בנייה של מיקרוסקופ ברזולוציה גבוה עם יכולות קונבנציונליות והשמנה אופטיות הולוגרפי
Summary
המערכת המתוארת במסמך זה מעסיקה מלכודת אופטית מסורתית, כמו גם קו השמנה אופטי הולוגרפית עצמאי, מסוגלת ליצור מניפולציה ומלכודות רבות. זה מאפשר יצירת הסדרים גיאומטריים מורכבים של חלקיקים שבירה בעת גם מאפשרים מדידות בו זמנית במהירות גבוהה, ברזולוציה גבוהה של הפעילות של אנזימים ביולוגיים.
Abstract
מיקרוסקופ מערכות רזולוציה גבוהה עם מלכודות אופטיות מאפשרות מניפולציה מדויקת של אובייקטים שבירה שונים, כגון חרוזים דיאלקטרי 1 או אברונים סלולריים 2,3, כמו גם עבור קריאת נתונים ברזולוציה מרחבית וזמניים גבוהות של את עמדתם ביחס למרכז המלכודת. מערכת הפעלה שתוארה יש אחד כזה "מסורתית" מלכודת ב980 ננומטר במסמך זה. בנוסף הוא מספק מערכת השמנה אופטית שנייה שמשתמשת בחבילה הולוגרפית זמינה מסחרי כדי ליצור בו זמנית ולטפל דפוסי השמנה מורכבים בשדה הראייה של המיקרוסקופ 4,5 באורך גל של 1064 ננומטר. שילוב של שתי המערכות מאפשר למניפולציה של חפצים שבירה מרובים באותו הזמן ובמקביל ביצוע במהירות גבוהה ומדידות ברזולוציה גבוהות של תנועה וכוח ייצור בקנה המידה ננומטרי וpiconewton.
Introduction
השמנה אופטית היא אחת הטכניקות המרכזיות ב6 ביופיסיקה. התקדמות מכרעת בהשמנה אופטית כבר הפיתוח של מלכודות הולוגרפית המאפשרות יצירה של דפוסי השמנה תלת ממדיים ולא קונבנציונליות מלכודות נקודה 7. מלכודות הולוגרפית כאלה יש יתרון של גמישות במיקום של חפצים שבירה. עם זאת ניתן ליישר מלכודות קונבנציונליות בקלות להיות יותר סימטרי מאשר ערכות הולוגרפית זמינות מסחרי. הם גם מאפשרים למעקב מדויק מהיר של העצמים שנלכדו. כאן אנו מתארים מערכת (איור 1) המשלבת את שתי גישות השמנה במכשיר אחד, ומאפשרת למשתמש לנצל את היתרונות של שניהם בהתאם לצורך.
השיקולים הכלליים של בניית מלכודות אופטיות (המבוסס על קרן לייזר בודד או מרובה) הם דנו בפירוט במקומות אחרים 8-10. כאן, אנו מתארים את השיקולים ספציפיים שלנוetup ולספק פירוט של הליך יישורנו. לדוגמה, מערכות עם שתי אלומות השמנה אופטיות כבר תאר קודם (לדוגמא נ"צ. 11), בדרך כלל באמצעות קרן לייזר אחת ללכידת אובייקט שבירה ושימוש אחר (קרן כוח מכוון נמוכה) לreadout decoupled של המיקום של האובייקט הלכוד . כאן לעומת זאת, שתי קרני לייזר צריכים להיות מופעל (300 מגה ואט ומעלה) גבוהה כי שניהם כדי לשמש להשמנה. למדידות של מערכות ביולוגיות, הלייזרים המשמשים ללכידה בצורה אופטימלית צריכים ליפול בתוך חלון ספציפי של אורך גל ניר כדי למזער את פירוק חלבונים מושרה אור 1. כאן יש לנו בחרנו להשתמש בדיודה ננומטר 980 ו1,064 לייזרי DPSS ננומטר בגלל העלות, זמינות וקלות תפעול הגבוה הנמוך שלהם.
גם אנו בחרנו להשתמש באור מאפנן מרחבית (SLM) כדי ליצור ולטפל מלכודות מרובות בו זמנית בזמן אמת 4,5. התקנים אלה זמינים באופן מסחריעם זאת השתלבותם בהתקנה מלאה מציבה אתגרים ייחודיים. כאן אנו מתארים גישה מעשית המתייחסת לקשיים פוטנציאליים אלה ומספק מכשיר תכליתי מאוד. אנו מספקים דוגמה מפורשת להתקנה הספציפית המתוארת אשר יכול לשמש כמדריך לעיצובים שונה.
Protocol
Representative Results
Discussion
יש לנו נבנו מכשיר המשלב את שתי מלכודות אופטיות מסוגים שונים (איור 1) כדי לספק מתקני השמנה נפרדים למניפולצית אובייקט ומדידה. המלכודת האופטית "הקונבנציונלית" בנויה סביב 980 ננומטר דיודת לייזר. קרן זו הרחיבה, הובילה ולאחר מכן הזריקו למיקרוסקופ ההפוכה שלנו (ק…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מימון ניתן על ידי אוניברסיטת יוטה. ברצוננו להודות לד"ר י שו (UC מרסד) וד"ר BJN רדי (אוניברסיטת קליפורניה) לדיונים מועילים.
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).
