Costruzione di un microscopio ad alta risoluzione con convenzionali e Holographic Capabilities intrappolamento ottico
Summary
Il sistema qui descritto impiega una trappola ottica tradizionale e una linea intrappolamento ottico olografico indipendente, capace di creare e manipolazione di più trappole. Questo consente la creazione di complessi arrangiamenti geometrici di particelle di rifrazione e che permetta ad alta velocità misurazioni simultanee, ad alta risoluzione della attività degli enzimi biologici.
Abstract
Sistemi microscopio ad alta risoluzione con trappole ottiche consentono di intervenire precisa di vari oggetti rifrazione, come dielettrici perline uno o organelli cellulari 2,3, nonché per lettura ad alta risoluzione spaziale e temporale della loro posizione rispetto al centro della trappola. Il sistema qui descritto presenta uno di tali "tradizionale" trappola operante a 980 nm. Esso fornisce inoltre un secondo sistema intrappolamento ottico che utilizza un pacchetto olografico disponibile in commercio per creare e manipolare simultaneamente schemi di cattura complessi nel campo visivo del microscopio a 4,5 ad una lunghezza d'onda di 1064 nm. La combinazione dei due sistemi permette la manipolazione di oggetti multipli refrattivi allo stesso tempo mentre condurre simultaneamente misure ad alta risoluzione di moto e di produzione di forza a scala nanometrica e piconewton alta velocità e.
Introduction
Intrappolamento ottico è una delle tecniche chiave in biofisica 6. Un avanzamento cruciale intrappolamento ottico è stato lo sviluppo di trappole olografici che consentono la creazione di modelli di intrappolamento tridimensionali anziché trappole point convenzionali 7. Queste trappole olografiche possiedono il vantaggio di versatilità nel posizionamento di oggetti rifrazione. Tuttavia trappole convenzionali possono essere facilmente allineate per essere più simmetrica rispetto commercialmente disponibili kit olografiche. Permettono anche per un veloce monitoraggio preciso degli oggetti intrappolati. Qui si descrive un sistema (Figura 1) che combina i due approcci di cattura in un apparecchio e permette all'utente di sfruttare i vantaggi di entrambi come appropriato.
Le considerazioni generali di costruzione di trappole ottiche (sulla base di fasci laser singole o multiple) sono discussi in dettaglio altrove 8-10. Qui, delineare le considerazioni specifiche per il nostro setup e fornire i dettagli della nostra procedura di allineamento. Per esempio, i sistemi con due fasci intrappolamento ottico sono state descritte in precedenza (es. rif. 11), tipicamente utilizzando un raggio laser per intrappolare un oggetto di rifrazione e utilizzando l'altro (fascio potenza volutamente basso) per la lettura disaccoppiato della posizione dell'oggetto intrappolato . Qui tuttavia, entrambi i fasci laser devono essere ad alta potenza (300 mW o superiore) perché entrambi sono da utilizzare per la cattura. Per misurazioni di sistemi biologici, i laser utilizzati per intrappolare dovrebbero rientrare in modo ottimale all'interno di una specifica finestra NIR di lunghezza d'onda per ridurre al minimo la degradazione proteica indotta luce 1. Qui abbiamo scelto di usare 980 nm diodo e 1064 nm laser DPSS a causa del loro basso costo, alta disponibilità e facilità di funzionamento.
Abbiamo anche scelto di utilizzare un modulatore spaziale di luce (SLM) per creare e manipolare più trappole contemporaneamente in tempo reale 4,5. Questi dispositivi sono disponibili in commerciotuttavia la loro integrazione in un setup completo rappresenta una sfida unica. Qui si descrive un approccio pratico che affronta queste potenziali difficoltà e fornisce uno strumento estremamente versatile. Forniamo un esempio esplicito per il setup specifico descritto che può essere utilizzato come guida per i disegni modificati.
Protocol
Representative Results
Discussion
Abbiamo costruito uno strumento che combina due trappole ottiche di tipo diverso (Figura 1) per fornire strutture trapping separate per manipolazione di oggetti e misura. La trappola ottica "convenzionale" è costruito intorno a un laser a diodo 980 nm. Questo fascio viene espanso, guidato e poi iniettato nel nostro microscopio invertito ("luce rossa" trave in Figura 1). La trappola ottica olografica è costruito intorno a un nm DPSS laser a 1.064. Il fascio viene es…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Finanziamento è stato fornito dalla University of Utah. Vorremmo ringraziare il Dott. J. Xu (UC Merced) e il Dr. Reddy BJN (UC Irvine) per le discussioni utili.
Materials
| Equipment | Company | Catalog Number | Comments |
| Optical table | Newport corporation | ST-UT2-56-8 | Irvine, CA |
| Microscope, Inverted, Eclipse Ti | Nikon USA | MEA53220 | Melville, NY |
| Plan apo 100X oil objective (1.4 NA) | Nikon USA | MRD01901 | Melville, NY |
| Oil condenser Lens 1.4 NA | Nikon USA | MEL41410 | Melville, NY |
| EMCCD camera | Andor technology USA | Ixon DU897 | South Windsor, CT |
| 1/3″ CCD IEEE1394 camera | NET USA Inc | Foculus FO124SC | Highland IN |
| Laser, TEM00, SLM, 1,064 nm wavelength | Klastech Laser Technologies | Senza-1064-1000 | Dortmund; Germany |
| laser diode, TEM00, SLM, 980 nm | Axcel Photonics | BF-979-0300-P5A | Marlborough, MA |
| laser diode mount | ILX Lightwave | LDX-3545, LDT-5525, and LDM-4984 | Bozeman, MT |
| adjustable fiber ports | Thorlabs | PAF-X-11-B | Newton, NJ |
| holographic system | Arryx | HOTKIT-ADV-1064 | Chicago, IL |
| holographic mirror | Boulder Non-linear Systems | this is a part of HOTKIT-ADV-1064 | Lafayette, CO |
| Calcite polarizer | Thorlabs | GL10-B | Newton, NJ |
| half-wave plate | Thorlabs | WPH05M-1064 | Newton, NJ |
| Polarizer rotation mount | Thorlabs | PRM1 | Newton, NJ |
| half-wave plate rotation mount | Thorlabs | RSP1 | Newton, NJ |
| Shutter | Thorlabs | SH05 | Newton, NJ |
| dichroic mirrors (DM2 & DM3); 45° AOI | Chroma Technology | t750spxrxt | Bellows Falls, VT |
| dichroic mirror (DM1); 45° AOI | Thorlabs | DMSP1000R | Newton, NJ |
| custom mechanical adapter | Thorlabs | SM1A11 and AD12F with enlarged inner bore | Newton, NJ |
| notch filter | Semrock | FF01-850/310-25 | Rochester, NY |
| Acousto-Optic deflector (2-axis) | intraAction | DTD-584CA28 | Bellwood, IL |
| goniometric stage | New Focus | 9081 | Santa Clara, CA |
| 60 mm steering lenses | Thorlabs | LA1134-B | Newton, NJ |
| 16 mm aspherical expander lens | Thorlabs | AC080-016-C | Newton, NJ |
| 175 mm expander lens | Thorlabs | LA1229-C | Newton, NJ |
| Spot blocker (cabron-steel sphere) | Bal-Tec | 0.0100″ diameter | Los Angeles, CA |
| Microspheres (Carboxyl-polystyrene) | Spherotech | CP-45-10 | Lake Forest, IL |
Referenzen
- Svoboda, K., Block, S. M. Biological applications of optical forces. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 23, 247-285 (1994).
- Ashkin, A., Schutze, K., Dziedzic, J. M., Euteneuer, U., Schliwa, M. Force generation of organelle transport measured in vivo by an infrared laser trap. Nature. 348, 346-348 (1990).
- Shubeita, G. T., Tran, S. L., et al. Consequences of motor copy number on the intracellular transport of kinesin-1-driven lipid droplets. Cell. 135, 1098-1107 (2008).
- Polin, M., Ladavac, K., Lee, S. H., Roichman, Y., Grier, D. Optimized holographic optical traps. Opt Express. 13, 5831-5845 (2005).
- Sun, B., Roichman, Y., Grier, D. G. Theory of holographic optical trapping. Opt. Express. 16, 15765-15776 (2008).
- Moffitt, J. R., Chemla, Y. R., Smith, S. B., Bustamante, C. Recent advances in optical tweezers. Annu. Rev. Biochem. 77, 205-228 (2008).
- Grier, D. G. A revolution in optical manipulation. Nature. 424, 810-816 (2003).
- Neuman, K. C., Block, S. M. Optical trapping. Rev. Sci. Instrum. 75, 2787-2809 (2004).
- Sheetz, M. P. Laser tweezers in cell biology. Introduction. Methods Cell Biol. 55, xi-xii (1998).
- Spudich, J. A., Rice, S. E., Rock, R. S., Purcell, T. J., Warrick, H. M. Optical traps to study properties of molecular motors. Cold Spring Harb. Protoc. 2011, 1305-1318 (2011).
- Visscher, K., Gross, S. P., Block, S. M. Construction of multiple-beam optical traps with nanometer-resolution position sensing. Selected Topics in Quantum Electronics. IEEE Journal of. 2, 1066-1076 (1996).
- Valentine, M. T., Guydosh, N. R., et al. Precision steering of an optical trap by electro-optic deflection. Opt Lett. 33, 599-601 (2008).
