Bouw van een hoge resolutie microscoop met conventionele en holografische optische Trapping Capabilities
Summary
Het hierin beschreven systeem maakt een traditionele optische val en onafhankelijk holografische optische trapping lijn, staat het creëren en manipuleren van meerdere vallen. Dit zorgt voor de creatie van complexe geometrische arrangementen van refractieve deeltjes terwijl ook toelaat gelijktijdig met hoge snelheid, hoge-resolutie metingen van de activiteit van biologische enzymen.
Abstract
Hoge resolutie microscoop systemen met optische vallen zorgen voor nauwkeurige manipulatie van verschillende refractieve voorwerpen, zoals diëlektrische kralen 1 of cellulaire organellen 2,3, alsook voor hoge ruimtelijke en temporele resolutie uitlezen van hun positie ten opzichte van het centrum van de val. Het systeem beschreven in deze uitvinding heeft een dergelijke "traditionele" trap werkt bij 980 nm. Het verschaft bovendien een tweede optische opvangsysteem dat een commercieel beschikbare holografische pakket complex trapping patronen gelijktijdig maken en manipuleren in het gezichtsveld van de microscoop 4,5 bij een golflengte van 1064 nm gebruikt. De combinatie van de twee systemen maakt de manipulatie van verschillende refractieve objecten tegelijk tegelijkertijd uitvoeren van hoge snelheid en hoge resolutie metingen van de beweging en kracht productie in nanometer en piconewton schaal.
Introduction
Optisch vangen is een van de belangrijkste technieken in de biofysica 6. Een cruciale vooruitgang in optische trapping is de ontwikkeling van holografische valkuilen die het mogelijk maken voor de oprichting van drie-dimensionale trapping patronen in plaats van conventionele punt vallen 7. Dergelijke holografische vallen bezitten het voordeel van veelzijdigheid in positionering van refractieve objecten. Echter conventionele vallen kunnen gemakkelijk worden aangepast om meer symmetrisch dan commercieel verkrijgbare kits holografische. Ze laten ook voor een snelle nauwkeurige tracking van de ingesloten objecten. Hier beschrijven we een systeem (figuur 1) waarin de twee standpunten te vangen in een instrument en kan de gebruiker de voordelen van beide eventueel benutten.
De algemene overwegingen van de aanleg van optische vallen (op basis van een of meerdere laserstralen) worden in detail besproken elders 8-10. Hier schetsen we de overwegingen die specifiek zijn voor onze setup en geven details van onze uitlijningsprocedure. Zo zijn twee systemen met optische trapping bundels eerder beschreven (bijv. ref. 11), kenmerkend via een laserstraal voor het vangen van een refractieve object en met de andere (opzettelijk laag vermogen straal) ontkoppelde uitlezing van de positie van de gevangen object . Hier echter, beide laserstralen moeten krachtige (300 mW of hoger) omdat beide worden gebruikt voor vangst. Voor de metingen van biologische systemen, moeten de lasers gebruikt voor trapping optimaal binnen een specifieke NIR raam van golflengte vallen aan het licht geïnduceerde eiwitafbraak 1 te minimaliseren. Hier hebben we gekozen voor 980 nm diode en 1064 nm DPSS lasers vanwege hun lage kosten, hoge beschikbaarheid en bedieningsgemak te gebruiken.
We hebben ook gekozen voor een ruimtelijke licht modulator (SLM) gebruiken om meerdere valkuilen tegelijk maken en manipuleren in real time 4,5. Deze apparaten zijn in de handel verkrijgbaarMaar hun integratie in een complete opstelling presenteert unieke uitdagingen. Hier beschrijven we een praktische aanpak die deze potentiële problemen behandelt en zorgt voor een zeer veelzijdig instrument. We een uitdrukkelijke voorbeeld voor de specifieke opstelling beschreven die kunnen worden gebruikt als een gids voor gemodificeerde designs.
Protocol
Representative Results
Discussion
We hebben een instrument dat twee optische vallen van verschillende types (figuur 1) combineert afzonderlijke trapping faciliteiten voorzien objectmanipulatie en meting uitgevoerd. De "klassieke" optische val is gebouwd rond een 980 nm diodelaser. Deze bundel wordt uitgebreid, gestuurd en vervolgens geïnjecteerd in onze omgekeerde microscoop ("lichtrood" balk in figuur 1). De holografische optische val is opgebouwd rond een 1064 nm DPSS laser. De balk wordt uitgebre…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De financiering werd verstrekt door de Universiteit van Utah. We willen graag Dr J. Xu (UC Merced) en dr. BJN Reddy (UC Irvine) bedanken voor nuttige discussies.
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).
