Bouw van een hoge resolutie microscoop met conventionele en holografische optische Trapping Capabilities
22 april 2013
Het hierin beschreven systeem maakt een traditionele optische val en onafhankelijk holografische optische trapping lijn, staat het creëren en manipuleren van meerdere vallen. Dit zorgt voor de creatie van complexe geometrische arrangementen van refractieve deeltjes terwijl ook toelaat gelijktijdig met hoge snelheid, hoge-resolutie metingen van de activiteit van biologische enzymen.
In deze procedure worden een conventionele en holografische optische opvanglijn geassembleerd en uitgelijnd Om dit te bereiken, meet u eerst de locaties voor optische componenten en monteert u vervolgens de componenten veilig op hun juiste plaatsen. Vervolgens lijnt u de optica uit om opvang mogelijk te maken. De laatste stap is het blokkeren van de TED-straal van de holografische spiegel.
Uiteindelijk staat het voltooide systeem gelijktijdige holografische en gewone opvang toe. Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van bestaande methoden zoals alleen gewone opvang, is dat het gelijktijdige positionering van meerdere brekende objecten in drie dimensies en snelle objectmanipulatiemetingen mogelijk maakt. Over het algemeen zullen personen die nieuw zijn met deze methode worstelen omdat ontwerp, lay-out en uitlijning uitdagend kunnen zijn.
Het beginpunt van deze video is een optische tafel met het microscoop op zijn plaats om een optisch vangnet te creëren op 980 nanometer. Begin met een van de gemakkelijk verkrijgbare laserdioden van die golflengte. Gebruik een pig tail-laser met een polarisatie, behoudende enkele modusvezel van bekende modusvelddiameter.
De vezel moet lang genoeg zijn om als modusfilter te fungeren en moet worden afgesloten met een vezelkanaalconnector met een FCPC- of F-C-A-P-C-connector. De enkele modus optische vezel moet voorzichtig worden behandeld, bochten moeten worden vermeden. Bevestig de laserdiode en monteer die zodat er controle over vermogen en temperatuur mogelijk is.
De montage moet direct aan de optische tafel worden bevestigd om maximale passieve warmteafvoer te maximaliseren. Monteer vervolgens de vezelconnector op de bundeloptische optica. Zorg ervoor dat de gekozen vezelpoort overeenkomt met de modusvelddiameter van de diode.
Pigtailvezel bevestig de bundelaanpassing aan de optische tafel op voldoende afstand van het microscoop om ruimte voor bundelrouteringsuitbreiding en plaatsing van andere componenten te bieden. Staafkleuren kunnen worden gebruikt om de lensafstand voor robuuste herhaalbare positionering te fixeren. Pas de vezelpoort aan om consistente bundelverliezen over afstanden te garanderen die vergelijkbaar zijn met de totale bundelweg naar het microscoop.
Er zijn vijf spiegels in de baan van de DDE-laserstraal. Beginnend bij de laser dde, zijn er twee spiegels om de uitvoer in de microscoophusing te richten. De bundel moet ook door een dichroitische spiegel passeren, die onverminderde transmissie van de laserdiodebundel toelaat op 45 graden ten opzichte van de hoek van incidentie.
Ten slotte twee extra korte doorlaatdiic-spiegels die zichtbaar licht doorlaten, maar dichtbij infrarood en hoger reflecteren. Route de bundel in en uit het microscoop. Oneindigheidsruimte één is binnen de microscoophusing om de spiegels aan te passen, verwijder het microscoopobjectief.
Gebruik de spiegels en een infrarood kijkkaart om de bundel door de opening in de objectiefmontagefase te leiden. Als de bundel niet gecentreerd is, pas de spiegels aan om de uitlijning te repareren zodat de bundel op centrum staat. Bij het monteren van lenzen kan een kooisysteem resulteren in een stijve montage.
Schroefmaten kunnen worden gebruikt om afstanden tussen lenzen langs kooistavende voor installatie te vooraf meten. Monteer tijdelijk een rode laserpointer met een aangepaste adapter in plaats van het objectief zodat de bundel langs de optische as van het microscoop ligt. Gebruik de zichtbare laserpointerbundel om de 980 nanometer bundeluitbreider ruwweg te plaatsen en uit te lijnen.
Deze setup gebruikt lenzen met een brandpuntsafstand van 60 millimeter en 125 millimeter in een keary-opstelling om de bundelhals ongeveer te verdubbelen. Installeer vervolgens de 980 nanometer stuurlenzen met behulp van de aanwijzerbundel als gids hier. Elke lens heeft een 60 millimeter brandpuntsafstand montage, de eerste lens in de bundelbaan op een nauwkeurige X, Y, Z-fase met minimaal een halve inch bereik van reis om bundelbesturing mogelijk te maken.
De tweede lens kan nu worden gepositioneerd om een een-op-een keary-opstelling met de eerste lens te vormen. Deze lens moet worden gepositioneerd om optisch geconjugeerd te zijn aan het achterste brandpuntvlak van het objectief. Om de holografische vangst te bereiden, monteer de 1064 nanometer laser op een verhoogd platform op ongeveer de hoogte van de 980 nanometer bundel.
Plaats een halfgolfplaat en polarisator direct na de laseruitvoer. Om handmatige aanpassing van laservermogen mogelijk te maken. Installeer de bundeluitbreider voor deze laser zodat de bundelverliezen worden uitgebreid om overeen te komen met de diagonale grootte van de holografische spiegel.
Als beperkt door ruimte, gebruik hier lenzen met kleine brandpuntsafstanden, 16 millimeter en 175 millimeter. Gebruik nu de laserpointerbundel om de ruimtelijke lichtmodulator of SLM te positioneren, die deel uitmaakt van de commerciële holografische pakket die wordt gebruikt. In dit experiment moet de ruimtelijke lichtmodulator zo worden gepositioneerd dat deze optisch geconjugeerd is aan het achterste brandpuntvlak van het objectief.
Plaats het zodat de laserpointerbundel de minimaal mogelijke hoek van incidentie heeft, maar zodat de reflectie veilig alle hardware op de optische tafel verlaat. Plaats nog een spiegel voor de 1064 nanometer bundeluitbreider om het licht naar de ruimtelijke lichtmodulator te leiden. Zorg ervoor dat het laserpointerlicht het centrum van de bundeluitbreideropening raakt.
Installeer ten slotte een telescooppaar lenzen tussen de ruimtelijke lichtmodulator en de dichroitische spiegel. Deze lenzen hebben brandpuntsafstanden van 125 millimeter en 200 millimeter. Verwijder de laserpointer, laat de aangepaste adaptermontage achter om als grove uitlijningsapertuur te dienen.
Begin met het controleren van de uitlijning met alleen de 980 nanometer bundel. Gebruik een infrarood kaartviewer om de 980 nanometer bundel uit te lijnen om langs de centrumas van de opening in de aangepaste adapter te gaan. Gebruik vervolgens de infrarood kaart om ervoor te zorgen dat de 1064 nanometer bundel dezelfde plekken raakt als de 980 nanometer bundel langs hun gedeelde bundelbaan.
Zodra dit is voltooid, vervangt u de aangepaste laserpointermontageadapter door een olie- of waterobjectief met een hoge numerieke apertuur. Lijn vervolgens de 980 nanometer vangst uit door de laserbundel te laten lopen totdat een
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel beschrijft een systeem dat conventionele en holografische optische vangbenaderingen integreert, waardoor de manipulatie van meerdere vangen mogelijk wordt. Deze innovatieve aanpak vergemakkelijkt het creëren van complexe geometrische arrangementen van brekingsdeeltjes, terwijl het ook hogesnelheids-, hoge resolutiemetingen van biologische enzymactiviteit mogelijk maakt.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Optische vangbenadering
- Biofysica
- Enzymactiviteitsmeting
Achtergrond
- Traditionele optische vangbenaderingen zijn beperkt in hun capaciteit om meerdere objecten tegelijkertijd te manipuleren.
- Holografische optische vangbenaderingen bieden verbeterde flexibiliteit in het positioneren en manipuleren van deeltjes.
- Het combineren van deze technieken kan de nauwkeurigheid en snelheid van metingen verbeteren.
- Nieuwe gebruikers kunnen uitdagingen ondervinden bij het ontwerp en de uitlijning van optische componenten.
Doel van de studie
- Om een systeem te ontwikkelen dat gelijktijdige conventionele en holografische optische vangbenaderingen mogelijk maakt.
- Om de manipulatie van meerdere brekingsobjecten in drie dimensies mogelijk te maken.
- Om snelle metingen van biologische enzymactiviteit te vergemakkelijken.
Gebruikte methoden
- Samenstelling en uitlijning van optische vangbenaderingscomponenten.
- Meting van locaties voor optische componenten.
- Vaste montage van componenten op aangewezen posities.
- Uitlijning van optica om effectieve vangbenaderingen mogelijk te maken.
Belangrijkste resultaten
- Het systeem integreert succesvol conventionele en holografische vangbenaderingen.
- Het maakt de gelijktijdige positionering van meerdere brekingsobjecten mogelijk.
- Hogesnelheidsmetingen van enzymactiviteit werden bereikt.
- Gebruikers meldden uitdagingen bij de initiële setup, maar herkenden de voordelen van het systeem.
Conclusies
- Het ontwikkelde systeem verbetert de capaciteiten van optische vangbenaderingen.
- Het biedt aanzienlijke voordelen voor onderzoekers die biologische processen bestuderen.
- Extra training kan nodig zijn voor nieuwe gebruikers om de setup onder de knie te krijgen.
Veelgestelde vragen
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.
