Abstract

In wide-field fluorescence microscopy, illuminating the specimen with evanescent standing waves increases lateral resolution more than twofold. We report a versatile setup for standing-wave illumination in total internal reflection fluorescence microscopy. An adjustable diffraction grating written on a phase-only spatial light modulator controls the illumination field. Selecting appropriate diffraction orders and displaying a sheared (tilted) diffraction grating allows one to tune the penetration depth in very fine steps. The setup achieves 91nm lateral resolution for green emission.

© 2008 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. H. Schneckenburger, Curr. Opin. Biotechnol. 16, 13 (2005).
    [CrossRef] [PubMed]
  2. D. Axelrod, in Biophotonics, Part B, G.Marriot and I.Parker, eds. (Academic, 2003), p. 1.
    [CrossRef]
  3. W. Lukosz, J. Opt. Soc. Am. 56, 1463 (1966).
    [CrossRef]
  4. J. T. Frohn, H. F. Knapp, and A. Stemmer, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, 7232 (2000).
    [CrossRef] [PubMed]
  5. M. G. L. Gustafsson, J. Microsc. 198, 82 (2000).
    [CrossRef] [PubMed]
  6. G. Cragg and P. T. C. So, Opt. Lett. 25, 46 (2000).
    [CrossRef]
  7. A. Sentenac, K. Belkebir, H. Giovannini, and P. C. Chaumet, Opt. Lett. 33, 255 (2008).
    [CrossRef] [PubMed]
  8. M. Hofmann, C. Eggeling, S. Jakobs, and S. W. Hell, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 17565 (2005).
    [CrossRef] [PubMed]
  9. T. A. Klar, S. Jakobs, M. Dyba, A. Egner, and S. W. Hell, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, 8206 (2000).
    [CrossRef] [PubMed]
  10. M. G. L. Gustafsson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 13081 (2005).
    [CrossRef] [PubMed]
  11. R. Heintzmann, T. M. Jovin, and C. Cremer, J. Opt. Soc. Am. A 19, 1599 (2002).
    [CrossRef]
  12. E. Betzig, G. H. Patterson, R. Sougrat, O. W. Lindwasser, S. Olenych, J. S. Bonifacino, M. W. Davidson, J. Lippincott-Schwartz, and H. F. Hess, Science 313, 1642 (2006).
    [CrossRef] [PubMed]
  13. M. J. Rust, M. Bates, and X. W. Zhuang, Nat. Methods 3, 793 (2006).
    [CrossRef] [PubMed]
  14. E. Chung, D. K. Kim, and P. T. C. So, Opt. Lett. 31, 945 (2006).
    [CrossRef] [PubMed]
  15. E. Chung, D. Kim, Y. Cui, Y. H. Kim, and P. T. C. So, Biophys. J. 93, 1747 (2007).
    [CrossRef] [PubMed]
  16. M. Beck, M. Aschwanden, and A. Stemmer, J. Microsc. (to be published).

2008 (1)

2007 (1)

E. Chung, D. Kim, Y. Cui, Y. H. Kim, and P. T. C. So, Biophys. J. 93, 1747 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

2006 (3)

E. Chung, D. K. Kim, and P. T. C. So, Opt. Lett. 31, 945 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

E. Betzig, G. H. Patterson, R. Sougrat, O. W. Lindwasser, S. Olenych, J. S. Bonifacino, M. W. Davidson, J. Lippincott-Schwartz, and H. F. Hess, Science 313, 1642 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

M. J. Rust, M. Bates, and X. W. Zhuang, Nat. Methods 3, 793 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

2005 (3)

M. G. L. Gustafsson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 13081 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

H. Schneckenburger, Curr. Opin. Biotechnol. 16, 13 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

M. Hofmann, C. Eggeling, S. Jakobs, and S. W. Hell, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 17565 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

2002 (1)

2000 (4)

G. Cragg and P. T. C. So, Opt. Lett. 25, 46 (2000).
[CrossRef]

T. A. Klar, S. Jakobs, M. Dyba, A. Egner, and S. W. Hell, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, 8206 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

J. T. Frohn, H. F. Knapp, and A. Stemmer, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, 7232 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

M. G. L. Gustafsson, J. Microsc. 198, 82 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

1966 (1)

Aschwanden, M.

M. Beck, M. Aschwanden, and A. Stemmer, J. Microsc. (to be published).

Axelrod, D.

D. Axelrod, in Biophotonics, Part B, G.Marriot and I.Parker, eds. (Academic, 2003), p. 1.
[CrossRef]

Bates, M.

M. J. Rust, M. Bates, and X. W. Zhuang, Nat. Methods 3, 793 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Beck, M.

M. Beck, M. Aschwanden, and A. Stemmer, J. Microsc. (to be published).

Belkebir, K.

Betzig, E.

E. Betzig, G. H. Patterson, R. Sougrat, O. W. Lindwasser, S. Olenych, J. S. Bonifacino, M. W. Davidson, J. Lippincott-Schwartz, and H. F. Hess, Science 313, 1642 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Bonifacino, J. S.

E. Betzig, G. H. Patterson, R. Sougrat, O. W. Lindwasser, S. Olenych, J. S. Bonifacino, M. W. Davidson, J. Lippincott-Schwartz, and H. F. Hess, Science 313, 1642 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Chaumet, P. C.

Chung, E.

E. Chung, D. Kim, Y. Cui, Y. H. Kim, and P. T. C. So, Biophys. J. 93, 1747 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

E. Chung, D. K. Kim, and P. T. C. So, Opt. Lett. 31, 945 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Cragg, G.

Cremer, C.

Cui, Y.

E. Chung, D. Kim, Y. Cui, Y. H. Kim, and P. T. C. So, Biophys. J. 93, 1747 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Davidson, M. W.

E. Betzig, G. H. Patterson, R. Sougrat, O. W. Lindwasser, S. Olenych, J. S. Bonifacino, M. W. Davidson, J. Lippincott-Schwartz, and H. F. Hess, Science 313, 1642 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Dyba, M.

T. A. Klar, S. Jakobs, M. Dyba, A. Egner, and S. W. Hell, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, 8206 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Eggeling, C.

M. Hofmann, C. Eggeling, S. Jakobs, and S. W. Hell, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 17565 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

Egner, A.

T. A. Klar, S. Jakobs, M. Dyba, A. Egner, and S. W. Hell, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, 8206 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Frohn, J. T.

J. T. Frohn, H. F. Knapp, and A. Stemmer, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, 7232 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Giovannini, H.

Gustafsson, M. G. L.

M. G. L. Gustafsson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 13081 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

M. G. L. Gustafsson, J. Microsc. 198, 82 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Heintzmann, R.

Hell, S. W.

M. Hofmann, C. Eggeling, S. Jakobs, and S. W. Hell, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 17565 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

T. A. Klar, S. Jakobs, M. Dyba, A. Egner, and S. W. Hell, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, 8206 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Hess, H. F.

E. Betzig, G. H. Patterson, R. Sougrat, O. W. Lindwasser, S. Olenych, J. S. Bonifacino, M. W. Davidson, J. Lippincott-Schwartz, and H. F. Hess, Science 313, 1642 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Hofmann, M.

M. Hofmann, C. Eggeling, S. Jakobs, and S. W. Hell, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 17565 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

Jakobs, S.

M. Hofmann, C. Eggeling, S. Jakobs, and S. W. Hell, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 17565 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

T. A. Klar, S. Jakobs, M. Dyba, A. Egner, and S. W. Hell, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, 8206 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Jovin, T. M.

Kim, D.

E. Chung, D. Kim, Y. Cui, Y. H. Kim, and P. T. C. So, Biophys. J. 93, 1747 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Kim, D. K.

Kim, Y. H.

E. Chung, D. Kim, Y. Cui, Y. H. Kim, and P. T. C. So, Biophys. J. 93, 1747 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Klar, T. A.

T. A. Klar, S. Jakobs, M. Dyba, A. Egner, and S. W. Hell, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, 8206 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Knapp, H. F.

J. T. Frohn, H. F. Knapp, and A. Stemmer, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, 7232 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Lindwasser, O. W.

E. Betzig, G. H. Patterson, R. Sougrat, O. W. Lindwasser, S. Olenych, J. S. Bonifacino, M. W. Davidson, J. Lippincott-Schwartz, and H. F. Hess, Science 313, 1642 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Lippincott-Schwartz, J.

E. Betzig, G. H. Patterson, R. Sougrat, O. W. Lindwasser, S. Olenych, J. S. Bonifacino, M. W. Davidson, J. Lippincott-Schwartz, and H. F. Hess, Science 313, 1642 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Lukosz, W.

Olenych, S.

E. Betzig, G. H. Patterson, R. Sougrat, O. W. Lindwasser, S. Olenych, J. S. Bonifacino, M. W. Davidson, J. Lippincott-Schwartz, and H. F. Hess, Science 313, 1642 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Patterson, G. H.

E. Betzig, G. H. Patterson, R. Sougrat, O. W. Lindwasser, S. Olenych, J. S. Bonifacino, M. W. Davidson, J. Lippincott-Schwartz, and H. F. Hess, Science 313, 1642 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Rust, M. J.

M. J. Rust, M. Bates, and X. W. Zhuang, Nat. Methods 3, 793 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Schneckenburger, H.

H. Schneckenburger, Curr. Opin. Biotechnol. 16, 13 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

Sentenac, A.

So, P. T. C.

Sougrat, R.

E. Betzig, G. H. Patterson, R. Sougrat, O. W. Lindwasser, S. Olenych, J. S. Bonifacino, M. W. Davidson, J. Lippincott-Schwartz, and H. F. Hess, Science 313, 1642 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Stemmer, A.

J. T. Frohn, H. F. Knapp, and A. Stemmer, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, 7232 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

M. Beck, M. Aschwanden, and A. Stemmer, J. Microsc. (to be published).

Zhuang, X. W.

M. J. Rust, M. Bates, and X. W. Zhuang, Nat. Methods 3, 793 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Biophys. J. (1)

E. Chung, D. Kim, Y. Cui, Y. H. Kim, and P. T. C. So, Biophys. J. 93, 1747 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Curr. Opin. Biotechnol. (1)

H. Schneckenburger, Curr. Opin. Biotechnol. 16, 13 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

J. Microsc. (1)

M. G. L. Gustafsson, J. Microsc. 198, 82 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

J. Opt. Soc. Am. (1)

J. Opt. Soc. Am. A (1)

Nat. Methods (1)

M. J. Rust, M. Bates, and X. W. Zhuang, Nat. Methods 3, 793 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Opt. Lett. (3)

Proc. Natl. Acad. Sci. USA (4)

M. Hofmann, C. Eggeling, S. Jakobs, and S. W. Hell, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 17565 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

T. A. Klar, S. Jakobs, M. Dyba, A. Egner, and S. W. Hell, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, 8206 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

M. G. L. Gustafsson, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 13081 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

J. T. Frohn, H. F. Knapp, and A. Stemmer, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, 7232 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Science (1)

E. Betzig, G. H. Patterson, R. Sougrat, O. W. Lindwasser, S. Olenych, J. S. Bonifacino, M. W. Davidson, J. Lippincott-Schwartz, and H. F. Hess, Science 313, 1642 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

Other (2)

D. Axelrod, in Biophotonics, Part B, G.Marriot and I.Parker, eds. (Academic, 2003), p. 1.
[CrossRef]

M. Beck, M. Aschwanden, and A. Stemmer, J. Microsc. (to be published).

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1
Fig. 1

(a) Optical scheme of the TIRF-HELM setup. (b) Variation of the grating vector K upon shearing. Shearing increases the modulus of K.

Fig. 2
Fig. 2

Variation of the incident angle and the modulation depth when shearing a grating with an initial period of 17   pixels .

Fig. 3
Fig. 3

50 nm fluorescent beads imaged by (a) standard TIRF microscopy and (b) TIRF—HELM. Insets show corresponding magnified views of the marked areas and the calculated averaged point spread functions.

Metrics