Строительство микроскопа высокого разрешения с обычными и голографические оптические возможности отлова
Summary
Система, описанная в данном документе, использует традиционный оптической ловушки, а также независимые голографический оптический захват линия, способная создания и управления несколькими ловушками. Это обеспечивает создание сложных геометрических механизмов светоотражающие частицы в то же время позволяет одновременно высокой скоростью и с высоким разрешением измерения активности биологических ферментов.
Abstract
Высокое разрешение микроскопа системах с оптическими ловушками обеспечивать точное манипулирование различных объектов преломления, таких как диэлектрическая шарики 1 или клеточных органелл 2,3, а также высокое пространственное и временное разрешение считывания их положения относительно центра ловушки. Система, описанная здесь, имеет одно из таких "традиционных" ловушку работающий на длине волны 980 нм. Это дополнительно обеспечивает второй оптической системы захвата, который использует коммерчески доступные голографической пакет одновременного создания и управления сложными узорами захвата в поле зрения микроскопа 4,5 на длине волны 1064 нм. Сочетание этих двух систем позволяет манипуляцию нескольких объектов преломления в то же время, одновременно осуществляя высокой скоростью и высокой измерений разрешение движения и силы на производство и piconewton нанометрового масштаба.
Introduction
Оптический захват является одним из основных методов в области биофизики 6. Важным шагом вперед в оптических захвата была разработка голографических ловушки, которые позволяют создавать трехмерные модели захвата вместо обычных ловушек точке 7. Такие голографические ловушки обладают преимуществом универсальности в позиционировании преломления объектов. Однако обычные ловушки могут быть легко выровнены, чтобы быть более симметричным, чем коммерчески доступные наборы голографический. Они также позволяют для быстрого точного отслеживания захваченных объектов. Здесь мы опишем системы (рис. 1), которая сочетает в себе два подхода захвата в одном приборе и позволяет пользователю использовать преимущества обоих по мере необходимости.
Общих соображений построения оптических ловушек (на основе одного или нескольких лазерных лучей) подробно обсуждаются в другом месте 8-10. Здесь мы наметим конкретные соображения с нашимПуск в эксплуатацию и обеспечивают деталь нашего процедуру выравнивания. Например, в системах с двумя оптических пучков захвата были описаны ранее (например, ссылка 11), обычно с использованием одного лазерного луча для улавливания преломления объекта и использование другого (намеренно низкой мощности пучка) для отделены считывания положения захваченного объект . Здесь, однако, как лазерные лучи должны быть высокой мощности (300 мВт или выше), потому что оба будут использоваться для улавливания. Для измерений биологических систем, лазеров, используемых для улавливания должно оптимально входят в конкретное окно ЧМР длины волны света, чтобы минимизировать деградацию белка 1. Здесь мы решили использовать диод 980 нм и 1064 нм DPSS лазеры из-за их низкой стоимости, высокой доступности и простоте в эксплуатации.
Мы также решили использовать пространственного модулятора света (SLM) для создания и редактирования нескольких ловушек одновременно в реальном времени 4,5. Эти устройства являются коммерчески доступнымиОднако их интеграция в полной установки представляет уникальные задачи. Здесь мы опишем практический подход, который решает эти потенциальные трудности и обеспечивает универсальный инструмент. Мы предоставляем явный пример для конкретной установки, описанной которые могут быть использованы в качестве руководства для измененных конструкций.
Protocol
Representative Results
Discussion
Мы построили инструмент, который сочетает в себе два оптических ловушек различных типов (рис. 1), чтобы обеспечить захват отдельных помещений объекта для манипуляций и измерения. «Обычной» оптической ловушки построен вокруг диодного лазера 980 нм. Этот луч расширился, управляем…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Финансирование было предоставлено Университете штата Юта. Мы хотели бы поблагодарить д-ра Дж. Сю (UC Merced) и д-р Редди BJN (UC Irvine) за полезные обсуждения.
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).
