Summary

بناء مجهر عالي الدقة مع التقليدية والتصوير المجسم قدرات ملائمة بصري

Published: April 22, 2013
doi:

Summary

النظام المذكور في هذه الوثيقة توظف فخ البصرية التقليدية فضلا عن خط محاصرة البصرية الثلاثية الأبعاد مستقلة، قادرة على خلق والتلاعب الفخاخ متعددة. وهذا يسمح لإيجاد ترتيبات هندسية معقدة من الجزيئات الانكسار مع السماح أيضا عالية السرعة القياسات في وقت واحد، عالية الدقة لنشاط الإنزيمات البيولوجية.

Abstract

نظم عالية الدقة مع المجهر الفخاخ البصرية تسمح للتلاعب دقيق من الكائنات الانكسار المختلفة، مثل الخرز عازلة 1 أو العضيات الخلوية 2،3، فضلا عن ارتفاع المكانية والزمانية قراءات قرار من مركزها النسبي لوسط الفخ. وصف النظام لديه هنا واحد مثل "التقليدية" فخ التشغيل في 980 نانومتر. بالإضافة إلى ذلك فإنه يوفر نظام محاصرة البصرية الثاني الذي يستخدم حزمة الثلاثية الأبعاد متاحة تجاريا في وقت واحد لخلق والتلاعب أنماط محاصرة المعقدة في مجال الرؤية من المجهر 4،5 في طول موجة من 1،064 نانومتر. الجمع بين النظامين تسمح للتلاعب من الكائنات الانكسار متعددة في نفس الوقت أثناء القيام في وقت واحد السرعة العالية وقياسات عالية الدقة للحركة والإنتاج في قوة وحجم النانومتر piconewton.

Introduction

محاصرة الضوئية هي واحدة من التقنيات الرئيسية في الفيزياء الحيوية 6. وثمة تقدم حاسم في محاصرة البصرية تطوير الفخاخ الثلاثية الأبعاد التي تسمح لإنشاء أنماط محاصرة ثلاثي الأبعاد بدلا من الفخاخ نقطة التقليدية 7. هذه الفخاخ الثلاثية الأبعاد تمتلك ميزة من براعة في تحديد المواقع من الكائنات الانكسار. لكن الفخاخ التقليدية يمكن محاذاة بسهولة إلى أن تكون أكثر متماثل من مجموعات الثلاثية الأبعاد متاحة تجاريا. أنها تسمح أيضا لتتبع دقيق سريع من الكائنات المحاصرين. نحن هنا وصف نظام (الشكل 1) الذي يجمع بين النهجين محاصرة في صك واحد ويسمح للمستخدم لاستغلال فوائد كلا حسب الاقتضاء.

وتناقش الاعتبارات العامة من بناء الفخاخ البصرية (على أساس أشعة الليزر واحدة أو متعددة) بالتفصيل في مكان آخر 8-10. هنا، ونحن الخطوط العريضة للاعتبارات محددة لدينا لياليetup وتقديم تفاصيل إجراء محاذاة لدينا. على سبيل المثال، وقد وصفت نظم مع اثنين من الحزم الضوئية محاصرة من قبل (على سبيل المثال المرجع 11)، وعادة ما تستخدم شعاع ليزر واحد لمحاصرة كائن الانكسار واستخدام الأخرى (منخفض عمدا شعاع الطاقة) للقراءات منفصلة من موضع الكائن المحاصرين . لكن هنا، على حد سواء أشعة الليزر تحتاج إلى أن تكون عالية تعمل بالطاقة (300 ميغاواط أو أعلى) لأن كلاهما لاستخدامها في الاصطياد. لقياسات النظم البيولوجية، ينبغي أن أشعة الليزر المستخدمة لمحاصرة تقع على النحو الأمثل ضمن إطار الجرد الوطني محددة من الطول الموجي لتقليل ضوء يسببها تدهور البروتين 1. هنا اخترنا لاستخدام 980 نانومتر الصمام الثنائي و1،064 نانومتر الليزر DPSS بسبب انخفاض التكلفة، وتوافر عالية وسهولة التشغيل.

لقد اخترنا أيضا إلى استخدام المكانية ضوء المغير (حركة تحرير السودان) لإنشاء والتلاعب الفخاخ متعددة في وقت واحد في الوقت الحقيقي 4،5. هي هذه الأجهزة المتوفرة تجارياومع ذلك إدماجها في الإعداد الكامل تحديات فريدة من نوعها. نحن هنا وصف نهج عملي الذي يتناول هذه الصعوبات المحتملة ويوفر أداة مرنة للغاية. ونحن نقدم مثالا صريحا لإعداد المحددة الموصوفة والتي يمكن استخدامها كدليل للتصاميم تعديلها.

Protocol

1. تركيب 980 نانومتر الطول الموجي فخ البصرية واحدة محاصرة البصرية في 980 نانومتر الطول الموجي غالبا ما يكون الأمثل لتجارب الفيزياء الحيوية والثنائيات الليزر رخيصة متوفرة بسهولة مع انتاج الطاقة تصل إلى 300 ميغاواط. فمن الأ…

Representative Results

الإعداد تجميعها يسمح للمشغل إلى اعتراض الأجسام الانكسار متعددة في الوقت الحقيقي والموقف منها في جميع الأبعاد الثلاثة داخل مجال الرؤية. نحن لتوضيح قدرات الثلاثية الأبعاد الصك من خلال محاصرة 11 المجهرية (الشكل 2). فخ حصر كل كائن يتم يدويا إعادة وضعه على محاصرة ?…

Discussion

لقد شيدت صك الذي يجمع بين اثنين من الفخاخ البصرية من أنواع مختلفة (الشكل 1) لتوفير مرافق منفصلة للتلاعب محاصرة الكائن والقياس. بنيت في فخ البصرية "التقليدية" حول 980 نانومتر ليزر الصمام الثنائي. يتم توسيع هذا شعاع، قاد ثم حقنها المجهر لدينا مقلوب ("الضوء…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

تم توفير التمويل من جامعة ولاية يوتا. ونود أن نشكر الدكتور J. شو (UC ميرسيد) والدكتور BJN ريدي (جامعة كاليفورنيا في ايرفين) لإجراء مناقشات مفيدة.

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

Referências

  1. Svoboda, K., Block, S. M. Biological applications of optical forces. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 23, 247-285 (1994).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Polin, M., Ladavac, K., Lee, S. H., Roichman, Y., Grier, D. Optimized holographic optical traps. Opt Express. 13, 5831-5845 (2005).
  5. Sun, B., Roichman, Y., Grier, D. G. Theory of holographic optical trapping. Opt. Express. 16, 15765-15776 (2008).
  6. Moffitt, J. R., Chemla, Y. R., Smith, S. B., Bustamante, C. Recent advances in optical tweezers. Annu. Rev. Biochem. 77, 205-228 (2008).
  7. Grier, D. G. A revolution in optical manipulation. Nature. 424, 810-816 (2003).
  8. Neuman, K. C., Block, S. M. Optical trapping. Rev. Sci. Instrum. 75, 2787-2809 (2004).
  9. Sheetz, M. P. Laser tweezers in cell biology. Introduction. Methods Cell Biol. 55, xi-xii (1998).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Valentine, M. T., Guydosh, N. R., et al. Precision steering of an optical trap by electro-optic deflection. Opt Lett. 33, 599-601 (2008).

Play Video

Citar este artigo
Butterfield, J., Hong, W., Mershon, L., Vershinin, M. Construction of a High Resolution Microscope with Conventional and Holographic Optical Trapping Capabilities. J. Vis. Exp. (74), e50481, doi:10.3791/50481 (2013).

View Video