильтр лазерной линии , чтобы определить фокус захвата пучка путем поворота микроскопа башни (рис 3а). Перемещение моторизованной фокусировки блок взад и вперед по вертикали вокруг наилучшего фокуса видимого изображения для оптимизации фокусировки.
      2. После того, как положение фокуса проверяется, поставить фильтр обратно, чтобы дать четкое видео в реальном времени без вмешательства со стороны захвата пучка.
      3. Перевести образец на ркружева выбранную частицу в фокусе положения улавливающего лазера. Сосредоточьтесь на частицу с изображением центр выбранной частицы, которая помещает номинальное положение улавливать ниже центра частицы примерно на одну половину радиуса, оставляя положение левитации над частицей.
      4. Отрегулировать источник питания, подключенный к электрооптический модулятор (МНВ) драйвер для установки оптической мощности захвата. Оптимальная мощность зависит от размера частиц и материала. Оптическая сила была обнаружена путем повторных испытаний, чтобы определить мощность, достаточную для левитации частицы, не вынимая его из пучка. При этом используют оптическую мощность 140 мВт на задней фокальной плоскости объектива для улавливания 20 мкм диаметром полистирола (PS) частицы.
      5. После того, как центр выбранной частицы совмещен, приводить в действие пьезоэлектрический с помощью нескольких импульсов. Изменение изображения частицы из статического сфокусированного изображения к движущемуся размытое изображение свидетельствует об успешном окончании загрузки в леватации положение.
      6. Перевести левитации частицы по вертикали около миллиметра над подложкой, путем перемещения линзы объектива, чтобы предотвратить возможные взаимодействия поверхности. Затем уменьшить оптическую силу с переходом левитировать частицу (рис 3b) в номинальное положение отлов (рис 3в) , который является более стабильным.
         Примечание: Оптическая мощность лазера улавливающего можно модулировать с помощью электрооптического модулятора (МНВ). МНВ регулирует выходную мощность с напряжением смещения, подаваемого через цифровой источник питания. Можно наблюдать переход от левитации для захвата позиции через ПЗС в то время как медленно снижает оптическую мощность.
      7. Для измерения положения, как показано на рисунке 3в в 3D, тщательно смещать центр держателя ЦТС к оптической оси , а затем перемещать линзу объектива вверх (вертикально) , чтобы перевести частицу в середину корпуса образца (9 мм выше зиЬзЬгели), где электрическое поле бахрома сведено к минимуму.
      8. После выполнения измерения, как описано ниже, поместите частицы на подложке путем перемещения цели вниз, пока частица не соприкасается с поверхностью подложки. Поскольку большинство частиц применяются вблизи углов, захваченных частиц может быть легко узнаваемы и повторно в ловушке, когда она находится в центральной зоне. Это позволяет обратимое ловушки нагрузки для измерения изменений, происходящих за одно событие отлова таких как контактного взаимодействия частицы и подложки.

   3. Сбор данных

   1. Совместите конденсатор и фокусирующей линзы, чтобы максимизировать "SUM" QPD сигнал с частицей в ловушке.
   2. Совместите фокусирующей линзы номинально обнулить каналы Х и У на QPD, как показано на рисунке 4с.
   3. Повторите регулировку конденсатора и фокусирующей линзы до трансформированных Фурье сигналов положения (или плотности мощности спектра (PSD) участки) от X и Y каналы накладываться, чтобы показать сбалансированную чувствительность. Правильно выровненные QPD сигналы (X и Y) показывают почти идентичную поведение, как показано на рисунке 4b.
   4. После выравнивания QPD проверяется, подключить усилитель напряжения на двух пластинах ITO. Подключите выходной сигнал мониторинга напряжения усилителя к системе сбора данных для записи сигнала шаг возбуждения и индуцированное траекторию частиц синхронно.
   5. Обеспечивать непрерывный меандр 400 В для генерирования электрического поля (рис 4d) , которая перемещает частицы в поперечном направлении к оптической оси примерно на 500 нм (рис 4д). Измерьте переходную характеристику запертой частицы с помощью QPD.
   6. Средние несколько периодов по мере необходимости, чтобы уменьшить эффекты броуновского движения. Индуцированное движение может быть использовано для измерения оптической силы в более широком диапазоне движения, чем у тепловых колебаний. ^12,ЭФ "> 17 Рисунок 4d и 4e приведены усредненные сигналы от приложенного напряжения и траектории наведенного частиц более 50 итераций ступенчатого возбуждения.

Результаты

ЦТС пусковая разработан с использованием пакета программного обеспечения САПР. Здесь мы используем простую структуру сэндвича для предварительной загрузки (а ЦТС натягом с двумя пластинами), как показано на рисунке 2. Держатель ЦТС и корпус образец может быт...

Обсуждение

Пьезоэлектрический пусковая предназначена для оптимизации динамических характеристик выбранного ЦТС. Правильный выбор материалов ЦТС и управления ультразвуковых колебаний являются ключевыми шагами, чтобы получить успешный эксперимент. PZTs имеют различные характеристики в зависим?...

Материалы

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