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.

주의 : 실험 전에 모든 관련 안전 프로그램을 참조하십시오. 이 프로토콜에서 설명하는 모든 실험 절차는 NIST 레이저 안전 프로그램뿐만 아니라 다른 관련 규정에 따라 수행된다. 선택 및 특정 파장 및 전력 용으로 설계된 레이저 보호 안경으로 적절한 개인 보호 장비 (PPE)를 착용하시기 바랍니다. 건식 나노 / 마이크로 입자를 취급 추가 호흡 보호가 필요할 수 있습니다. 1. 디자인 및 PZT 홀더의 제작 및 샘플 인클로저 <ol><li> PZT 계 홀더 및 샘플 케이스를 디자인 참고 : 특정 설계 값이 PZT의 선택에 따라 달라집니다. <ol><li> 컴퓨터 지원 설계 (CAD) 소프트웨어 패키지를 연다. 주어진 PZT 차원에 대한 홀더의 2 차원 스케치를 그린다. 밀어 내기 / 돌출 컷의 조합을 사용하여 체적 기능에 2D 스케치를 개발한다. </li><li> 스케치를 클릭합니다사각형을 그릴과 직사각형 큐브를 그것을 돌출. </li><li> 커버 링 타입 PZT를 보유하는 원형 오목 기능을 정의하는 큐브의 상면 디스크 스케치. </li><li> 실시간 이미징 트래핑 모두 광 액세스하는 중앙 구멍을 정의한다. </li><li> 그림 2에서와 같이 중앙 영역을 향해 초음파 전력을 집중 평평한 금속 (구리) 링을 삽입하는 중앙 구멍의 가장자리를 따라 원형 가이드를 정의합니다. </li><li> 도 2C 및 2D에 도시 된 바와 같이, PZT 홀더 M6 나사 구멍을위한 두 개의 구멍 (중앙 구멍, 4mm 두께의 알루미늄 판 저면 구입)를 바닥 판에 조립 될 만든다. </li><li> 유사한 방식으로, 샘플 인클로저의 사각형 틀을 설계한다. 스케치 (Sketch)를 클릭하고 사각형을 그립니다, 그것은 사각형 상자 만들기 위해 사각형을 돌출. </li><li> rectangula의 상면에 작은 사각형을 그리R 상자와 사각 관으로 만들 수있는 사각형을 돌출는 컷. </li><li> 샘플 격납 박스의 프레임으로 변환하기 위해 튜브 돌출 컷의 측벽에 작은 직사각형을 그린다. </li><li> 3 차원 프린팅 프로세스의 조형 (STL) 파일 형식으로 이러한 3 차원 (3D) 모델을 변환 (도 2B). </li></ol></li><li> 디자인 된 개체의 3D 인쇄 <ol><li> 3 차원 프린터 운영 소프트웨어의 설계 파일 ( &quot;-.STL&quot;)을 엽니 다. 평면 0 / .and 센터에게상의 객체를 객체를 배치 (0, 0, 0)을 선택하기 위해 오브젝트를 클릭 정렬 기능을 이용하여 : &quot;플랫폼&quot;, &quot;이동&quot;, 및 &quot;센터&quot;. 위로 섬세한 기능을 향하도록 PZT 홀더의 방향. 오목 표면은 위쪽으로 직면하게 될 것입니다. </li><li> 메뉴에서 &quot;설정&quot;및 &quot;품질&quot;탭으로 이동합니다. 100 %, 포탄의 수 : 2 및 레이어 높이 : 다음으로 된 충전을 인쇄 값을 설정 0.2mm. </li><li> 총 인쇄 시간을 확인하고 원하는대로 계층화 된 개체를 인쇄 할 수 있는지 확인하기 위해 개체를 미리 볼 수 있습니다. 는 &quot;.x3g&quot;형식으로 3D 인쇄 파일을 내보내고 3D 프린터에서 사용하도록 저장합니다. </li><li> 3 차원 프린터의 전원을 켜고 압출 노즐의 온도가 작동 온도에 도달 할 때까지 따뜻하게, 230 ° C. 메모리 카드 또는 네트워크 드라이브에서 디자인 파일을로드합니다. </li><li> 최대 따뜻한 동안 객체가 안전하게 준수하기 위해 파란색 화가의 테이프로 빌드 플랫폼을 배치합니다. 상기 인쇄 작업의 열가소성 재료로서, 두 객체의 폴리 락트산 (PLA) 필라멘트를 사용한다. </li><li> 디자인 된 개체를 인쇄 할 수 있습니다. 인쇄 작업이 완료되면이 냉각 한 후, 프린터의 전원을 끄십시오. </li><li> 끌을 사용하여 플랫폼에서 인쇄 된 개체를 분리합니다. 인쇄 된 개체를 정돈합니다. 방향이 적절히 선택되면, PZT 홀더 직접 상기 후 처리없이 사용할 수있다. </li><li> FOR 샘플 인클로저는 프레임을 포함하는 산화 인듐 주석 (ITO) 코팅 된 커버 세 커버 글라스의 한 쌍을 제조. 인클로저에 coverslip에 맞게 다이아몬드 커터를 사용합니다. </li><li> 와이어 빠른 건조 실버 페인트를 사용하여 상기 두 개의 병렬 도체 판 개의 플레이트를 가로 질러 전압을 공급한다. 인스턴트 접착제 접착제를 사용하여 샘플 케이스에이 다섯 가지 창을 접착제. 주 : ITO 코팅 된 커버하는 한 쌍의 병렬 샘플 인클로저에 설치되어 균일 한 전기장을 제공하고, 전기장을 따라 자연스럽게 대전 입자의 탄도 운동을 생성하는 (서로 마주 보는). 세 종래 커버 슬립 공기의 외부 흐름 포획 입자를 보호하는 샘플 격납면 (상부 및 다른 두 변)의 나머지 부분을 덮 </li></ol></li></ol> 선택된 미세 2. 광학 트랩로드 <ol><li> 샘플 준비 <ol><li> 의 미세 입자를 저장진공 건조기는 실험 전에 공기 중의 수분과의 접촉을 줄일 수 있습니다. </li><li> 유리 슬라이드에 미세 입자의 작은 부분을 붓고 즉시 다시 데시 케이 터에서 제조의 병을 넣어. </li><li> 유리 모세관 튜브 미립자의 일부를 선택합니다. 커버 슬립을 통해 모세관을 잡고 조심스럽게 모세관에 눌러 기판 위에 입자를 분산 형. </li><li> 암시 야 현미경을 사용하여 기판의 양과 증착 입자의 분포를 확인한다. 주의 : 샘플 준비 단계에서, 입자는 단지 커버 슬립 상에 분산되고, PZT 및 PZT 홀더간에 삽입하기 전에 전체 구성을 확인하기 위해 광학 현미경 (분산 미립자와 커버 슬립) 이미지화. 표면 부착 기판 개별 미립자를 보유 할만큼 충분히 강하다 때문에 상당한 외력이인가되지 않으면, 접착 입자가 견고하게 고정된다. </li></oL&gt; </li><li> 압전 실행 어셈블리 <ol><li> 평평한 바닥 판, 영화의 PZT, 유리 커버 슬립, 구리 반지의 PZT 홀더, 두 개의 M6 나사 및 샘플 인클로저를 절연 : 압전 실행 프로그램의 모든 구성 요소를 가져옵니다. </li><li> PZT를 절연하기 위해 바닥 판에 박막 (또는 테이프)를 적용합니다. 유리 커버 슬립이 스택의 상부를 분리. </li><li> 커버 슬립, 구리 링 및 PZT 홀더 다음 지금 테이프로 절연 평판의 상단에있는 PZT를 중심으로하여 스택을 조립합니다. 함께 홀더로도 2C 및 2D에 나타낸 실시하는 경우 홀더에 PZT 단락 방지하기 위해 PZT의 중심을 유지하는 스택 나사. 구리 링은 플라스틱 PZT 소지자 스택에 균일하게 분포 된 기계 프리로드를 제공합니다. </li><li> 마지막으로, 스택에 샘플 케이스를 접착제와 현미경에 XYZ의 번역 단계에서 어셈블리를 장착. </li></ol></li><li> PZT 런처의 구성 참고 : 고전압 신호와 PZT를 운전 잠재적 전기 위험이 있습니다. 실험 전에 안전 담당자와 상담하시기 바랍니다. 모든 전기 연결은 실험 전에 확보되어야한다. 앰프의 전원을 끄고 분리 PZT 가능하면 연결됩니다. <ol><li> PZT는 전압 증폭기를 접속하고, 전압 증폭기의 입력 포트에 함수 발생기를 연결한다. </li><li> 함수 발생기 켜고 모든 연결이 확인되고 고정 될 때까지 상기 전압 신호를 발생하지 않도록 한 V.의 출력 전압에 연속 사각 파를 생성하도록 구성. </li><li> 전압 앰프를 켜고 출력을 가능하게함으로써 출력 전압 1 V의 구형파를 생성합니다. </li><li> 오실로스코프로 증폭기의 모니터 출력 단자 (출력 전압 200 V)을 연결한다. 을 돌려 200 V / V의 이득을 위해 앰프를 구성전면 패널에 손잡이를 얻을 수 있습니다. 오실로스코프에 의해 측정 모니터링 출력 전압이 1 V의 진폭이 있는지 확인합니다. </li><li> 함수 발생기 및 증폭기가 구성되면, 실시간 비디오 현미경 이미지 입자를 부착하는 동안 구동 신호의 변조 주파수를 스캔하여 PZT 발사기의 공진 주파수를 찾고 있습니다. 미립자의 움직임이 최대가 될 때까지 검사를 반복합니다. 입자를 방출이 주파수 (여기에 64 kHz에서)를 사용합니다. 주 : 변조 주파수 수동 공진 주파수를 찾기 위해 150 kHz로 0에서 (스캔) 변경된다. </li><li> 버스트 모드에서 지정된 사이클 수와 구형파를 생성하는 함수 발생기를 구성. 전면 패널의 &quot;버스트&quot;버튼을 누르고 &quot;N 사이클 버스트&quot;를 선택합니다. </li><li> &quot;# 사이클&quot;소프트 키를 눌러 버스트 카운트를 선택하고 10 또는 20 수를 설정합니다. </li><li> 가진 전압 신호를 생성하는 방형 파를 구성600 V의 진폭 이전 단계에서 발견 64 kHz에서의 공진 주파수 (세 번 연속 여기에 사용되는 전압). 펄싱 신호가 입자가 각 펄스 후 이동 보장함으로써 반복적 인 방식으로 대상 입자를 방출하는지 확인합니다. </li></ol></li><li> 선택적 광 트랩로드 참고 : PZT 런처 어셈블리가 수동 선형 변환 XY 스테이지에 설치됩니다. 입자는 병진 스테이지를 이동하여 상기 고정 빔의 초점에 대해 변환 될 수있다. <ol><li> 현미경 터릿 (도 3a)를 회전시킴으로써 포착 빔의 포커스를 식별 레이저 라인 필터를 제거한다. 초점을 최적화하기 위해 눈에 보이는 이미지의 최적의 초점 주위에 수직으로 앞뒤로 전동 초점을 맞추고 블록을 이동합니다. </li><li> 포커스 위치가 확인되면, 트래핑 빔 간섭없이 선명한 실시간 비디오를 제공하는 백 필터를 넣어. </li><li> 페이지에 샘플을 번역트래핑 레이저의 초점 위치에서, 선택된 입자 레이스. 이미지 입자의 입자 위의 부상 위치를 남겨 두면서 약 절반 반경 입자 중심 아래 공칭 트래핑 위치에 배치 선택된 입자의 중심을 초점. </li><li> 광 트 랩핑 능력을 설정할 수있는 전기 - 광학 변조기 (EOM) 드라이버에 연결된 전원 공급을 조절한다. 최적 전력은 입자 사이즈 및 재질에 의존한다. 광 파워 빔으로부터 토출 않고 입자를 공중에 뜨게하기에 충분한 파워를 결정하기 위해 반복 된 실험을 통해 밝혀졌다. 여기서, 직경 20 ㎛의 폴리스티렌 (PS) 입자 트랩 대물의 후면 초점면에서 140 mW의 전력의 광을 사용한다. </li><li> 선택된 입자의 중심이 정렬 된 후, 여러 펄스 압전 실행기를 작동. 이동 흐린 이미지 정적 집중 화상으로부터 입자 화상의 변화가 레프 성공적인 로딩을 나타낸다itation 위치입니다. </li><li> 가능한 표면 상호 작용을 방지하기 위해 최대 대물 렌즈를 이동하여 기판 위의 mm에 대해 수직으로 부상 입자를 번역합니다. 그리고 더 안정되는 공칭 트래핑 위치 (도 3c)로 부상 입자 (그림 3b)를 전환 할 수있는 광 전력을 줄일 수 있습니다. 주 : 트래핑 레이저의 광 파워는 전기 광학 변조기 (EOM)으로 변조 할 수있다. EOM 디지털 전원 공급 장치를 통해 공급되는 바이어스 전압과 출력 전력을 조절한다. 하나 천천히 광 전력을 절감하면서 CCD를 통해 위치를 포착하여 부상의 전환을 관찰 할 수있다. </li><li> 위치 측정 (샘플 케이스의 중간에 상기 9mm를 입자 번역 차원에도 3c에 도시 된 바와 같이,주의 깊게 광축에 PZT 홀더의 중심으로 이동하고 (수직), 대물 렌즈의 최대 이동 SUBSTR프린지 전계가 최소화된다) 먹었다. </li><li> 후술하는 바와 같이 측정을 수행 한 결과, 입자가 기판에 접촉 될 때까지 대물을 이동하여 기판상의 입자를 배치했다. 입자의 가장 코너 근처에 적용되기 때문에, 포획 된 입자를 용이하게 인식 할 수 있고 재 포획는 중앙 영역에 배치 될 때. 이는 입자와 기판의 접촉 상호 작용과 같은 단일 트래핑 이벤트를 넘어 발생하는 변화를 측정하는 가역적 트랩 로딩을 할 수 있습니다. </li></ol></li></ol> 3. 데이터 수집 <ol><li> 콘덴서와 트랩의 입자로 QPD &quot;SUM&quot;신호를 최대화하기 위해 초점 렌즈를 맞 춥니 다. </li><li> 도 4c에 도시 된 바와 같이, QPD의 X 및 Y 채널 명목상 0으로 포커싱 렌즈를 맞추. </li><li> 콘덴서의 조정, 푸리에 변환 된 신호의 위치까지 포커스 렌즈 (또는 전력 스펙트럼 밀도를 반복<html> 는 X의 (PSD) 플롯) 및 Y 채널 밸런스 감도를 표시하는 중첩. 도 4b에 도시 된 바와 같이 적절하게 정렬 QPD 신호 (X 및 Y)은 거의 동일한 거동을 나타낸다. </li><li> QPD 정렬이 확인되면, 두 ITO 플레이트에 전압 증폭기를 연결한다. 스텝 여기 신호와 동 기적으로 유도 된 입자 궤도를 기록 DAQ 시스템 증폭기의 전압 모니터링 출력 신호를 연결한다. </li><li> 약 500 나노 미터 (도 4E)에 의해 광축을 횡단하여 입자를 이동시키는 전기장 (도 4D)를 생성하기 위해 400 V의 지속적인 구형파를 공급한다. QPD를 사용하여 포획 입자의 스텝 응답을 측정한다. </li><li> 필요에 따라 복수의 평균 기간은 브라운 운동의 효과를 감소시킨다. 유도 운동 열적 변동보다 동작의 더 넓은 범위에서 광학 힘을 측정 할 수있다. 12 일EF &quot;&gt; 17도 4D 및 4E 쇼인가 전압 단계 여기의 50 반복을 통해 유도 된 입자 궤도의 신호를 평균. </li></ol>

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The authors declare no competing financial interest.

압전 실행기는 선택된 PZT의 동적 성능을 최적화하도록 설계된다. PZT 재료 및 초음파 진동의 관리의 적절한 선택은 성공적인 실험을 생성하는 주요 단계입니다. PZTs는 다른 특성 변환기의 종류에 따라 (벌크 또는 적층) 및 성분 재료 (하드 또는 소프트)를 갖는다. 하드 압전 재료로 이루어지는 벌크 타입 PZT 이유는 다음과 선택된다. 첫째, 하드 압전 물질은 낮은 유전 손실과 부드러운 소재보다 더 ?...

Ashkin 물리학 및 생물 물리학의 기초 연구를위한 기본 도구로 광학 트래핑 기술의 개발을 추진 1970 년 1 그의 소설 업적의 가속 및 방사선 압력에 의해 미세 입자의 포획을보고했다. 현재까지, 2, 3, 4, 5는 광학 포착의인가 액체 환경에 주로 초점을 맞추고 있으며, 단일 생체 분자의 기계적 특성에 콜로이드의 동작에서, 시스템은 매우 넓은 범위를 연구하기 위해 사용되었다. 6, 7, 가스 매체 광학 트래핑 8 응용 프로그램은, 그러나, 몇 가지 새로운 기술 문제를 해결해야합니다. 최근, 공기 / 진공 광학 트래핑은 점점 기초 연구에 적용되었습니다. 광학 레위 이후테이션은 잠재적으로 광학적으로 부상 입자가 작은 물체에 4 측정 고주파 중력파 9 양자 바닥 상태를 공부하고 분수 전하를 검색하기위한 이상적인 실험실이되고, 주변 환경에서 시스템의 거의 완성 절연을 제공합니다. (10)은 또한 공기 / 진공의 저점이 하나가 브라운 입자 (11)의 순간 속도를 측정하는 관성을 사용하고 선형 스프링 형상 정권 이후 넓은 동작 범위 탄도 운동을 생성 할 수있다. 12 따라서, 자세한 기술 정보 및 가스 매체에 광 트랩에 대한 사례는 광범위한 연구 커뮤니티에 더 가치가있다. 새로운 실험 기술은 가스 매체 광학 함정에 나노 / 마이크로 입자를로드해야합니다. 압전 트랜스 듀서 (PZT), ELECTR 변환하는 장치메카 탄성 에너지로 IC 에너지 광 부상의 제 데모 때문에 공기 / 진공 5 12 광 트랩으로 작은 입자를 제공하기 위해 사용되어왔다. 한 이후 여러 로딩 기술은 상업적 분무기 (13) 또는 파 발생기에 의해 발생 된 휘발성 에어로졸을 사용하여 더 작은 입자를로드하기 위해 제안되었다. (14) 고체 함유 물 (입자)와 부동 에어로졸은 무작위로 초점 근처에 전달하고 우연히 갇혀있다. 에어로졸가 트랩되면, 용매 밖으로 증발 입자 광 트랩에 남아있다. 그러나 이러한 방법은 물론, 샘플 내에서 원하는 입자를 식별 선택된 입자를로드하고 트랩 해제하는 경우 그 변경 사항을 추적하는 데 적합하지 않습니다. 이 프로토콜은 실험을 포함한 공기 선택적 광 트랩 로딩에 새로운 실무자에 대한 세부 정보를 제공하기위한 것입니다알 설정 두 주파수 및 시간 영역에서의 입자 운동의 분석과 관련된 PZT 홀더 샘플 격납 트랩 로딩 및 데이터 수집의 제조. 액체 매체에 포집 프로토콜도 발표되었다. 15 16 전체 실험 장치는 상업용 거꾸로 광학 현미경에 개발되고있다. 상기 집속 광을 선택한 입자 리프팅 휴지 미립자 해방의 움직임을 측정하고, 또, 기판 상으로 배치도 1은 선택적 광 트랩 로딩 단계를 입증하는 데 사용되는 셋업의 개략도를 도시한다. 먼저, 병진 스테이지 (가로 및 세로)의 대물 렌즈에 의해 집광 트래핑 레이저 (파장 1064 ㎚)의 초점을 기판상의 선택된 미립자를 가지고 사용된다 (근적외선 보정 긴 작동 거리 목표 : NA 0.4 배율 20 배, 작업 D투명 기판 내지 20mm)을 istance. 그리고, 압전 실행기 (기계적으로 사전로드 링형 PZT)의 미립자와 기판 사이의 접착 성을 파괴하는 초음파 진동을 발생시킨다. 따라서, 임의의 해방 입자는 상기 선택된 입자에 집중 단일 빔 구배 레이저 트랩에 의해 해제 될 수있다. 입자가 트랩되면, 정전 여기 두 개의 평행 한 도체 판을 포함하는 샘플 격납 중심으로 변환된다. 마지막으로, 데이터 획득 (DAQ) 시스템은 동시에 사분면 셀 검출기 (QPD)에 의해 포획 된 입자 움직임 및인가 전계를 기록한다. 측정을 마친 후,이 입자에 제어 가능하게는 가역적 방식으로 다시 포획 할 수 있도록 기판 상에 배치된다. 이 전체 프로세스는 몇 포착주기 동안 발생하는 이러한 접촉 대전 등의 변화를 측정하는 입자 손실없이 수백 번 반복 될 수있다. 우리의 최근 기사 f를 참조하십시오또는 세부 사항. (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 실행기는 CAD 소프트웨어 패키지를 이용하여 설계된다. 도 2 PZT 홀더 샘플 격납 재료와 다양한 방법으로 제조 할 수에 도시 된 바와 같이, 여기에서는, 프리 로딩 (a PZT 두 플레이트 고정)하기위한 간단한 샌드위치 구조를 사용한다. 그림 2D에 도시 된 바와 같이 빠른 시연을 위해, 우리는 열가소성와 3D 인쇄를 선택합니다. 제조 된 구성 요소에 기?...

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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.

공기에서 유전체 미세 입자의 광학 트랩로드

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

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Engineering

9.0K 조회수.  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.

단일 입자 Microfluidic 기반 유체 트랩

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

연구

생체공학

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.

나노 입자의 광학 트래핑

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 ...

공학

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.

향상된 마이크로 및 Nanoparticle 조작에 대한 Plasmonic 및 광자 크리스탈 Nanostructures 활용

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.

나노 광학 컨베이어 벨트의 제작 및 운영

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.

모니터링 환경에서 플라즈몬 트랩 및 나노 입자의 릴리스

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.

﹙을 사용 하 여 이온을 트래핑에 대 한 실험 방법 표면 이온 트랩

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.

단일 분자 연구를 위한 이중 광학 핀셋 및 미세 유체 공학 사용

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

생화학

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 광학 격자에 마이크로 입자의 트래핑

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.

광학 핀셋을 사용하여 감금된 세포 전 역학의 직접 힘 측정

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

발생학

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.