Abstract

This Letter proposes a method referred to as distorted grating (DG) and double-helix point spread function (DH-PSF) combination microscopy (DDCM), which is capable of multiparticle parallel localization and tracking in a transparent sample thicker than 10 μm, the thickness of cells. A special phase mask, combining the field depth extension capabilities of DG with the three-dimensional (3D) nanolocalization capabilities of the DH-PSF, is designed for multiparticle parallel localization. Time-lapse tracking of one particle moving along the z axis and parallel tracking of two particles are simulated. Results demonstrate that, with only a single snapshot, particles can be localized, tracking with 3D nanoresolution wherever they are. The theoretical localization precisions of DDCM, DH-PSF, and multifocus microscopy are compared. DDCM results in almost constant localization precisions in all three dimensions for a depth of field larger than 10 μm. DDCM is expected to become a tool in investigations of important dynamic events in living cells.

© 2013 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. A. Sergé, N. Bertaux, H. Rigneault, and D. Marguet, Nat. Methods 5, 687 (2008).
    [CrossRef]
  2. I. Mellman, Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 12, 575 (1996).
    [CrossRef]
  3. F. R. Maxfield and T. E. McGraw, Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 5, 121 (2004).
    [CrossRef]
  4. W. E. Moerner and D. P. Fromm, Rev. Sci. Instrum. 74, 3597 (2003).
    [CrossRef]
  5. A. Yildiz, J. N. Forkey, S. A. McKinney, T. Ha, Y. E. Goldman, and P. R. Selvin, Science 300, 2061 (2003).
    [CrossRef]
  6. B. Huang, W. Wang, M. Bates, and X. Zhuang, Science 319, 810 (2008).
    [CrossRef]
  7. S. Ram, P. Prabhat, E. S. Ward, and R. J. Ober, Opt. Express 17, 6881 (2009).
    [CrossRef]
  8. M. F. Juette, T. J. Gould, M. D. Lessard, M. J. Mlodzianoski, B. S. Nagpure, B. T. Bennett, S. T. Hess, and J. Bewersdorf, Nat. Methods 5, 527 (2008).
    [CrossRef]
  9. T. Erdal, B. Hamza, H. B. Benjamin, and R. S. Paul, Nano Lett. 7, 2043 (2007).
    [CrossRef]
  10. G. Shtengel, J. A. Galbraith, C. G. Galbraith, J. Lippincott-Schwartz, J. M. Gillette, S. Manley, R. Sougrat, C. M. Waterman, P. Kanchanawong, M. W. Davidson, R. D. Fetter, and H. F. Hess, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 3125 (2009).
    [CrossRef]
  11. S. R. P. Pavani, M. A. Thompson, J. S. Biteen, S. J. Lord, N. Liu, R. J. Twieg, R. Piestun, and W. E. Moerner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 2995 (2009).
    [CrossRef]
  12. S. R. P. Pavani and R. Piestun, Opt. Express 16, 22048 (2008).
    [CrossRef]
  13. M. D. Lew, S. F. Lee, M. Badieirostami, and W. E. Moerner, Opt. Lett. 36, 202 (2011).
    [CrossRef]
  14. P. Prabhat, S. Ram, E. S. Ward, and R. J. Ober, IEEE Trans. Nanobiosci. 3, 237 (2004).
    [CrossRef]
  15. P. Prabhat, S. Ram, E. S. Ward, and R. J. Ober, Proc. SPIE 6090, 60900L (2006).
    [CrossRef]
  16. S. Ram, D. Kim, E. S. Ward, and R. J. Ober, Biophys. J. 103, 1594 (2012).
    [CrossRef]
  17. S. Abrahamsson, J. Chen, B. Hajj, S. Stallinga, A. Y. Katsov, J. Wisniewski, G. Mizuguchi, P. Soule, F. Mueller, C. D. Darzacq, X. Darzacq, C. Wu, C. I. Bargmann, D. A. Agard, M. Dahan, and M. G. L. Gustafsson, Nat. Methods 10, 60 (2012).
    [CrossRef]
  18. P. M. Blanchard and A. H. Greenaway, Appl. Opt. 38, 6692 (1999).
    [CrossRef]
  19. R. Piestun, Y. Y. Schechner, and J. Shamir, J. Opt. Soc. Am. A 17, 294 (2000).
    [CrossRef]
  20. S. R. P. Pavani and R. Piestun, Opt. Express 16, 3484 (2008).
    [CrossRef]
  21. R. J. Ober, S. Ram, and E. S. Ward, Biophys. J. 86, 1185 (2004).
    [CrossRef]
  22. M. J. Rust, M. Bates, and X. Zhuang, Nat. Methods 3, 793 (2006).
    [CrossRef]
  23. 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]
  24. S. T. Hess, T. P. K. Girirajan, and M. D. Mason, Biophys. J. 91, 4258 (2006).
    [CrossRef]
  25. G. Grover, S. Quirin, C. Fiedler, and R. Piestun, Biomed. Opt. Express 2, 3010 (2011).
    [CrossRef]
  26. P. A. Dalgarno, H. I. C. Dalgarno, A. Putoud, R. Lambert, L. Paterson, D. C. Logan, D. P. Towers, R. J. Warburton, and A. H. Greenaway, Opt. Express 18, 877 (2010).
    [CrossRef]
  27. C. Wu, T. Schneider, M. Zeigler, J. Yu, P. Schiro, D. Burnham, J. D. McNeill, and D. T. Chiu, J. Am. Chem. Soc. 132, 15410 (2010).
    [CrossRef]
  28. J. C. Vaughan, S. Jia, and X. Zhuang, Nat. Methods 9, 1181 (2012).
    [CrossRef]

2012 (3)

S. Ram, D. Kim, E. S. Ward, and R. J. Ober, Biophys. J. 103, 1594 (2012).
[CrossRef]

S. Abrahamsson, J. Chen, B. Hajj, S. Stallinga, A. Y. Katsov, J. Wisniewski, G. Mizuguchi, P. Soule, F. Mueller, C. D. Darzacq, X. Darzacq, C. Wu, C. I. Bargmann, D. A. Agard, M. Dahan, and M. G. L. Gustafsson, Nat. Methods 10, 60 (2012).
[CrossRef]

J. C. Vaughan, S. Jia, and X. Zhuang, Nat. Methods 9, 1181 (2012).
[CrossRef]

2011 (2)

2010 (2)

P. A. Dalgarno, H. I. C. Dalgarno, A. Putoud, R. Lambert, L. Paterson, D. C. Logan, D. P. Towers, R. J. Warburton, and A. H. Greenaway, Opt. Express 18, 877 (2010).
[CrossRef]

C. Wu, T. Schneider, M. Zeigler, J. Yu, P. Schiro, D. Burnham, J. D. McNeill, and D. T. Chiu, J. Am. Chem. Soc. 132, 15410 (2010).
[CrossRef]

2009 (3)

S. Ram, P. Prabhat, E. S. Ward, and R. J. Ober, Opt. Express 17, 6881 (2009).
[CrossRef]

G. Shtengel, J. A. Galbraith, C. G. Galbraith, J. Lippincott-Schwartz, J. M. Gillette, S. Manley, R. Sougrat, C. M. Waterman, P. Kanchanawong, M. W. Davidson, R. D. Fetter, and H. F. Hess, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 3125 (2009).
[CrossRef]

S. R. P. Pavani, M. A. Thompson, J. S. Biteen, S. J. Lord, N. Liu, R. J. Twieg, R. Piestun, and W. E. Moerner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 2995 (2009).
[CrossRef]

2008 (5)

S. R. P. Pavani and R. Piestun, Opt. Express 16, 22048 (2008).
[CrossRef]

M. F. Juette, T. J. Gould, M. D. Lessard, M. J. Mlodzianoski, B. S. Nagpure, B. T. Bennett, S. T. Hess, and J. Bewersdorf, Nat. Methods 5, 527 (2008).
[CrossRef]

A. Sergé, N. Bertaux, H. Rigneault, and D. Marguet, Nat. Methods 5, 687 (2008).
[CrossRef]

B. Huang, W. Wang, M. Bates, and X. Zhuang, Science 319, 810 (2008).
[CrossRef]

S. R. P. Pavani and R. Piestun, Opt. Express 16, 3484 (2008).
[CrossRef]

2007 (1)

T. Erdal, B. Hamza, H. B. Benjamin, and R. S. Paul, Nano Lett. 7, 2043 (2007).
[CrossRef]

2006 (4)

P. Prabhat, S. Ram, E. S. Ward, and R. J. Ober, Proc. SPIE 6090, 60900L (2006).
[CrossRef]

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

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]

S. T. Hess, T. P. K. Girirajan, and M. D. Mason, Biophys. J. 91, 4258 (2006).
[CrossRef]

2004 (3)

P. Prabhat, S. Ram, E. S. Ward, and R. J. Ober, IEEE Trans. Nanobiosci. 3, 237 (2004).
[CrossRef]

R. J. Ober, S. Ram, and E. S. Ward, Biophys. J. 86, 1185 (2004).
[CrossRef]

F. R. Maxfield and T. E. McGraw, Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 5, 121 (2004).
[CrossRef]

2003 (2)

W. E. Moerner and D. P. Fromm, Rev. Sci. Instrum. 74, 3597 (2003).
[CrossRef]

A. Yildiz, J. N. Forkey, S. A. McKinney, T. Ha, Y. E. Goldman, and P. R. Selvin, Science 300, 2061 (2003).
[CrossRef]

2000 (1)

1999 (1)

1996 (1)

I. Mellman, Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 12, 575 (1996).
[CrossRef]

Abrahamsson, S.

S. Abrahamsson, J. Chen, B. Hajj, S. Stallinga, A. Y. Katsov, J. Wisniewski, G. Mizuguchi, P. Soule, F. Mueller, C. D. Darzacq, X. Darzacq, C. Wu, C. I. Bargmann, D. A. Agard, M. Dahan, and M. G. L. Gustafsson, Nat. Methods 10, 60 (2012).
[CrossRef]

Agard, D. A.

S. Abrahamsson, J. Chen, B. Hajj, S. Stallinga, A. Y. Katsov, J. Wisniewski, G. Mizuguchi, P. Soule, F. Mueller, C. D. Darzacq, X. Darzacq, C. Wu, C. I. Bargmann, D. A. Agard, M. Dahan, and M. G. L. Gustafsson, Nat. Methods 10, 60 (2012).
[CrossRef]

Badieirostami, M.

Bargmann, C. I.

S. Abrahamsson, J. Chen, B. Hajj, S. Stallinga, A. Y. Katsov, J. Wisniewski, G. Mizuguchi, P. Soule, F. Mueller, C. D. Darzacq, X. Darzacq, C. Wu, C. I. Bargmann, D. A. Agard, M. Dahan, and M. G. L. Gustafsson, Nat. Methods 10, 60 (2012).
[CrossRef]

Bates, M.

B. Huang, W. Wang, M. Bates, and X. Zhuang, Science 319, 810 (2008).
[CrossRef]

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

Benjamin, H. B.

T. Erdal, B. Hamza, H. B. Benjamin, and R. S. Paul, Nano Lett. 7, 2043 (2007).
[CrossRef]

Bennett, B. T.

M. F. Juette, T. J. Gould, M. D. Lessard, M. J. Mlodzianoski, B. S. Nagpure, B. T. Bennett, S. T. Hess, and J. Bewersdorf, Nat. Methods 5, 527 (2008).
[CrossRef]

Bertaux, N.

A. Sergé, N. Bertaux, H. Rigneault, and D. Marguet, Nat. Methods 5, 687 (2008).
[CrossRef]

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]

Bewersdorf, J.

M. F. Juette, T. J. Gould, M. D. Lessard, M. J. Mlodzianoski, B. S. Nagpure, B. T. Bennett, S. T. Hess, and J. Bewersdorf, Nat. Methods 5, 527 (2008).
[CrossRef]

Biteen, J. S.

S. R. P. Pavani, M. A. Thompson, J. S. Biteen, S. J. Lord, N. Liu, R. J. Twieg, R. Piestun, and W. E. Moerner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 2995 (2009).
[CrossRef]

Blanchard, P. M.

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]

Burnham, D.

C. Wu, T. Schneider, M. Zeigler, J. Yu, P. Schiro, D. Burnham, J. D. McNeill, and D. T. Chiu, J. Am. Chem. Soc. 132, 15410 (2010).
[CrossRef]

Chen, J.

S. Abrahamsson, J. Chen, B. Hajj, S. Stallinga, A. Y. Katsov, J. Wisniewski, G. Mizuguchi, P. Soule, F. Mueller, C. D. Darzacq, X. Darzacq, C. Wu, C. I. Bargmann, D. A. Agard, M. Dahan, and M. G. L. Gustafsson, Nat. Methods 10, 60 (2012).
[CrossRef]

Chiu, D. T.

C. Wu, T. Schneider, M. Zeigler, J. Yu, P. Schiro, D. Burnham, J. D. McNeill, and D. T. Chiu, J. Am. Chem. Soc. 132, 15410 (2010).
[CrossRef]

Dahan, M.

S. Abrahamsson, J. Chen, B. Hajj, S. Stallinga, A. Y. Katsov, J. Wisniewski, G. Mizuguchi, P. Soule, F. Mueller, C. D. Darzacq, X. Darzacq, C. Wu, C. I. Bargmann, D. A. Agard, M. Dahan, and M. G. L. Gustafsson, Nat. Methods 10, 60 (2012).
[CrossRef]

Dalgarno, H. I. C.

Dalgarno, P. A.

Darzacq, C. D.

S. Abrahamsson, J. Chen, B. Hajj, S. Stallinga, A. Y. Katsov, J. Wisniewski, G. Mizuguchi, P. Soule, F. Mueller, C. D. Darzacq, X. Darzacq, C. Wu, C. I. Bargmann, D. A. Agard, M. Dahan, and M. G. L. Gustafsson, Nat. Methods 10, 60 (2012).
[CrossRef]

Darzacq, X.

S. Abrahamsson, J. Chen, B. Hajj, S. Stallinga, A. Y. Katsov, J. Wisniewski, G. Mizuguchi, P. Soule, F. Mueller, C. D. Darzacq, X. Darzacq, C. Wu, C. I. Bargmann, D. A. Agard, M. Dahan, and M. G. L. Gustafsson, Nat. Methods 10, 60 (2012).
[CrossRef]

Davidson, M. W.

G. Shtengel, J. A. Galbraith, C. G. Galbraith, J. Lippincott-Schwartz, J. M. Gillette, S. Manley, R. Sougrat, C. M. Waterman, P. Kanchanawong, M. W. Davidson, R. D. Fetter, and H. F. Hess, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 3125 (2009).
[CrossRef]

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]

Erdal, T.

T. Erdal, B. Hamza, H. B. Benjamin, and R. S. Paul, Nano Lett. 7, 2043 (2007).
[CrossRef]

Fetter, R. D.

G. Shtengel, J. A. Galbraith, C. G. Galbraith, J. Lippincott-Schwartz, J. M. Gillette, S. Manley, R. Sougrat, C. M. Waterman, P. Kanchanawong, M. W. Davidson, R. D. Fetter, and H. F. Hess, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 3125 (2009).
[CrossRef]

Fiedler, C.

Forkey, J. N.

A. Yildiz, J. N. Forkey, S. A. McKinney, T. Ha, Y. E. Goldman, and P. R. Selvin, Science 300, 2061 (2003).
[CrossRef]

Fromm, D. P.

W. E. Moerner and D. P. Fromm, Rev. Sci. Instrum. 74, 3597 (2003).
[CrossRef]

Galbraith, C. G.

G. Shtengel, J. A. Galbraith, C. G. Galbraith, J. Lippincott-Schwartz, J. M. Gillette, S. Manley, R. Sougrat, C. M. Waterman, P. Kanchanawong, M. W. Davidson, R. D. Fetter, and H. F. Hess, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 3125 (2009).
[CrossRef]

Galbraith, J. A.

G. Shtengel, J. A. Galbraith, C. G. Galbraith, J. Lippincott-Schwartz, J. M. Gillette, S. Manley, R. Sougrat, C. M. Waterman, P. Kanchanawong, M. W. Davidson, R. D. Fetter, and H. F. Hess, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 3125 (2009).
[CrossRef]

Gillette, J. M.

G. Shtengel, J. A. Galbraith, C. G. Galbraith, J. Lippincott-Schwartz, J. M. Gillette, S. Manley, R. Sougrat, C. M. Waterman, P. Kanchanawong, M. W. Davidson, R. D. Fetter, and H. F. Hess, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 3125 (2009).
[CrossRef]

Girirajan, T. P. K.

S. T. Hess, T. P. K. Girirajan, and M. D. Mason, Biophys. J. 91, 4258 (2006).
[CrossRef]

Goldman, Y. E.

A. Yildiz, J. N. Forkey, S. A. McKinney, T. Ha, Y. E. Goldman, and P. R. Selvin, Science 300, 2061 (2003).
[CrossRef]

Gould, T. J.

M. F. Juette, T. J. Gould, M. D. Lessard, M. J. Mlodzianoski, B. S. Nagpure, B. T. Bennett, S. T. Hess, and J. Bewersdorf, Nat. Methods 5, 527 (2008).
[CrossRef]

Greenaway, A. H.

Grover, G.

Gustafsson, M. G. L.

S. Abrahamsson, J. Chen, B. Hajj, S. Stallinga, A. Y. Katsov, J. Wisniewski, G. Mizuguchi, P. Soule, F. Mueller, C. D. Darzacq, X. Darzacq, C. Wu, C. I. Bargmann, D. A. Agard, M. Dahan, and M. G. L. Gustafsson, Nat. Methods 10, 60 (2012).
[CrossRef]

Ha, T.

A. Yildiz, J. N. Forkey, S. A. McKinney, T. Ha, Y. E. Goldman, and P. R. Selvin, Science 300, 2061 (2003).
[CrossRef]

Hajj, B.

S. Abrahamsson, J. Chen, B. Hajj, S. Stallinga, A. Y. Katsov, J. Wisniewski, G. Mizuguchi, P. Soule, F. Mueller, C. D. Darzacq, X. Darzacq, C. Wu, C. I. Bargmann, D. A. Agard, M. Dahan, and M. G. L. Gustafsson, Nat. Methods 10, 60 (2012).
[CrossRef]

Hamza, B.

T. Erdal, B. Hamza, H. B. Benjamin, and R. S. Paul, Nano Lett. 7, 2043 (2007).
[CrossRef]

Hess, H. F.

G. Shtengel, J. A. Galbraith, C. G. Galbraith, J. Lippincott-Schwartz, J. M. Gillette, S. Manley, R. Sougrat, C. M. Waterman, P. Kanchanawong, M. W. Davidson, R. D. Fetter, and H. F. Hess, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 3125 (2009).
[CrossRef]

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]

Hess, S. T.

M. F. Juette, T. J. Gould, M. D. Lessard, M. J. Mlodzianoski, B. S. Nagpure, B. T. Bennett, S. T. Hess, and J. Bewersdorf, Nat. Methods 5, 527 (2008).
[CrossRef]

S. T. Hess, T. P. K. Girirajan, and M. D. Mason, Biophys. J. 91, 4258 (2006).
[CrossRef]

Huang, B.

B. Huang, W. Wang, M. Bates, and X. Zhuang, Science 319, 810 (2008).
[CrossRef]

Jia, S.

J. C. Vaughan, S. Jia, and X. Zhuang, Nat. Methods 9, 1181 (2012).
[CrossRef]

Juette, M. F.

M. F. Juette, T. J. Gould, M. D. Lessard, M. J. Mlodzianoski, B. S. Nagpure, B. T. Bennett, S. T. Hess, and J. Bewersdorf, Nat. Methods 5, 527 (2008).
[CrossRef]

Kanchanawong, P.

G. Shtengel, J. A. Galbraith, C. G. Galbraith, J. Lippincott-Schwartz, J. M. Gillette, S. Manley, R. Sougrat, C. M. Waterman, P. Kanchanawong, M. W. Davidson, R. D. Fetter, and H. F. Hess, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 3125 (2009).
[CrossRef]

Katsov, A. Y.

S. Abrahamsson, J. Chen, B. Hajj, S. Stallinga, A. Y. Katsov, J. Wisniewski, G. Mizuguchi, P. Soule, F. Mueller, C. D. Darzacq, X. Darzacq, C. Wu, C. I. Bargmann, D. A. Agard, M. Dahan, and M. G. L. Gustafsson, Nat. Methods 10, 60 (2012).
[CrossRef]

Kim, D.

S. Ram, D. Kim, E. S. Ward, and R. J. Ober, Biophys. J. 103, 1594 (2012).
[CrossRef]

Lambert, R.

Lee, S. F.

Lessard, M. D.

M. F. Juette, T. J. Gould, M. D. Lessard, M. J. Mlodzianoski, B. S. Nagpure, B. T. Bennett, S. T. Hess, and J. Bewersdorf, Nat. Methods 5, 527 (2008).
[CrossRef]

Lew, M. D.

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]

Lippincott-Schwartz, J.

G. Shtengel, J. A. Galbraith, C. G. Galbraith, J. Lippincott-Schwartz, J. M. Gillette, S. Manley, R. Sougrat, C. M. Waterman, P. Kanchanawong, M. W. Davidson, R. D. Fetter, and H. F. Hess, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 3125 (2009).
[CrossRef]

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]

Liu, N.

S. R. P. Pavani, M. A. Thompson, J. S. Biteen, S. J. Lord, N. Liu, R. J. Twieg, R. Piestun, and W. E. Moerner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 2995 (2009).
[CrossRef]

Logan, D. C.

Lord, S. J.

S. R. P. Pavani, M. A. Thompson, J. S. Biteen, S. J. Lord, N. Liu, R. J. Twieg, R. Piestun, and W. E. Moerner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 2995 (2009).
[CrossRef]

Manley, S.

G. Shtengel, J. A. Galbraith, C. G. Galbraith, J. Lippincott-Schwartz, J. M. Gillette, S. Manley, R. Sougrat, C. M. Waterman, P. Kanchanawong, M. W. Davidson, R. D. Fetter, and H. F. Hess, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 3125 (2009).
[CrossRef]

Marguet, D.

A. Sergé, N. Bertaux, H. Rigneault, and D. Marguet, Nat. Methods 5, 687 (2008).
[CrossRef]

Mason, M. D.

S. T. Hess, T. P. K. Girirajan, and M. D. Mason, Biophys. J. 91, 4258 (2006).
[CrossRef]

Maxfield, F. R.

F. R. Maxfield and T. E. McGraw, Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 5, 121 (2004).
[CrossRef]

McGraw, T. E.

F. R. Maxfield and T. E. McGraw, Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 5, 121 (2004).
[CrossRef]

McKinney, S. A.

A. Yildiz, J. N. Forkey, S. A. McKinney, T. Ha, Y. E. Goldman, and P. R. Selvin, Science 300, 2061 (2003).
[CrossRef]

McNeill, J. D.

C. Wu, T. Schneider, M. Zeigler, J. Yu, P. Schiro, D. Burnham, J. D. McNeill, and D. T. Chiu, J. Am. Chem. Soc. 132, 15410 (2010).
[CrossRef]

Mellman, I.

I. Mellman, Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 12, 575 (1996).
[CrossRef]

Mizuguchi, G.

S. Abrahamsson, J. Chen, B. Hajj, S. Stallinga, A. Y. Katsov, J. Wisniewski, G. Mizuguchi, P. Soule, F. Mueller, C. D. Darzacq, X. Darzacq, C. Wu, C. I. Bargmann, D. A. Agard, M. Dahan, and M. G. L. Gustafsson, Nat. Methods 10, 60 (2012).
[CrossRef]

Mlodzianoski, M. J.

M. F. Juette, T. J. Gould, M. D. Lessard, M. J. Mlodzianoski, B. S. Nagpure, B. T. Bennett, S. T. Hess, and J. Bewersdorf, Nat. Methods 5, 527 (2008).
[CrossRef]

Moerner, W. E.

M. D. Lew, S. F. Lee, M. Badieirostami, and W. E. Moerner, Opt. Lett. 36, 202 (2011).
[CrossRef]

S. R. P. Pavani, M. A. Thompson, J. S. Biteen, S. J. Lord, N. Liu, R. J. Twieg, R. Piestun, and W. E. Moerner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 2995 (2009).
[CrossRef]

W. E. Moerner and D. P. Fromm, Rev. Sci. Instrum. 74, 3597 (2003).
[CrossRef]

Mueller, F.

S. Abrahamsson, J. Chen, B. Hajj, S. Stallinga, A. Y. Katsov, J. Wisniewski, G. Mizuguchi, P. Soule, F. Mueller, C. D. Darzacq, X. Darzacq, C. Wu, C. I. Bargmann, D. A. Agard, M. Dahan, and M. G. L. Gustafsson, Nat. Methods 10, 60 (2012).
[CrossRef]

Nagpure, B. S.

M. F. Juette, T. J. Gould, M. D. Lessard, M. J. Mlodzianoski, B. S. Nagpure, B. T. Bennett, S. T. Hess, and J. Bewersdorf, Nat. Methods 5, 527 (2008).
[CrossRef]

Ober, R. J.

S. Ram, D. Kim, E. S. Ward, and R. J. Ober, Biophys. J. 103, 1594 (2012).
[CrossRef]

S. Ram, P. Prabhat, E. S. Ward, and R. J. Ober, Opt. Express 17, 6881 (2009).
[CrossRef]

P. Prabhat, S. Ram, E. S. Ward, and R. J. Ober, Proc. SPIE 6090, 60900L (2006).
[CrossRef]

P. Prabhat, S. Ram, E. S. Ward, and R. J. Ober, IEEE Trans. Nanobiosci. 3, 237 (2004).
[CrossRef]

R. J. Ober, S. Ram, and E. S. Ward, Biophys. J. 86, 1185 (2004).
[CrossRef]

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]

Paterson, L.

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]

Paul, R. S.

T. Erdal, B. Hamza, H. B. Benjamin, and R. S. Paul, Nano Lett. 7, 2043 (2007).
[CrossRef]

Pavani, S. R. P.

S. R. P. Pavani, M. A. Thompson, J. S. Biteen, S. J. Lord, N. Liu, R. J. Twieg, R. Piestun, and W. E. Moerner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 2995 (2009).
[CrossRef]

S. R. P. Pavani and R. Piestun, Opt. Express 16, 22048 (2008).
[CrossRef]

S. R. P. Pavani and R. Piestun, Opt. Express 16, 3484 (2008).
[CrossRef]

Piestun, R.

Prabhat, P.

S. Ram, P. Prabhat, E. S. Ward, and R. J. Ober, Opt. Express 17, 6881 (2009).
[CrossRef]

P. Prabhat, S. Ram, E. S. Ward, and R. J. Ober, Proc. SPIE 6090, 60900L (2006).
[CrossRef]

P. Prabhat, S. Ram, E. S. Ward, and R. J. Ober, IEEE Trans. Nanobiosci. 3, 237 (2004).
[CrossRef]

Putoud, A.

Quirin, S.

Ram, S.

S. Ram, D. Kim, E. S. Ward, and R. J. Ober, Biophys. J. 103, 1594 (2012).
[CrossRef]

S. Ram, P. Prabhat, E. S. Ward, and R. J. Ober, Opt. Express 17, 6881 (2009).
[CrossRef]

P. Prabhat, S. Ram, E. S. Ward, and R. J. Ober, Proc. SPIE 6090, 60900L (2006).
[CrossRef]

P. Prabhat, S. Ram, E. S. Ward, and R. J. Ober, IEEE Trans. Nanobiosci. 3, 237 (2004).
[CrossRef]

R. J. Ober, S. Ram, and E. S. Ward, Biophys. J. 86, 1185 (2004).
[CrossRef]

Rigneault, H.

A. Sergé, N. Bertaux, H. Rigneault, and D. Marguet, Nat. Methods 5, 687 (2008).
[CrossRef]

Rust, M. J.

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

Schechner, Y. Y.

Schiro, P.

C. Wu, T. Schneider, M. Zeigler, J. Yu, P. Schiro, D. Burnham, J. D. McNeill, and D. T. Chiu, J. Am. Chem. Soc. 132, 15410 (2010).
[CrossRef]

Schneider, T.

C. Wu, T. Schneider, M. Zeigler, J. Yu, P. Schiro, D. Burnham, J. D. McNeill, and D. T. Chiu, J. Am. Chem. Soc. 132, 15410 (2010).
[CrossRef]

Selvin, P. R.

A. Yildiz, J. N. Forkey, S. A. McKinney, T. Ha, Y. E. Goldman, and P. R. Selvin, Science 300, 2061 (2003).
[CrossRef]

Sergé, A.

A. Sergé, N. Bertaux, H. Rigneault, and D. Marguet, Nat. Methods 5, 687 (2008).
[CrossRef]

Shamir, J.

Shtengel, G.

G. Shtengel, J. A. Galbraith, C. G. Galbraith, J. Lippincott-Schwartz, J. M. Gillette, S. Manley, R. Sougrat, C. M. Waterman, P. Kanchanawong, M. W. Davidson, R. D. Fetter, and H. F. Hess, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 3125 (2009).
[CrossRef]

Sougrat, R.

G. Shtengel, J. A. Galbraith, C. G. Galbraith, J. Lippincott-Schwartz, J. M. Gillette, S. Manley, R. Sougrat, C. M. Waterman, P. Kanchanawong, M. W. Davidson, R. D. Fetter, and H. F. Hess, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 3125 (2009).
[CrossRef]

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]

Soule, P.

S. Abrahamsson, J. Chen, B. Hajj, S. Stallinga, A. Y. Katsov, J. Wisniewski, G. Mizuguchi, P. Soule, F. Mueller, C. D. Darzacq, X. Darzacq, C. Wu, C. I. Bargmann, D. A. Agard, M. Dahan, and M. G. L. Gustafsson, Nat. Methods 10, 60 (2012).
[CrossRef]

Stallinga, S.

S. Abrahamsson, J. Chen, B. Hajj, S. Stallinga, A. Y. Katsov, J. Wisniewski, G. Mizuguchi, P. Soule, F. Mueller, C. D. Darzacq, X. Darzacq, C. Wu, C. I. Bargmann, D. A. Agard, M. Dahan, and M. G. L. Gustafsson, Nat. Methods 10, 60 (2012).
[CrossRef]

Thompson, M. A.

S. R. P. Pavani, M. A. Thompson, J. S. Biteen, S. J. Lord, N. Liu, R. J. Twieg, R. Piestun, and W. E. Moerner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 2995 (2009).
[CrossRef]

Towers, D. P.

Twieg, R. J.

S. R. P. Pavani, M. A. Thompson, J. S. Biteen, S. J. Lord, N. Liu, R. J. Twieg, R. Piestun, and W. E. Moerner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 2995 (2009).
[CrossRef]

Vaughan, J. C.

J. C. Vaughan, S. Jia, and X. Zhuang, Nat. Methods 9, 1181 (2012).
[CrossRef]

Wang, W.

B. Huang, W. Wang, M. Bates, and X. Zhuang, Science 319, 810 (2008).
[CrossRef]

Warburton, R. J.

Ward, E. S.

S. Ram, D. Kim, E. S. Ward, and R. J. Ober, Biophys. J. 103, 1594 (2012).
[CrossRef]

S. Ram, P. Prabhat, E. S. Ward, and R. J. Ober, Opt. Express 17, 6881 (2009).
[CrossRef]

P. Prabhat, S. Ram, E. S. Ward, and R. J. Ober, Proc. SPIE 6090, 60900L (2006).
[CrossRef]

P. Prabhat, S. Ram, E. S. Ward, and R. J. Ober, IEEE Trans. Nanobiosci. 3, 237 (2004).
[CrossRef]

R. J. Ober, S. Ram, and E. S. Ward, Biophys. J. 86, 1185 (2004).
[CrossRef]

Waterman, C. M.

G. Shtengel, J. A. Galbraith, C. G. Galbraith, J. Lippincott-Schwartz, J. M. Gillette, S. Manley, R. Sougrat, C. M. Waterman, P. Kanchanawong, M. W. Davidson, R. D. Fetter, and H. F. Hess, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 3125 (2009).
[CrossRef]

Wisniewski, J.

S. Abrahamsson, J. Chen, B. Hajj, S. Stallinga, A. Y. Katsov, J. Wisniewski, G. Mizuguchi, P. Soule, F. Mueller, C. D. Darzacq, X. Darzacq, C. Wu, C. I. Bargmann, D. A. Agard, M. Dahan, and M. G. L. Gustafsson, Nat. Methods 10, 60 (2012).
[CrossRef]

Wu, C.

S. Abrahamsson, J. Chen, B. Hajj, S. Stallinga, A. Y. Katsov, J. Wisniewski, G. Mizuguchi, P. Soule, F. Mueller, C. D. Darzacq, X. Darzacq, C. Wu, C. I. Bargmann, D. A. Agard, M. Dahan, and M. G. L. Gustafsson, Nat. Methods 10, 60 (2012).
[CrossRef]

C. Wu, T. Schneider, M. Zeigler, J. Yu, P. Schiro, D. Burnham, J. D. McNeill, and D. T. Chiu, J. Am. Chem. Soc. 132, 15410 (2010).
[CrossRef]

Yildiz, A.

A. Yildiz, J. N. Forkey, S. A. McKinney, T. Ha, Y. E. Goldman, and P. R. Selvin, Science 300, 2061 (2003).
[CrossRef]

Yu, J.

C. Wu, T. Schneider, M. Zeigler, J. Yu, P. Schiro, D. Burnham, J. D. McNeill, and D. T. Chiu, J. Am. Chem. Soc. 132, 15410 (2010).
[CrossRef]

Zeigler, M.

C. Wu, T. Schneider, M. Zeigler, J. Yu, P. Schiro, D. Burnham, J. D. McNeill, and D. T. Chiu, J. Am. Chem. Soc. 132, 15410 (2010).
[CrossRef]

Zhuang, X.

J. C. Vaughan, S. Jia, and X. Zhuang, Nat. Methods 9, 1181 (2012).
[CrossRef]

B. Huang, W. Wang, M. Bates, and X. Zhuang, Science 319, 810 (2008).
[CrossRef]

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

Annu. Rev. Cell Dev. Biol. (1)

I. Mellman, Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 12, 575 (1996).
[CrossRef]

Appl. Opt. (1)

Biomed. Opt. Express (1)

Biophys. J. (3)

R. J. Ober, S. Ram, and E. S. Ward, Biophys. J. 86, 1185 (2004).
[CrossRef]

S. T. Hess, T. P. K. Girirajan, and M. D. Mason, Biophys. J. 91, 4258 (2006).
[CrossRef]

S. Ram, D. Kim, E. S. Ward, and R. J. Ober, Biophys. J. 103, 1594 (2012).
[CrossRef]

IEEE Trans. Nanobiosci. (1)

P. Prabhat, S. Ram, E. S. Ward, and R. J. Ober, IEEE Trans. Nanobiosci. 3, 237 (2004).
[CrossRef]

J. Am. Chem. Soc. (1)

C. Wu, T. Schneider, M. Zeigler, J. Yu, P. Schiro, D. Burnham, J. D. McNeill, and D. T. Chiu, J. Am. Chem. Soc. 132, 15410 (2010).
[CrossRef]

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

Nano Lett. (1)

T. Erdal, B. Hamza, H. B. Benjamin, and R. S. Paul, Nano Lett. 7, 2043 (2007).
[CrossRef]

Nat. Methods (5)

A. Sergé, N. Bertaux, H. Rigneault, and D. Marguet, Nat. Methods 5, 687 (2008).
[CrossRef]

S. Abrahamsson, J. Chen, B. Hajj, S. Stallinga, A. Y. Katsov, J. Wisniewski, G. Mizuguchi, P. Soule, F. Mueller, C. D. Darzacq, X. Darzacq, C. Wu, C. I. Bargmann, D. A. Agard, M. Dahan, and M. G. L. Gustafsson, Nat. Methods 10, 60 (2012).
[CrossRef]

J. C. Vaughan, S. Jia, and X. Zhuang, Nat. Methods 9, 1181 (2012).
[CrossRef]

M. F. Juette, T. J. Gould, M. D. Lessard, M. J. Mlodzianoski, B. S. Nagpure, B. T. Bennett, S. T. Hess, and J. Bewersdorf, Nat. Methods 5, 527 (2008).
[CrossRef]

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

Nat. Rev. Mol. Cell Biol. (1)

F. R. Maxfield and T. E. McGraw, Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 5, 121 (2004).
[CrossRef]

Opt. Express (4)

Opt. Lett. (1)

Proc. Natl. Acad. Sci. USA (2)

G. Shtengel, J. A. Galbraith, C. G. Galbraith, J. Lippincott-Schwartz, J. M. Gillette, S. Manley, R. Sougrat, C. M. Waterman, P. Kanchanawong, M. W. Davidson, R. D. Fetter, and H. F. Hess, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 3125 (2009).
[CrossRef]

S. R. P. Pavani, M. A. Thompson, J. S. Biteen, S. J. Lord, N. Liu, R. J. Twieg, R. Piestun, and W. E. Moerner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 2995 (2009).
[CrossRef]

Proc. SPIE (1)

P. Prabhat, S. Ram, E. S. Ward, and R. J. Ober, Proc. SPIE 6090, 60900L (2006).
[CrossRef]

Rev. Sci. Instrum. (1)

W. E. Moerner and D. P. Fromm, Rev. Sci. Instrum. 74, 3597 (2003).
[CrossRef]

Science (3)

A. Yildiz, J. N. Forkey, S. A. McKinney, T. Ha, Y. E. Goldman, and P. R. Selvin, Science 300, 2061 (2003).
[CrossRef]

B. Huang, W. Wang, M. Bates, and X. Zhuang, Science 319, 810 (2008).
[CrossRef]

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]

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 (4)

Fig. 1.
Fig. 1.

Design of bifunctional phase mask. The image shows the superposition (c) of two phase patterns, corresponding to (a) DH-PSF, φDH and (b) DG, φDG, respectively. Different shades of gray represent corresponding phase shifts, as shown in the gray bar.

Fig. 2.
Fig. 2.

Images of one emitter at different axial positions. The numbers beside the vertical axis indicate the actual axial positions of the emitter. (a) When the DG function takes effect alone, the emitter can be 2D localized at three axial positions. (b) When the DH PSF function plays the role, the emitter can be 3D localized, but only when the emitter is located within a certain area. (c) With DDCM, no matter where the emitter is, it can be captured in at least one imaging area of the detection plane.

Fig. 3.
Fig. 3.

Two-particle tracking with DDCM. Two emitters were simulated to move bottom-up and top-down spirally. (a) Three typical images of the emitters at t=0.0, 3.4, and 5.1 s are shown. (b) Trajectories of E1 (blue) and E2 (red) are drawn with 103 time-lapse images.

Fig. 4.
Fig. 4.

Comparison of the lateral [(a) for x and (b) for y] and axial [(c) for z] localization precisions for DDCM, MUM, and DH-PSF. In all cases, the number of total photons detected on the pixelated detector is set to 1000, and the background level is set to 2photons/pixel.

Equations (1)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

dabs={drehDG,dre,m=±1m=0,

Metrics