Bau einer Hohe Auflösung Mikroskop mit Konventionelle und Holographic Optical Trapping Capabilities
Summary
Das hier beschriebene System verwendet einen herkömmlichen optischen Falle sowie eine unabhängige holographische optische Trapping Linie, in der Lage ist das Erstellen und Bearbeiten mehrere Fallen. Dies ermöglicht die Erzeugung von komplexen geometrischen Anordnungen der refraktiven Partikel während auch eine gleichzeitige High-Speed, hochauflösende Messungen der Aktivität des biologischen Enzyme.
Abstract
Hochauflösende Mikroskop Systeme mit optischen Fallen zur exakten Manipulation der verschiedenen Brechungsindex Objekte, wie dielektrische beads 1 oder Zellorganellen 2,3, sowie hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung Auslesen von ihrer Lage relativ zu dem Zentrum der Falle. Das hier beschriebene System ist ein solches "traditionelle" Falle bei 980 nm arbeitet. Es ist weiterhin ein zweites optisches System, das Einfangen eines handelsüblichen holographischen Paket gleichzeitig Erstellen und Bearbeiten komplexer Trapping Muster in dem Sichtfeld des Mikroskops 4,5 bei einer Wellenlänge von 1.064 nm verwendet. Die Kombination der beiden Systeme erlaubt die Manipulation von mehreren brechenden Objekte zur gleichen Zeit, während gleichzeitig leiten hoher Geschwindigkeit und hoher Auflösung Messungen von Bewegung und Kraft Produktion in Nanometer-und Pikonewton Skala.
Introduction
Optical Trapping ist eine der wichtigsten Techniken in der Biophysik 6. Ein entscheidender Fortschritt in der optischen Pinzetten wurde die Entwicklung von holographischen Fallen, die für die Erstellung von dreidimensionalen Trapping Muster eher als herkömmliche Punkt Fallen 7 zu ermöglichen. Solche holographische Fallen besitzen den Vorteil, Vielseitigkeit in der Positionierung der refraktiven Objekten. Allerdings herkömmlichen Fallen kann leicht angepasst werden, um mehr symmetrische als handelsübliche holographische Kits. Sie erlauben auch für schnelle präzise Abtastung der eingefangenen Objekte. Hier beschreiben wir ein System (1), die die beiden Trapping-Ansätze kombiniert in einem Gerät und ermöglicht dem Benutzer die Vorteile des gegebenenfalls zu nutzen.
Die allgemeinen Erwägungen der Aufbau von optischen Fallen (bezogen auf einzelne oder mehrere Laserstrahlen) werden an anderer Stelle ausführlich diskutiert 8-10. Hier skizzieren wir die Überlegungen speziell für unsere sETUP und bieten Detail unserer Alignment-Prozedur. So sind Systeme mit zwei optischen Strahlen Trapping bereits beschrieben (zB ref. 11), typischerweise unter Verwendung eines Laserstrahls zum Erfassen eines refraktiven Objekt und mit der anderen (absichtlich Strahl mit niedriger Leistung) zum Auslesen der entkoppelten Position des eingeklemmten Gegenstandes . Hier müssen jedoch beide Laserstrahlen zu hoher Leistung (300 mW oder mehr), da sowohl zum Einfangen verwendet werden. Für Messungen von biologischen Systemen sollten die Laser zum Einfangen optimal genutzt innerhalb einer bestimmten Wellenlänge NIR Fenster fallen lichtinduzierten Proteinabbau 1 zu minimieren. Hier haben wir gewählt, um 980 nm Diode und 1.064 nm DPSS-Laser wegen ihrer geringen Kosten, hohe Verfügbarkeit und einfache Bedienung zu verwenden.
Wir haben auch entschieden, eine Licht-Raum-Modulator (SLM) zum Erstellen und Bearbeiten von mehreren Fallen gleichzeitig in Echtzeit 4,5. Diese Vorrichtungen sind im Handel erhältlichjedoch deren Integration in ein komplettes Setup präsentiert einzigartige Herausforderungen. Hier beschreiben wir einen praktischen Ansatz, diese potenziellen Schwierigkeiten befasst und bietet ein sehr vielseitiges Instrument. Wir stellen eine explizite Beispiel für die spezifische Konfiguration beschrieben, die als Führung für modifizierte Designs verwendet werden können.
Protocol
Representative Results
Discussion
Wir haben ein Instrument, das zwei optischen Fallen verschiedener Typen (Abbildung 1) kombiniert, um Trapping separaten Einrichtungen für Objekt Manipulation und Messung bieten konstruiert. Die "klassischen" optischen Falle wird um einen 980 nm Diodenlaser gebaut. Dieser Strahl wird erweitert, gelenkt und dann in unsere inversen Mikroskop injiziert ("light red" Balken in Abbildung 1). Das holographische optische Falle wird um eine 1.064 nm DPSS Laser gebaut. Der Str…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Finanzierung wurde von der University of Utah zur Verfügung gestellt. Wir danken Herrn Dr. J. Xu (UC Merced) und Dr. Reddy BJN (UC Irvine) für hilfreiche Diskussionen danken.
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).
