Konstruktion av en högupplöst mikroskop med konventionella och holografiskt optiskt fångstmetoder Capabilities
Summary
Den här beskrivna systemet utnyttjar en traditionell optisk fälla samt en oberoende holografisk optisk fångstmetoder linje, kan skapa och manipulera flera fällor. Detta möjliggör skapandet av komplexa geometriska arrangemang av brytningsfel partiklar samtidigt medger samtidiga höghastighetståg, högupplösta mätningar av aktiviteten hos biologiska enzymer.
Abstract
Högupplösta mikroskop system med optiska fällor medger exakt manipulering av olika brytningsindex föremål, såsom dielektriska pärlor 1 eller cellulära organeller 2,3, liksom för hög spatial och temporal upplösning avläsning av sin position i förhållande till mitten av fällan. Systemet som beskrivs häri har en sådan "traditionella" fälla som arbetar vid 980 nm. Det ger dessutom en andra optiskt systemet av fällor som använder en kommersiellt tillgänglig holografisk paket att samtidigt skapa och manipulera komplexa trapping mönster i synfältet hos mikroskopet 4,5 vid en våglängd av 1064 nm. Kombinationen av de två systemen möjliggör manipulering av flera brytningsfel objekt samtidigt och samtidigt bedriva hög hastighet och hög mätningar upplösning av rörelse och kraft produktion vid nanometer och piconewton skala.
Introduction
Optisk infångning är en av de viktigaste teknikerna i biofysik 6. Ett avgörande framsteg inom optisk infångning har varit utvecklingen av holografiska fällor som möjliggör skapande av tredimensionella fångstmetoder mönster snarare än konventionella punkt fällor 7. Sådana holografiska fällor har fördelen av mångsidighet i positionering av brytningsfel objekt. Men konventionella fällor kan lätt anpassas för att bli mer symmetrisk än kommersiellt tillgängliga holografiska kit. De möjliggör även snabb exakt spårning av de fångade objekten. Här beskriver vi ett system (figur 1), som kombinerar de två trapping tillvägagångssätt i ett instrument och ger användaren möjlighet att utnyttja fördelarna med både som är lämpligt.
De allmänna övervägandena konstruera optiska fällor (baserat på en eller flera laserstrålar) diskuteras i detalj någon annanstans 8-10. Vi presenterar här de överväganden som är specifika för vår setup och ge detaljer om vår inriktning förfarande. Till exempel har system med två optiska trapping balkar beskrivits tidigare (t ex ref. 11), typiskt med användning av en laserstråle för att fånga en refraktiv objekt och använda den andra (avsiktligt lågeffektstrålen) för frikopplat avläsning av positionen för den instängda objektet . Här däremot, både laserstrålar måste vara hög effekt (300 mW eller högre) eftersom båda kommer att användas för att fånga. För mätningar av biologiska system, bör de lasrar som används för att fånga faller optimalt inom ett specifikt NIR fönster av våglängd för att minimera ljus inducerad proteinnedbrytning 1. Här har vi valt att använda 980 nm diod och 1064 nm DPSS lasrar på grund av deras låga kostnader, hög tillgänglighet och användarvänlighet.
Vi har också valt att använda en (Spatial Light Modulator SLM) för att skapa och manipulera flera fällor samtidigt i realtid 4,5. Dessa anordningar är kommersiellt tillgängligamen deras integration i en komplett installation innebär unika utmaningar. Här beskriver vi ett praktiskt angreppssätt som behandlar dessa potentiella svårigheter och ger ett mycket mångsidigt instrument. Vi tillhandahåller ett explicit exempel för den beskrivna specifika inställningar som kan användas som en guide för modifierade konstruktioner.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi har konstruerat ett instrument som kombinerar två optiska fällor av olika typer (figur 1) för att tillhandahålla separata fångstmetoder bekvämligheter för objektet manipulation och mätning. Den "vanliga" optiska fällan är byggd runt en 980 nm diodlaser. Denna stråle expanderas, styrs och injiceras sedan i vår inverterat mikroskop ("ljusröd" strålen i fig 1). Det holografiska optiska fällan är byggd runt en 1064 nm DPSS laser. Strålen expanderas f?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Finansieringen kom från University of Utah. Vi vill tacka Dr J. Xu (UC Merced) och Dr BJN Reddy (UC Irvine) för bra diskussioner.
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
- 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).
