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.

注意：実験の前に、すべての関連する安全プログラムを参照してください。このプロトコルに記載されている全ての実験手順は、NISTレーザー安全プログラムだけでなく、他の適用規則に従って実行されています。選択して、このような特定の波長および出力用に設計されたレーザー保護メガネとして適切な個人用保護具（PPE）を着用するようにしてください。乾燥ナノ/マイクロ粒子を処理する追加の呼吸保護を必要とするかもしれません。 1.設計とPZTホルダーの作製とサンプルエンクロージャ<ol><li> PZTホルダーとサンプルエンクロージャを設計します 注記：特定の設計値は、PZTの選択に応じて変化します。 <ol><li>コンピュータ支援設計（CAD）ソフトウェアパッケージを開きます。与えられたPZTディメンションのホルダーの2次元（2D）スケッチを描きます。押し出し/押し出しカットの組み合わせを使用して、体積フィーチャに2Dスケッチを開発します。 </li><li>スケッチをクリックして、四角形を描画し、長方形のキューブを作ってそれを押し出します。 </li><li>カバーおよびリング型PZTを保持するための環状凹部機能を定義するために、キューブの上面にディスクをスケッチ。 </li><li>リアルタイムイメージング及び捕獲の両方のために光アクセスを持つように中心孔を規定します。 </li><li> 図2に示すように、中心部に向かって超音波パワーを集中するために平らな金属（銅）リングを挿入するために、中央の穴の縁に沿って円形ガイドを定義します。 </li><li> 図2cおよび2dに示すように、底板（中央に穴の開いた購入し、厚さ4mmの底のアルミニウム板）で組み立てられるように、PZTホルダーにM6ネジ用の2つのボアの穴を作成します。 </li><li>同様に、サンプルエンクロージャの長方形の枠を設計します。スケッチをクリックして、四角形を描画し、それ長方形のボックスにするために矩形を押し出します。 </li><li> rectangulaの上面に小さい四角形を描画Rボックスと押し出しカット矩形管としてそれを作るために長方形。 </li><li>サンプルエンクロージャボックスのフレームに変換するために、チューブと押し出しカットの側壁に小さい四角形を描画します。 </li><li>これらの3次元（3D）モデルは、3D印刷用ステレオリソグラフィ（STL）ファイルフォーマット（ 図2b）に変換します。 </li></ol></li><li> 設計されたオブジェクトの3Dプリント <ol><li> 3Dプリンタオペレーティングソフトウェアからデザインファイル（「-.STLを」）を開きます。 「プラットフォーム上」、「移動」を、そして「センター」：それを選択するオブジェクトをクリックするとアライメント機能を使って、（0、0、0）でオブジェクトのフラット0 / .AND中心にオブジェクトを置きます。上向きの繊細な機能に直面してPZTホルダーを向けます。凹面が上方に直面することになります。 </li><li>メニューの「設定」と「品質」タブに移動します。 、次のようにインフィルを印刷値を設定：100％、シェルの数：2、およびレイヤの高さ：0.2ミリメートル。 </li><li>総印刷時間を確認し、必要に応じて階層化のオブジェクトが印刷されることを確認するオブジェクトをプレビューします。 「.x3g」形式の3D印刷ファイルをエクスポートし、3Dプリンタで使用するためにそれを保存します。 </li><li> 3Dプリンターの電源をオンにし、押し出しノズルの温度が動作温度に達するまでのウォームアップ、230℃のメモリカードまたはネットワークドライブからデザインファイルをロードします。 </li><li>ウォームアップ時には、オブジェクトがしっかり付着を助けるために青画家のテープでビルドプラットフォームを配置します。印刷ジョブのための熱可塑性材料としては、両方のオブジェクトのためのポリ乳酸（PLA）繊維を使用。 </li><li>設計されたオブジェクトを印刷します。印刷ジョブが完了すると、それが冷却した後、プリンタの電源を切ります。 </li><li>ノミを使用してプラットフォームから印刷オブジェクトを切り離します。印刷されたオブジェクトをまっすぐにします。配向が適切に選択された場合に、PZTホルダを直接さらに後処理することなく使用することができます。 </li><li>フォーRサンプルエンクロージャは、フレームをカバーするために、インジウムスズ酸化物（ITO）コーティングしたカバースリップ三カバーガラスの一対を準備します。エンクロージャにカバースリップにフィットするようにダイヤモンドカッターを使用してください。 </li><li>線速乾性銀ペイントを用いて2つの平行な導電プレートは、二つのプレートの間に電圧を供給する。瞬間接着剤の接着剤を使用して、サンプルエンクロージャにこれらの5つの窓を接着。 注：ITOコーティングされたカバースリップの一組は、平行にサンプルエンクロージャにインストールされて均一な電場を提供し、電界に沿って自然に荷電粒子の弾道運動を生成するために（互いに対向します）。 3従来のカバーガラスは、空気の外部流れから捕捉された粒子を保護するために、サンプルエンクロージャ面（トップと他の2つの辺）の残りの部分をカバー</li></ol></li></ol>選択された微粒子の2光トラップの読み込み<ol><li> 試料調製 <ol><li>中の微粒子を保存実験の前に空気中の水分との接触を減らすためにデシケーターを避難。 </li><li>スライドガラス上に微粒子の小さな部分を注ぎ、すぐに戻ってデシケーター中で、製造業者のボトルを置きます。 </li><li>ガラス毛細管を有する微粒子のいくつかをピックアップ。カバーガラスの上に、キャピラリを保持しながら、そっとキャピラリーをタップして、基板上に粒子を散乱。 </li><li>暗視野顕微鏡を用いて基板上に堆積された粒子の量と分布を確認します。 注意：試料調製工程では、粒子がちょうどカバースリップ上に散乱され、PZTとPZTホルダとの間にそれらを挿入する前に、全体の構成を確認するために、光学顕微鏡（散乱微粒子とカバーガラス）で画像化。表面接着は、基板上の個々の微粒子を保持するのに十分強力であるので重要な外力が印加されない限り、付着粒子が強固に固定されています。 </li></oL&gt; </li><li> 圧電ランチャアセンブリ <ol><li>平らな底板、フィルム、PZT、カバーガラス、銅リング、PZTホルダー、2本のM6ネジ、およびサンプルエンクロージャを絶縁：圧電ランチャーのすべてのコンポーネントを取得します。 </li><li> PZTを絶縁するために、底板上に薄膜（またはテープ）を適用します。カバーガラスは、スタックの先頭を分離します。 </li><li>カバースリップに続く今テープで絶縁平板、銅リング、およびPZTホルダーの上にPZTを中心にして、スタックを組み立てます。 図2cおよび2dに示すように、ホルダーが導通している場合はホルダーにPZTの短絡を回避するために、PZTのセンタリングを維持一緒にスタックをねじ込みます。銅リングは、プラスチック製のPZTホルダー用スタック上に均一に分布機械的予圧を提供します。 </li><li>最後に、スタックにサンプルエンクロージャを接着し、顕微鏡でXYZ並進ステージ上にマウントアセンブリ。 </li></ol></li><li> PZTランチャーの設定 注：高電圧信号とPZTを駆動するには、潜在的な電気的な危険があります。実験の前に、安全担当者にご相談ください。すべての電気接続は、実験前に保護する必要があります。アンプの電源をオフにし、切り離しPZTは、可能な限りつながります。 <ol><li> PZTは、電圧アンプにリードを接続し、電圧増幅器の入力ポートにファンクション・ジェネレータを接続します。 </li><li>ファンクション・ジェネレータをオンにして、すべての接続が検証されて固定されるまで、電圧信号を生成しない1 Vの出力電圧を連続的に方形波を発生するように設定します。 </li><li>電圧アンプの電源をオンにし、出力を可能にすることにより、出力電圧1 Vの方形波を発生させます。 </li><li>オシロスコープにアンプの監視出力ポート（出力電圧200 V）を接続します。回して、200 V / Vのゲインを持つように、増幅器を構成しますフロントパネルのノブを得ることができます。オシロスコープで測定したモニタ出力電圧は1 Vの振幅を持っていることを確認します。 </li><li>関数発生器と増幅器を設定すると、リアルタイムのビデオ顕微鏡画像は、粒子を付着しながら駆動信号の変調周波数を走査することによりPZTランチャーの共振周波数を見つけます。微粒子動きが最大になるまでスキャンを繰り返します。粒子を解放するために、この周波数（ここでは64 kHzの）を使用します。 注：変調周波数を手動で共振周波数を見つけるために、150 kHzに、ゼロから（スキャン）が変化します。 </li><li>バーストモードで指定された数のサイクルの方形波を生成するために、ファンクション・ジェネレータを設定します。フロントパネルに「バースト」ボタンを押すと「Nサイクルバースト」を選択します。 </li><li> 「＃サイクル」のソフトキーを押して、バースト数を選択して、10または20にカウントを設定します。 </li><li>との電圧信号を生成する方形波を設定600 Vの振幅前のステップから見つかった64キロヘルツの共振周波数で（3回連続励起のために使用される電圧）。パルス信号は、粒子は、各パルスの後に移動を保証することにより、繰り返し可能な方法で標的粒子を放出することを確認します。 </li></ol></li><li> 選択光トラップのロード 注：PZTランチャアセンブリは手動線形変換XYステージ上に設置されています。粒子は、並進ステージを移動させることにより、固定ビーム焦点を基準に翻訳することができます。 <ol><li>顕微鏡のタレット（ 図3a）を回転させることにより、トラップビームの焦点を識別するために、レーザラインフィルタを削除。フォーカスを最適化するために、可視画像の最良の焦点の周りに垂直方向に前後に電動フォーカシングブロックを移動します。 </li><li>焦点位置が確認されると、トラップビームからの干渉なしに明確なリアルタイムビデオを与えるために戻ってフィルタをかけます。 </li><li> pまでのサンプルを翻訳トラップレーザーの焦点位置に選択された粒子をレース。画像への粒子の粒子上に浮上位置を残しながら、約半分の半径によって粒子中心部以下の公称トラッピング位置を配置する選択された粒子の中心に焦点を当てています。 </li><li>光トラッピング力を設定するための電気光学変調器（EOM）ドライバに接続された電源を調整します。最適な電力は、粒子サイズおよび材料に依存します。光パワービームから吐出させずに粒子を浮揚させるのに十分な電力を決定するために反復試験によって見出されました。ここでは、直径20μmのポリスチレン（PS）粒子を捕捉する対物レンズの後焦点面で140ミリワットの光パワーを使用しています。 </li><li>選択された粒子の中心が整列された後、いくつかのパルスで圧電ランチャーを作動させます。移動ぼやけた画像への静的な合焦画像から粒子像の変化がLEVに成功した負荷を示していますitation位置。 </li><li>基板上ミリメートル程度垂直浮遊粒子は、可能な表面相互作用を防止するように対物レンズを移動させることによって変換します。そして、より安定している公称トラッピング位置（ 図3c）に浮揚粒子（ 図3b）を移行するための光パワーを低減します。 注：トラッピングレーザの光パワーは、電気光学変調器（EOM）によって調節することができます。 EOMは、デジタル電源を介して供給されるバイアス電圧で出力電力を調整します。一つは、ゆっくりと光パワーを低減しながら、CCDを介して位置をトラップに浮上からの移行を観察することができます。 </li><li>位置測定のために、3Dに、図3Cに示すように、慎重に光軸にPZTホルダーの中心を移動し、サンプルエンクロージャの中央上記（9 mmの中に粒子を変換するための対物レンズまでの（垂直方向）に移動させますSUBSTRフリンジ電界が最小化される）を食べました。 </li><li>粒子が基板に接触するまで、以下に記載されるように測定を行った後、対物レンズを下に移動することによって、基板上に粒子を配置します。粒子の大部分が角部近傍に適用されるので、トラップされた粒子は、容易に認識することができ、再捕捉され、それが中央部に配置されたとき。これは、粒子と基板との接触相互作用のような単一のトラップイベントを越えて生じる変化を測定するための可逆的トラップの読み込みを可能にします。 </li></ol></li></ol> 3.データ集録<ol><li>トラップ内の粒子とQPD「SUM」信号を最大化するために、凝縮器フォーカスレンズの位置を合わせます。 </li><li> 図4cに示すように、QPDのXとYのチャネルを名目上ゼロに集束レンズの位置を合わせます。 </li><li>フーリエ変換された位置信号（又は電力スペクトル密度まで凝縮器の調整とフォーカスレンズを繰り返し<html> XとYのチャンネル（PSD）プロットは）バランスのとれた感度を示すように重ね合わせます。 図4bに示すように適切に整列QPD信号（XとY）は、ほぼ同一の挙動を示します。 </li><li> QPDアライメントが確認されると、2枚のITOプレートに電圧アンプを接続します。ステップ励磁信号と同期して誘導された粒子の軌跡を記録するためにDAQシステムにアンプの電圧監視出力信号を接続します。 </li><li>約500nm（ 図4e）により光軸に対して横方向に粒子を移動させる電界（ 図4d）を生成するために400 Vの連続的な矩形波を供給する。 QPDを使用して捕捉された粒子のステップ応答を測定します。 </li><li>ブラウン運動の影響を低減するために、必要に応じて平均複数の期間。誘導運動は、熱揺らぎよりも運動のより広い範囲にわたって光力を測定するために使用することができます。 12、EF &quot;&gt; 17 図4dおよび4eのショーは、印加電圧とステップ励磁の50回の反復を超える誘起される粒子軌道の信号を平均しました。 </li></ol>

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The authors declare no competing financial interest.

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

Ashkinは、物理学や生物物理学の基礎的な研究のための主要なツールとして、光トラッピング技術の開発を進め、1970年1彼の小説成果の加速度と放射圧による微粒子の捕捉を報告しました。これまでに2、3、4、5は 、光トラッピングの適用は、液体環境で主に集中しており、単一の生体分子の機械的特性へのコロイドの挙動から、システムの非常に広い範囲を研究するために使用されて。 6、7、ガス状のメディアへの光トラッピングの8アプリケーションは、しかし、いくつかの新しい技術的な問題を解決する必要があります。 最近では、空気/真空中の光トラッピングはますます基礎研究に応用されています。光学レヴィので、テーションは、潜在的に光学的に浮揚粒子は、小さな物体で4高周波測定重力波、9を量子基底状態を研究し、分数電荷を探索するための理想的な実験室となり、周囲の環境からシステムのほぼ完全な絶縁を提供します。 図10はまた、空気/真空の低い粘度は1つがブラウン粒子11の瞬間速度を測定するための慣性を利用して、線形ばね様体制を超えて動き、広範囲の弾道運動を作成することを可能にします。 12したがって 、気体媒体における光学トラップの詳細な技術情報や慣行は、より広い研究コミュニティにより貴重になってきています。 新しい実験技術は、気体媒体中の光トラップにナノ/マイクロ粒子をロードする必要があります。圧電変換器（PZT）、電動式を変換する装置メカノ音響エネルギーへのICエネルギーは、光浮上の最初の実証以来、空気/真空5、12で光トラップに小さな粒子を送達するために用いられています。 1以来、いくつかのローディング技術は、商業的噴霧器13又は音響波発生器によって生成された揮発性のエアロゾルを用いてより小さな粒子をロードするために提案されています。 14固体含有物（粒子）との浮遊エアロゾルはランダムに焦点近傍を通過し、偶然にトラップされます。エアロゾルがトラップされると、溶媒が出て蒸発し、粒子が光トラップに残ります。しかし、これらの方法は、サンプルの中から所望の粒子を識別する選択された粒子をロードし、トラップから放出された場合、その変更を追跡するのにはあまり適していません。このプロトコルは、実験など、空気中の選択光トラップの読み込み、上の新しい実務に詳細を提供することを目的としますアルセットアップ、PZTホルダーとサンプルエンクロージャの製造、トラップロード、両方の周波数領域および時間領域における粒子運動の解析に関連したデータ収集。液体培地中に捕捉するためのプロトコルも公開されています。 15、16 全体的な実験は、市販の倒立光学顕微鏡上で開発されています。 図1は、選択光トラップの負荷のステップを示すために使用されたセットアップの概略図を示しています、休憩微粒子を解放集束ビームで選ばれた粒子を持ち上げ、その動きを測定し、再び基板上にそれを置きます。まず、並進ステージ（横と縦）は、対物レンズにより集光されたトラッピングレーザー（波長1064 nm）での焦点に、基板上に選択された微小粒子をもたらすために使用されている（近赤外補正後の長い作動距離の目的：NA 0.4、倍率20X、作業D透明基板を通して20ミリメートル）をistance。そして、圧電ランチャー（機械的にプリロードされたリング型PZT）は、微粒子と基板との間の接着を破壊するために超音波振動を発生させます。したがって、任意の解放された粒子は、選択された粒子に着目し、単一のビーム傾斜レーザートラップにより持ち上げることができます。粒子がトラップされると、静電励起するための2つの平行な導電板を含むサンプル容器の中心に変換されます。最後に、データ収集（DAQ）システムは、同時に象限セルの光検出器（QPD）、及び印加電界によって捕捉粒子運動を記録します。測定終了後、粒子を制御可能それが可逆的に再捕捉することができるように、基板上に配置されます。この全体のプロセスは、いくつかの捕捉サイクルにわたって発生する接触帯電などの変化を測定するために、粒子損失なしに数百回も繰り返すことができます。我々の最近の記事Fを参照してくださいまたは詳細。 12

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

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Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air

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

空気中の誘電体微粒子の光学トラップのロード

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

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Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Engineering

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

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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.

単一粒子のためのマイクロ流体ベースの流体力学的トラップ

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

生物工学

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.

ナノ粒子の光トラッピング

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 ...

工学

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.

強化されたマイクロおよびナノ操作のためのプラズモニックとフォトニック結晶ナノ構造の利用

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.

ナノ光学コンベヤーベルトの作製と運用

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.

監視環境でのプラズモニックトラッピングとナノ粒子の放出

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.

微細加工を用いたイオンを捕集する実験方法表面イオン トラップ

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.

1分子研究のためのデュアル光ピンセットとマイクロ流体工学の使用

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

生化学

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 光学格子中の微粒子のトラップ

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.

光ピンセットを用いた閉じ込めにおける細胞下力学の直接力測定

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

発生生物学

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表面増強ラマン分光特性評価のためのプラズモニックナノ粒子の光学的トラップ

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

空気中の誘電体微粒子の光学トラップのロード

要約

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単一粒子のためのマイクロ流体ベースの流体力学的トラップ

ナノ粒子の光トラッピング

強化されたマイクロおよびナノ操作のためのプラズモニックとフォトニック結晶ナノ構造の利用

ナノ光学コンベヤーベルトの作製と運用

監視環境でのプラズモニックトラッピングとナノ粒子の放出

微細加工を用いたイオンを捕集する実験方法表面イオントラップ

1分子研究のためのデュアル光ピンセットとマイクロ流体工学の使用

Nanoplasmonic 光学格子中の微粒子のトラップ

光ピンセットを用いた閉じ込めにおける細胞下力学の直接力測定

In situ表面増強ラマン分光特性評価のためのプラズモニックナノ粒子の光学的トラップ

空気中の誘電体微粒子の光学トラップのロード

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ナノ粒子の光トラッピング

強化されたマイクロおよびナノ操作のためのプラズモニックとフォトニック結晶ナノ構造の利用

ナノ光学コンベヤーベルトの作製と運用

監視環境でのプラズモニックトラッピングとナノ粒子の放出

微細加工を用いたイオンを捕集する実験方法表面イオン トラップ

1分子研究のためのデュアル光ピンセットとマイクロ流体工学の使用

Nanoplasmonic 光学格子中の微粒子のトラップ

光ピンセットを用いた閉じ込めにおける細胞下力学の直接力測定

In situ表面増強ラマン分光特性評価のためのプラズモニックナノ粒子の光学的トラップ

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