Construção de um microscópio de alta resolução com recursos de captura óptica convencional e holográfico
Summary
O sistema aqui descrito emprega uma armadilha óptica tradicional, bem como uma linha de captura óptica holográfica independente, capaz de criar e manipular múltiplas armadilhas. Isso permite a criação de disposições geométricas complexas de partículas de refração e ao mesmo tempo permitindo medições simultâneas de alta velocidade, de alta resolução da atividade de enzimas biológicas.
Abstract
Sistemas de microscópio de alta resolução com armadilhas ópticas para permitir uma manipulação precisa de vários objectos de refracção, tal como esferas de dieléctricos um ou organelas celulares 2,3, bem como para a leitura de alta da sua posição em relação ao centro do colector de resolução espacial e temporal. O sistema aqui descrito tem uma tal "tradicional" armadilha operando a 980 nm. Ele proporciona adicionalmente um segundo sistema de captação óptica que utiliza um pacote holográfico disponível comercialmente para criar e manipular simultaneamente padrões de armadilhagem complexas no campo de visão do microscópio de 4,5 a um comprimento de onda de 1064 nm. A combinação dos dois sistemas permite a manipulação de múltiplos objectos de refracção, ao mesmo tempo, ao mesmo tempo realizando medições de alta velocidade e de movimento de alta resolução e de produção de força em escala nanométrica e piconewton.
Introduction
A armadilha óptica é uma das principais técnicas na biofísica 6. Um avanço importante na captura óptica tem sido o desenvolvimento de armadilhas holográficas que permitem a criação de padrões de armadilhagem tridimensionais, em vez de pontos de armadilhas convencionais 7. Tais armadilhas holográficos possuem a vantagem de versatilidade no posicionamento de objetos de refração. No entanto armadilhas convencionais podem ser facilmente alinhadas para ser mais simétrico do holográficas kits disponíveis comercialmente. Eles também permitem um controle preciso rápido dos objetos presos. Aqui, nós descrevemos um sistema (Figura 1), que combina as duas abordagens de armadilhagem num instrumento e permite que o utilizador para explorar os benefícios de ambos, conforme apropriado.
As considerações gerais de construção de armadilhas ópticas (baseado em feixes de laser simples ou múltiplas) são discutidos em detalhe noutro local 8-10. Aqui, destacamos as considerações específicas para o nosso setup e fornecer detalhes do nosso processo de alinhamento. Por exemplo, os sistemas com dois feixes de armadilhagem ópticas foram descritos antes (por exemplo, ref. 11), tipicamente utilizando um feixe de laser para capturar um objecto de refracção e usando a outra (intencionalmente baixo feixe de energia) para a leitura dissociada da posição do objecto preso . Aqui, no entanto, ambos os feixes de laser precisa ser de alta potência (300 mW ou superior), pois ambos são para ser usado para captura. Para as medições dos sistemas biológicos, os lasers utilizados para aprisionamento optimamente deve cair dentro de uma janela de comprimento de onda NIR específico de luz para minimizar a degradação da proteína induzida por 1. Aqui, optou-se por usar diodo 980 nm e 1064 nm lasers DPSS por causa de seu custo, alta disponibilidade e facilidade de operação baixa.
Também optou por usar um modulador de luz espacial (SLM) para criar e manipular várias armadilhas simultaneamente em tempo real, 4,5. Estes dispositivos estão disponíveis comercialmenteno entanto a sua integração numa configuração completa apresenta desafios únicos. Aqui nós descrevemos uma abordagem prática, que aborda estas dificuldades potenciais e fornece um instrumento muito versátil. Fornecemos uma lista explícita para a configuração específica descrita, que pode ser usado como um guia para modelos modificados.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nós construímos um instrumento que combina duas armadilhas ópticas de tipos diferentes (Figura 1) para proporcionar facilidades de armadilhagem separadas para manipulação de objectos e de medição. A armadilha óptica "convencional" é construído em torno de 980 nm diodo laser. Este feixe é expandido, dirigidos e, em seguida, injectado no nosso microscópio invertido ("luz vermelha" feixe na Figura 1). A armadilha óptica holográfica é construído em torno …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
O financiamento foi fornecido pela Universidade de Utah. Gostaríamos de agradecer ao Dr. J. Xu (UC Merced) e Dr. BJN Reddy (UC Irvine) para discussões úteis.
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).
