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Method Article
Este detalhes de protocolo a construção e operação de um microscópio de rastreamento em tempo real 3D única partícula capaz de rastreamento nanoescala fluorescente sondas em alta velocidade difusiva e taxas de contagem de fótons de baixa.
Partícula de única tridimensional em tempo real (RT-3D-SPT) de rastreamento tem o potencial de lançar luz sobre os processos rápidos, 3D em sistemas celulares. Apesar de vários métodos de RT-3D-SPT têm sido apresentados nos últimos anos, alta velocidade de rastreamento 3D difusão de partículas em taxas de contagem de fótons de baixa continua a ser um desafio. Além disso, as configurações de RT-3D-SPT são geralmente complexos e difíceis de implementar, limitando sua aplicação generalizada de problemas biológicos. Este protocolo apresenta um sistema de RT-3D-SPT chamado 3D dinâmica fóton localização de rastreamento (3D-DyPLoT), que pode acompanhar a partículas com alta velocidade difusiva (até 20 µm2/s) em taxas de contagem de fótons de baixa (abaixo de 10 kHz). 3D-DyPLoT emprega um defletor de electro-óptica 2D (2D-EOD) e uma lente gradiente acústico sintonizável (TAG) para conduzir um único foco laser ponto dinamicamente em 3D. Combinada com um algoritmo de estimativa de posição otimizada, 3D-DyPLoT pode travar em partículas única com acompanhamento de alta velocidade e localização de alta precisão. Devido à sua excitação única e layout de caminho único deteção, 3D-DyPLoT é robusto e fácil de configurar. Este protocolo discute como construir 3D-DyPLoT passo a passo. Primeiro, o layout óptico é descrito. Em seguida, o sistema é calibrado e otimizado por raster um grânulo de fluorescente 190 nm com o nanopositioner piezoeléctrica de digitalização. Finalmente, para demonstrar o 3D em tempo real, capacidade de rastreamento, grânulos de fluorescente 110 nm são controlados em água.
O surgimento de técnicas avançadas de imagem abriu uma janela para ver a estrutura cada vez mais detalhada de fenômenos celulares, todo o caminho até o nível molecular. Métodos como reconstrução óptica estocástico microscopia (Tempestade)1,2,3, localização de foto-ativado microscopia (PALM)4,5,6,7 , estruturada iluminação microscopia (SIM)8,9,10,11e estimulou a emissão depleção microscopia (STED)12,13, 14 tem ido muito além do limite de difração para entregar detalhe sem precedentes na estrutura e função das células vivas. No entanto, completo entendimento de como esses sistemas se comportam requer informações dinâmicas, bem como informações estruturais. Os métodos de super-resolução listados acima envolvem um trade-off entre resolução espacial e resolução temporal, limitando a precisão temporal com os quais processos dinâmicos podem ser sondados. Um método que fornece alta precisão espacial e resolução temporal é RT-3D-SPT15,16,17,18,19,20, 21,22,23,24,25,26,,27,28,29. Aqui, podemos estabelecer uma distinção entre 3D-SPT tradicional30 e RT-3D-TSC tradicional 3D-SPT requer simplesmente uma séries de dados de imagem tridimensional (que podem ser adquiridos ou usando um microscópio confocal ou um microscópio de epifluorescência dada a configuração certa). 3D-SPT tradicional, as coordenadas da partícula são determinadas após a coleta de dados localizando a partícula em cada pilha de imagem e concatenando os locais em sucessivos volumes para criar uma trajetória. Para esses métodos, a resolução temporal final é determinada pela taxa de imagem volumétrica. Para microscópios confocal, isto é facilmente a escala de segundos para dezenas de segundos. Para métodos de epifluorescência, onde o caminho óptico é manipulado para que as informações de localização axial podem ser extraídas, a resolução temporal é limitada pelo tempo de exposição ou leitura a câmera. Esses métodos de epifluorescente são limitados no intervalo durante o qual axiais informações podem ser coletadas, embora recentes progressos na fase de avião de Fourier máscaras design e óptica adaptativa está ampliando esses intervalos de 10 µm ou mais31,32 , 33 , 34.
Em contraste, RT-3D-SPT não se baseia na aquisição de uma pilha de imagem 3D e encontrar partículas após o fato. Em vez disso, informações de localização em tempo real são extraídas através de detectores de ponto único e gabarito é aplicado para efetivamente "bloquear" a partícula no volume focal da lente objetiva, através do uso de um palco piezoelétrico de alta velocidade. Isto permite a medição contínua da posição da partícula limitada somente por quantos fótons podem ser coletados. Além disso, esse método permite interrogatório espectral da partícula, enquanto se move ao longo de intervalos de tempo. RT-3D-SPT em vigor as forças funciona semelhante a uma armadilha óptica força-livre para objetos de nanoescala, no qual a partícula é continuamente analisada e medida em tempo real sem a necessidade de poderes grandes do laser ou óptico. Dado que o RT-3D-SPT fornece um meio para interrogatório contínuo de objetos rápido difusiva (até 20 µm2/s)25,29 em três dimensões no fóton baixa contagem taxas20,29, 35, ele deve fornecer uma janela em processos biológicos rápidos ou transitórios como transporte intracelular, ligação ao ligante-receptor e a dinâmica extracelular dos virions único. No entanto, a este ponto, a aplicação do RT-3D-SPT tem sido limitada a um punhado de grupos de trabalho para o avanço desta tecnologia.
Uma barreira é a complexidade do layout óptico exigido por métodos de RT-3D-SPT, que são variados. Para a maioria dos métodos, o gabarito ótico é fornecido por um estágio piezoelétrico. Como os partícula faz pequenos movimentos em X, Y, ou Z, leituras de ponto único detectores são convertidos para funções de erro e alimentados em alta velocidade para um nanopositioner piezoeléctrica, que em sua vez move a amostra para neutralizar o movimento da partícula, efetivamente bloqueando-a no lugar em relação a lente objetiva. Para medir pequenos movimentos posicionais em X, Y e Z, vários pontos de excitação ou de múltiplos detectores (4 ou 5 dependendo da implementação)15,18,21 (2-4, o mais baixo do que pode ser aplicado se um bloqueio-em amplificador é usado para extrair o X e Y posição usando um giro laser ponto)25,28 são aplicadas. A sobreposição desses múltiplos pontos de deteção e emissão de dificultar os sistemas alinhar e manter.
Neste documento, apresentamos um método 3D-SPT-mira de alta velocidade com um design óptico simplificado chamado 3D-DyPLoT29. 3D-DyPLoT usa um 2D-EOD e um TAG lente36,37,38 para mover dinamicamente um ponto laser focalizado através do volume focal objectivo em uma taxa elevada (50 kHz XY, 70 kHz Z). Combinando a posição do foco do laser e o tempo de chegada do fóton permite que a posição da partícula 3D rapidamente obtidos até no taxas de contagem de fótons de baixa. A 2D-EOD dirige o foco do laser em turnê padrão39 com um tamanho quadrado de 1 x 1 µm no plano X-Y de um cavaleiro e a lente de TAG move o foco do laser no sentido axial, com um intervalo de 2-4 µm. A posição da partícula 3D é obtida com uma estimativa de posição otimizado algoritmo29,40 em 3D. O controle do 3D dinamicamente movente do laser ponto, fotão contando do fotodiodo avalanche (APD), cálculo de posição de partículas em tempo real, gabarito estágio piezoelétrico e gravação de dados são executadas em uma disposição de porta programável do campo (FPGA).Neste protocolo, descrevemos como construir um microscópio 3D-DyPLoT passo a passo, incluindo alinhamento óptico, calibração com partículas fixas e finalmente livre de rastreamento de partículas. Como demonstração, grânulos de fluorescente 110 nm foram rastreados continuamente na água por minutos a uma hora.
O método descrito aqui é uma escolha ideal para qualquer aplicação onde se deseja monitorar continuamente uma sonda fluorescente velozes em níveis baixos de luz, incluindo vírus, nanopartículas e vesículas como endossomos. Em contraste com os métodos anteriores, há apenas uma única excitação e caminho único deteção, fazendo o alinhamento e manutenção simples. Além disso, a área grande de detecção permite que este microscópio facilmente buscar difundir rapidamente partículas, enquanto a capacidade de controlar o nível de sinal baixo (até 10KHz) faz com que este método ideal para aplicações de baixa luminosidade,29.
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1. configuração de Layout e alinhamento
2... preparação da amostra.
3. otimizar parâmetros de controle
4. em tempo real 3D Tracking de difundir livremente nanopartículas
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Partícula fixa digitalização (Figura 4) e difunde livremente 110 nm fluorescente partícula de controle (Figura 5) foram realizados seguindo o protocolo acima. A digitalização de partícula foi realizada movendo os fótons nanopositioner e bin piezoelétricos enquanto simultaneamente cálculo da partícula calcula a posição em cada ponto no scan. A imagem de varredura mostra um quadrado de intensidade mesmo (
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Embora muitas variedades de 3D única partícula métodos de rastreamento têm surgido nos últimos anos, robusto acompanhamento em tempo real de difusão 3D de alta velocidade em taxas de contagem de fótons de baixa com uma configuração simples ainda é um desafio, o que limita sua aplicação biológica importante problemas. O método 3D-DyPLoT descrito em endereços este protocolo estes desafios de várias maneiras. Em primeiro lugar, as vias de excitação e deteção são simplificadas muito comparado a outras im...
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Os autores declaram não concorrentes interesses financeiros.
Este trabalho foi financiado pelo Instituto Nacional de General Medical Ciências, dos institutos nacionais de saúde, sob número de prêmio R35GM124868 e pela Duke University.
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
2D Electro-optic Deflector | ConOptics | M310A | 2 required |
Power supply for EOD | ConOptics | 412 | Converts FPGA ouput to high voltage for EOD |
TAG Lens | TAG Optics | TAG 2.0 | Used to deflect laser along axial direction |
XY piezoelectric nanopositioner | MadCity Labs | Nano-PDQ275HS | Used for moving the sample to lock the particle in the objective focal volume in |
Z piezoelectric nanoposiitoner | MadCity Labs | Nano-OP65HS | Used to move the objective lens to follow the diffusing particle |
Micropositioner | MadCity Labs | MicroDrive | Used to coarsely position sample and evaluate |
Objective Lens | Zeiss | PlanApo | High numerical aperture required for best sensitivity. 100X, 1.49 NA, M27, Zeiss |
sCMOS camera | PCO | pco.edge 4.2 | Used to monitor the particle's position |
APD | Excelitas | SPCM-ARQH-15 | Lower dark counts beneficial |
Field programmable gate array | National Instruments | NI-7852r | |
Software | National Instruments | LabVIEW | |
Tracking excitation laser | JDSU | FCD488-30 | |
Lens | ThorLabs | AC254-150-A-ML | L1 |
Lens | ThorLabs | AC254-200-A-ML | L2 |
Pinhole | ThorLabs | P75S | PH |
Glan-Thompson Polarizer | ThorLabs | GTH5-A | GT |
Half-wave plate | ThorLabs | WPH05M-488 | WP |
Lens | ThorLabs | AC254-75-A-ML | L3 |
Lens | ThorLabs | AC254-250-A-ML | L4 |
Lens | ThorLabs | AC254-200-A-ML | L5 |
Lens | ThorLabs | AC254-200-A-ML | L6 |
Dichroic Mirror | Chroma | ZT405/488/561/640rpc | DC |
Fluorescence Emission Filter | Chroma | D535/40m | F |
10/90 beamsplitter | Chroma | 21012 | BS |
PBS | Sigma | D8537 | |
190 nm fluorescent nanoparticles | Bangs laboratories | FC02F/9942 | |
110 nm fluorescent nanoparticles | Bangs laboratories | FC02F/10617 | |
Coverslip | Fisher Scientific | 12-545A | |
Powermeter | Thorlabs | PM100D | |
CMOS | Thorlabs | DCC1545M | |
Iris | Thorlabs | SM1D12D | |
Microscope | Mad City Labs | RM21 |
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