建設と操業追跡ナノスケール蛍光ことができるリアルタイム 3 D 単一粒子追跡顕微鏡プローブ高拡散速度と低い光子カウント率をこのプロトコルの詳細
方法論記事
建設と操業追跡ナノスケール蛍光ことができるリアルタイム 3 D 単一粒子追跡顕微鏡プローブ高拡散速度と低い光子カウント率をこのプロトコルの詳細
リアルタイム三次元単一粒子 (RT-3D-SPT) を追跡するセルラ システムにおける高速、3 D プロセスに光を当てる可能性があります。各種 RT 3 D SPT は、近年に前方を置かれているがユーザーは、課題のままに低い光子カウント レートでの粒子の拡散 3 D 高速を追跡します。さらに、RT 3 D SPT セットアップが一般に複雑で実装が困難生物学的問題への広範な応用を制限します。このプロトコルは、(10 kHz) まで低光子カウント レートで 3 D ダイナミック フォトン局在追跡 (3 D DyPLoT)、高拡散速度 (最大 20 μ m2/s) の粒子を追跡する名前付き RT 3 D SPT システムを提案します。3 D DyPLoT が 2次元電気光学偏向器 (2 D EOD) を採用し、単一焦点を当てたドライブに可変音響グラデーション (タグ) レンズ レーザー 3 D で動的にスポット。最適化された位置推定アルゴリズムを組み合わせると、3 D DyPLoT を高いトラッキング スピードと高い位置推定精度単一粒子にロックできます。単一励起と単一検出パス レイアウト、3 D DyPLoT は堅牢で簡単にセットアップです。このプロトコルでは、3 D DyPLoT ステップ バイ ステップを構築する方法について説明します。まず、光のレイアウトが記述されます。次に、システムは校正、走査線 190 nm の蛍光ビーズを圧電 nanopositioner を最適化します。最後に、リアルタイム 3 D の追跡能力を示すためには、110 nm の蛍光ビーズが水で追跡されます。
高度なイメージング技術の出現は、分子レベルまでの細胞現象のより詳しい構造を表示するウィンドウを開いています。確率論的光再構成顕微鏡 (嵐)1,2,3、光重合のローカリゼーション顕微鏡 (パーム)4,5,6,7 等、照明顕微鏡 (SIM)8,9,10,11, 構造および誘導放出の枯渇顕微鏡 (STED)12,13、 14は、生きた細胞の機能と構造に前例のない詳細を提供する回折限界を越えるまで行っています。しかし、どのようにこれらのシステムの動作を完全理解構造情報と同様に、動的な情報が必要です。上記の超解像の方法は、空間分解能、時間分解能、ダイナミックなプロセスを検出できる時間の精度を制限することの間のトレードオフを含みます。空間精度と時間分解能の両方が RT 3 D SPT15,16,17,18,19,20を提供する方法 21,22,23,24,25,26,27,28,29。ここでは、我々 は区別を描く伝統的な 3 D SPT30と spt 上 RT-3D 伝統的な 3 D SPT が単に必要です (どちらか落射蛍光顕微鏡や共焦点の顕微鏡を使用して得ることができる 3次元画像データの時系列右の構成を与えられた)。伝統的な 3 D-SPT で粒子の座標は、軌道を作成する、各画像のスタックで粒子を検索し、連続ボリュームの場所を連結によってデータ収集後決定されます。これらのメソッドは、究極の時間分解能は体積のイメージング速度によって決定されます。共焦点顕微鏡は、これは簡単に数十秒秒のスケールで。落射蛍光メソッドは、前記軸位置情報を抽出することができますので、光路は操作され、時間の分解能は、カメラの露出や読み出し時間によって制限されます。これらの epifluorescent メソッドは、軸方向の情報を収集できる範囲に限られている、デザインと適応光学は 10 μ m またはより多くの31,32これらの範囲を拡張するフーリエ面相の最近の進歩のマスクが,33,34。
対照的に、RT 3 D SPT では、3 D 画像のスタックを取得し、事実の後の粒子を見つけることに依存しません。代わりに、単一ポイント探知器を介してリアルタイムの位置情報を抽出し、効果的にフィードバックが適用される高速圧電ステージを使用して対物レンズの焦点容積の粒子を「ロック」。これにより限られた粒子の位置の連続測定、だけでどのように多くの光子を収集することができます。また、このメソッドは、長い範囲に移動すると、粒子のスペクトルの尋問をできます。RT 3 D SPT 有効ナノスケール物質、粒子は継続的に検出、大型レーザー加工力を必要とせずリアルタイムまたは光で測定前記のフォース フリー光学トラップに似ている作品を強制します。考えると RT 3 D SPT 高速拡散オブジェクト (最大 20 μ m2/s)25,29低光子カウント レート20,29、3 つの次元での継続的な尋問のための手段を提供します 35、それの細胞内輸送、ligand 受容器のバインディング、および単一粒子の細胞のダイナミクスなど高速または一時的な生物学的プロセスにウィンドウを提供する必要があります。しかし、このポイントに RT 3 D SPT のアプリケーションはこの技術を進めるために働くグループの一握りに制限されています。
1 つの障壁は、RT 3 D SPT メソッドは、変化に必要な光のレイアウトの複雑さです。ほとんどのメソッドは、光フィードバックは圧電ステージによって提供されます。粒子は小さな動きの X、Y、または Z、シングル ポイント探知器からの読み出しエラー関数に変換され、供給として圧電 nanopositioner を高速で回す移動粒子の運動を効果的に対抗するためにサンプル対物レンズの相対的な場所にそれをロックします。X で小の位置の動きを測定する Y、および Z、複数検出器 (4 または 5 の実装に応じて)15,18,21または複数の励起スポット (2-4、低いどの場合も適用できます、ロックイン アンプを使用して、X を抽出して Y 位置回転レーザー スポット)25,28が適用されます。これら複数の検出、発光スポットの重複、システムの配置および保守が困難。
ここで、3 D DyPLoT29と呼ばれる簡略化された光学設計と高速ターゲット ロックの 3 D SPT 法を提案する.3 D DyPLoT は、高レート (50 kHz XY ・ Z 70 kHz) で客観的焦点音量を介し集光レーザー スポットを動的に移動する 2 D EOD とタグ レンズ36,37,38を使用します。レーザー焦点位置と光子の到着時間を組み合わせることにより、低光子カウント レートでも急速に得られる粒子の 3 D 位置。騎士のツアー パターン39 X Y 平面に 1 x 1 μ m の正方形のサイズでの 2D EOD ドライブのレーザーの焦点とタグ レンズは 2-4 μ m の範囲で軸方向にレーザーの焦点を移動します。3 D 粒子の位置は、最適化された位置推定アルゴリズム29,40 3 D で取得されます。3 D 動的に動いてレーザー スポット、フォトンカウンティング アバランシェ フォト ダイオード (APD)、実時間粒子位置の計算、圧電ステージ フィードバック、およびデータ記録からのコントロールは、フィールド プログラマブル ゲート アレイ (FPGA) で行われます。このプロトコルでは、ステップバイ ステップで、固定粒子を用いたキャリブレーション光学アライメントを含む 3 D DyPLoT 顕微鏡を構築する方法について説明し、最後に無料の粒子追跡。例として 110 nm 蛍光ビーズで追跡された継続的に水の分を一度に。
記載方法は、それがウイルス、ナノ粒子、エンドソームなど小胞など、低光レベルでの高速移動の蛍光プローブを継続的に監視する望まれる任意のアプリケーションに最適です。以前の方法と対照をなして単一励起とアラインメントや保守を簡単に作る、単一検出経路のみがあります。また、大規模な検知エリアはこの顕微鏡を簡単に拾う (10 kHz) まで低信号レベルで追跡する機能は、このメソッドは低光アプリケーション29に最適すぐに粒子を拡散できます。
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1 のレイアウトおよび配置をセットアップします。

2. 試料調製。
3. トラッキング パラメーターを最適化します。
4 自由にナノ粒子を拡散リアルタイム 3 D トラッキング
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固定粒子 (図 4) をスキャンと自由に拡散 110 nm 蛍光粒子追跡 (図 5) 上記のプロトコルを次に行った。同時にパーティクルの計算をする各ポイントでのスキャン位置を推定しながら圧電 nanopositioner と箱の光子を移動することによって粒子のスキャンを行ったでも強度 (図 4 a) の正方形で示し、推定位置 x で 1 × 1 × 2 μ m の範囲にわたって粒子の実際の位置との線形関係を示すスキャン画像 y、および z の方向 (図 4 b-f)。
リアルタイム追跡を示すためには、110 nm 蛍光粒子は水の 3 D DyPLoT...
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3 D の単一粒子追跡方法の多くの品種は、近年浮上している堅牢なリアルタイムで追跡の簡単なセットアップと低い光子カウント料金で高速三次元拡散はまだ重要な生物学への応用を制限の挑戦問題。3 D DyPLoT メソッドは、いくつかの方法でこれらの課題をこのプロトコルのアドレスで説明します。まず、励起と検出経路はシンプルで堅牢な合わせを作る他の実装に比較して大幅簡素化します。第二に、移動レーザー スポットと位置推定アルゴリズムより安定したフィードバックを作るフィードバック ループの位置の正確な推定値を提供します。第三に、動的に移動レーザー スポットの効果的に大規模な検出範囲 (4 μ m x 1 x 1) は、高速移動粒子の追跡のためことができます。この大規模な検知エリアが重要な理由は、「圧電 nanopositioner 組み込みの応答時間を考慮することが重要です。高速圧電ステージは、1 kHz、順番に 1 さんの 1 ms、4 μ m2/s の拡散係数と 100 nm のナノ粒子への応答時間を制限する順序の共鳴回折麗のセンターから平均 90 nm に拡散します。負わないもの検出ボリューム。平均変位のみで、真にランダム...
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著者は競合する金銭的な利益を宣言しません。
この作品は、によって、国立医学研究所の一般的な受賞番号 R35GM124868 の下で健康の国民の協会のデューク大学にサポートされていました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 2D電気光学ディフレクター | ConOptics | M310A | 2 必要な |
| EOD用電源 | ConOptics | 412 | FPGA出力をEODタグ用の高電圧に変換します |
| レンズ | TAG 光学 | TAG 2.0 | 軸方向に沿ってレーザーを偏向するために使用されます |
| XY圧電ナノポジショナー | MadCity Labs | ナノPDQ275HS | サンプルを移動させて粒子を対物レンズの焦点ボリュームに固定するために使用されます。 |
| Z圧電ナノポジトナー | MadCity Labs | Nano-OP65HS | 拡散粒子に追従するように対物レンズを移動させるのに使用 |
| マイクロポジショナー | MadCity Labs | MicroDrive | サンプルの粗い位置決めと評価に使用 |
| ツァイス | PlanApo | 最高の感度を得るためには高い開口数が必要 100X, 1.49 NA, M27, Zeiss | |
| sCMOSカメラ | PCO | pco.edge 4.2 | 粒子の位置を監視するために使用 |
| APD | Excelitas | SPCM-ARQH-15 | ダークカウントを少なくし、有益な |
| フィールドプログラマブルゲートアレイ | National Instruments | NI-7852r | |
| ソフトウェア | National Instruments | LabVIEW | |
| Tracking 励起レーザー | JDSU | FCD488-30 | |
| レンズ | ThorLabs | AC254-150-A-ML | L1 |
| レンズ | ThorLabs | AC254-200-A-ML | L2 |
| ホール | ThorLabs | P75S | PH |
| Glan-Thompson 偏光子 | ThorLabs | GTH5-A | GT |
| 半波長板 | ThorLabs | WPH05M-488 | WP |
| レンズ | ThorLabs | AC254-75-A-ML | L3 |
| レンズ | ThorLabs | AC254-250-A-ML | L4 |
| レンズ | ThorLabs | AC254-200-A-ML | L5 |
| レンズ | ThorLabs | AC254-200-A-ML | L6 |
| ダイクロイックミラー | Chroma | ZT405/488/561/640rpc | DC |
| 蛍光発光フィルター | Chroma | D535/40m | F |
| 10/90 ビームスプリッター | Chroma | 21012 | BS |
| PBS | シグマ | D8537 | |
| 190 nm蛍光ナノ粒子 | 前髪研究所 | FC02F / 9942 | |
| 110 nm蛍光ナノ粒子 | 前髪研究所 | FC02F / 10617 | |
| カバースリップ | フィッシャーサイエンティフィック | 12-545A | |
| パワーメーター | Thorlabs | PM100D | |
| CMOS | DCC1545M | ||
| アイリスソー | ラブ | SM1D12D | |
| 顕微鏡 | ッドシティラボRM21 |
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