High-resolution detection of Brownian motion for quantitative optical tweezers experiments

布朗运动 光学镊子 物理 自相关 均方位移 光学 流离失所(心理学) 职位(财务) 计算物理学 统计物理学 经典力学 数学 统计 量子力学 心理学 财务 经济 心理治疗师 分子动力学
作者
Matthias Grimm,Thomas Franosch,Sylvia Jeney
出处
期刊:Physical Review E [American Physical Society]
卷期号:86 (2) 被引量:61
标识
DOI:10.1103/physreve.86.021912
摘要

We have developed an in situ method to calibrate optical tweezers experiments and simultaneously measure the size of the trapped particle or the viscosity of the surrounding fluid. The positional fluctuations of the trapped particle are recorded with a high-bandwidth photodetector. We compute the mean-square displacement, as well as the velocity autocorrelation function of the sphere, and compare it to the theory of Brownian motion including hydrodynamic memory effects. A careful measurement and analysis of the time scales characterizing the dynamics of the harmonically bound sphere fluctuating in a viscous medium directly yields all relevant parameters. Finally, we test the method for different optical trap strengths, with different bead sizes and in different fluids, and we find excellent agreement with the values provided by the manufacturers. The proposed approach overcomes the most commonly encountered limitations in precision when analyzing the power spectrum of position fluctuations in the region around the corner frequency. These low frequencies are usually prone to errors due to drift, limitations in the detection, and trap linearity as well as short acquisition times resulting in poor statistics. Furthermore, the strategy can be generalized to Brownian motion in more complex environments, provided the adequate theories are available.
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