Summary

Bau einer Hohe Auflösung Mikroskop mit Konventionelle und Holographic Optical Trapping Capabilities

Published: April 22, 2013
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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

Ein. Einbau von 980 nm Wellenlänge einzigen optischen Falle Optical Trapping bei 980 nm Wellenlänge ist oft optimal für Biophysik Experimente und kostengünstige Laserdioden leicht verfügbar mit einer Leistung bis zu 300 mW sind. Es ist bevorzugt, einen Diodenlaser mit polarisationserhaltenden Monomode-Faser mit einer bekannten Modenfelddurchmesser Anschlusslitze werden. Die Faser muss ausreichend lang sein, um als eine Art Filter wirken und in der Regel entweder mit einem FC / PC oder FC / APC Buchse. Da…

Representative Results

Die zusammengebaute Konfiguration kann der Bediener mehrere brechende Objekte in Echtzeit zu stoppen und positionieren sie in allen drei Dimensionen innerhalb des Sichtfeldes. Wir zeigen die holographische Möglichkeiten des Instruments durch Abfangen 11 Mikrokugeln (Abbildung 2). Die Falle Begrenzung jedes Objekt wird manuell auf Trapping, so dass die endgültige Anordnung das Logo der University of Utah, wo dieses Experiment durchgeführt wurde zeigt neu positioniert. Eine kombinierte Funktion des hol…

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…

Declarações

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

Referências

  1. Svoboda, K., Block, S. M. Biological applications of optical forces. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 23, 247-285 (1994).
  2. 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).
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  10. 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).
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Citar este artigo
Butterfield, J., Hong, W., Mershon, L., Vershinin, M. Construction of a High Resolution Microscope with Conventional and Holographic Optical Trapping Capabilities. J. Vis. Exp. (74), e50481, doi:10.3791/50481 (2013).

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