資金はユタ大学によって提供されました。我々は有益な議論のために博士J.徐（UCマーセド）博士BJNレディ（UCアーバイン）に感謝したいと思います。

1。 980nmの波長シングル光学トラップの設置<ol><li> 980nmの波長における光トラッピングは、多くの場合、生物物理学実験で安価なレーザダイオードに最適な300 mWのような高い電力出力で容易に入手可能である。これは、公知のモードフィールド径を有する偏波面保存シングルモードファイバピグテールとするダイオードレーザが好ましい。繊維は、モードフィルタとして機能する十分な長さが必要であり、一般的にFC / PCまたはFC / APCコネクタのどちらかで終了します。これらのうち、FC / APC光と潜在的なフィードバックの不安定性の反射を最小限に抑えるバックすることが好ましい。 </li><li>電力と温度制御を可能にするマウントで980 nmのレーザダイオードを固定します。受動的な放熱を最大化することにより、温度調節器の故障に起因するダイオード障害の危険性を最小限に抑えるために、直接光学テーブルにマウントを固定することをお勧めします。 </li><li>光学コリメートビームにPC / APCファイバコネクタを取り付けます。それは調節可能な光ファイバポートが最も有用であるので、平行ビームは、最小限の発散を持っていることを保証することが重要。選択された光ファイバポートは、ダイオードピグテールファイバのモードフィールド径と一致することを確認する。ビームは音響光学偏向器（AOD）又は電気光学偏向素子を用いてラスターする場合（EOD）はコリメートレーザビームウエストはまた、デフレクタ開口の大きさよりも僅かに小さくなければならない。 </li><li>ビームルーティング、拡張、および他の所望のコンポーネントの配置を可能にするために、顕微鏡から十分な距離を置いて光学テーブルへコリメートアダプターを固定します。顕微鏡への全体的なビーム経路に匹敵する距離で一貫性のあるビームウエストを確保するためのファイバーポートを調整します。 </li><li> 図1に示されているミラーを取り付けます。顕微鏡から目的を削除し、客観的な取り付けの段階で開口を通してルートにビームをミラーを使用しています。望ましい場合には、ダイクロイックミラーDM1とDM3の配置はまで省略することができます後で。 DM2とDM3はショートパスの両方であり、IRに近く、上記反射する可視光を透過する。 </li><li>一時的に顕微鏡の光軸上に整列目的の代わりに赤色レーザーポインタを、マウントすると便利です。カスタムメカニカルアダプタは、レーザーポインタのセンタリングを確保することが必要である。レーザーポインタからの可視光は、その後ファイバーポートの開口部の中央に戻ってルーティングすることができ、その後レンズを（下記参照）をインストールするために使用することができます。 </li><li>必要に応じて1としてステアリングコンポーネント（AODまたはEOD）の将来の挿入を可能にする光ファイバポートから適切な距離で980 nmのビームエキスパンダー（L8とL9）をインストールします。拡大ビームは、わずかに目標の後焦点絞りを入れすぎなければなりません。 （ここでは、125ミリメートルと60ミリメートルの焦点距離を持つレンズは約ビームウエストを倍増するためにケプラーの配置である。）適切なレンズ配置と粗いアラインメントを確保するために目に見えるレーザーポインタービーム（1.6節を参照）を使用します。 </li><li>インストール示された（ここで両方とも60ミリメートルの焦点距離を有する）1と望遠鏡配置lで980 nmの操舵レンズ（L2 ​​及びL3）。 L3は、対物レンズの後側焦平面に共役な面に取り付けられている。ビームステアリングを可能にする高精度XYZ位置決めステージ上にマウントL3。それは繰り返し位置決めとトラップの再配置を可能にする、そのためのマイクロデジタルインジケータを持つXYZステージのために有用です。 0.5 &quot;は、旅行の範囲は通常は十分ですが、光軸に沿ってL3の位置決めのためのより長い旅行が役に立つかもしれません。適切なレンズ配置と粗いアラインメントを確保するために目に見えるレーザーポインタービーム（1.6節を参照）を使用します。 </li></ol> 2。レーザー検出器の設置<ol><li> 図1に示すように、コンデンサ上記ダイクロイックミラーDM3をインストールする。カスタムマウントは、通常必要とされる。コンデンサーアセンブリの側面にクワッドフォトダイオード（QPD）や位置敏感型検出器（PSD）8を確保し、ENS980 nmのレーザービームがDM3によって反射することUREは大体中央にそれに当たっている。 QPDを使用する際には、レーザビームのセンサーの正確なセンタリングを可能にするにはXYステージ上に搭載されていることを確認する。 </li><li> DM3とセンサの間のL1を（通常は30 mmレンズ）をインストールします。センサー上の単一スポットにビームを集束するように位置は、L1。 </li><li> L1は顕微鏡照明と周囲の照明から1,064 nmのビームと同様の浮遊可視光の反射を遮断するために直前にノッチフィルタを取り付けます。 </li></ol> 3。 1,064 nmの波長ホログラフィトラップの設置<ol><li>セットアップのホログラフィックの部分は、このパッケージで使用されるホログラムミラーは5または10 W / cm 2での最大入射電力定格されている市販のハードウェア/ソフトウェアのパッケージを中心に構築されています。この電力範囲内の単一モードTEM00ビームは簡単に1,064 nmの波長でDPSSレーザーから供給することができます。 </li><li>高架上の1,064 nmレーザーをマウントプラットフォームは、およそ980ライン（第1参照）のビーム経路の高さを一致させる。 </li><li>直接制御できない場合は、レーザパワーを手動で右側のレーザ出力開口後の半波長板（HWP）と偏光子（PBS）をインストールすることによって調整することができる。これは、ビームの偏光のためのホログラムミラー要件に一致させることができるように回転ステージの偏光板を取り付けることが有用である。 </li><li> 1,064 nmのビームエキスパンダー（L6とL7）をインストールします。レーザービームウエストは、ホログラフィックミラーの対角サイズに合わせて拡大されている必要があります。大拡張比（10倍以上）のためには、小さなパンダの大きさを維持するために心配かもしれません。 （：16 mmであり、ここでは175ミリメートル）従って、異常に小さい焦点距離のレンズを使用することが望ましい場合がある。 </li><li>客観を通じて1,064 nmのビームを向けるように示されているように、他のミラーを取り付けます。 <ol><li>それはundiminishe可能になるようにセキュアDM1キネマティックマウントにおけるダイクロ（入射45°の角度）とは、980 nmの光路内にアセンブリを配置そのビームのD伝送。 </li><li>レーザーポインターの光をアクティブにします。 DM1ミラーが適切にこのビームの経路内に空間光変調器（SLM）を位置決めする可視光の量を十分に反映すべきである。 SLMは、着信および発信のレーザービームは、通常の発生率にできるだけ接近しているように、角度を付けする必要があります。しかし、入射角は、レーザビームがレンズマウント、および他の光学部品によってクリップされないように十分に大きくなければならない。 5°の角度が容易に達成されると十分に小さい必要があります。最後DM1からSLMまでの距離を正確にレンズL4とL5の挿入が（下記3.6を参照）SLM鏡面と客観のバック焦点面を活用できる​​ように、測定されなければならない。 </li><li> 1,064 nmのビームエキスパンダからSLMに光を導くためにミ​​ラーを取り付けます。レーザーポインターの光が中央にビームエキスパンダー開口に当たることを確認してください。 </li></ol></li><li> L4とL5レンズを取り付けます（ここでは12のレンズそれぞれ5mmで200ミリメートル）。この望遠鏡のペアは、対物レンズの後焦点面にSLM鏡面をコンジュゲートし、また少しだけ入れ過ぎに目的の背面開口部をビームウエストを減らすことができます。私たちは、SLM離れDM1から空間に長い焦点距離のレンズを選んだ。これにより、第2のレーザ線の余地をクリアしなくアライメントを容易にする傾向があるのみならず。 </li><li>レーザーポインタを削除します。粗いアラインメント絞りとして機能するようにマウントアダプタにしておきます。 </li></ol> 4。システムのインストールとアライメント注意<ol><li>目的の後焦点面と光学的に共役になるようレンズL3とSLMがように配置しなければなりません。光トラッピングビームが顕微鏡の無限大の空間に注入される場合、L4とL5の共通の焦点が試料面に光学的に結合している。 </li><li>歌うIRカードビューアはレーザーポインターのアダプタの開口部の中心軸に沿って移動する980 nmの光を合わせます。 </li><li> IRカードTを使用して、oが1,064 nmのビームはDM1、L2、およびL3上と1,064 nmのビームはレーザーポインターのアダプタの開口部の中心軸に沿って行くことを980 nmのビームと同じスポットに当たることを確認してください。 </li><li>を目的としたレーザーポインターマウントアダプターを交換します。高開口数の対物油または水が典型的である。 </li><li>レーザービームを&quot;歩く&quot;ことで9で説明したように放射状に対称の干渉パターンをカメラで見られるまで980 nmのトラップの位置を合わせます。 </li><li>ホログラフィックミラーをオフにして（ つまり、受動的ミラーとして機能）1,064 nmのトラップを整列させる非回折1,064 nmの光を&quot;歩く&quot;ためにSLMとDM1を使用しています。 </li><li> SLMは、視野内の強い不動レーザートラップをもたらす重要な非回折ビームを生成する。これは、位置合わせのために有用であるが、実験のために望ましくないかもしれません。このトラップをブロックするには一つ（試料面に位置共役な非回折光の経路に小さな不透明なオブジェクトを挿入することができます例えば番目L4とL5）のE共通の焦点。この中央のスポットブロッカーが集光された光（記載されているシステムのための100-300ミクロン径のブロッカー）のためのエアリーディスクの直径よりも若干大きくする必要があるのサイズ。 </li><li> SLMの向きを一致させる偏光子を用いた1,064 nmのビームの偏光をdjust。所望に応じて光の出力パワーを設定する半波長板を回転させる。 </li><li>必要に応じて、980 nmのレーザー線にAOD又はEODビームステアリング要素を挿入。目的のバックフォーカルプレーンにこれらの要素の適切な共役を確保し、トラップを再調整。ゴニオステージ上ステアリング要素をマウントすると便利です。 </li></ol>

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著者らは、開示することは何もありません。

我々は、オブジェクトの操作および測定するための別々の捕捉機能を提供する異なるタイプ（ 図1）の二つの光学トラップを組み合わせた器具を構築した。 &quot;従来&quot;光学トラップは980 nmのダイオードレーザーを中心に構築されています。このビームは、拡大して操縦した後（ 図1の&quot;光赤&quot;ビーム）当社の倒立顕微鏡に注入される。ホログラフィック光学ト?...

光トラッピングは、生物物理学6における主要技術の一つである。光トラッピングに重要な進歩は、三次元の捕獲パターンではなく、従来のポイントトラップ7の作成 ​​を可能にするホログラフィックトラップの開発をされています。このようなホログラフィックトラップは屈折オブジェクトの位置で汎用性の利点を持っています。しかし従来のトラップは簡単に市販のホログラフィックキットよりも対称に整列させることができる。彼らはまた、閉じ込められたオブジェクトの迅速正確なトラッキングを可能にします。ここではひとつの楽器で2トラッピングのアプローチを組み合わせて、ユーザーが必要に応じて両方の利点を活用できるようにするシステム（ 図1）について説明します。 構築光学トラップ（単一または複数のレーザービームに基づく）の一般的な考察は別の場所8-10詳細に議論されています。ここで、私たちはsに固有の考慮事項を概説etupと当社アライメント手順の詳細を提供。例えば、2つの光トラッピングビームを有するシステムは、典型的には、屈折物体を捕捉し、捕捉された物体の位置のデカップリング読出しのために（意図的に低電力ビーム）その他を使用するための1つのレーザビームを用いて、（ 例えば、参考文献11）の前に記載されている。ここしかしながら、両方のレーザビームは、両方の捕捉のために使用されるので（300 MWまたはより高い）動力高くする必要がある。生物系の測定では、トラッピングのため使用されるレーザーは、最適に光誘発タンパク質分解1を最小化するために波長の特定のNIRウィンドウ内に収まる必要があります。ここでは、980 nmのダイオードとするため、低コスト、高可用性と操作のしやすさの1,064 nmのDPSSレーザーを使用することを選択しました。 また、4,5、リアルタイムで同時に複数のトラップを作成し、操作する空間光変調器（SLM）を使用することを選択した。これらの装置は市販されているしかし完全なセットアップへの統合は、ユニークな課題を提示。ここでは、これらの潜在的な困難に対処し、汎用性の高い楽器を提供する実用的なアプローチを説明する。我々は、変更された設計のためのガイドとして使用することができる具体的なセットアップのための明示的な例を提供します。

<table><tbody><tr><td>Optical table</td><td>Newport corporation</td><td>ST-UT2-56-8</td><td>Irvine, CA</td></tr><tr><td>Microscope, Inverted, Eclipse Ti</td><td>Nikon USA</td><td>MEA53220</td><td>Melville, NY</td></tr><tr><td>Plan apo 100X oil objective (1.4 NA)</td><td>Nikon USA</td><td>MRD01901</td><td>Melville, NY</td></tr><tr><td>Oil condenser Lens 1.4 NA</td><td>Nikon USA</td><td>MEL41410</td><td>Melville, NY</td></tr><tr><td>EMCCD camera</td><td>Andor technology USA</td><td>Ixon DU897</td><td>South Windsor, CT</td></tr><tr><td>1/3&quot; CCD IEEE1394 camera</td><td>NET USA Inc</td><td>Foculus FO124SC</td><td>Highland IN</td></tr><tr><td>Laser, TEM00, SLM, 1,064 nm wavelength</td><td>Klastech Laser Technologies</td><td>Senza-1064-1000</td><td>Dortmund; Germany</td></tr><tr><td>laser diode, TEM00, SLM, 980 nm</td><td>Axcel Photonics</td><td>BF-979-0300-P5A</td><td>Marlborough, MA</td></tr><tr><td>laser diode mount</td><td>ILX Lightwave</td><td>LDX-3545, LDT-5525, and LDM-4984</td><td>Bozeman, MT</td></tr><tr><td>adjustable fiber ports</td><td>Thorlabs</td><td>PAF-X-11-B</td><td>Newton, NJ</td></tr><tr><td>holographic system</td><td>Arryx</td><td>HOTKIT-ADV-1064</td><td>Chicago, IL</td></tr><tr><td>holographic mirror</td><td>Boulder Non-linear Systems</td><td>this is a part of HOTKIT-ADV-1064</td><td>Lafayette, CO</td></tr><tr><td>Calcite polarizer</td><td>Thorlabs</td><td>GL10-B</td><td>Newton, NJ</td></tr><tr><td>half-wave plate</td><td>Thorlabs</td><td>WPH05M-1064</td><td>Newton, NJ</td></tr><tr><td>Polarizer rotation mount</td><td>Thorlabs</td><td>PRM1</td><td>Newton, NJ</td></tr><tr><td>half-wave plate rotation mount</td><td>Thorlabs</td><td>RSP1</td><td>Newton, NJ</td></tr><tr><td>Shutter</td><td>Thorlabs</td><td>SH05</td><td>Newton, NJ</td></tr><tr><td>dichroic mirrors (DM2 &amp;amp; DM3); 45 &amp;deg; AOI</td><td>Chroma Technology</td><td>t750spxrxt</td><td>Bellows Falls, VT</td></tr><tr><td>dichroic mirror (DM1); 45 &amp;deg; AOI</td><td>Thorlabs</td><td>DMSP1000R</td><td>Newton, NJ</td></tr><tr><td>custom mechanical adapter</td><td>Thorlabs</td><td>SM1A11 and AD12F with enlarged inner bore</td><td>Newton, NJ</td></tr><tr><td>notch filter</td><td>Semrock</td><td>FF01-850/310-25</td><td>Rochester, NY</td></tr><tr><td>Acousto-Optic deflector (2-axis)</td><td>intraAction</td><td>DTD-584CA28</td><td>Bellwood, IL</td></tr><tr><td>goniometric stage</td><td>New Focus</td><td>9081</td><td>Santa Clara, CA</td></tr><tr><td>60 mm steering lenses</td><td>Thorlabs</td><td>LA1134-B</td><td>Newton, NJ</td></tr><tr><td>16 mm aspherical expander lens</td><td>Thorlabs</td><td>AC080-016-C</td><td>Newton, NJ</td></tr><tr><td>175 mm expander lens</td><td>Thorlabs</td><td>LA1229-C</td><td>Newton, NJ</td></tr><tr><td>Spot blocker (cabron-steel sphere)</td><td>Bal-Tec</td><td>0.0100&quot; diameter</td><td>Los Angeles, CA</td></tr><tr><td>Microspheres (Carboxyl-polystyrene)</td><td>Spherotech</td><td>CP-45-10</td><td>Lake Forest, IL</td></tr></tbody></table>

construction of a high resolution microscope with conventional and holographic optical trapping capabilities

光学トラップの高解像度顕微鏡システムは、このような誘電ビーズ1または細胞小器官2,3と同様に、トラップの中心に対してそれらの位置の高空間分解能と時間分解能の読み出し用として、様々な屈折オブジェクトの正確な操作が可能になります。システムがここに980nmの1つのこのような &quot;伝統的な&quot;トラップ動作が持って説明。それはさらに、同時に波長1064nmにおける4,5顕微鏡の視野内に複雑なトラッピングパターンを作成し、操作するために、市販のホログラフィックパッケージを使用して第二の光学トラップシステムを提供する。同時に高速およびナノメートルスケールでのピコニュートン動作と力の生産高分解能測定を行いながら、2系統の組み合わせは、同時に複数の屈折オブジェクトの操作を可能にする。

組み立てられた設定は、オペレータがリアルタイムで複数の屈折オブジェクトをトラップし、視野内の全ての三次元的にそれらを配置することができる。我々は11マイクロスフェア（ 図2）トラップして楽器のホログラフィック機能を示す。各オブジェクトを閉じ込めるトラップは手動で、最終的な配置が、この実験を行ったユタ大学のロゴを示すように、トラッピング時に再び?...

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Construction of a High Resolution Microscope with Conventional and Holographic Optical Trapping Capabilities

ここに記載されているシステムでは、複数のトラップを作成し、操作することのできる伝統的な光学トラップと同様に、独立したホログラフィック光トラッピングラインを採用。また、生物学的酵素活性の同時高速·高分解能な測定を可能にしつつ、屈折率粒子の複合幾何学的配置の作成を可能にする。

従来のホログラフィック光トラッピング機能を備えた高分解能顕微鏡の構成

High resolution microscope systems with optical traps allow for precise manipulation of various refractive objects, such as dielectric beads 1 or cellular ...

construction-high-resolution-microscope-with-conventional-holographic

Research

JoVE Journal

Engineering

12.1K ビュー.  University of Utah. ここに記載されているシステムでは、複数のトラップを作成し、操作することのできる伝統的な光学トラップと同様に、独立したホログラフィック光トラッピングラインを採用。また、生物学的酵素活性の同時高速·高分解能な測定を可能にしつつ、屈折率粒子の複合幾何学的配置の作成を可能にする。

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Use of an Optical Trap for Study of Host-Pathogen Interactions for Dynamic Live Cell Imaging

Dynamic live cell imaging allows direct visualization of real-time interactions between cells of the immune system1, 2; however, the lack of spatial and temporal control between the phagocytic cell and microbe has rendered focused observations into the initial interactions of host response to pathogens difficult. Historically, intercellular contact events such as phagocytosis3 have been imaged by mixing two cell types, and then continuously scanning the field-of-view to find serendipitous intercellular contacts at the appropriate stage of interaction. The stochastic nature of these events renders this process tedious, and it is difficult to observe early or fleeting events in cell-cell contact by this approach. This method requires finding cell pairs that are on the verge of contact, and observing them until they consummate their contact, or do not. To address these limitations, we use optical trapping as a non-invasive, non-destructive, but fast and effective method to position cells in culture.
Optical traps, or optical tweezers, are increasingly utilized in biological research to capture and physically manipulate cells and other micron-sized particles in three dimensions4. Radiation pressure was first observed and applied to optical tweezer systems in 19705, 6, and was first used to control biological specimens in 19877. Since then, optical tweezers have matured into a technology to probe a variety of biological phenomena8-13.
We describe a method14 that advances live cell imaging by integrating an optical trap with spinning disk confocal microscopy with temperature and humidity control to provide exquisite spatial and temporal control of pathogenic organisms in a physiological environment to facilitate interactions with host cells, as determined by the operator. Live, pathogenic organisms like Candida albicans and Aspergillus fumigatus, which can cause potentially lethal, invasive infections in immunocompromised individuals15, 16 (e.g. AIDS, chemotherapy, and organ transplantation patients), were optically trapped using non-destructive laser intensities and moved adjacent to macrophages, which can phagocytose the pathogen. High resolution, transmitted light and fluorescence-based movies established the ability to observe early events of phagocytosis in living cells. To demonstrate the broad applicability in immunology, primary T-cells were also trapped and manipulated to form synapses with anti-CD3 coated microspheres in vivo, and time-lapse imaging of synapse formation was also obtained. By providing a method to exert fine spatial control of live pathogens with respect to immune cells, cellular interactions can be captured by fluorescence microscopy with minimal perturbation to cells and can yield powerful insight into early responses of innate and adaptive immunity.

A method is described to individually select, manipulate, and image live pathogens using an optical trap coupled to a spinning disk microscope. The optical trap provides spatial and temporal control of organisms and places them adjacent to host cells. Fluorescence microscopy captures dynamic intercellular interactions with minimal perturbation to cells.

動的な生細胞イメージングのための宿主 - 病原体相互作用の研究のための光トラップの使用

Dynamic live cell imaging allows direct visualization of real-time interactions between cells of the immune system1, 2; however, the lack of spatial and ...

免疫・感染学

Lensfree On-chip Tomographic Microscopy Employing Multi-angle Illumination and Pixel Super-resolution

Tomographic imaging has been a widely used tool in medicine as it can provide three-dimensional (3D) structural information regarding objects of different size scales. In micrometer and millimeter scales, optical microscopy modalities find increasing use owing to the non-ionizing nature of visible light, and the availability of a rich set of illumination sources (such as lasers and light-emitting-diodes) and detection elements (such as large format CCD and CMOS detector-arrays). Among the recently developed optical tomographic microscopy modalities, one can include optical coherence tomography, optical diffraction tomography, optical projection tomography and light-sheet microscopy. 1-6 These platforms provide sectional imaging of cells, microorganisms and model animals such as C. elegans, zebrafish and mouse embryos.
Existing 3D optical imagers generally have relatively bulky and complex architectures, limiting the availability of these equipments to advanced laboratories, and impeding their integration with lab-on-a-chip platforms and microfluidic chips. To provide an alternative tomographic microscope, we recently developed lensfree optical tomography (LOT) as a high-throughput, compact and cost-effective optical tomography modality. 7 LOT discards the use of lenses and bulky optical components, and instead relies on multi-angle illumination and digital computation to achieve depth-resolved imaging of micro-objects over a large imaging volume. LOT can image biological specimen at a spatial resolution of &lt;1 &mu;m x &lt;1 &mu;m x &lt;3 &mu;m in the x, y and z dimensions, respectively, over a large imaging volume of 15-100 mm3, and can be particularly useful for lab-on-a-chip platforms.

Lensfree optical tomography is a three-dimensional microscopy technique that offers a spatial resolution of &lt;1 &mu;m &times; &lt;1 &mu;m &times; &lt;3 &mu;m in x, y and z dimensions, respectively, over a large imaging-volume of 15-100 mm3, which can be particularly useful for integration with lab-on-a-chip platforms.

マルチアングル照明とピクセル超高解像度を採用しLensfreeオンチップ·トモグラフィー顕微鏡

Tomographic imaging has been a widely used tool in medicine as it can provide three-dimensional (3D) structural information regarding objects of different ...

生物工学

Compact Lens-less Digital Holographic Microscope for MEMS Inspection and Characterization

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and automotive. However, effective inspection and characterization metrology systems are needed to ensure the functional reliability of MEMS. This study presents a system based on digital holography as a tool for MEMS metrology. Digital holography has gained increasing attention in the past 20 years. With the fast development and decreasing cost of sensor arrays, resolution of such systems has increased broadening potential applications. Thus, it has attracted attention from both research and industry sides as a potential reliable tool for industrial metrology. Indeed, by recording the interference pattern between an object beam (which contains sample height information) and a reference beam on a CCD camera, one can retrieve the quantitative phase information of an object. However, most of digital holographic systems are bulky and thus not easy to implement on industry production lines. The novelty of the system presented is that it is lens-less and thus very compact. In this study, it is shown that the Compact Digital Holographic Microscope (CDHM) can be used to evaluate several characteristics typically consider as criteria in MEMS inspections. The surface profiles of MEMS in both static and dynamic conditions are presented. Comparison with AFM is investigated to validate the accuracy of the CDHM.

We present a compact reflection digital holographic system (CDHM) for inspection and characterization of MEMS devices. A lens-less design using a diverging input wave providing natural geometrical magnification is demonstrated. Both static and dynamic studies are presented.

MEMS検査および特性評価のためのコンパクトなレンズレスデジタルホログラフィック顕微鏡

A micro-electro-mechanical-system (MEMS) is a widely used component in many industries, including energy, biotechnology, medical, communications, and ...

工学

Demonstration of a Hyperlens-integrated Microscope and Super-resolution Imaging

The use of super-resolution imaging to overcome the diffraction limit of conventional microscopy has attracted the interest of researchers in biology and nanotechnology. Although near-field scanning microscopy and superlenses have improved the resolution in the near-field region, far-field imaging in real-time remains a significant challenge. Recently, the hyperlens, which magnifies and converts evanescent waves into propagating waves, has emerged as a novel approach to far-field imaging. Here, we report the fabrication of a spherical hyperlens composed of alternating silver (Ag) and titanium oxide (TiO2) thin layers. Unlike a conventional cylindrical hyperlens, the spherical hyperlens allows for two-dimensional magnification. Thus, incorporation into conventional microscopy is straightforward. A new optical system integrated with the hyperlens is proposed, allowing for a sub-wavelength image to be obtained in the far-field region in real time. In this study, the fabrication and imaging setup methods are explained in detail. This work also describes the accessibility and possibility of the hyperlens, as well as practical applications of real-time imaging in living cells, which can lead to a revolution in biology and nanotechnology.

The use of a hyperlens has been regarded as a novel super-resolution imaging technique due to its advantages in real-time imaging and its simple implementation with conventional optics. Here, we present a protocol describing the fabrication and imaging applications of a spherical hyperlens.

ハイパー レンズ一体型顕微鏡と超解像イメージングのデモ

The use of super-resolution imaging to overcome the diffraction limit of conventional microscopy has attracted the interest of researchers in biology and ...

Construction and Operation of a Light-driven Gold Nanorod Rotary Motor System

The possibility to generate and measure rotation and torque at the nanoscale is of fundamental interest to the study and application of biological and artificial nanomotors and may provide new routes towards single cell analysis, studies of non-equilibrium thermodynamics, and mechanical actuation of nanoscale systems. A facile way to drive rotation is to use focused circularly polarized laser light in optical tweezers. Using this approach, metallic nanoparticles can be operated as highly efficient scattering-driven rotary motors spinning at unprecedented rotation frequencies in water.
In this protocol, we outline the construction and operation of circularly-polarized optical tweezers for nanoparticle rotation and describe the instrumentation needed for recording the Brownian dynamics and Rayleigh scattering of the trapped particle. The rotational motion and the scattering spectra provides independent information on the properties of the nanoparticle and its immediate environment. The experimental platform has proven useful as a nanoscopic gauge of viscosity and local temperature, for tracking morphological changes of nanorods and molecular coatings, and as a transducer and probe of photothermal and thermodynamic processes.

Plasmonic gold nanorods can be trapped in liquids and rotated at kHz frequencies using circularly-polarized optical tweezers. Introducing tools for Brownian dynamics analysis and light scatteringspectroscopy leads to a powerful system for research and application in numerous fields of science.

金ナノロッドの光駆動ロータリー モーター システムの構築と運用

The possibility to generate and measure rotation and torque at the nanoscale is of fundamental interest to the study and application of biological and ...

Probing Cell Mechanics with Bead-Free Optical Tweezers in the Drosophila Embryo

Morphogenesis requires coordination between genetic patterning and mechanical forces to robustly shape the cells and tissues. Hence, a challenge to understand morphogenetic processes is to directly measure cellular forces and mechanical properties in vivo during embryogenesis. Here, we present a setup of optical tweezers coupled to a light sheet microscope, which allows to directly apply forces on cell-cell contacts of the early Drosophila embryo, while imaging at a speed of several frames per second. This technique has the advantage that it does not require the injection of beads into the embryo, usually used as intermediate probes on which optical forces are exerted. We detail step by step the implementation of the setup, and propose tools to extract mechanical information from the experiments. By monitoring the displacements of cell-cell contacts in real time, one can perform tension measurements and investigate cell contacts&#39; rheology.

Probing Cell Mechanics with Bead-Free Optical Tweezers in the Drosophila Embryo

We present a setup of optical tweezers coupled to a light sheet microscope, and its implementation to probe cell mechanics without beads in the Drosophila embryo.

ショウジョウバエの胚のビーズ無料光ピンセット プローブ細胞力学

Morphogenesis requires coordination between genetic patterning and mechanical forces to robustly shape the cells and tissues. Hence, a challenge to ...

発生生物学

Use of Dual Optical Tweezers and Microfluidics for Single-Molecule Studies

Visual biochemistry is a powerful technique for observing the stochastic properties of single enzymes or enzyme complexes that are obscured in the averaging that takes place in bulk-phase studies. To achieve visualization, dual optical tweezers, where one trap is fixed and the other is mobile, are focused into one channel of a multi-stream microfluidic chamber positioned on the stage of an inverted fluorescence microscope. The optical tweezers trap single molecules of fluorescently labeled DNA and fluid flow through the chamber and past the trapped beads, stretches the DNA to B-form (under minimal force, i.e., 0 pN) with the nucleic acid being observed as a white string against a black background. DNA molecules are moved from one stream to the next, by translating the stage perpendicular to the flow to enable the initiation of reactions in a controlled manner. To achieve success, microfluidic devices with optically clear channels are mated to glass syringes held in place in a syringe pump. Optimal results use connectors permanently bonded to the flow cell, tubing that is mechanically rigid and chemically resistant, and which is connected to switching valves that eliminate bubbles that prohibit laminar flow.

Visual, single-molecule biochemistry studied through microfluidic chambers is greatly facilitated using glass barrel, gas-tight syringes, stable connections of tubing to flow cells, and elimination of bubbles by placing switching valves between the syringes and tubing. The protocol describes dual optical traps that enable visualization of DNA transactions and intermolecular interactions.

1分子研究のためのデュアル光ピンセットとマイクロ流体工学の使用

Visual biochemistry is a powerful technique for observing the stochastic properties of single enzymes or enzyme complexes that are obscured in the ...

生化学

Direct Force Measurements of Subcellular Mechanics in Confinement using Optical Tweezers

During the development of a multicellular organism, a single fertilized cell divides and gives rise to multiple tissues with diverse functions. Tissue morphogenesis goes in hand with molecular and structural changes at the single cell level that result in variations of subcellular mechanical properties. As a consequence, even within the same cell, different organelles and compartments resist differently to mechanical stresses; and mechanotransduction pathways can actively regulate their mechanical properties. The ability of a cell to adapt to the microenvironment of the tissue niche thus is in part due to the ability to sense and respond to mechanical stresses. We recently proposed a new mechanosensation paradigm in which nuclear deformation and positioning enables a cell to gauge the physical 3D environment and endows the cell with a sense of proprioception to decode changes in cell shape. In this article, we describe a new method to measure the forces and material properties that shape the cell nucleus inside living cells, exemplified on adherent cells and mechanically confined cells. The measurements can be performed non-invasively with optical traps inside cells, and the forces are directly accessible through calibration-free detection of light momentum. This allows measuring the mechanics of the nucleus independently from cell surface deformations and allowing dissection of exteroceptive and interoceptive mechanotransduction pathways. Importantly, the trapping experiment can be combined with optical microscopy to investigate the cellular response and subcellular dynamics using fluorescence imaging of the cytoskeleton, calcium ions, or nuclear morphology. The presented method is straightforward to apply, compatible with commercial solutions for force measurements, and can easily be extended to investigate the mechanics of other subcellular compartments, e.g., mitochondria, stress-fibers, and endosomes.

Here, we present a protocol to investigate the intracellular mechanical properties of isolated embryonic zebrafish cells in three-dimensional confinement with direct force measurement by an optical trap.

光ピンセットを用いた閉じ込めにおける細胞下力学の直接力測定

During the development of a multicellular organism, a single fertilized cell divides and gives rise to multiple tissues with diverse functions. Tissue ...

A Guide to Build a Highly Inclined Swept Tile Microscope for Extended Field-of-view Single-molecule Imaging

Single-molecule imaging has greatly advanced our understanding of molecular mechanisms in biological studies. However, it has been challenging to obtain large field-of-view, high-contrast images in thick cells and tissues. Here, we introduce highly inclined swept tile (HIST) microscopy that overcomes this problem. A pair of cylindrical lenses was implemented to generate an elongated excitation beam that was scanned over a large imaging area via a fast galvo mirror. A 4f configuration was used to position optical components. A scientific complementary metal-oxide semiconductor camera detected the fluorescence signal and blocked the out-of-focus background with a dynamic confocal slit synchronized with the beam sweeping. We present a step-by-step instruction on building the HIST microscope with all basic components.

A detailed instruction is described on how to build a highly inclined swept tile (HIST) microscope and its usage for single-molecule imaging.

高傾斜の構築ガイド拡張ビュー フィールドの単一分子イメージング用タイル顕微鏡を掃引

Single-molecule imaging has greatly advanced our understanding of molecular mechanisms in biological studies. However, it has been challenging to obtain ...

Digital Inline Holographic Microscopy (DIHM) of Weakly-scattering Subjects

Weakly-scattering objects, such as small colloidal particles and most biological cells, are frequently encountered in microscopy. Indeed, a range of techniques have been developed to better visualize these phase objects; phase contrast and DIC are among the most popular methods for enhancing contrast. However, recording position and shape in the out-of-imaging-plane direction remains challenging. This report introduces a simple experimental method to accurately determine the location and geometry of objects in three dimensions, using digital inline holographic microscopy (DIHM). Broadly speaking, the accessible sample volume is defined by the camera sensor size in the lateral direction, and the illumination coherence in the axial direction. Typical sample volumes range from 200 &#181;m&#160;x 200 &#181;m&#160;x 200 &#181;m using LED illumination, to 5 mm&#160;x 5 mm&#160;x 5 mm or larger using laser illumination. This illumination light is configured so that plane waves are incident on the sample. Objects in the sample volume then scatter light, which interferes with the unscattered light to form interference patterns perpendicular to the illumination direction. This image (the hologram) contains the depth information required for three-dimensional reconstruction, and can be captured on a standard imaging device such as a CMOS or CCD camera. The Rayleigh-Sommerfeld back propagation method is employed to numerically refocus microscope images, and a simple imaging heuristic based on the Gouy phase anomaly is used to identify scattering objects within the reconstructed volume. This simple but robust method results in an unambiguous, model-free measurement of the location and shape of objects in microscopic samples.

Digital Inline Holographic Microscopy DIHM of Weakly-scattering Subjects

The three-dimensional locations of weakly-scattering objects can be uniquely identified using digital inline holographic microscopy (DIHM), which involves a minor modification to a standard microscope. Our software uses a simple imaging heuristic coupled with Rayleigh-Sommerfeld back-propagation to yield the three-dimensional position and geometry of a microscopic phase object.

弱散乱被験者のデジタルインラインホログラフィ顕微鏡（DIHM）

Weakly-scattering objects, such as small colloidal particles and most biological cells, are frequently encountered in microscopy. Indeed, a range of ...

従来のホログラフィック光トラッピング機能を備えた高分解能顕微鏡の構成

要約

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動的な生細胞イメージングのための宿主 - 病原体相互作用の研究のための光トラップの使用

マルチアングル照明とピクセル超高解像度を採用しLensfreeオンチップ·トモグラフィー顕微鏡

MEMS検査および特性評価のためのコンパクトなレンズレスデジタルホログラフィック顕微鏡

ハイパーレンズ一体型顕微鏡と超解像イメージングのデモ

金ナノロッドの光駆動ロータリーモーターシステムの構築と運用

ショウジョウバエの胚のビーズ無料光ピンセットプローブ細胞力学

1分子研究のためのデュアル光ピンセットとマイクロ流体工学の使用

光ピンセットを用いた閉じ込めにおける細胞下力学の直接力測定

高傾斜の構築ガイド拡張ビューフィールドの単一分子イメージング用タイル顕微鏡を掃引

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