بناء مجهر عالي الدقة مع التقليدية والتصوير المجسم قدرات ملائمة بصري
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
Representative Results
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…
Disclosures
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 |
References
- 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).
