Abstract

A magneto-optic trap for micro-objects is described. Magnetic beads were trapped by optical tweezers while being rotated by a new integrated magnetic manipulator. Rotation was achieved with eight electromagnets with tip-pole geometry. The time orbital potential technique was used to achieve rotation of magnetic beads. Trapping in three dimensions and rotation of magnetic beads on three axes are demonstrated with forces up to 230  pN and force momenta of up to 10-16 N m. A position-detection apparatus based on an interferometric scheme provides nanometer sensitivities in a few milliseconds.

© 2001 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. A. Ashkin, J. M. Dziedzik, J. E. Bjorkholm, and S. Chu, Opt. Lett. 11, 288 (1986).
    [CrossRef]
  2. G. Roosen, J. Can. Phys. 57, 1260 (1979).
    [CrossRef]
  3. A. Ashkin and J. M. Dziedzik, Appl. Opt. 19, 660 (1980).
    [CrossRef] [PubMed]
  4. A. Ashkin and J. M. Dziedzik, Science 235, 1517 (1987).
    [CrossRef] [PubMed]
  5. T. N. Buican, M. J. Smith, H. A. Crissman, G. C. Salzman, C. C. Stewart, and J. C. Martin, Appl. Opt. 26, 5311 (1987).
    [CrossRef] [PubMed]
  6. R. Steubing, S. Cheng, W. H. Wright, Y. Numajiri, and M. W. Berns, Cytometry 12, 505 (1991).
    [CrossRef]
  7. M. W. Berns, W. H. Wright, B. J. Tromberg, G. A. Profeta, J. J. Andrews, and R. J. Walter, Proc. Nat. Acad. Sci. USA 86, 4539 (1989).
    [CrossRef]
  8. A. Ashkin and J. M. Dziedzik, Proc. Nat. Acad. Sci. USA 86, 7914 (1989).
    [CrossRef]
  9. R. R. Birss, R. Gerber, and M. R. Parker, IEEE Trans. Magn. 12, 829 (1976).
    [CrossRef]
  10. J. H. P. Watson and A. S. Bashaj, IEEE Trans. Magn. 25, 3803 (1989).
    [CrossRef]
  11. S. B. Smith, L. Finzi, and C. Bustamante, Science 258, 1122 (1992).
    [CrossRef] [PubMed]
  12. A. R. Baush, W. Moller, and E. Sackmann, Biophys. J. 76, 573 (1999).
    [CrossRef]
  13. D. Wirtz, Phys. Rev. Lett. 75, 2436 (1995).
    [CrossRef] [PubMed]
  14. T. R. Strick, J.-F. Allemand, D. Bensimon, A. Bensimon, and V. Croquette, Science 271, 1835 (1996).
    [CrossRef] [PubMed]
  15. V. Vuletic, T. W. Hänsch, and C. Zimmermann, Europhys. Lett. 36, 349 (1996).
    [CrossRef]
  16. F. J. Alenghat, B. Fabry, K. Y. Tsai, W. H. Goldmann, and D. E. Ingber, Biochem. Biophys. Res. Commun. 277, 93 (2000).
    [CrossRef] [PubMed]
  17. F. Amblard, B. Yurke, A. Pargellis, and S. Leibler, Rev. Sci. Instrum. 67, 818 (1996).
    [CrossRef]
  18. W. Petrich, M. H. Anderson, J. R. Ensher, and E. A. Cornell, Phys. Rev. Lett. 74, 3352 (1995).
    [CrossRef] [PubMed]
  19. K. Svoboda, C. F. Schmidt, B. J. Schnapp, and S. Block, Nature 365, 721 (1993).
    [CrossRef] [PubMed]

2000 (1)

F. J. Alenghat, B. Fabry, K. Y. Tsai, W. H. Goldmann, and D. E. Ingber, Biochem. Biophys. Res. Commun. 277, 93 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

1999 (1)

A. R. Baush, W. Moller, and E. Sackmann, Biophys. J. 76, 573 (1999).
[CrossRef]

1996 (3)

F. Amblard, B. Yurke, A. Pargellis, and S. Leibler, Rev. Sci. Instrum. 67, 818 (1996).
[CrossRef]

T. R. Strick, J.-F. Allemand, D. Bensimon, A. Bensimon, and V. Croquette, Science 271, 1835 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

V. Vuletic, T. W. Hänsch, and C. Zimmermann, Europhys. Lett. 36, 349 (1996).
[CrossRef]

1995 (2)

W. Petrich, M. H. Anderson, J. R. Ensher, and E. A. Cornell, Phys. Rev. Lett. 74, 3352 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

D. Wirtz, Phys. Rev. Lett. 75, 2436 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

1993 (1)

K. Svoboda, C. F. Schmidt, B. J. Schnapp, and S. Block, Nature 365, 721 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

1992 (1)

S. B. Smith, L. Finzi, and C. Bustamante, Science 258, 1122 (1992).
[CrossRef] [PubMed]

1991 (1)

R. Steubing, S. Cheng, W. H. Wright, Y. Numajiri, and M. W. Berns, Cytometry 12, 505 (1991).
[CrossRef]

1989 (3)

M. W. Berns, W. H. Wright, B. J. Tromberg, G. A. Profeta, J. J. Andrews, and R. J. Walter, Proc. Nat. Acad. Sci. USA 86, 4539 (1989).
[CrossRef]

A. Ashkin and J. M. Dziedzik, Proc. Nat. Acad. Sci. USA 86, 7914 (1989).
[CrossRef]

J. H. P. Watson and A. S. Bashaj, IEEE Trans. Magn. 25, 3803 (1989).
[CrossRef]

1987 (2)

1986 (1)

1980 (1)

1979 (1)

G. Roosen, J. Can. Phys. 57, 1260 (1979).
[CrossRef]

1976 (1)

R. R. Birss, R. Gerber, and M. R. Parker, IEEE Trans. Magn. 12, 829 (1976).
[CrossRef]

Alenghat, F. J.

F. J. Alenghat, B. Fabry, K. Y. Tsai, W. H. Goldmann, and D. E. Ingber, Biochem. Biophys. Res. Commun. 277, 93 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Allemand, J.-F.

T. R. Strick, J.-F. Allemand, D. Bensimon, A. Bensimon, and V. Croquette, Science 271, 1835 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

Amblard, F.

F. Amblard, B. Yurke, A. Pargellis, and S. Leibler, Rev. Sci. Instrum. 67, 818 (1996).
[CrossRef]

Anderson, M. H.

W. Petrich, M. H. Anderson, J. R. Ensher, and E. A. Cornell, Phys. Rev. Lett. 74, 3352 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Andrews, J. J.

M. W. Berns, W. H. Wright, B. J. Tromberg, G. A. Profeta, J. J. Andrews, and R. J. Walter, Proc. Nat. Acad. Sci. USA 86, 4539 (1989).
[CrossRef]

Ashkin, A.

Bashaj, A. S.

J. H. P. Watson and A. S. Bashaj, IEEE Trans. Magn. 25, 3803 (1989).
[CrossRef]

Baush, A. R.

A. R. Baush, W. Moller, and E. Sackmann, Biophys. J. 76, 573 (1999).
[CrossRef]

Bensimon, A.

T. R. Strick, J.-F. Allemand, D. Bensimon, A. Bensimon, and V. Croquette, Science 271, 1835 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

Bensimon, D.

T. R. Strick, J.-F. Allemand, D. Bensimon, A. Bensimon, and V. Croquette, Science 271, 1835 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

Berns, M. W.

R. Steubing, S. Cheng, W. H. Wright, Y. Numajiri, and M. W. Berns, Cytometry 12, 505 (1991).
[CrossRef]

M. W. Berns, W. H. Wright, B. J. Tromberg, G. A. Profeta, J. J. Andrews, and R. J. Walter, Proc. Nat. Acad. Sci. USA 86, 4539 (1989).
[CrossRef]

Birss, R. R.

R. R. Birss, R. Gerber, and M. R. Parker, IEEE Trans. Magn. 12, 829 (1976).
[CrossRef]

Bjorkholm, J. E.

Block, S.

K. Svoboda, C. F. Schmidt, B. J. Schnapp, and S. Block, Nature 365, 721 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Buican, T. N.

Bustamante, C.

S. B. Smith, L. Finzi, and C. Bustamante, Science 258, 1122 (1992).
[CrossRef] [PubMed]

Cheng, S.

R. Steubing, S. Cheng, W. H. Wright, Y. Numajiri, and M. W. Berns, Cytometry 12, 505 (1991).
[CrossRef]

Chu, S.

Cornell, E. A.

W. Petrich, M. H. Anderson, J. R. Ensher, and E. A. Cornell, Phys. Rev. Lett. 74, 3352 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Crissman, H. A.

Croquette, V.

T. R. Strick, J.-F. Allemand, D. Bensimon, A. Bensimon, and V. Croquette, Science 271, 1835 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

Dziedzik, J. M.

Ensher, J. R.

W. Petrich, M. H. Anderson, J. R. Ensher, and E. A. Cornell, Phys. Rev. Lett. 74, 3352 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Fabry, B.

F. J. Alenghat, B. Fabry, K. Y. Tsai, W. H. Goldmann, and D. E. Ingber, Biochem. Biophys. Res. Commun. 277, 93 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Finzi, L.

S. B. Smith, L. Finzi, and C. Bustamante, Science 258, 1122 (1992).
[CrossRef] [PubMed]

Gerber, R.

R. R. Birss, R. Gerber, and M. R. Parker, IEEE Trans. Magn. 12, 829 (1976).
[CrossRef]

Goldmann, W. H.

F. J. Alenghat, B. Fabry, K. Y. Tsai, W. H. Goldmann, and D. E. Ingber, Biochem. Biophys. Res. Commun. 277, 93 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Hänsch, T. W.

V. Vuletic, T. W. Hänsch, and C. Zimmermann, Europhys. Lett. 36, 349 (1996).
[CrossRef]

Ingber, D. E.

F. J. Alenghat, B. Fabry, K. Y. Tsai, W. H. Goldmann, and D. E. Ingber, Biochem. Biophys. Res. Commun. 277, 93 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Leibler, S.

F. Amblard, B. Yurke, A. Pargellis, and S. Leibler, Rev. Sci. Instrum. 67, 818 (1996).
[CrossRef]

Martin, J. C.

Moller, W.

A. R. Baush, W. Moller, and E. Sackmann, Biophys. J. 76, 573 (1999).
[CrossRef]

Numajiri, Y.

R. Steubing, S. Cheng, W. H. Wright, Y. Numajiri, and M. W. Berns, Cytometry 12, 505 (1991).
[CrossRef]

Pargellis, A.

F. Amblard, B. Yurke, A. Pargellis, and S. Leibler, Rev. Sci. Instrum. 67, 818 (1996).
[CrossRef]

Parker, M. R.

R. R. Birss, R. Gerber, and M. R. Parker, IEEE Trans. Magn. 12, 829 (1976).
[CrossRef]

Petrich, W.

W. Petrich, M. H. Anderson, J. R. Ensher, and E. A. Cornell, Phys. Rev. Lett. 74, 3352 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Profeta, G. A.

M. W. Berns, W. H. Wright, B. J. Tromberg, G. A. Profeta, J. J. Andrews, and R. J. Walter, Proc. Nat. Acad. Sci. USA 86, 4539 (1989).
[CrossRef]

Roosen, G.

G. Roosen, J. Can. Phys. 57, 1260 (1979).
[CrossRef]

Sackmann, E.

A. R. Baush, W. Moller, and E. Sackmann, Biophys. J. 76, 573 (1999).
[CrossRef]

Salzman, G. C.

Schmidt, C. F.

K. Svoboda, C. F. Schmidt, B. J. Schnapp, and S. Block, Nature 365, 721 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Schnapp, B. J.

K. Svoboda, C. F. Schmidt, B. J. Schnapp, and S. Block, Nature 365, 721 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Smith, M. J.

Smith, S. B.

S. B. Smith, L. Finzi, and C. Bustamante, Science 258, 1122 (1992).
[CrossRef] [PubMed]

Steubing, R.

R. Steubing, S. Cheng, W. H. Wright, Y. Numajiri, and M. W. Berns, Cytometry 12, 505 (1991).
[CrossRef]

Stewart, C. C.

Strick, T. R.

T. R. Strick, J.-F. Allemand, D. Bensimon, A. Bensimon, and V. Croquette, Science 271, 1835 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

Svoboda, K.

K. Svoboda, C. F. Schmidt, B. J. Schnapp, and S. Block, Nature 365, 721 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Tromberg, B. J.

M. W. Berns, W. H. Wright, B. J. Tromberg, G. A. Profeta, J. J. Andrews, and R. J. Walter, Proc. Nat. Acad. Sci. USA 86, 4539 (1989).
[CrossRef]

Tsai, K. Y.

F. J. Alenghat, B. Fabry, K. Y. Tsai, W. H. Goldmann, and D. E. Ingber, Biochem. Biophys. Res. Commun. 277, 93 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Vuletic, V.

V. Vuletic, T. W. Hänsch, and C. Zimmermann, Europhys. Lett. 36, 349 (1996).
[CrossRef]

Walter, R. J.

M. W. Berns, W. H. Wright, B. J. Tromberg, G. A. Profeta, J. J. Andrews, and R. J. Walter, Proc. Nat. Acad. Sci. USA 86, 4539 (1989).
[CrossRef]

Watson, J. H. P.

J. H. P. Watson and A. S. Bashaj, IEEE Trans. Magn. 25, 3803 (1989).
[CrossRef]

Wirtz, D.

D. Wirtz, Phys. Rev. Lett. 75, 2436 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Wright, W. H.

R. Steubing, S. Cheng, W. H. Wright, Y. Numajiri, and M. W. Berns, Cytometry 12, 505 (1991).
[CrossRef]

M. W. Berns, W. H. Wright, B. J. Tromberg, G. A. Profeta, J. J. Andrews, and R. J. Walter, Proc. Nat. Acad. Sci. USA 86, 4539 (1989).
[CrossRef]

Yurke, B.

F. Amblard, B. Yurke, A. Pargellis, and S. Leibler, Rev. Sci. Instrum. 67, 818 (1996).
[CrossRef]

Zimmermann, C.

V. Vuletic, T. W. Hänsch, and C. Zimmermann, Europhys. Lett. 36, 349 (1996).
[CrossRef]

Appl. Opt. (2)

Biochem. Biophys. Res. Commun. (1)

F. J. Alenghat, B. Fabry, K. Y. Tsai, W. H. Goldmann, and D. E. Ingber, Biochem. Biophys. Res. Commun. 277, 93 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Biophys. J. (1)

A. R. Baush, W. Moller, and E. Sackmann, Biophys. J. 76, 573 (1999).
[CrossRef]

Cytometry (1)

R. Steubing, S. Cheng, W. H. Wright, Y. Numajiri, and M. W. Berns, Cytometry 12, 505 (1991).
[CrossRef]

Europhys. Lett. (1)

V. Vuletic, T. W. Hänsch, and C. Zimmermann, Europhys. Lett. 36, 349 (1996).
[CrossRef]

IEEE Trans. Magn. (2)

R. R. Birss, R. Gerber, and M. R. Parker, IEEE Trans. Magn. 12, 829 (1976).
[CrossRef]

J. H. P. Watson and A. S. Bashaj, IEEE Trans. Magn. 25, 3803 (1989).
[CrossRef]

J. Can. Phys. (1)

G. Roosen, J. Can. Phys. 57, 1260 (1979).
[CrossRef]

Nature (1)

K. Svoboda, C. F. Schmidt, B. J. Schnapp, and S. Block, Nature 365, 721 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Opt. Lett. (1)

Phys. Rev. Lett. (2)

D. Wirtz, Phys. Rev. Lett. 75, 2436 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

W. Petrich, M. H. Anderson, J. R. Ensher, and E. A. Cornell, Phys. Rev. Lett. 74, 3352 (1995).
[CrossRef] [PubMed]

Proc. Nat. Acad. Sci. USA (2)

M. W. Berns, W. H. Wright, B. J. Tromberg, G. A. Profeta, J. J. Andrews, and R. J. Walter, Proc. Nat. Acad. Sci. USA 86, 4539 (1989).
[CrossRef]

A. Ashkin and J. M. Dziedzik, Proc. Nat. Acad. Sci. USA 86, 7914 (1989).
[CrossRef]

Rev. Sci. Instrum. (1)

F. Amblard, B. Yurke, A. Pargellis, and S. Leibler, Rev. Sci. Instrum. 67, 818 (1996).
[CrossRef]

Science (3)

T. R. Strick, J.-F. Allemand, D. Bensimon, A. Bensimon, and V. Croquette, Science 271, 1835 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

S. B. Smith, L. Finzi, and C. Bustamante, Science 258, 1122 (1992).
[CrossRef] [PubMed]

A. Ashkin and J. M. Dziedzik, Science 235, 1517 (1987).
[CrossRef] [PubMed]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1
Fig. 1

Mechanical design of the magneto-optic trap.

Fig. 2
Fig. 2

A, Configuration of the tip-pole expansions. 1–8, coils. B, Bx map in the xy plane at z=-2 mm (middle of the trap). Coils 1 and 3 are driven in the Helmholtz configuration.

Fig. 3
Fig. 3

Rotation of a cluster of superparamagnetic beads 1 μm inside the fluid chamber starting with frame 1. The arrow indicates the direction of rotation.

Metrics