Name: optical trap loading of dielectric microparticles in air
Uploaded: 2017-02-05T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 57 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air at JoVE.com

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.

Dikkat: deneyden önce ilgili tüm güvenlik programları danışın. Bu protokol açıklanan tüm deneysel prosedürleri NIST LASER güvenlik programının yanı sıra diğer ilgili mevzuata uygun olarak yapılır. seçmek ve belirli dalga boyu ve gücü için tasarlanmış lazer koruma gözlük gibi uygun kişisel koruyucu ekipman (PPE) giymek emin olun. Kuru nano / mikro parçacıkları Taşıma ek solunum koruması gerekebilir. 1. Tasarım ve PZT sahibi İmalat ve bir örnek Muhafaza <ol><li> Bir PZT tutucu ve örnek bir pano tasarımı NOT: Belirli tasarım değerleri PZT seçimine bağlı olarak değişir. <ol><li> bilgisayar destekli tasarım (CAD) yazılım paketi açın. Belirli PZT boyut için bir tutucunun bir iki boyutlu (2D) çizim çizin. Extrude / Extrude-kesim kombinasyonları kullanılarak hacimsel özellikleri 2B kroki geliştirin. </li><li> , Sketch tıklayınbir dikdörtgen çizin ve dikdörtgen küp yapmak için a&#39;ya. </li><li> kapak ve halka tipi PZT tutmak için bir dairesel girintili özelliği tanımlamak için küpün üst yüzeyinde bir disk çizin. </li><li> Gerçek zamanlı görüntüleme ve yakalama hem de optik erişim için merkezi bir delik tanımlayın. </li><li> Şekil 2&#39;de bir de gösterildiği gibi orta alana doğru ultrasonik güç konsantre düz bir metalik (bakır) halka eklemek için merkezi bir delik kenarı boyunca dairesel rehber tanımlayın. </li><li> Şekil 2c ve 2d gösterildiği gibi PZT tutucuya M6 vidaları için iki delik delik, (ortası delik ile 4 mm kalınlığında alt alüminyum plaka satın alınır) bir alt plaka ile monte edilecek oluşturun. </li><li> Benzer bir şekilde, örnek muhafaza dikdörtgen bir çerçeve tasarımı. Sketch tıklatın ve bir dikdörtgen çizin, o dikdörtgen bir kutu yapmak için dikdörtgen a&#39;ya. </li><li> rectangula üst yüzeyinde daha küçük bir dikdörtgen çizerr kutusu ve dikdörtgen tüp olarak bunu yapmak için dikdörtgen a&#39;ya kesilmiş. </li><li> Numune muhafaza kutusunun çerçevesine dönüştürmek için tüp ve Extrude kesilmiş yan duvarında küçük bir dikdörtgen çizin. </li><li> 3D baskı süreci için bir stereolitografi (STL) dosya formatına dönüştürür, bu üç boyutlu (3D) modeller dönüştürmek (Şekil 2b). </li></ol></li><li> Tasarlanan nesnelerin 3D baskı <ol><li> 3D yazıcı işletim yazılımı tasarım dosyası ( &quot;-.STL&quot;) açın. Düz 0 / .ve merkezini nesneyi nesne Lay (0, 0, 0) seçmek için nesneyi tıklatıp hizalama işlevlerini kullanarak: &quot;Platform Üzerine&quot; &quot;Move&quot;, ve &quot;Merkezi&quot;. yukarı hassas özellikleri yüz PZT tutucu yönlendirmek. girintili yüzey yukarı karşı karşıya kalacaktır. </li><li> Menüde &quot;Ayarlar&quot; ve &quot;Kalite&quot; sekmesine gidin. % 100, kabukları sayısı: 2, ve Katman yüksekliği: Aşağıdaki şekilde Infill baskı değerlerini ayarlayın 0.2aa. </li><li> toplam baskı süresini kontrol etmek ve istenilen şekilde katmanlı nesneler basılacaktır emin olmak için nesneleri önizlemesini yapın. Bir &quot;.x3g&quot; formatında 3D baskı dosyası dışa aktarma ve 3D yazıcıya kullanmak için saklayın. </li><li> 3D Yazıcıyı açın ve ekstrüzyon memesinin sıcaklığı bir çalışma sıcaklığına ulaşıncaya kadar ısınmasını, 230 ° C bellek kartından veya ağ sürücüsünden tasarım dosyasını yükleyin. </li><li> Isınma sırasında, nesnelerin güvenli uymak yardımcı olmak için mavi ressamın bant ile Yapı platformu yerleştirin. baskı işi için bir termoplastik malzeme olarak, hem de nesneler için bir polilaktik asit (PLA) filament kullanın. </li><li> tasarlanmış nesneler yazdırın. Baskı işi tamamlandıktan sonra soğuduktan sonra, yazıcıyı kapatın. </li><li> Bir keski kullanarak platformdan basılmış nesneyi çıkarın. basılı nesneleri düzeltin. oryantasyon uygun seçilirse, PZT tutucu doğrudan ileri post-processing olmadan kullanılabilir. </li><li> for Örnek muhafaza, çerçeve kapağı indiyum kalay oksit (İTO) kaplanmış lamelleri üç cam lameller bir çift hazırlar. kasaya lamel sığdırmak için bir elmas kesici kullanın. </li><li> Tel hızlı kuruyan gümüş boya kullanarak iki paralel iletken levha iki tabak üzerindeki gerilimi sağlamak için. bir anlık yapıştırıcı yapıştırıcı kullanarak örnek muhafaza üzerine bu beş pencere Tutkal. NOT: İTO kaplı lamelleri bir çift paralel olarak örnek muhafaza yüklü düzgün elektrik alan sağlamak ve elektrik alanı boyunca doğal yüklü parçacığın balistik hareketini oluşturmak için (birbirine bakacak şekilde). Üç klasik lamel hava dış akışından tuzağa parçacık korumak için örnek muhafaza yüzeyleri (üst ve iki yan) geri kalan kısmını </li></ol></li></ol> Seçilen mikro parçacık 2. Optik Tuzak Yükleme <ol><li> örnek hazırlama <ol><li> bir in mikro saklayıntahliye kurutucu deneyden önce havadaki nem ile temas azaltmak için. </li><li> Bir cam slayt üzerine mikropartiküllerin küçük bir kısmını dökün ve hemen geri desikatörde üreticinin şişe koymak. </li><li> Bir cam kılcal boru ile mikro bazı al. lamel üzerinde kılcal tutarken yavaşça kılcal dokunarak alt tabaka üzerinde parçacıkları Dağılım. </li><li> Bir karanlık alan mikroskobu kullanarak alt tabaka üzerine miktar ve biriken parçacıkların dağılımını kontrol edin. Not: numune hazırlama aşamasında, parçacık sadece bir lamel dağınık ve PZT ve PZT tutucu arasındaki yerleştirmeden önce genel düzenleme doğrulamak için bir optik mikroskop (dağınık mikropartikül ile bir lamel) ile görüntülenmiş. yüzeye yapışma alt tabaka üzerinde bireysel mikroparçacıklar tutmak için yeterince güçlü olduğundan önemli dış kuvvet uygulandığında sürece, uyulması parçacıklar sıkıca sabitlenir. </li></ol&gt; </li><li> Piezoelektrik başlatıcısı montaj <ol><li> düz dipli levha, film PZT, cam lamel, bir bakır yüzük, PZT tutucu, iki M6 vida ve örnek muhafaza yalıtım: piezoelektrik başlatıcısı tüm bileşenlerini elde edin. </li><li> PZT izole alt plaka üzerinde ince bir film (ya da bant) uygulayın. cam lamel yığınının üst izole eder. </li><li> lamel, bakır yüzük ve PZT sahibi tarafından takip şimdi bant ile izole düz plaka üstüne PZT, merkezleme yığınını birleştirin. Birlikte tutucu olarak Şekil 2c ve 2d gösterilen yürütülmesinden ise sahibine PZT kısa devre önlemek için PZT merkezleme muhafaza yığınını vidalayın. bakır halka plastik PZT sahipleri için yığını eşit olarak dağıtılmış mekanik ön yük sağlar. </li><li> Son olarak, yığına örnek muhafaza tutkal ve mikroskopta bir XYZ translasyonel sahnede montaj monte. </li></ol></li><li> PZT başlatıcısı Yapılandırma NOT: yüksek gerilim sinyali ile PZT Sürüş potansiyel elektrik tehlikeleri vardır. deneyden önce güvenlik personeli danışın. Tüm elektrik bağlantıları deneyden önce güvence altına alınmalıdır. amplifikatör kapatın ve kesin PZT mümkün olduğunca yol açar. <ol><li> PZT gerilim amplifikatör yol açar bağlayın ve gerilim amplifikatörü bir giriş portuna fonksiyon jeneratörü bağlayın. </li><li> fonksiyon jeneratörü açın ve tüm bağlantıların doğrulanması ve güvencesindedir kadar gerilim sinyali üretmek etmeyin 1 V bir çıkış voltajı sürekli kare dalgalar oluşturmak için yapılandırın. </li><li> Gerilim amplifikatörü açın ve çıkış sağlayarak çıkış gerilimi 1 V kare dalga üretir. </li><li> bir osiloskop amplifikatör izleme çıkış portu (çıkış gerilimi 200 V) bağlayın. çevirerek 200 V / V kazanç var amplifikatör yapılandırmaÖn paneldeki düğmeyi kazanır. osiloskop ile ölçülen izleme çıkış voltajı 1 V bir genliği olduğunu doğrulayın. </li><li> fonksiyon jeneratörü ve amplifikatör yapılandırıldığında, gerçek zamanlı video mikroskop görüntüleri parçacıkları yapışmış iken sürüş sinyalinin modülasyon frekansı tarayarak PZT başlatıcısı rezonans frekansı bulmak. mikropartikül hareket maksimum kadar tarama tekrarlayın. parçacıkları serbest bırakmak için bu frekansı (burada 64 kHz) kullanın. NOT: modülasyon frekansı manuel olarak rezonans frekansı bulmak için 150 kHz sıfırdan (taranmış) değiştirilir. </li><li> patlama modunda döngü belirli bir sayı ile bir kare dalga üretmek için fonksiyon jeneratörü yapılandırın. Ön paneldeki &quot;Burst&quot; tuşuna basınız ve &quot;N Döngüsü Burst&quot; seçeneğini seçin. </li><li> &quot;# Cycles&quot; yumuşak tuşuna basarak patlama sayısını seçin ve 10 veya 20 sayısını ayarlayın. </li><li> gerilim sinyallerini üretmek için bir kare dalga yapılandırma600 V amplitüd bir önceki adımdan bulmuştur 64 kHz rezonans frekansında (üç kez sürekli uyarım için kullanılan gerilim). darbe sinyali partikülleri her darbe sonrası hareket sağlayarak tekrarlanabilir bir şekilde hedef parçacığı serbest emin olun. </li></ol></li><li> Seçici optik tuzak yükleme NOT: PZT başlatıcısı düzeneği manuel doğrusal çeviri xy sahnede yüklenir. parçacıklar translasyonel sahne hareket ettirerek sabit ışın odak göre tercüme edilebilir. <ol><li> Mikroskop taret (Şekil 3a) çevirerek yakalama ışınının odak belirlemek için lazer çizgisi filtresini çıkarın. odak optimize etmek için görünür resmin en iyi odak etrafında dikey ileri geri motorlu odaklama blok taşıyın. </li><li> odak konumu doğrulandıktan sonra, yakalama kiriş müdahalesi olmaksızın net bir gerçek-zamanlı video vermek için geri filtre koymak. </li><li> p örnek Çeviryakalama lazer odak pozisyonunda seçilen bir parçacık dantel. görüntü parçacık üzerindeki parçacık üzerindeki kaldırma pozisyonu bırakarak yaklaşık bir buçuk yarıçapı ile parçacık merkezinin altında anma yakalama konumunu yerleştirir seçilen bir parçacığın, merkezi odaklanın. </li><li> Optik yakalama gücünü ayarlamak için elektro-optik modülatör (EOM) sürücü bağlı güç kaynağını ayarlayın. optimal güç parçacık boyutu ve malzemeye göre değişir. optik güç kiriş dışarı atma olmadan parçacık havaya kaldırmak için yeterli güç belirlemek için tekrarlanan denemeler yoluyla tespit edildi. Burada, 20 mikron çapında polistiren (PS) parçacıklar yakalamak için objektif arka odak düzlemi 140 mW bir optik gücünü kullanın. </li><li> Seçilen parçacığın merkezi hizalanmış sonra, birkaç darbeleri ile piezoelektrik başlatıcısı harekete. Hareketli bir bulanık görüntü statik odaklı görüntüden parçacık görüntüsünün değişimi lev başarılı yükleme gösterirtasyon konumu. </li><li> Mümkün yüzey etkileşimleri önlemek için yukarı objektif lens hareket ettirerek alt tabaka üzerinde bir milimetrenin yaklaşık dikey levitated parçacık çevirmek. Sonra daha kararlı olan anma yakalama pozisyonu (Şekil 3c) içine levitated parçacık (Şekil 3b) geçiş optik güç azaltır. Not: tutucu lazer optik gücü, bir elektro-optik modülatör (EOM) ile modüle edilebilir. EOM dijital güç kaynağı ile sağlanan bir önyargı gerilimi ile çıkış gücünü düzenler. Bir yavaşça optik gücünü azaltır iken CCD yoluyla konumunu yakalama için havalanma geçişi gözlemleyebilirsiniz. </li><li> Pozisyon ölçümü için (örnek muhafaza ortasına yukarıdaki 9 mm parçacık çevirmek için, 3d Şekil 3c gösterildiği gibi, dikkatli bir şekilde optik eksene PZT sahibinin merkezini taşımak ve daha sonra (dikey) objektif lens yukarı taşımak substrsaçak elektrik alan minimize nerede) yedik. </li><li> aşağıda tarif edildiği gibi ölçüm yaptıktan sonra, parçacık substratı dokunana kadar aşağı hedefi hareket ettirerek tabaka üzerinde parçacık yerleştirin. parçacıkların çoğu köşelerine yakın uygulanır beri, tuzağa parçacık kolayca tanınır edilebilir ve yeniden tuzak merkez bölgesinde yerleştirildiğinde. Bu tür parçacığın ve yüzey temas etkileşimleri gibi tek bir bindirme olayı ötesinde meydana gelen değişiklikleri ölçmek için geri dönüşümlü tuzak yüklenmesini sağlar. </li></ol></li></ol> 3. Veri Toplama <ol><li> kondenser ve tuzak bir parçacık QPD &quot;SUM&quot; sinyali maksimize etmek için odaklama lensi aynı hizaya getirin. </li><li> Şekil 4c&#39;de gösterildiği gibi, QPD X ve Y kanal nominal sıfıra odaklama lensi hizalayın. </li><li> kondenser ayarlanması ve Fourier dönüştürülmüş pozisyon sinyalleri dek odaklama lensi (ya da güç spektrumu yoğunluğu tekrarlayın<html> X (PSD) araziler) ve Y kanalları dengeli hassasiyeti göstermeye üst üste. Şekil 4B&#39;de gösterildiği gibi uygun şekilde hizalanmış QPD sinyalleri (X ve Y), hemen hemen aynı davranışı gösterir. </li><li> QPD hizalama doğrulandıktan sonra, iki İTO plakalarına gerilim amplifikatörü bağlayın. adım uyarma sinyali ve eşzamanlı uyarılan parçacık yörüngesini kaydetmek için DAQ sistemine amplifikatör gerilim izleme çıkış sinyalini bağlayın. </li><li> 500 nm&#39;de (Şekil 4e) tarafından optik eksene enine parçacık hareket eden bir elektrik alanı (Şekil 4d) oluşturmak için 400 V sürekli bir kare dalga kaynağı. QPD kullanılarak tuzağa parçacığın adım tepkisini ölçün. </li><li> Gerektiğinde ortalama birden dönemleri Brown hareketi etkilerini azaltmak için. neden olduğu hareket ısı dalgalanmaları daha hareket daha geniş bir aralığı üzerinde, optik gücü ölçmek için kullanılabilir. 12,ef &quot;&gt; 17 Şekil 4d ve 4e gösterileri uygulanan gerilim ve adım uyarma 50 yineleme üzerinde uyarılan parçacık yörüngesi sinyalleri ortalama. </li></ol>

<ol>
	<li>Ashkin, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Acceleration+and+Trapping+of+Particles+by+Radiation+Pressure.">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.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+nonlinearities+in+a+nanomechanical+oscillator.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Subkelvin+Parametric+Feedback+Cooling+of+a+Laser-Trapped+Nanoparticle.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cavity+opto-mechanics+using+an+optically+levitated+nanosphere.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laser-induced+rotation+and+cooling+of+a+trapped+microgyroscope+in+vacuum.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+trapping+and+manipulation+of+viruses+and+bacteria.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biological+Applications+of+Optical+Forces.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-Molecule+Biomechanics+with+Optical+Methods.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Detecting+High-Frequency+Gravitational+Waves+with+Optically+Levitated+Sensors.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Search+for+Millicharged+Particles+Using+Optically+Levitated+Microspheres.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+of+the+instantaneous+velocity+of+a+Brownian+particle.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Parametric+Force+Analysis+for+Measurement+of+Arbitrary+Optical+Forces+on+Particles+Trapped+in+Air+or+Vacuum.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Trapping+solid+aerosols+with+optical+tweezers:+A+comparison+between+gas+and+liquid+phase+optical+traps.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Aerosol+droplet+optical+trap+loading+using+surface+acoustic+wave+nebulization.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Construction+and+calibration+of+an+optical+trap+on+a+fluorescence+optical+microscope.">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="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Step-by-step+guide+to+the+realization+of+advanced+optical+tweezers.">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://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Classical Dynamics of Particles and Systems. , (2003).</li><li>Ashkin, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stability+of+optical+levitation+by+radiation+pressure.">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://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stochastic+Problems+in+Physics+and+Astronomy.">Stochastic Problems in Physics and Astronomy.</a> Rev. Mod. Phys. 15 (1), 1-89 (1943).</li><li>Li, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Fundamental Tests of Physics with Optically Trapped Microspheres. , 9-21 (2013).</li><li>Chai, Z., Liu, Y., Lu, X., He, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reducing+Adhesion+Force+by+Means+of+Atomic+Layer+Deposition+of+ZnO+Films+with+Nanoscale+Surface+Roughness.">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://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+and+accumulation+of+electric+charge+on+a+single+dielectric+particle+trapped+in+air.">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.

piezoelektrik başlatıcısı Seçilen PZT dinamik performansını optimize etmek için tasarlanmıştır. PZT malzeme ve ultrasonik titreşimlerin yönetiminin doğru seçimi başarılı bir deney verim önemli adımlardır. PZTs farklı özelliklere dönüştürücünün tipine bağlı olarak (toplu olarak veya yığın) ve onu oluşturan malzemeler (sert veya yumuşak) bulunur. sert piezoelektrik malzemeden imal edilmiş bir yığın tipi PZT aşağıdaki nedenlerle tercih edilir. İlk olarak, sert piezoelektrik malz...

Ashkin fizik ve biyofizik temel çalışmalar için birincil araç olarak optik yakalama tekniklerinin geliştirilmesi teşvik 1970 1 romanı başarıda hızlanma ve radyasyon basıncı ile mikropartiküllerin yakalama bildirdi. Bugüne kadar, 2, 3, 4, 5, optik yakalama uygulama, sıvı ortamlarda esas olarak odaklanmıştır, tek biyomoleküllerin mekanik özellikleri koloitlerin davranışından, sistemler çok geniş bir çalışma için kullanılmıştır. 6, 7, gaz ortama optik yakalama 8 Uygulama Bununla birlikte, birçok yeni teknik sorunları çözmek gerekir. Son zamanlarda, hava / vakum optik yakalama giderek temel araştırma uygulanmıştır. Optik levi yanatation potansiyel optik levitated parçacık, küçük nesnelerin 4 ölçüm yüksek frekanslı yerçekimsel dalgalar, 9 kuantum zemin durumlarını inceleyerek ve fraksiyonel ücret karşılığında aramak için ideal bir laboratuvar haline gelir, çevreye bir sistemin neredeyse tamamlama izolasyonu sağlar. 10 Üstelik, hava / vakum düşük viskoziteli biri Brown parçacığın 11 anlık hızını ölçmek için ataleti kullanmak ve doğrusal yay gibi rejimin ötesinde hareket geniş bir yelpazede üzerinde balistik hareket oluşturmanıza olanak sağlar. 12 Bu nedenle, detaylı teknik bilgi ve gaz medyada optik tuzakları uygulamalar geniş bir araştırma topluluğuna daha değerli hale gelmiştir. Yeni deneysel teknikler gaz medyada optik tuzaklar içine nano / mikro parçacıkları yüklemek için gereklidir. Bir piezoelektrik transdüser (PZT), elektro dönüştüren bir cihaz,Mekanik-akustik enerjiye ic enerji, optik havalanma ilk gösterisinden bu yana hava / vakum 5 12 optik tuzaklar içine küçük parçacıkların teslim etmek için kullanılır olmuştur. 1 O zamandan beri, çeşitli yükleme teknikleri, ticari bir püskürtücü 13 veya akustik dalga üreteci tarafından üretilen uçucu aerosoller kullanarak daha küçük parçacıklar yüklemek için ileri sürülmüştür. 14 katı kapanımlar (partiküller) ile yüzen aerosoller rastgele odak yakın geçmek ve tesadüfen tutulur. Aerosol tuzak sonra, çözücü dışarı buharlaşır ve parçacık optik tuzak kalır. Ancak, bu yöntemler de, bir numune içinde istenen parçacıkları tanımlamak seçilen bir parçacık yüklemek ve tuzak salınan eğer onun değişiklikleri izlemek için uygun değildir. Bu protokol deney dahil havada seçici optik tuzak yükleme, yeni uygulayıcılara ayrıntıları sağlamayı amaçlamaktadıral kurulumu, hem frekans ve zaman etki parçacık hareketi analizi ile ilgili bir PZT tutucu ve örnek muhafaza, tuzak yükleme ve veri toplama imalatı. sıvı ortamda bindirme için protokoller de yayınlanmıştır. 15, 16 genel bir deney düzeneği ticari ters optik mikroskop üzerinde geliştirilmiştir. Odaklanmış ışını ile seçilmiş parçacık kaldırma, dinlenme mikro serbest hareketini ölçmek ve tekrar alt-tabaka üzerine yerleştirilmesi: Şekil 1, seçici optik tuzak yükleme aşamaları göstermek için kullanılan düzeneğin şematik bir diyagramını göstermektedir. İlk olarak, çeviri aşamaları (enine ve dikey) bir objektif lens ile odaklanmış bir yakalama lazer (dalga boyu 1064 nm) odak tabaka üzerinde seçilen bir mikropartikul getirmek için kullanılır (yakın-kızılötesi düzeltilmiş uzun çalışma mesafesi amacı: NA 0.4, büyütme 20X, çalışma dsaydam bir zemin ile 20 mm) istance. Sonra, bir piezoelektrik fırlatıcı (mekanik önceden yüklenmiş halka tipi PZT) mikropartiküller ve bir alt tabaka arasındaki yapışmayı kırmak için ultrasonik titreşimler oluşturur. Böylece, herhangi bir serbest parçacık seçilen parçacık odaklanmış tek ışınlı gradyan lazer tuzağı ile kaldırılabilir. Parçacık yakalandığında, elektrostatik uyarma için iki paralel iletken plakalar içeren örnek muhafazanın merkezi çevrilmiştir. Son olarak, bir veri toplama (DAQ) sistemi aynı anda çeyrek hücre fotodetektör (QPD) tarafından yakalanan parçacık hareketi, ve uygulanan elektrik alan kaydeder. ölçüm bittikten sonra, parçacık kontrol edilebilir bir geri bir şekilde daha tuzak böylece alt-tabakanın üzerine yerleştirilir. Bu genel işlem birkaç yakalama döngüsü boyunca ortaya çıkan bu tür iletişim elektrifikasyon gibi değişiklikler ölçmek için parçacık kaybı olmadan yüzlerce kez tekrar edilebilir. Bizim son makale f bakınveya ayrıntılar. 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.

PZT başlatıcısı CAD yazılım paketi kullanılarak tasarlanmıştır. Şekil 2&#39;de PZT tutucu ve örnek muhafaza materyal ve yöntemler, çeşitli imal edilebilir gösterilen Burada, ön yükleme (a PZT iki plakanın kelepçelenmiştir) için basit bir sandviç yapısı kullanmaktadır. Şekil 2d gösterildiği gibi hızlı bir gösteri için, termoplastik 3D baskı seçin. Yapı parçalarının göre, optik tuzak yükleme Şekil 3</strong...

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.

Havada Dielektrik mikropartiküllerin Optik Tuzak Yükleme

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

Video: Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air

A Microfluidic-based Hydrodynamic Trap for Single Particles

The ability to confine and manipulate single particles in free solution is a key enabling technology for fundamental and applied science. Methods for particle trapping based on optical, magnetic, electrokinetic, and acoustic techniques have led to major advancements in physics and biology ranging from the molecular to cellular level. In this article, we introduce a new microfluidic-based technique for particle trapping and manipulation based solely on hydrodynamic fluid flow. Using this method, we demonstrate trapping of micro- and nano-scale particles in aqueous solutions for long time scales. The hydrodynamic trap consists of an integrated microfluidic device with a cross-slot channel geometry where two opposing laminar streams converge, thereby generating a planar extensional flow with a fluid stagnation point (zero-velocity point). In this device, particles are confined at the trap center by active control of the flow field to maintain particle position at the fluid stagnation point. In this manner, particles are effectively trapped in free solution using a feedback control algorithm implemented with a custom-built LabVIEW code. The control algorithm consists of image acquisition for a particle in the microfluidic device, followed by particle tracking, determination of particle centroid position, and active adjustment of fluid flow by regulating the pressure applied to an on-chip pneumatic valve using a pressure regulator. In this way, the on-chip dynamic metering valve functions to regulate the relative flow rates in the outlet channels, thereby enabling fine-scale control of stagnation point position and particle trapping. The microfluidic-based hydrodynamic trap exhibits several advantages as a method for particle trapping. Hydrodynamic trapping is possible for any arbitrary particle without specific requirements on the physical or chemical properties of the trapped object. In addition, hydrodynamic trapping enables confinement of a "single" target object in concentrated or crowded particle suspensions, which is difficult using alternative force field-based trapping methods. The hydrodynamic trap is user-friendly, straightforward to implement and may be added to existing microfluidic devices to facilitate trapping and long-time analysis of particles. Overall, the hydrodynamic trap is a new platform for confinement, micromanipulation, and observation of particles without surface immobilization and eliminates the need for potentially perturbative optical, magnetic, and electric fields in the free-solution trapping of small particles.

In this article, we present a microfluidic-based method for particle confinement based on hydrodynamic flow. We demonstrate stable particle trapping at a fluid stagnation point using a feedback control mechanism, thereby enabling confinement and micromanipulation of arbitrary particles in an integrated microdevice.

Tek Parçacıklar için mikroakışkan tabanlı Hidrodinamik Tuzak

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

Biyomühendislik

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.

Nanopartiküllerin Optik Yakalama

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 ...

Mühendislik

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.

Gelişmiş mikro ve Nanopartikül Manipülasyon Plasmonic ve Fotonik Kristal Nanoyapıların Kullanımı

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.

Bir Nano-Optik Konveyör Bant imalatı ve İşletilmesi

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.

Bir İzleme Ortamında plasmonik Yakalama ve Nanopartiküller Yayın

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.

Microfabricated kullanarak iyonları bindirme için deneysel yöntemleri iyon tuzakları yüzey

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.

Tek Moleküllü Çalışmalarda Çift Optik Cımbız ve Mikroakışkan Kullanımı

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

Biyokimya

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.

Nanoplasmonic optik kafes içinde mikro parçacıkların bindirme

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.

Optik Cımbız Kullanarak Hapsetmede Hücre Altı Mekaniğinin Doğrudan Kuvvet Ölçümleri

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

Gelişim Biyolojisi

Optical Trapping of Plasmonic Nanoparticles for In Situ Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Characterizations

Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) enables the ultrasensitive detection of analyte molecules in various applications due to the enhanced electric field of metallic nanostructures. Salt-induced silver nanoparticle aggregation is the most popular method for generating SERS-active substrates; however, it is limited by poor reproducibility, stability, and biocompatibility. The present protocol integrates optical manipulation and SERS detection to develop an efficient analytical platform to address this. A 1064 nm trapping laser and a 532 nm Raman probe laser are combined in a microscope to assemble silver nanoparticles, which generate plasmonic hotspots for in situ SERS measurements in aqueous environments. Without aggregating agents, this dynamic plasmonic silver nanoparticle assembly enables an approximately 50-fold enhancement of the analyte molecule signal. Moreover, it provides spatial and temporal control to form the SERS-active assembly in as low as 0.05 nM analyte-coated silver nanoparticle solution, which minimizes the potential perturbation for in vivo analysis. Hence, this optical trapping-integrated SERS platform holds great potential for efficient, reproducible, and stable molecular analyses in liquids, especially in aqueous physiological environments.

Optical Trapping of Plasmonic Nanoparticles for In Situ Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Characterizations

The present protocol describes a convenient approach to integrating optical trapping and surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) to manipulate plasmonic nanoparticles for sensitive molecular detection. Without aggregating agents, the trapping laser assembles plasmonic nanoparticles to enhance the SERS signals of target analytes for in situ spectroscopic measurements.

In Situ Yüzey Geliştirilmiş Raman Spektroskopisi Karakterizasyonları için Plazmonik Nanopartiküllerin Optik Yakalanması

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