Abstract

We develop and test a thermally activated state transition technique for ultraweak force measurement. As a force sensor, the technique was demonstrated on a classical Brownian bead immersed in water and restrained by a bistable optical trap. A femto-Newton-level flow force imposed on this sensor was measured by monitoring changes in the transition rates of the bead hopping between two energy states. The treatment of thermal disturbances as a requirement instead of a limiting factor is the major feature of the technique, and provides a new strategy by which to measure other ultraweak forces beyond the thermal noise limit.

© 2012 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. B. T. Marshall, M. Long, J. W. Piper, T. Yago, R. P. McEver, and C. Zhu, Nature 423, 190 (2003).
    [CrossRef]
  2. F. J. Chen, C. H. Chan, Y. J. Huang, K. L. Liu, H. L. Peng, H. Y. Chang, G. G. Liou, T. R. Yew, C. H. Liu, K. Y. Hsu, and L. Hsu, J. Bacteriol. 193, 1718 (2011).
    [CrossRef]
  3. R. F. Grote and J. T. Hynes, J. Chem. Phys. 73, 2715 (1980).
    [CrossRef]
  4. H. A. Kramers, Physica (Amsterdam) 7, 284 (1940).
    [CrossRef]
  5. P. Hänggi, P. Talkner, and M. Borkovec, Rev. Mod. Phys. 62, 251 (1990).
    [CrossRef]
  6. W. J. Greenleaf, M. T. Woodside, and S. M. Block, Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 36, 171 (2007).
    [CrossRef]
  7. R. Zwanzig, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94, 148 (1997).
    [CrossRef]
  8. G. I. Bell, Science 200, 618 (1978).
    [CrossRef]
  9. M. Andersson, E. Fällman, B. E. Uhlin, and O. Axner, Biophys. J. 90, 1521 (2006).
    [CrossRef]
  10. I. Schwaiger, M. Schleicher, A. A. Noegel, and M. Rief, EMBO Rep. 6, 46 (2005).
    [CrossRef]
  11. A. Rohrbach, Opt. Express 13, 9695 (2005).
    [CrossRef]
  12. J. Gelles, B. J. Schnapp, and M. P. Sheetz, Nature 331, 450 (1988).
    [CrossRef]
  13. M. K. Cheezum, W. F. Walker, and W. H. Guilford, Biophys. J. 81, 2378 (2001).
    [CrossRef]
  14. L. I. McCann, M. Dykman, and B. Golding, Nature 402, 785 (1999).
    [CrossRef]
  15. M. R. Pollard, S. W. Botchway, B. Chichkov, E. Freeman, R. N. J. Halsall, D. W. K. Jenkins, I. Loader, A. Ovsianikov, A. W. Parker, R. Stevens, R. Turchetta, A. D. Ward, and M. Towrie, New J. Phys. 12, 113056 (2010).
    [CrossRef]
  16. O. M. Marago, P. H. Jones, F. Bonaccorso, V. Scardaci, P. G. Gucciardi, A. G. Rozhin, and A. C. Ferrari, Nano Lett. 8, 3211 (2008).
    [CrossRef]
  17. F. Mueller, S. Heugel, and L. J. Wang, Opt. Lett. 33, 539 (2008).
    [CrossRef]
  18. Y.-F. Chen, J. N. Milstein, and J. C. Meiners, Phys. Rev. Lett. 104, 048301 (2010).
    [CrossRef]

2011 (1)

F. J. Chen, C. H. Chan, Y. J. Huang, K. L. Liu, H. L. Peng, H. Y. Chang, G. G. Liou, T. R. Yew, C. H. Liu, K. Y. Hsu, and L. Hsu, J. Bacteriol. 193, 1718 (2011).
[CrossRef]

2010 (2)

M. R. Pollard, S. W. Botchway, B. Chichkov, E. Freeman, R. N. J. Halsall, D. W. K. Jenkins, I. Loader, A. Ovsianikov, A. W. Parker, R. Stevens, R. Turchetta, A. D. Ward, and M. Towrie, New J. Phys. 12, 113056 (2010).
[CrossRef]

Y.-F. Chen, J. N. Milstein, and J. C. Meiners, Phys. Rev. Lett. 104, 048301 (2010).
[CrossRef]

2008 (2)

F. Mueller, S. Heugel, and L. J. Wang, Opt. Lett. 33, 539 (2008).
[CrossRef]

O. M. Marago, P. H. Jones, F. Bonaccorso, V. Scardaci, P. G. Gucciardi, A. G. Rozhin, and A. C. Ferrari, Nano Lett. 8, 3211 (2008).
[CrossRef]

2007 (1)

W. J. Greenleaf, M. T. Woodside, and S. M. Block, Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 36, 171 (2007).
[CrossRef]

2006 (1)

M. Andersson, E. Fällman, B. E. Uhlin, and O. Axner, Biophys. J. 90, 1521 (2006).
[CrossRef]

2005 (2)

I. Schwaiger, M. Schleicher, A. A. Noegel, and M. Rief, EMBO Rep. 6, 46 (2005).
[CrossRef]

A. Rohrbach, Opt. Express 13, 9695 (2005).
[CrossRef]

2003 (1)

B. T. Marshall, M. Long, J. W. Piper, T. Yago, R. P. McEver, and C. Zhu, Nature 423, 190 (2003).
[CrossRef]

2001 (1)

M. K. Cheezum, W. F. Walker, and W. H. Guilford, Biophys. J. 81, 2378 (2001).
[CrossRef]

1999 (1)

L. I. McCann, M. Dykman, and B. Golding, Nature 402, 785 (1999).
[CrossRef]

1997 (1)

R. Zwanzig, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94, 148 (1997).
[CrossRef]

1990 (1)

P. Hänggi, P. Talkner, and M. Borkovec, Rev. Mod. Phys. 62, 251 (1990).
[CrossRef]

1988 (1)

J. Gelles, B. J. Schnapp, and M. P. Sheetz, Nature 331, 450 (1988).
[CrossRef]

1980 (1)

R. F. Grote and J. T. Hynes, J. Chem. Phys. 73, 2715 (1980).
[CrossRef]

1978 (1)

G. I. Bell, Science 200, 618 (1978).
[CrossRef]

1940 (1)

H. A. Kramers, Physica (Amsterdam) 7, 284 (1940).
[CrossRef]

Andersson, M.

M. Andersson, E. Fällman, B. E. Uhlin, and O. Axner, Biophys. J. 90, 1521 (2006).
[CrossRef]

Axner, O.

M. Andersson, E. Fällman, B. E. Uhlin, and O. Axner, Biophys. J. 90, 1521 (2006).
[CrossRef]

Bell, G. I.

G. I. Bell, Science 200, 618 (1978).
[CrossRef]

Block, S. M.

W. J. Greenleaf, M. T. Woodside, and S. M. Block, Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 36, 171 (2007).
[CrossRef]

Bonaccorso, F.

O. M. Marago, P. H. Jones, F. Bonaccorso, V. Scardaci, P. G. Gucciardi, A. G. Rozhin, and A. C. Ferrari, Nano Lett. 8, 3211 (2008).
[CrossRef]

Borkovec, M.

P. Hänggi, P. Talkner, and M. Borkovec, Rev. Mod. Phys. 62, 251 (1990).
[CrossRef]

Botchway, S. W.

M. R. Pollard, S. W. Botchway, B. Chichkov, E. Freeman, R. N. J. Halsall, D. W. K. Jenkins, I. Loader, A. Ovsianikov, A. W. Parker, R. Stevens, R. Turchetta, A. D. Ward, and M. Towrie, New J. Phys. 12, 113056 (2010).
[CrossRef]

Chan, C. H.

F. J. Chen, C. H. Chan, Y. J. Huang, K. L. Liu, H. L. Peng, H. Y. Chang, G. G. Liou, T. R. Yew, C. H. Liu, K. Y. Hsu, and L. Hsu, J. Bacteriol. 193, 1718 (2011).
[CrossRef]

Chang, H. Y.

F. J. Chen, C. H. Chan, Y. J. Huang, K. L. Liu, H. L. Peng, H. Y. Chang, G. G. Liou, T. R. Yew, C. H. Liu, K. Y. Hsu, and L. Hsu, J. Bacteriol. 193, 1718 (2011).
[CrossRef]

Cheezum, M. K.

M. K. Cheezum, W. F. Walker, and W. H. Guilford, Biophys. J. 81, 2378 (2001).
[CrossRef]

Chen, F. J.

F. J. Chen, C. H. Chan, Y. J. Huang, K. L. Liu, H. L. Peng, H. Y. Chang, G. G. Liou, T. R. Yew, C. H. Liu, K. Y. Hsu, and L. Hsu, J. Bacteriol. 193, 1718 (2011).
[CrossRef]

Chen, Y.-F.

Y.-F. Chen, J. N. Milstein, and J. C. Meiners, Phys. Rev. Lett. 104, 048301 (2010).
[CrossRef]

Chichkov, B.

M. R. Pollard, S. W. Botchway, B. Chichkov, E. Freeman, R. N. J. Halsall, D. W. K. Jenkins, I. Loader, A. Ovsianikov, A. W. Parker, R. Stevens, R. Turchetta, A. D. Ward, and M. Towrie, New J. Phys. 12, 113056 (2010).
[CrossRef]

Dykman, M.

L. I. McCann, M. Dykman, and B. Golding, Nature 402, 785 (1999).
[CrossRef]

Fällman, E.

M. Andersson, E. Fällman, B. E. Uhlin, and O. Axner, Biophys. J. 90, 1521 (2006).
[CrossRef]

Ferrari, A. C.

O. M. Marago, P. H. Jones, F. Bonaccorso, V. Scardaci, P. G. Gucciardi, A. G. Rozhin, and A. C. Ferrari, Nano Lett. 8, 3211 (2008).
[CrossRef]

Freeman, E.

M. R. Pollard, S. W. Botchway, B. Chichkov, E. Freeman, R. N. J. Halsall, D. W. K. Jenkins, I. Loader, A. Ovsianikov, A. W. Parker, R. Stevens, R. Turchetta, A. D. Ward, and M. Towrie, New J. Phys. 12, 113056 (2010).
[CrossRef]

Gelles, J.

J. Gelles, B. J. Schnapp, and M. P. Sheetz, Nature 331, 450 (1988).
[CrossRef]

Golding, B.

L. I. McCann, M. Dykman, and B. Golding, Nature 402, 785 (1999).
[CrossRef]

Greenleaf, W. J.

W. J. Greenleaf, M. T. Woodside, and S. M. Block, Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 36, 171 (2007).
[CrossRef]

Grote, R. F.

R. F. Grote and J. T. Hynes, J. Chem. Phys. 73, 2715 (1980).
[CrossRef]

Gucciardi, P. G.

O. M. Marago, P. H. Jones, F. Bonaccorso, V. Scardaci, P. G. Gucciardi, A. G. Rozhin, and A. C. Ferrari, Nano Lett. 8, 3211 (2008).
[CrossRef]

Guilford, W. H.

M. K. Cheezum, W. F. Walker, and W. H. Guilford, Biophys. J. 81, 2378 (2001).
[CrossRef]

Halsall, R. N. J.

M. R. Pollard, S. W. Botchway, B. Chichkov, E. Freeman, R. N. J. Halsall, D. W. K. Jenkins, I. Loader, A. Ovsianikov, A. W. Parker, R. Stevens, R. Turchetta, A. D. Ward, and M. Towrie, New J. Phys. 12, 113056 (2010).
[CrossRef]

Hänggi, P.

P. Hänggi, P. Talkner, and M. Borkovec, Rev. Mod. Phys. 62, 251 (1990).
[CrossRef]

Heugel, S.

Hsu, K. Y.

F. J. Chen, C. H. Chan, Y. J. Huang, K. L. Liu, H. L. Peng, H. Y. Chang, G. G. Liou, T. R. Yew, C. H. Liu, K. Y. Hsu, and L. Hsu, J. Bacteriol. 193, 1718 (2011).
[CrossRef]

Hsu, L.

F. J. Chen, C. H. Chan, Y. J. Huang, K. L. Liu, H. L. Peng, H. Y. Chang, G. G. Liou, T. R. Yew, C. H. Liu, K. Y. Hsu, and L. Hsu, J. Bacteriol. 193, 1718 (2011).
[CrossRef]

Huang, Y. J.

F. J. Chen, C. H. Chan, Y. J. Huang, K. L. Liu, H. L. Peng, H. Y. Chang, G. G. Liou, T. R. Yew, C. H. Liu, K. Y. Hsu, and L. Hsu, J. Bacteriol. 193, 1718 (2011).
[CrossRef]

Hynes, J. T.

R. F. Grote and J. T. Hynes, J. Chem. Phys. 73, 2715 (1980).
[CrossRef]

Jenkins, D. W. K.

M. R. Pollard, S. W. Botchway, B. Chichkov, E. Freeman, R. N. J. Halsall, D. W. K. Jenkins, I. Loader, A. Ovsianikov, A. W. Parker, R. Stevens, R. Turchetta, A. D. Ward, and M. Towrie, New J. Phys. 12, 113056 (2010).
[CrossRef]

Jones, P. H.

O. M. Marago, P. H. Jones, F. Bonaccorso, V. Scardaci, P. G. Gucciardi, A. G. Rozhin, and A. C. Ferrari, Nano Lett. 8, 3211 (2008).
[CrossRef]

Kramers, H. A.

H. A. Kramers, Physica (Amsterdam) 7, 284 (1940).
[CrossRef]

Liou, G. G.

F. J. Chen, C. H. Chan, Y. J. Huang, K. L. Liu, H. L. Peng, H. Y. Chang, G. G. Liou, T. R. Yew, C. H. Liu, K. Y. Hsu, and L. Hsu, J. Bacteriol. 193, 1718 (2011).
[CrossRef]

Liu, C. H.

F. J. Chen, C. H. Chan, Y. J. Huang, K. L. Liu, H. L. Peng, H. Y. Chang, G. G. Liou, T. R. Yew, C. H. Liu, K. Y. Hsu, and L. Hsu, J. Bacteriol. 193, 1718 (2011).
[CrossRef]

Liu, K. L.

F. J. Chen, C. H. Chan, Y. J. Huang, K. L. Liu, H. L. Peng, H. Y. Chang, G. G. Liou, T. R. Yew, C. H. Liu, K. Y. Hsu, and L. Hsu, J. Bacteriol. 193, 1718 (2011).
[CrossRef]

Loader, I.

M. R. Pollard, S. W. Botchway, B. Chichkov, E. Freeman, R. N. J. Halsall, D. W. K. Jenkins, I. Loader, A. Ovsianikov, A. W. Parker, R. Stevens, R. Turchetta, A. D. Ward, and M. Towrie, New J. Phys. 12, 113056 (2010).
[CrossRef]

Long, M.

B. T. Marshall, M. Long, J. W. Piper, T. Yago, R. P. McEver, and C. Zhu, Nature 423, 190 (2003).
[CrossRef]

Marago, O. M.

O. M. Marago, P. H. Jones, F. Bonaccorso, V. Scardaci, P. G. Gucciardi, A. G. Rozhin, and A. C. Ferrari, Nano Lett. 8, 3211 (2008).
[CrossRef]

Marshall, B. T.

B. T. Marshall, M. Long, J. W. Piper, T. Yago, R. P. McEver, and C. Zhu, Nature 423, 190 (2003).
[CrossRef]

McCann, L. I.

L. I. McCann, M. Dykman, and B. Golding, Nature 402, 785 (1999).
[CrossRef]

McEver, R. P.

B. T. Marshall, M. Long, J. W. Piper, T. Yago, R. P. McEver, and C. Zhu, Nature 423, 190 (2003).
[CrossRef]

Meiners, J. C.

Y.-F. Chen, J. N. Milstein, and J. C. Meiners, Phys. Rev. Lett. 104, 048301 (2010).
[CrossRef]

Milstein, J. N.

Y.-F. Chen, J. N. Milstein, and J. C. Meiners, Phys. Rev. Lett. 104, 048301 (2010).
[CrossRef]

Mueller, F.

Noegel, A. A.

I. Schwaiger, M. Schleicher, A. A. Noegel, and M. Rief, EMBO Rep. 6, 46 (2005).
[CrossRef]

Ovsianikov, A.

M. R. Pollard, S. W. Botchway, B. Chichkov, E. Freeman, R. N. J. Halsall, D. W. K. Jenkins, I. Loader, A. Ovsianikov, A. W. Parker, R. Stevens, R. Turchetta, A. D. Ward, and M. Towrie, New J. Phys. 12, 113056 (2010).
[CrossRef]

Parker, A. W.

M. R. Pollard, S. W. Botchway, B. Chichkov, E. Freeman, R. N. J. Halsall, D. W. K. Jenkins, I. Loader, A. Ovsianikov, A. W. Parker, R. Stevens, R. Turchetta, A. D. Ward, and M. Towrie, New J. Phys. 12, 113056 (2010).
[CrossRef]

Peng, H. L.

F. J. Chen, C. H. Chan, Y. J. Huang, K. L. Liu, H. L. Peng, H. Y. Chang, G. G. Liou, T. R. Yew, C. H. Liu, K. Y. Hsu, and L. Hsu, J. Bacteriol. 193, 1718 (2011).
[CrossRef]

Piper, J. W.

B. T. Marshall, M. Long, J. W. Piper, T. Yago, R. P. McEver, and C. Zhu, Nature 423, 190 (2003).
[CrossRef]

Pollard, M. R.

M. R. Pollard, S. W. Botchway, B. Chichkov, E. Freeman, R. N. J. Halsall, D. W. K. Jenkins, I. Loader, A. Ovsianikov, A. W. Parker, R. Stevens, R. Turchetta, A. D. Ward, and M. Towrie, New J. Phys. 12, 113056 (2010).
[CrossRef]

Rief, M.

I. Schwaiger, M. Schleicher, A. A. Noegel, and M. Rief, EMBO Rep. 6, 46 (2005).
[CrossRef]

Rohrbach, A.

Rozhin, A. G.

O. M. Marago, P. H. Jones, F. Bonaccorso, V. Scardaci, P. G. Gucciardi, A. G. Rozhin, and A. C. Ferrari, Nano Lett. 8, 3211 (2008).
[CrossRef]

Scardaci, V.

O. M. Marago, P. H. Jones, F. Bonaccorso, V. Scardaci, P. G. Gucciardi, A. G. Rozhin, and A. C. Ferrari, Nano Lett. 8, 3211 (2008).
[CrossRef]

Schleicher, M.

I. Schwaiger, M. Schleicher, A. A. Noegel, and M. Rief, EMBO Rep. 6, 46 (2005).
[CrossRef]

Schnapp, B. J.

J. Gelles, B. J. Schnapp, and M. P. Sheetz, Nature 331, 450 (1988).
[CrossRef]

Schwaiger, I.

I. Schwaiger, M. Schleicher, A. A. Noegel, and M. Rief, EMBO Rep. 6, 46 (2005).
[CrossRef]

Sheetz, M. P.

J. Gelles, B. J. Schnapp, and M. P. Sheetz, Nature 331, 450 (1988).
[CrossRef]

Stevens, R.

M. R. Pollard, S. W. Botchway, B. Chichkov, E. Freeman, R. N. J. Halsall, D. W. K. Jenkins, I. Loader, A. Ovsianikov, A. W. Parker, R. Stevens, R. Turchetta, A. D. Ward, and M. Towrie, New J. Phys. 12, 113056 (2010).
[CrossRef]

Talkner, P.

P. Hänggi, P. Talkner, and M. Borkovec, Rev. Mod. Phys. 62, 251 (1990).
[CrossRef]

Towrie, M.

M. R. Pollard, S. W. Botchway, B. Chichkov, E. Freeman, R. N. J. Halsall, D. W. K. Jenkins, I. Loader, A. Ovsianikov, A. W. Parker, R. Stevens, R. Turchetta, A. D. Ward, and M. Towrie, New J. Phys. 12, 113056 (2010).
[CrossRef]

Turchetta, R.

M. R. Pollard, S. W. Botchway, B. Chichkov, E. Freeman, R. N. J. Halsall, D. W. K. Jenkins, I. Loader, A. Ovsianikov, A. W. Parker, R. Stevens, R. Turchetta, A. D. Ward, and M. Towrie, New J. Phys. 12, 113056 (2010).
[CrossRef]

Uhlin, B. E.

M. Andersson, E. Fällman, B. E. Uhlin, and O. Axner, Biophys. J. 90, 1521 (2006).
[CrossRef]

Walker, W. F.

M. K. Cheezum, W. F. Walker, and W. H. Guilford, Biophys. J. 81, 2378 (2001).
[CrossRef]

Wang, L. J.

Ward, A. D.

M. R. Pollard, S. W. Botchway, B. Chichkov, E. Freeman, R. N. J. Halsall, D. W. K. Jenkins, I. Loader, A. Ovsianikov, A. W. Parker, R. Stevens, R. Turchetta, A. D. Ward, and M. Towrie, New J. Phys. 12, 113056 (2010).
[CrossRef]

Woodside, M. T.

W. J. Greenleaf, M. T. Woodside, and S. M. Block, Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 36, 171 (2007).
[CrossRef]

Yago, T.

B. T. Marshall, M. Long, J. W. Piper, T. Yago, R. P. McEver, and C. Zhu, Nature 423, 190 (2003).
[CrossRef]

Yew, T. R.

F. J. Chen, C. H. Chan, Y. J. Huang, K. L. Liu, H. L. Peng, H. Y. Chang, G. G. Liou, T. R. Yew, C. H. Liu, K. Y. Hsu, and L. Hsu, J. Bacteriol. 193, 1718 (2011).
[CrossRef]

Zhu, C.

B. T. Marshall, M. Long, J. W. Piper, T. Yago, R. P. McEver, and C. Zhu, Nature 423, 190 (2003).
[CrossRef]

Zwanzig, R.

R. Zwanzig, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94, 148 (1997).
[CrossRef]

Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. (1)

W. J. Greenleaf, M. T. Woodside, and S. M. Block, Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 36, 171 (2007).
[CrossRef]

Biophys. J. (2)

M. Andersson, E. Fällman, B. E. Uhlin, and O. Axner, Biophys. J. 90, 1521 (2006).
[CrossRef]

M. K. Cheezum, W. F. Walker, and W. H. Guilford, Biophys. J. 81, 2378 (2001).
[CrossRef]

EMBO Rep. (1)

I. Schwaiger, M. Schleicher, A. A. Noegel, and M. Rief, EMBO Rep. 6, 46 (2005).
[CrossRef]

J. Bacteriol. (1)

F. J. Chen, C. H. Chan, Y. J. Huang, K. L. Liu, H. L. Peng, H. Y. Chang, G. G. Liou, T. R. Yew, C. H. Liu, K. Y. Hsu, and L. Hsu, J. Bacteriol. 193, 1718 (2011).
[CrossRef]

J. Chem. Phys. (1)

R. F. Grote and J. T. Hynes, J. Chem. Phys. 73, 2715 (1980).
[CrossRef]

Nano Lett. (1)

O. M. Marago, P. H. Jones, F. Bonaccorso, V. Scardaci, P. G. Gucciardi, A. G. Rozhin, and A. C. Ferrari, Nano Lett. 8, 3211 (2008).
[CrossRef]

Nature (3)

L. I. McCann, M. Dykman, and B. Golding, Nature 402, 785 (1999).
[CrossRef]

B. T. Marshall, M. Long, J. W. Piper, T. Yago, R. P. McEver, and C. Zhu, Nature 423, 190 (2003).
[CrossRef]

J. Gelles, B. J. Schnapp, and M. P. Sheetz, Nature 331, 450 (1988).
[CrossRef]

New J. Phys. (1)

M. R. Pollard, S. W. Botchway, B. Chichkov, E. Freeman, R. N. J. Halsall, D. W. K. Jenkins, I. Loader, A. Ovsianikov, A. W. Parker, R. Stevens, R. Turchetta, A. D. Ward, and M. Towrie, New J. Phys. 12, 113056 (2010).
[CrossRef]

Opt. Express (1)

Opt. Lett. (1)

Phys. Rev. Lett. (1)

Y.-F. Chen, J. N. Milstein, and J. C. Meiners, Phys. Rev. Lett. 104, 048301 (2010).
[CrossRef]

Physica (Amsterdam) (1)

H. A. Kramers, Physica (Amsterdam) 7, 284 (1940).
[CrossRef]

Proc. Natl. Acad. Sci. USA (1)

R. Zwanzig, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94, 148 (1997).
[CrossRef]

Rev. Mod. Phys. (1)

P. Hänggi, P. Talkner, and M. Borkovec, Rev. Mod. Phys. 62, 251 (1990).
[CrossRef]

Science (1)

G. I. Bell, Science 200, 618 (1978).
[CrossRef]

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 (5)

Fig. 1.
Fig. 1.

Schematic diagram of the state transition system composed of a water-immersed bead in a bistable optical trap. Inset: an imagined energy landscape of the bead confined in the trap.

Fig. 2.
Fig. 2.

Energy landscape of two states A and B of a particle in the absence of a force and in the presence of a force Feq, respectively. The symbol “S” represents a transition barrier.

Fig. 3.
Fig. 3.

(a) Trajectory of a bead confined in the trap during 20 s (4000 frames), (b) spatial probability density of a bead with a spatial sampling of 10 nm is derived from the trajectory of the bead over 1 h (720,000 frames, oblique view), and (c) potential energy landscape of the bead is derived from panel b (top view). The scale bar for image sizes is 200 nm.

Fig. 4.
Fig. 4.

Experimentally determined energy landscapes of the same bead in the bistable trap and under a flow force of (a) 0 fN, (b) 4.2 fN, (c) 8.4 fN, (d) 12.6 fN, and (e) 16.8 fN. Left panel: two-dimensional energy landscape of the bead. Right panel: one-dimensional energy landscape as a function of particle position is derived from an energy level along a white dashed line in a corresponding left section. The scale bar is 200 nm.

Fig. 5.
Fig. 5.

Two opposite changing behaviors of transition rates of the same bead as a function of increasing flow force. A force of 9.8×1015N is derived from Eq. (5). The gray bar represents the standard deviation region of the predicted force due to uncertainty of tracking positions. Because of additional error, the crossover point lies outside of the range admitted by position-tracking (see text for details).

Equations (5)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

KAB(BA)=KAB(BA)0×exp{[VSVA(B)]/kBT},
KAB(BA)0=ωS×ωA(B)/2πζ,
KAB=KAB0×exp{[(VSVA)F×ΔxAS]/kBT},
KBA=KBA0×exp{[(VSVB)+F×ΔxSB]/kBT}.
F=(VBVA)/ΔxABFeq,

Metrics