בנייה של מיקרוסקופ ברזולוציה גבוה עם יכולות קונבנציונליות והשמנה אופטיות הולוגרפי
22 באפריל 2013
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.
בהליך זה, קו לכידה אופטי קונבנציונאלי והולוגרפי מורכב ומיושר כדי להשיג זאת תחילה, מדוד את המיקומים של רכיבים אופטיים, ולאחר מכן הרכיב את הרכיבים בצורה מאובטחת במיקומם הנכון. לאחר מכן, יישר את האופטיקה כדי לאפשר השמנה. השלב האחרון הוא לחסום את קרן ה-TED מהמראה ההולוגרפית.
בסופו של דבר, המערכת המוגמרת מאפשרת לכידה הולוגרפית ורגילה בו זמנית. היתרון העיקרי של טכניקה זו על פני שיטות קיימות כמו לכידה רגילה בלבד, הוא שהיא מאפשרת מיקום בו זמנית של אובייקטי שבירה מרובים בתלת מימד ומדידות מהירות של מניפולציה של אובייקטים. בדרך כלל, אנשים חדשים בשיטה זו יתקשו מכיוון שעיצוב, פריסה ויישור יכולים להיות מאתגרים.
נקודת המוצא של סרטון זה היא ספסל אופטי עם המיקרוסקופ במקום ליצירת מלכודת אופטית ב-980 ננומטר. התחל עם אחת מדיודות הלייזר הזמינות באורך גל זה. השתמש בלייזר הטיית חזיר עם קיטוב, תוך שמירה על סיבים במצב יחיד בקוטר שדה מצב ידוע.
הסיב צריך להיות ארוך מספיק כדי לשמש כמסנן אופן, ויש לסיים אותו עם מחבר תעלת סיבים עם מחבר FCPC או מחבר F-C-A-P-C. יש לטפל בסיב האופטי במצב יחיד בזהירות, יש להימנע מפיתולים. אבטח את דיודת הלייזר והתושבת המאפשרת בקרת כוח וטמפרטורה.
יש להצמיד את התושבת ישירות לספסל האופטי כדי למקסם את גוף הקירור הפסיבי. לאחר מכן, התקן את מחבר הסיבים לאופטיקה של איסוף הקורה. ודא שיציאת הסיבים שנבחרה תואמת את קוטר שדה המצב של הדיודה.
סיבי צמה מחברים את מתאם האיסוף לשולחן האופטי במרחק מספיק מהמיקרוסקופ כדי לאפשר ניתוב אלומה, הרחבה ומיקום של רכיבים אחרים. ניתן להשתמש בצבעי מוט כדי לתקן את מרווח העדשות למיקום חזק הניתן לחזרה. כוונן את יציאת הסיבים כדי להבטיח בזבוז אלומה עקבי על פני מרחקים הדומים לנתיב האלומה הכולל למיקרוסקופ.
ישנן חמש מראות בנתיב של קרן הלייזר DDE. החל מהלייזר dde, ישנן שתי מראות לכוון את הפלט שלו לתוך בית המיקרוסקופ. הקרן צריכה גם לעבור דרך מראה דיכרואית, המאפשרת שידור ללא הפחתה של אלומת דיודת הלייזר ב-45 מעלות לזווית האירועים.
לבסוף, שתי מראות DIIC נוספות המעבירות אור נראה, אך משתקפות ליד אינפרא אדום ומעלה. נתב את הקרן לתוך המיקרוסקופ והחוצה ממנו. מרחב אינסוף אחד נמצא בתוך בית המיקרוסקופ כדי להתאים את המראות, להסיר את מטרת המיקרוסקופ.
השתמש במראות ובאינפרא אדום viewכרטיס כדי לנתב את הקרן דרך הצמצם ב-Objective Mounting stage. אם האלומה אינה במרכז, כוונן את המראות כדי לקבע את היישור כך שהקרן תהיה במרכז. בעת הרכבת עדשות, מערכת כלובים עלולה לגרום להרכבה נוקשה.
ניתן להשתמש בקליפרים כדי למדוד מראש מרחקים בין עדשות לאורך מוטות כלוב לפני ההתקנה. התקן באופן זמני מצביע לייזר אדום עם מתאם מותאם אישית במקום המטרה כך שהקרן שלו תהיה לאורך הציר האופטי של המיקרוסקופ. השתמש בקרן מצביע הלייזר הגלויה כדי למקם וליישר בערך את מרחיב האלומה של 980 ננומטר.
מערך זה משתמש בעדשות עם אורך מוקד של 60 מילימטרים ו-125 מילימטרים בסידור קירי כדי להכפיל בערך את מותני האלומה. לאחר מכן, התקן את עדשות ההיגוי של 980 ננומטר באמצעות קרן המצביע כמדריך כאן. לכל עדשה יש תושבת באורך מוקד של 60 מילימטר, העדשה הראשונה בנתיב האלומה על שלב X, Y, Z מדויק עם טווח תנועה של לפחות חצי אינץ' כדי לאפשר היגוי קרן.
כעת ניתן למקם את העדשה השנייה כך שתיווצר סידור קירי אחד לאחד עם העדשה הראשונה. עדשה זו חייבת להיות ממוקמת כך שתהיה מצומדת אופטית למישור המוקד האחורי של המטרה. כדי להכין את המלכודת ההולוגרפית, הרכיבו את הלייזר של 1064 ננומטר על פלטפורמה מוגבהת בערך בגובה הקרן של 980 ננומטר.
הנח צלחת חצי גל ומקטב מיד לאחר פלט הלייזר. כדי לאפשר התאמה ידנית של עוצמת הלייזר. התקן את מרחיב הקרן עבור לייזר זה כך שפסולת הקרן תורחב כך שתתאים לגודל האלכסוני של המראה ההולוגרפית.
אם מוגבל על ידי מקום, השתמש כאן בעדשות עם אורכי מוקד קטנים, 16 מילימטרים ו -175 מילימטרים. כעת השתמש בקרן מצביע הלייזר כדי למקם את אפנן האור המרחבי או SLM, שהוא חלק מהחבילה ההולוגרפית המסחרית המשמשת. בניסוי זה, יש למקם את מאפנן האור המרחבי כך שיהיה מצומד אופטית למישור המוקד האחורי של המטרה.
מקם אותו כך שלקרן מצביע הלייזר תהיה זווית האירועים המינימלית האפשרית, אך כך שההשתקפות שלה תנקה בבטחה את כל החומרה על השולחן האופטי. מקם מראה נוספת מול מרחיב קרן הלייזר של 1064 ננומטר כדי לכוון את האור שלו למאפנן האור המרחבי. ודא שנורית מצביע הלייזר פוגעת במרכז צמצם מרחיב האלומה.
לבסוף, התקן זוג עדשות טלסקופ בין מאפנן האור המרחבי למראה הדיכרואית. לעדשות אלו אורכי מוקד של 125 מילימטרים ו -200 מילימטרים. הסר את מצביע הלייזר, השאר את תושבת המתאם המותאמת אישית כדי לשמש כצמצם יישור מסלול.
התחל לבדוק את היישור באמצעות קרן 980 ננומטר בלבד. השתמש במציג כרטיס אינפרא אדום כדי ליישר את קרן ה-980 ננומטר כך שתעבור לאורך הציר המרכזי של הצמצם במתאם המותאם אישית. לאחר מכן השתמש בכרטיס האינפרא אדום כדי להבטיח שקרן ה-1064 ננומטר פוגעת באותן נקודות כמו הקרן של 980 ננומטר לאורך נתיב האלומה המשותף שלהם.
לאחר שזה נעשה, החלף את מתאם ההרכבה של מצביע הלייזר המותאם אישית בשמן צמצם מספרי גבוה או מטרת מים. לאחר מכן, יישר את מלכודת ה-980 ננומטר על ידי הליכה על קרן הלייזר עד שנראה דפוס הפרעה סימטרי רדיאלי במצלמה כשהמראה ההולוגרפית כבויה. יישר את מלכודת ה-1064 ננומטר על ידי שימוש במודולטור האור המרחבי ובמראה הדיכרואית הראשונה שתלך על אלומת ה-1064 ננומטר של האו"ם.
בדוגמה זו, התמונה המיושרת לשתי ההשמנות מציינת יישור טוב להשמנה יעילה, אך ניתן למקד אותה עוד יותר. ישנן גם סטיות קלות הקשורות לקרן 1064 העגולה, הפוגעת במראה SLM מרובעת, שלא ניתן לבטל בקלות על ידי חידוד יישור העדשה. על מנת לחסום את המלכודת המיוצרת על ידי האלומה הלא מופעלת ממודולטור האור המרחבי, הכנס אובייקט אטום קטן בנתיב האור הלא מופעל במיקום המצומד למישור הדגימה עבור מערכת זו.
מיקרוספירה אטומה בקוטר 100 עד 300 מיקרון, שהיא מתכת, מודבקת על כיסוי זכוכית עגול שקוף אינפרא אדום או חלון. הבלוק ממוקם בנקודת המוקד המשותפת של העדשות, המצומד אופטית למישור הדגימה. אם אלומות הלכידה האופטיות מוזרקות לחלל האינסופי של המיקרוסקופ, ניתן למקם את חוסם האלומה כדי לחסום אור לא מרוץ או להזיז אותו כדי לאפשר לכל האור לעבור.
המערך המורכב מאפשר למפעיל ללכוד מספר אובייקטים שבירים בזמן אמת ולמקם אותם בכל שלושת הממדים בשדה הראייה. כאן, היכולות ההולוגרפיות של המכשיר מוצגות על ידי לכידה של מיקרוספירות, תלויות במים נטולי יונים, עיגולים אדומים וירוקים מציגים מיקומי מלכודת כאשר ירוק מציין מלכודת שנבחרה למיקום מחדש בקליפ זה, ההשמעה מואצת לאחר לכידה של אובייקט. המלכודת שלו ממוקמת מחדש באופן ידני.
הסידור הסופי כולל 11 חרוזים המתארים את הלוגו של אוניברסיטת יוטה שבה בוצע ניסוי זה. המערכת מאפשרת גם שימוש במלכודות ההולוגרפיות והקונבנציונליות יחד. כאן שתי שורות של מלכודות הולוגרפיות מוגדרות ונשלטות על ידי המפעיל.
מלכודת קונבנציונלית נוספת מוגדרת בין שתי השורות. מיקרוספירה התלויה במים נטולי יונים קשורה על ידי המלכודות. החרוז המרכזי מועבר לתזוזה מרחבית מקסימלית של 4.1 מיקרומטר ולאחר מכן מחזיר אותו למיקומו המקורי באותן נסיבות.
אבל כשהחרוז המרכזי נע במהירות של 82 מיקרומטר לשנייה, נוצר רצף הפריימים הזה. שימו לב לטשטוש התנועה בתמונה השנייה והשלישית. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להבין היטב כיצד לפרוס וליישר מערכת מלכודת אופטית כפולה עם מלכודת הולוגרפית עצמאית ומלכודת רגילה באותה הגדרה.
אל תשכח שעבודה עם לייזרים בעלי הספק גבוה עלולה להיות מסוכנת ביותר ולנקוט באמצעי זהירות כגון הרכבת משקפי מגן מתאימים.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מתאר מערכת המשלבת טכניקות לכידה אופטית קונבנציונליות והולוגרפיות, המאפשרות מניפולציה של מלכודות מרובות. גישה חדשנית זו מאפשרת יצירת סידורים גיאומטריים מורכבים של חלקיקים שבירים תוך אפשרות למדידות מהירות ורזולוציה גבוהה של פעילות אנזימטית ביולוגית.
רכיבי מחקר עיקריים
תחום המדע
- לכידה אופטית
- ביופיזיקה
- מדידת פעילות אנזימטית
רקע
- שיטות לכידה אופטיות מסורתיות מוגבלות ביכולתן למניפולציה של אובייקטים מרובים בו זמנית.
- לכידה אופטית הולוגרפית מציעה גמישות משופרת במיקום ומניפולציה של חלקיקים.
- שילוב טכניקות אלו יכול לשפר את דיוק המדידות והמהירות.
- משתמשים חדשים עשויים להתמודד עם אתגרים בעיצוב ויישור רכיבי אופטיקה.
מטרת המחקר
- לפתח מערכת המאפשרת לכידה אופטית קונבנציונלית והולוגרפית בו זמנית.
- לאפשר מניפולציה של אובייקטים שבירים מרובים בשלושה ממדים.
- לאפשר מדידות מהירות של פעילות אנזימטית ביולוגית.
שיטות בשימוש
- הרכבה ויישור של רכיבי לכידה אופטיים.
- מדידת מיקומים עבור רכיבי אופטיקה.
- הרכבה מאובטחת של רכיבים במיקום ייעודי.
- יישור אופטיקה לאפשר לכידה יעילה.
תוצאות עיקריות
- המערכת משלבת בהצלחה טכניקות לכידה קונבנציונליות והולוגרפיות.
- היא מאפשרת מיקום סימולטני של אובייקטים שבירים מרובים.
- מדידות מהירות של פעילות אנזימטית הושגו.
- משתמשים דיווחו על אתגרים בהתקנה הראשונית אך הכירו ביתרונות המערכת.
מסקנות
- המערכת המפותחת משפרת את היכולות של טכניקות לכידה אופטיות.
- היא מספקת יתרונות משמעותיים לחוקרים החוקרים תהליכים ביולוגיים.
- הכשרה נוספת עשויה להידרש למשתמשים חדשים כדי לשלוט בהתקנה.
שאלות נפוצות
Executive Industry Relevance
Optical trapping systems enable precise manipulation of refractive objects for high-resolution force and motion measurements at nanometer and piconewton scales. Integrating conventional and holographic trapping allows simultaneous multi-object positioning and real-time 3D control, supporting mechanistic studies of molecular interactions and cellular mechanics. This capability enhances predictive confidence in target validation by enabling quantitative assessment of binding forces and conformational changes under physiological conditions.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through direct measurement of molecular binding forces and complex formation dynamics.
- Operational Value: Provides functional target validation by measuring piconewton-scale forces generated by molecular motors or enzyme activity in real time.
- Predictive Value: Supports portfolio triage by generating quantitative force-displacement data that correlates with target engagement and mechanism of action.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for downstream workflows by enabling controlled manipulation of dielectric beads or cellular organelles as force sensors.
- Operational Value: Ensures assay standardization and reproducibility through precise positioning and simultaneous readout of trap position relative to object motion.
- Scalability: Supports screening readiness via holographic pattern generation for parallel trapping of multiple objects in the field of view.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Maintains disease relevance by enabling measurement of nanoscale mechanical properties in primary cells or tissue-derived models under near-physiological conditions.
- Mechanistic De-risking: Connects discovery observations to preclinical validation through force-production readouts that inform target modulation strategies.
- Risk-Adjusted Advancement: Supports go/no-go decisions by quantifying how perturbations affect mechanical output in disease-relevant systems.
Pipeline & Workflow Integration
The system fits within the discovery continuum from hypothesis testing through lead identification to preclinical validation by providing quantitative biophysical readouts that inform target prioritization and mechanism elucidation.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by enabling direct measurement of intermolecular forces and conformational changes in protein complexes.
- Screening: Delivers assay readiness through high-speed, high-resolution position tracking of trapped objects, facilitating reliable compound evaluation via force-based readouts.
- Analytics: Generates nanometer-scale displacement and piconewton-force measurements that allow teams to compare conditions and assess target modulation efficacy.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by enabling mechanical phenotyping in disease-relevant cellular systems, supporting biomarker alignment for mechanotransduction pathways.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable platform for multi-parametric analysis across projects, reducing redundant setup and enabling cross-team standardization of force measurement protocols.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Provides predictive confidence through direct, label-free measurement of mechanical outputs that reduce ambiguity in target mechanism interpretation.
- Operational Value: Ensures standardization and scalability via holographic trapping patterns and simultaneous multi-object control, improving throughput in force measurement campaigns.
- Strategic Value: Enhances capital efficiency by enabling early de-risking of targets through quantitative force data, reducing late-stage failure due to unanticipated mechanical liabilities.
- Portfolio Impact: Informs risk-adjusted prioritization by delivering objective, quantitative data on target engagement strength and conformational dynamics across candidate molecules.
Implementation Considerations
- Requires expertise in optical alignment, laser safety, and beam path optimization for dual-wavelength trapping systems.
- Depends on stable optical bench infrastructure, precision translation stages, and infrared-compatible components for 980 nm and 1064 nm laser integration.
- Necessitates cross-team standardization of trapping protocols, calibration procedures, and data analysis pipelines for force and displacement readouts.
- Involves adaptation considerations when transitioning from bead-based assays to primary cells or tissue explants due to varying refractive indices and sample viability constraints.
- Limited by alignment complexity and potential aberrations from mismatched beam profiles, particularly when holographic patterns interact with spatial light modulator geometry.
