Yöntem makalesi

Geleneksel ve Holografik Optik Yakalama Yetenekleri ile bir Yüksek Çözünürlüklü Mikroskop İnşaatı

DOI:

10.3791/50481

⸱

22 Nisan 2013

 ,  ,  , 
1Department of Physics and Astronomy, University of Utah

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Burada açıklanan sistemi birden fazla tuzakları oluşturma ve manipüle yeteneğine sahip geleneksel optik tuzak yanı sıra bağımsız bir holografik optik yakalama çizgi, istihdam. Ayrıca biyolojik enzimlerin aktivitesini aynı anda yüksek hızlı, yüksek çözünürlüklü ölçümler izin ise bu kırma parçacıkların karmaşık geometrik düzenlemelerin oluşturulmasını sağlar.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Optik tuzakları ile Yüksek çözünürlüklü mikroskop sistemleri, dielektrik boncuk 1 veya cep organelleri 2,3, hem de tuzak ortasına göre konumlarını yüksek uzaysal ve zamansal çözünürlüğe okuma olduğu gibi, çeşitli kırılma nesnelerin hassas manipülasyon için izin verir. Sistem burada 980 nm de böyle bir "geleneksel" tuzak çalışma vardır nitelendirdi. Bu ayrıca aynı anda 1.064 nm dalga boyunda 4,5 mikroskop görüş alanında karmaşık yakalama desenleri oluşturmak ve işlemek için bir ticari holografik paketi kullanır ikinci bir optik yakalama sistemi sağlar. Aynı anda yüksek hız ve hareket ve nanometre ve piconewton ölçekte güç üretim yüksek çözünürlüklü ölçümler yapılırken iki sistemin kombinasyonu aynı anda birden fazla kırılma nesnelerin manipülasyonu için izin verir.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Optik bindirme biyofizik 6'daki temel tekniklerden biridir. Optik yakalama bir önemli gelişme oldukça geleneksel noktası tuzakları 7 üç boyutlu yakalama desen oluşturulması için izin holografik tuzakları gelişme olmuştur. Bu holografik tuzakları kırılma nesneleri konumlandırma çok yönlü avantajı sahip. Ancak geleneksel tuzakları kolayca ticari holografik kitleri daha simetrik olması için düzenlenebilir. Ayrıca tuzak nesnelerin hızlı bir hassas bir izleme sağlar. Burada tek bir cihazda iki yakalama yöntemler bir arada ve kullanıcı olarak uygun hem yararları yararlanmak için izin veren bir sistem (Şekil 1) açıklar.

Yapımında optik tuzakları (tek ya da birden fazla lazer ışınları göre) arasında genel düşünceler başka 8-10 ayrıntılı olarak ele alınmıştır. Burada, bizim s hususlar özel anahatetup ve uyum prosedürü ayrıntı sağlar. Örneğin, iki optik yakalama kirişler sistemleri tipik bir kırılma nesne yakalama ve tuzak nesnenin konumunun ayrılmış okuma için (kasıtlı olarak düşük güç ışın), diğer kullanmak için bir lazer ışını kullanarak, (örneğin ref. 11) önce tarif edilmiştir . Ancak burada, her iki lazer ışınları hem bindirme için kullanılacak olduğu için (300 mW veya daha yüksek) yüksek güçlü olması gerekir. Biyolojik sistemlerin ölçümleri için, yakalama için kullanılan lazerler en iyi ışık kaynaklı protein yıkımı 1 en aza indirmek için dalga boyu belirli bir NUR pencere içinde girmelidir. Burada 980 nm diyot ve nedeniyle düşük maliyetli, yüksek kullanılabilirlik ve çalışma kolaylığı 1.064 nm DPSS lazer kullanmayı seçtim.

Ayrıca 4,5 gerçek zamanlı olarak aynı anda birden fazla tuzaklar yaratmak ve işlemek için bir mekansal ışık modülatör (SLM) kullanmayı seçtim. Bu cihazlar, ticari olarak temin edilebilirancak komple bir kurulum onların entegrasyon benzersiz zorluklar sunuyor. Burada bu potansiyel zorlukları adresleri ve oldukça çok yönlü bir araç sağlar pratik bir yaklaşım açıklar. Biz modifiye tasarımlar için bir rehber olarak kullanılabilir açıklanan özel kurulum için açık bir örnek oluşturmaktadır.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. 980 nm Dalgaboyu Tek Optik Tuzak montajı

  1. Biyofizik deneyler ve ucuz lazer diyot 300 mW gibi yüksek güç çıkışı ile hazır için 980 nm dalga boyunda optik yakalama genellikle en uygunudur. Bu bilinen bir mod alan çapı tek modlu fiber polarizasyon koruyucu ile Pigtailed gereken bir diyot lazer için tercih edilir. Fiber bir mod filtre olarak hareket etmek yeterince uzun olması gerekir ve genellikle FC / PC veya FC / APC konnektör ya ile sonlandırılır. Bunlardan, FC / APC ışık ve potansiyel geri bildirim istikrarsızlıklar yansıma geri en aza indirmek için tercih edilmektedir.
  2. Güç ve sıcaklık kontrolü sağlayan bir montaj içinde 980 nm lazer diyot sabitleyin. Doğrudan pasif ısı batan en üst düzeye çıkarmak ve böylece sıcaklık kontrolörü bir arıza nedeniyle diyot başarısızlık tehlikesini en aza indirmek optik masaya monte düzeltmek için en iyisidir.
  3. Işın yön verici optik için PC / APC fiber konnektör monte edin. Öyleayarlanabilir fiber bağlantı noktaları en yararlı olacak şekilde collimated ışın az farklılık olduğunu sağlamak için kritik. Seçilen fiber bağlantı noktası diyot saç örgüsü lif şekli alanında çapı uygun olduğundan emin olun. Kiriş acousto-optik deflektörleri (AOD) veya elektro-optik deflektörleri kullanarak rastered edilecekse (EOD) sonra paralelleştirilmiş lazer ışını bel de saptırıcı diyafram büyüklüğü biraz daha az olmalıdır.
  4. Işın yönlendirme, genişleme, ve istenen diğer bileşenlerin yerleştirilmesi için izin vermek için mikroskop yeterli mesafede optik masaya collimating adaptörü sabitleyin. Mikroskop genel ışın yolu ile karşılaştırılabilir mesafelerde tutarlı ışın bel sağlamak için fiber bağlantı noktasını ayarlayın.
  5. Şekil 1'de gösterilen aynalar yükleyin. Mikroskop objektif çıkarın ve objektif montaj aşamasında diyafram üzerinden rota ışınına ayna kullanın. Eğer tercih edilirse, dikroik aynalar DM1 ve dm3 yerleştirme kadar ihmal edilebilirdaha sonra. DM2 ve DM3 Shortpass her ikisi de ve IR yakın ve üzerinde yansıtarak görünür ışık iletir.
  6. Bu geçici olarak mikroskop optik eksen üzerinde uyumlu objektif yerine kırmızı bir lazer pointer, monte etmek yararlıdır. Özel bir mekanik adaptörü lazer işaretçisi santralizasyonunun sağlamak için gereklidir. Lazer pointer görünür ışın daha sonra fiber bağlantı noktasının diyafram ortasına geri yönlendirilebilir ve daha sonra lens (aşağıdaki) yüklemek için kullanılabilir.
  7. Gerekli 1 olarak direksiyon bileşenlerin gelecekteki ekleme (AOD veya EOD) izin vermek için fiber bağlantı noktasından uygun bir mesafede 980 nm ışın genişletici (L8 ve L9) takın. Genişletilmiş ışın biraz objektif arkasında odak diyafram aşırı doldurmayın gerekir. (Burada, 125 mm ve 60 mm odak uzaklığına sahip lensler yaklaşık ışın bel çift bir Kepler düzenleme bulunmaktadır). Doğru lens yerleştirme ve kaba uyum sağlamak için lazer gösterge ışını (bölüm 1.6 bakınız) kullanın.
  8. Install bir teleskop düzenleme 980 nm direksiyon lens (L2 ve L3) (burada hem 60 mm odak uzunluğu) 1 belirtildiği gibi. L3 hedefi arka-odak düzlemli bir düzlemde konjuge monte edilir. Hassas bir XYZ konumlandırma sahnede Dağı L3 ışın direksiyon için izin vermek. Bu tekrarlanabilir konumlandırma ve tuzak yeniden konumlandırılması için izin, onun mikrometre için dijital göstergeler için XYZ aşaması için yararlıdır. Seyahat 0.5 "aralığı genellikle yeterlidir, optik eksen boyunca L3 konumlandırma için ancak uzun seyahat yararlı olabilir. Doğru lens yerleştirme ve kaba uyum sağlamak için (bölüm 1.6 bakınız) lazer gösterge ışını kullanın.

2. Lazer Dedektör montajı

  1. Şekil 1 'de gösterildiği gibi yoğunlaştırıcı yukarıda dikroik ayna DM3 takın. Özel bir montaj genellikle gereklidir. Kondansatör montaj yan ve ens için dört foto diyot (QPD) ya da bir pozisyon duyarlı dedektör (PSD) 8 Güvenli980 nm lazer ışını DM3 yansıyan bu ure kabaca merkezi üzerine vuruyor. QPD kullanırken, lazer ışınını sensörün hassas merkezleme için izin vermek için, küçük bir XY üzerine monte edilmiş olduğundan emin olun.
  2. DM3 ve sensör arasındaki L1 (genellikle 30 mm objektif) takın. Pozisyon L1 kadar sensörü tek bir noktaya ışın odaklanmak.
  3. L1 mikroskop aydınlatıcı ve ortam aydınlatma 1.064 nm ışın yanı sıra herhangi bir sokak görünür ışık yansımaları engellemek için hemen önce çentik filtre takın.

3. 1.064 nm Dalgaboyu Holografik Trap montajı

  1. Kurulum, holografik bir parçası bu pakette kullanılan holografik ayna 5 veya 10 W / cm 2 en fazla olay güç derecelendirilir bir ticari donanım / yazılım paketi etrafında inşa edilmiştir. Bu güç aralığında Tekli mod TEM00 kirişler kolayca 1.064 nm dalga boyunda bir DPSS lazer kaynaklı olabilir.
  2. Yüksek bir üzerinde 1.064 nm lazer montePlatform yaklaşık 980 hattı (Bölüm 1) için ışın yolu boyuna maç.
  3. Doğrudan kontrol edilebilir değilse, lazer gücü manuel Uygun lazer çıkış diyafram sonra yarım dalga plakası (HWP) ve polarize (PBS) yükleyerek ayarlanabilir. Bu ışın polarizasyon için holografik ayna gereksinimi maç edebilmek için bir döner aşamasında polarize monte etmek yararlıdır.
  4. 1.064 nm ışın genişletici (L6 ve L7) takın. Lazer ışını bel holografik ayna çapraz boyutuna uyacak şekilde genişletilmelidir. Büyük bir genişleme oranları için (10X yukarıda) bu genişletici büyüklüğü küçük tutmak için bir endişe olabilir. (: 16 mm ve 175 mm burada) Böylece normalden daha küçük odak uzaklığına sahip objektifler kullanmak arzu edilebilir.
  5. Amacı ile 1.064 nm ışını doğrudan belirtildiği gibi diğer aynalar takın.
    1. Bu undiminishe sağlar, böylece Güvenli DM1 bir kinematik montaj içinde çift renkli (insidans 45 ° açı) ve 980 nm ışın yolu montaj yerleştirinBu ışın d iletim.
    2. Lazer pointer ışık etkinleştirin. DM1 ayna doğru bu ışın yolunda mekansal ışık modülatör (SLM) konumuna görünür ışık yeterli miktarda yansıtmalıdır. SLM de gelen ve giden lazer ışınları gibi normal durum mümkün olduğu kadar yakın olacak şekilde açılı gerekir. Ancak geliş açısı lazer ışını objektif bağlar ve diğer optik bileşenleri tarafından kırpılmış emin olmak için yeterince büyük olmalıdır. A 5 ° açı kolayca ulaşılabilir olması ve yeterince küçük olmalıdır. Son olarak DM1 gelen SLM olan mesafeyi doğru lensler L4 ve L5 ekleme (aşağıda 3.6) SLM ayna uçak ve hedefi arka odak düzlemi eşlenik böylece ölçülmelidir.
    3. 1.064 nm ışın genişletici gelen SLM için ışık doğrudan bir ayna yükleyin. Lazer pointer ışığı merkezi ışın genişletici diyafram vurur emin olun.
  6. L4 ve L5 lens takın (burada: 12 ile lensler5 mm ve 200 mm sırasıyla). Bu teleskop çifti objektif arkasına odak düzlemine SLM ayna uçak konjugatları ve ayrıca sadece biraz aşırı dolum objektif arkasına diyafram için ışın bel azaltır. Biz SLM uzak DM1 den alana uzun odak uzaklığına sahip lensler seçti. Bu ikinci lazer hattı için oda temizler ama aynı zamanda uyum kolaylaştırmak eğilimindedir sadece.
  7. Lazer pointer çıkarın. Kaba uyum diyafram olarak hizmet montaj adaptörü bırakın.

4. Sistem Kurulum ve Hizalama Notları

  1. Objektif arkasına odak düzlemine optik konjuge olduğu gibi objektif L3 ve SLM şekilde yerleştirilmelidir. Optik yakalama kiriş mikroskop sonsuz uzaya enjekte ise L5 L4 ve ortak odak noktası örnek düzlemine optik birleştirilir.
  2. şarkı IR kartı görüntüleyici lazer pointer adaptörü diyafram ortasına ekseni boyunca gitmek için 980 nm ışını hizalamak.
  3. IR kart t kullanıno 1.064 nm ışın DM1, L2 ve L3 ve 1.064 nm ışın lazer pointer adaptörü diyafram ortasına ekseni boyunca gider 980 nm ışın aynı tatmin edecek emin olun.
  4. Objektif ile lazer pointer montaj adaptörü değiştirin. Yüksek sayısal açıklık yağ veya su objektif tipiktir.
  5. Bir radyal simetrik girişim deseni kamera görülür kadar lazer ışını "yürüyüş" ile 9 açıklandığı gibi 980 nm tuzak hizalayın.
  6. Holografik ayna kapalı (yani pasif bir ayna olarak hareket) 1,064 nm tuzak hizalamak için undiffracted 1.064 nm ışın "yürüyüş" için SLM ve DM1 kullanın.
  7. SLM görüş alanında güçlü taşınamaz lazer yakalama ile sonuçlanan önemli bir undiffracted ışını üretir. Bu hizalama için faydalıdır, fakat deneyler için istenmeyen olabilir. Bu tuzak engellemek için bir (örnek düzlemine konumu konjuge de undiffracted ışık yolunda bir küçük opak nesne ekleyebilirsiniz örneğin inciL4 ve L5) e ortak odak noktası. Bu merkezi bir nokta engelleyici büyüklüğü odaklanmış ışık (anlatılan sistem için 100-300 mikron çapında olan bir engelleyici) boyunca havadar diskin çapı biraz daha büyük olması gerekmektedir.
  8. SLM yönlendirmesine uyması için polarize kullanarak 1.064 nm ışın polarizasyon djust. Istediğiniz gibi ışınının çıkış gücü ayarlamak için yarım dalga plakası döndürün.
  9. İsterseniz, 980 nm lazer uyumlu hale AOD veya EOD kiriş direksiyon elemanları takın. Amacın arka odak düzlemine bu unsurların doğru konjugasyon olun ve tuzak yeniden ayarlamak. Bir gonyometrik sahnede direksiyon elemanları monte etmek yararlıdır.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Monte kurulum operatör gerçek zamanlı olarak birden fazla kırılma nesneleri yakalamak ve görüş alanı içindeki tüm üç boyutlu onları konumlandırmak için izin verir. Biz 11 mikroküreler (Şekil 2) yakalayarak cihazın holografik yeteneklerini göstermektedir. Her nesne hapsetmesi tuzak manuel olarak son düzenleme bu deney yapıldı Utah Üniversitesi logosu gösteriyor ki yakalama üzerine yeniden konumlandırılmış. Holografik ve konvansiyonel tuzak birleştirilmiş bir fonksiyonu Şekil 3 'de göster...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Biz nesne manipülasyon ve ölçüm için ayrı yakalama imkanları sağlamak farklı iki optik tuzakları (Şekil 1) bir araya getiren bir araç inşa ettik. "Geleneksel" optik tuzak bir 980 nm diyot lazer etrafında inşa edilmiştir. Bu ışın, genişletilmiş kumanda ve sonra (Şekil 1'de "açık kırmızı" ışın) bizim ters mikroskop içine enjekte edilir. Holografik optik tuzak bir 1.064 nm DPSS lazer etrafında inşa edilmiştir. Kiriş, mekansal ışık modülatör (SLM) büyüklüğüne uyacak ...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Fon Utah Üniversitesi tarafından sağlandı. Biz faydalı tartışmalar için Dr J. Xu (UC Merced) ve Dr BJN Reddy (UC Irvine) teşekkür etmek istiyorum.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Optik tabloNewport corporationST-UT2-56-8Irvine, CA
Mikroskop, Ters, Eclipse TiNikon ABDMEA53220Melville, NY
Plan apo 100X yağ hedefi (1.4 NA)Nikon ABDMRD01901Melville, NY
Yağ kondansatörü Lens 1.4 NANikon ABDMEL41410Melville, NY
EMCCD kameraAndor teknolojisi ABDIxon DU897Güney Windsor, CT
1/3" CCD IEEE1394 kameraNET USA IncFoculus FO124SCHighland IN
Lazer, TEM00, SLM, 1,064 nm dalga boyuKlastech Lazer TeknolojileriSenza-1064-1000Dortmund; Almanya
lazer diyot, TEM00, SLM, 980 nmAxcel PhotonicsBF-979-0300-P5AMarlborough, MA
lazer diyot montajıILX LightwaveLDX-3545, LDT-5525 ve LDM-4984Bozeman, MT
ayarlanabilir fiber bağlantı noktalarıThorlabsPAF-X-11-BNewton, NJ
holografik sistemArryxHOTKIT-ADV-1064Chicago, IL
holografik aynaBoulder Doğrusal Olmayan Sistemlerbu HOTKIT-ADV-1064'ün bir parçasıdırLafayette, CO
Kalsit polarizörThorlabsGL10-BNewton, NJ
yarım dalga plakasıThorlabsWPH05M-1064Newton, NJ
Polarizör rotasyon montajıThorlabsPRM1Newton, NJ
yarım dalga plaka rotasyon montajıThorlabsRSP1Newton, NJ
DeklanşörThorlabsSH05Newton, NJ
dikroik aynalar (DM2 & DM3); 45 derece > AOIChroma Teknolojisit750spxrxtKörük Şelalesi, VT
dikroik ayna (DM1); 45 derece; AOIThorlabsDMSP1000RNewton, NJ
özel mekanik adaptörBüyütülmüş iç delikli Thorlabs SM1A11 ve AD12FNewton, NJ
çentik filtresiSemrockFF01-850/310-25Rochester, NY
Akusto-Optik deflektör (2 eksenli)intraActionDTD-584CA28Bellwood, IL
gonyometrik aşamaYeni Odak9081Santa Clara, CA
60 mm direksiyon lensleriThorlabsLA1134-BNewton, NJ
16 mm asferik genişletici lensThorlabsAC080-016-CNewton, NJ
175 mm genişletici lensThorlabsLA1229-CNewton, NJ
Nokta engelleyici (cabron-steel küre)Bal-Tec0.0100" çapLos Angeles, CA
Microspheres ( Karboksil-polistiren)SpherotechCP-45-10Göl Ormanı, IL

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).
  3. 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).
  4. Polin, M., Ladavac, K., Lee, S. H., Roichman, Y., Grier, D. Optimized holographic optical traps. Opt Express. 13, 5831-5845 (2005).
  5. Sun, B., Roichman, Y., Grier, D. G. Theory of holographic optical trapping. Opt. Express. 16, 15765-15776 (2008).
  6. Moffitt, J. R., Chemla, Y. R., Smith, S. B., Bustamante, C. Recent advances in optical tweezers. Annu. Rev. Biochem. 77, 205-228 (2008).
  7. Grier, D. G. A revolution in optical manipulation. Nature. 424, 810-816 (2003).
  8. Neuman, K. C., Block, S. M. Optical trapping. Rev. Sci. Instrum. 75, 2787-2809 (2004).
  9. Sheetz, M. P. Laser tweezers in cell biology. Introduction. Methods Cell Biol. 55, xi-xii (1998).
  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).
  11. 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).
  12. Valentine, M. T., Guydosh, N. R., et al. Precision steering of an optical trap by electro-optic deflection. Opt Lett. 33, 599-601 (2008).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Optical TrappingHolographic MicroscopeBeam AlignmentLaser DiodeSpatial Light ModulatorBeam ExpanderDichroic MirrorOptical BenchRefractive ObjectsTrap Manipulation

İlgili makaleler