Methods of single-molecule fluorescence spectroscopy and microscopy

Review of Scientific Instruments

Volumn 74, Issue 8, 2003, Pages 3597-3619

  Moerner, W E ^a   Fromm, David P ^a  

^a STANFORD UNIVERSITY   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

FLUORESCENCE; MOLECULES; OPTICAL MICROSCOPY; SIGNAL TO NOISE RATIO; SPECTROSCOPIC ANALYSIS;

OPTICAL SPECTROSCOPY;

MOLECULAR PHYSICS;

EID: 0041876386     PISSN: 00346748     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1063/1.1589587     Document Type: Review

References (160)

1. W. E. Moerner, AIP Conf. Proc. 323, 467 (1995).
2. W. E. Moerner and L. Kador, Phys. Rev. Lett. 62, 2535 (1989).
3. M. Orrit and J. Bernard, Phys. Rev. Lett. 65, 2716 (1990).
4. Single Molecule Optical Detection, Imaging and Spectroscopy, edited by T. Basché, W. E. Moerner, M. Orrit, and U. P. Wild (Verlag-Chemie, Munich, 1997).
5. Single Molecule Spectroscopy: Nobel Conference Lectures, Springer Series Chem. Phys.; Vol. 67, edited by R. Rigler, M. Orrit, and T. Basché (Springer, Berlin, 2001).
6. W. E. Moerner, Science 277, 1059 (1997).
7. J. C. Bergquist, R. G. Hulet, W. M. Itano, and D. J. Wineland, Phys. Rev. Lett. 57, 1699-1702 (1986).
8. Th. Basché, S. Kummer, and C. Bräuchle, Nature (London) 373, 132 (1995).
9. W. M. Itano, J. C. Bergquist, and D. J. Wineland, Science 237, 612 (1987).
10. F. Diedrich, J. Krause, G. Rempe, M. O. Scully, and H. Walther, IEEE J. Quantum Electron. 24, 1314 (1988).
11. H. Dehmelt, W. Paul, and N. F. Ramsey, Rev. Mod. Phys. 2, 525 (1990).
12. G. Binnig and H. Rohrer, Rev. Mod. Phys. 59, 615 (1987).
13. G. Binnig, C. F. Quate, and C. Gerber, Phys. Rev. Lett. 56, 930 (1986).
14. B. Sakmann and E. Neher, Single Channel Recording (Plenum, New York, 1995).
15. T. T. Perkins, D. E. Smith, and S. Chu, Science 276, 2016 (1997).
16. S. M. Block, Cell 93, 5 (1998).
17. A. D. Mehta, M. Reif, J. A. Spudich, D. A. Smith, and R. M. Simmons, Science 283, 1689 (1999).
18. E. B. Shera, N. K. Seitzinger, L. M. Davis, R. A. Keller, and S. A. Soper, Chem. Phys. Lett. 174, 553 (1990).
19. C. W. Wilkerson, P. M. Goodwin, W. P. Ambrose, J. C. Martin, and R. A. Keller, Appl. Phys. Lett. 62, 2030 (1993).
20. S. Nie, D. T. Chiu, and R. N. Zare, Science 266, 1018 (1994).
21. W. P. Ambrose, A. M. Goodwin, J. H. Jett, A. VanOrden, J. H. Werner, and R. A. Keller, Chem. Rev. (Washington, D.C.) 99, 2929-2956 (1999).
22. Single Molecule Detection in Solution, edited by Ch. Zander, J. Enderlein, and R. A. Keller (Wiley, Berlin, 2002).
23. D. L. Magde, E. L. Elson, and W. W. Webb, Biopolymers 13, 29 (1974).
24. M. Eigen and R. Rigler, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 91, 5740 (1994).
25. R. Rigler, J. Biotechnol. 41, 177 (1995).
26. S. Maiti, U. Haupts, and W. W. Webb, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 94, 11753 (1997).
27. P. Schwille, Cell Biochem. Biophys. 34, 383 (2001).
28. S. T. Hess, S. Huang, A. A. Heikal, and W. W. Webb, Biochemistry 41, 607 (2002).
29. Fluorescence Correlation Spectroscopy, Springer Series Chem. Phys., Vol. 65, edited by R. Rigler and E. Elson (Springer, Berlin, 2001).
30. W. E. Moerner and Th. Basché, Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 32, 457 (1993).
31. W. E. Moerner, Science 265, 46 (1994).
32. W. E. Moerner, Acc. Chem. Res. 29, 563 (1996).
33. M. Orrit, J. Bernard, R. Brown, and B. Lounis, in Progress in Optics, edited by E. Wolf (Elsevier, New York, 1996), Vol. 35, pp. 61-144.
34. W. E. Moerner, R. M. Dickson, and D. J. Norris, Adv. At. Mol. Opt. Phys. 38, 193 (1997).
35. S. Nie and R. N. Zare, Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 26, 567 (1997).
36. T. Plakhotnik, E. A. Donley, and U. P. Wild, Annu. Rev. Phys. Chem. 48, 181 (1996).
37. X. S. Xie and J. K. Trautman, Annu. Rev. Phys. Chem. 49, 441 (1998).
38. W. E. Moerner and M. Orrit, Science 283, 1670 (1999).
39. S. Weiss, Science 283, 1676 (1999).
40. W. E. Moerner, J. Phys. Chem. B 106, 910 (2002).
41. A. M. Stoneham, Rev. Mod. Phys. 41, 82 (1969).
42. K. K. Rebane, Impurity Spectra of Solids (Plenum, New York, 1970).
43. J. L. Skinner and W. E. Moerner, J. Phys. Chem. 100, 13251 (1996).
44. W. E. Moerner, J. Lumin. 60-1, 997 (1994).
45. T. Plakhotnik, W. E. Moerner, V. Palm, and U. P. Wild, Opt. Commun. 114, 83 (1995).
46. L. Kador, D. E. Home, and W. E. Moerner, J. Phys. Chem. 94, 1237 (1990).
47. R. Y. Tsien and A. Waggoner, in Handbook of Biological Confocal Microscopy, 2nd ed., edited by J. B. Pawley (Plenum, New York, 1995), pp. 267-279.
48. F. Kulzer, F. Koberling, T. Christ, A. Mews, and T. Basché, Chem. Phys. 247, 23 (1999).
49. C. Blum, F. Stracke, S. Becker, K. Mullen, and A. J. Meixner, J. Phys. Chem. A 105, 6983 (2001).
50. N. B. Bowden, K. A. Willets, W. E. Moerner, and R. M. Waymouth, Macromolecules 35, 8122 (2002).
51. G. S. Harms, L. Cognet, P. H. M. Lommerse, G. A. Blab, and T. Schmidt, Biophys. J. 80, 2396 (2001).
52. W. E. Moerner, J. Chem. Phys. 117, 10925 (2002).
53. H. P. Lu, L. Xun, and X. S. Xie, Science 282, 1877 (1998).
54. X. S. Xie and H. P. Lu, J. Biol. Chem. 274, 15967 (1999).
55. M. A. Bopp, Y. Jia, L. Li, R. J. Cogdell, and R. M. Hochstrasser, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 94, 10630 (1997).
56. K. A. Willets, O. Ostroverkhova, M. He, R. J. Twieg, and W. E. Moerner, J. Am. Chem. Soc. 125, 1174 (2003).
57. S. Empedocles and M. Bawendi, Acc. Chem. Res. 32, 389 (1999).
58. M. J. Bruchez, M. Moronne, P. Gin, S. Weiss, and A. P. Alivisatos, Science 281, 2013 (1998).
59. B. L. Lounis, H. A. Bechtel, D. Gerion, P. Alivisatos, and W. E. Moerner, Chem, Phys. Lett. 329, 399 (2000).
60. M. Nirmal, B. O. Dabbousi, M. G. Bawendi, J. J. Macklin, J. K. Trautman, T. D. Harris, and L. E. Brus, Nature (London) 383, 802 (1996).
61. M. Kuno, D. P. Fromm, H. F. Hamann, A. Gallagher, and D. J. Nesbitt, J. Chem. Phys. 112, 3117 (2000).
62. K. K. Rebane, Chem. Phys. 189, 139 (1994).
63. R. J. Silbey and R. A. Alberty, Physical Chemistry, 3rd ed. (Wiley, New York, 2001).
64. K. K. Rebane and I. Rebane, J. Lumin. 56, 39 (1993).
65. S. A. Soper, H. L. Nutter, R. A. Keller, L. M. Davis, and E. B. Shera, Photochem. Photobiol. 57, 972 (1993).
66. W. P. Ambrose, Th. Basché, and W. E. Moerner, J. Chem, Phys. 95, 7150 (1991).
67. H. de Vries and D. A. Wiersma, J. Chem. Phys. 72, 1851 (1980).
68. W. E. Moerner, A. R. Chraplyvy, and A. J. Sievers, Phys. Rev. B 29, 6694 (1984).
69. T. Schmidt, Single Molecules 2, 217 (2001).
70. A. H. Iwane, T. Funatsu, Y. Harada, M. Tokunaga, O. Ohara, S. Morimoto, and T. Yanagida, FEBS Lett. 407, 235 (1997).
71. R. Yasuda, H. Noji, K. Kinosita, and M. Yoshida, Cell 93, 1117 (1998).
72. L. A. Deschenes and D. A. Vanden Bout, Science 292, 255 (2001).
73. K. D. Weston, P. J. Carson, J. A. DeAro, and S. K. Buratto, Chem. Phys. Lett. 308, 58 (1999).
74. Th. Basché, W. P. Ambrose, and W. E. Moerner, J. Opt. Soc, Am. B 9, 829 (1992).
75. E. H. Hellen and D. Axelrod, J. Opt. Soc. Am. B 4, 337 (1987).
76. E. Betzig and R. J. Chichester, Science 262, 1422 (1993).
77. E. B. Shera, N. K. Seitzinger, L. M. Davis, R. A. Keller, and S. A. Soper, Chem. Phys. Lett. 174, 553 (1990).
78. L.-A. Li and L. Davis, Rev. Sci, Instrum, 64, 1524 (1993).
79. M. Unger, E. Kartalov, C. S. Chiu, H. A. Lester, and S. R. Quake, Biotechniques 27, 1008 (1999).
80. P. Tchénio, A. B. Myers, and W. E. Moerner, J. Phys. Chem. 97, 2491 (1993).
81. P. Tchénio, A. B. Myers, and W. E. Moerner, Chem. Phys. Lett. 213, 325 (1993).
82. A. B. Myers, P. Tchénio, M. Zgierski, and W. E. Moerner, J. Phys. Chem. 98, 10377 (1994).
83. J. K. Trautman, J. J. Macklin, L. E. Brus, and E. Betzig, Nature (London) 369, 40 (1994).
84. H. Peter Lu and X. S. Xie, Nature (London) 385, 143 (1997).
85. M Born and E Wolf, Principles of Optics (Cambridge University Press, Cambridge, 1999).
86. T. R. Corle and G. S. Kino, Confocal Scanning Optical Microscopy and Related Imaging Systems (Academic, San Diego, 1996).
87. J. K. Trautman and W. P. Ambrose, in Single-Molecule Optical Detection, Imaging, and Spectroscopy, edited by T. Basché et al. (VCH, Weinheim, 1997).
88. E. Betzig, J. K. Trautman, T. D. Harris, J. S. Weiner, and R. K. Kostelak, Science 251, 146 (1991).
89. B. Hecht, B. Sick, U. P. Wild, V. Decker, R. Zenobi, O. J. F. Martin, and D. W. Pohl, J. Chem. Phys. 112, 7761 (2000).
90. E. Betzig and R. J. Chichester, Science 262, 1422 (1993).
91. W. P. Ambrose, P. M. Goodwin, J. C. Martin, and R. A. Keller, Science 265, 364 (1994).
92. J. K. Trautman and J. J. Macklin, Chem, Phys. 205, 221 (1996).
93. X. S. Xie and R. C. Dunn, Science 265, 361 (1994).
94. X. S. Xie, Acc. Chem. Res. 29, 598 (1996).
95. F. Zenhausem, Y. Martin, and H. K. Wickramasinghe, Science 269, 1083 (1995).
96. H. F. Hamann, A. Gallagher, and D. J. Nesbitt, Appl. Phys. Lett. 73, 1469 (1998).
97. E. J. Sanchez, L. Novotny, and X. S. Xie, Phys. Rev. Lett. 82, 4014 (1999).
98. H. F. Hamann, M. Kuno, A. Gallagher, and D. J. Nesbitt, J. Chem. Phys. 114, 8596 (2001).
99. T. W. Klar and S. W. Hell, Opt, Lett. 24, 954 (1999).
100. E. Betzig, Opt. Lett. 20, 237 (1995).
101. T. Funatsu, Y. Harada, M. Tokunaga, K. Saito, and T. Yanagida, Nature (London) 374, 555 (1995).
102. G. J. Schütz, G. Kada, V. P. Pastushenko, and H. Schindler, EMBO J. 19, 892 (2000).
103. M. Vrjlic, S. Y. Nishimura, S. Brasselet, W. E. Moerner, and H. M. Mc-Connell, Biophys. J. 83, 2681 (2002).
104. D. Axelrod, T. P. Burghardt, and N. L. Thompson, Annu. Rev. Biophys. Bioeng. 13, 247 (1984).
105. N. L. Thompson, H. M. McConnell, and T. P. Burghardt, Biophys. J. 46, 739 (1984).
106. R. M. Dickson, D. J. Norris, Y.-L. Tzeng, and W. E. Moerner, Science 274, 966 (1996).
107. R. M. Dickson, A. B. Cubitt, R. Y. Tsien, and W. E. Moerner, Nature (London) 388, 355 (1997).
108. S. Kummer, R. M. Dickson, and W. E. Moerner, Proc. Soc. Photo-Opt. Instrum. Eng. 3273, 165 (1998).
109. W. E. Moerner, E. J. G. Peterman, S. Brasselet, S. Kummer, and R. M. Dickson, Cytometry 36, 232 (1999).
110. M. F. Paige, E. J. Bjerneld, and W. E. Moerner, Single Molecules 2, 191 (2001).
111. Y. Sake, S. Minoghchi, and T. Yanagida, Nat. Cell Biol. 2, 168 (2000).
112. W. P. Ambrose, P. M. Goodwin, and J. P. Nolan, Cytometry 36, 224 (1999).
113. Th. Schmidt, G. J. Schutz, W. Baumgartner, H. J. Gruber, and H. Schindler, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A, 93, 2926 (1996).
114. T. Ha, T. A. Laurence, D. S. Chemla, and S. Weiss, J. Phys. Chem. B 103, 6839 (1999).
115. J. N. Forkey, M. E. Quinlan, and Y. E. Goldman, Prog. Biophys. Mol. Biol. 74, l (2000).
116. T. Ha, T. Enderle, D. S. Chemla, P. R. Selvin, and S. Weiss, Phys. Rev. Lett. 77, 3979 (1996).
117. K. D. Weston and L. S. Goldner, J. Phys. Chem. B 105, 3453 (2001).
118. T. Ha, J. Glass, T. Enderle, D. S. Chemla, and S. Weiss, Phys. Rev. Lett. 80, 2093 (1998).
119. K. Adachi, R. Yasuda, H. Noji, H. Itoh, Y. Harada, M. Yoshida, and K. Kinosita, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 97, 7243 (2000).
120. H. Sosa, E. J. G. Peterman, W. E. Moerner, and L. S. B. Goldstein, Nat. Struct. Biol. 8, 540 (2001).
121. E. J. G. Peterman, H. Sosa, L. S. B. Goldstein, and W. E. Moerner, Biophys. J. 81, 2851 (2001).
122. E. J. G. Peterman, S. Brasselet, and W. E. Moerner, J. Phys. Chem. A 103, 10553 (1999).
123. R. M. Dickson, D. J. Norris, and W. E. Moerner, Phys. Rev. Lett. 81, 5322 (1998).
124. B. Sick, B. Hecht, and L. Novotny, Phys. Rev. Lett. 85, 4482 (2000).
125. J. T. Fourkas, Opt. Lett. 26, 211 (2001).
126. Ph. Tamarat, A. Maali, B. L. Lounis, and M. Orrit, J. Phys. Chem. A 104, 1 (2000).
127. L. Fleury, P. Tamarat, B. Lounis, J. Bernard, and M. Orrit, Chem. Phys. Lett. 236, 87 (1995).
128. D. A. Vanden Bout, W. T. Yip, D. Hu, D. K. Fu, T. M. Swager, and P. F. Barbara, Science 277, 1074 (1997).
129. Y. Hou, A, M. Bardo, C. Martinez, and D. A. Higgins, J. Phys. Chem. B 104, 212 (2000).
130. B. W. Van der Meer, G. Coker III, and S.-Y. Chen, Resonance Energy Transfer: Theory and Data (VCH, New York, 1994).
131. R. M. Clegg, in Fluorescence Imaging Spectroscopy and Microscopy, edited by X. F. Wang and B. Herman (Wiley, New York, 1996), Vol. 137, pp. 179-252.
132. J. R. Lakowicz, Principles of Fluorescence Spectroscopy (Kluwer Academic, New York, 1999).
133. T. Ha, Methods 25, 78 (2001).
134. L. Stryer, Annu. Rev. Biochem. 47, 819 (1978).
135. T. Ha, X. Zhuang, H. D. Kim, J. W. Orr, J. R. Williamson, and S. Chu, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 96, 9077 (1999).
136. A. N. Kapanidis and S. Weiss, J. Chem. Phys. 117, 10953 (2002).
137. S. Brasselet, E. J. G. Peterman, A. Miyawaki, and W. E. Moerner, J. Phys. Chem. B 104, 3676 (2000).
138. A. Miyawaki, J. Llopis, R. Heim, J. M. McCaffrey, I A. Adams, M. Ikura, and R. Y. Tsien, Nature (London) 388, 882 (1997).
139. T. Ha, A. Y. Ting, J. Liang, W. B. Caldwell, A. A. Deniz, D. S. Chemla, P. G. Schultz, and S. Weiss, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 96, 893 (1999).
140. X. Zhuang, L. Bartley, H. Babcock, R. Russell, T. Ha, D. Herschlag, and S. Chu, Science 288, 2048 (2000).
141. Y. Jia, D. S. Talaga, W. L. Lau, H. S. M. Lu, W. F. DeGrado, and R. M. Hochstrasser, Chem. Phys. 247, 69 (1999).
142. T. Ha, I. Rasnik, W. Cheng, H. P. Babcock, G. H. Gauss, T. M. Lohman, and S. Chu, Nature (London) 419, 638 (2002).
143. W. Denk, J. H. Strickler, and W. W. Webb, Science 248, 73 (1990).
144. J. Mertz, C. Xu, and W. W. Webb, Opt. Lett. 20, 2532 (1995).
145. E. J. Sanchez, L. Novotny, G. R. Holtom, and X. S. Xie, J. Phys. Chem. A 101, 7019 (1997).
146. S. A. Soper, L. M. Davis, and E. B. Shera, J. Opt. Soc. Am. B 9, 1761 (1992).
147. M. Pirotta, F. Güttler, H. Gygax, A. Renn, J. Sepiol, and U. P. Wild, Chem. Phys. Lett. 208, 379 (1993).
148. C. Eggeling, J. R. Fries, L. Brand, R. Gunther, and C. A. M. Seidel, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 95, 1556 (1998).
149. Y. Jia, A. Sytnik, L. Li, S. Vladimarov, B. S. Cooperman, and R. M. Hochstrasser, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 94, 7932 (1997).
150. S. Wennmalm, L. Edman, and R. Rigler, Chem. Phys. 247, 61 (1999).
151. H. P. Lu and X. S. Xie, J. Phys. Chem. B 101, 2753 (1997).
152. R. Loudon, The Quantum Theory of Light, 2nd ed. (Clarendon, Oxford, 1983).
153. Th. Basché, W. E. Moerner, M. Orrit, and H. Talon, Phys. Rev. Lett. 69, 1516 (1992).
154. L. Fleury, J.-M. Segura, G. Zumofen, B. Hecht, and U. P. Wild, Phys. Rev. Lett. 84, 1148 (2000).
155. B. Lounis and W. E. Moerner, Nature (London) 407, 491 (2000).
156. E. L. Elson and D. Magde, Biopolymers 13, l (1974).
157. A. Zumbusch, L. Fleury, R. Brown, J. Bernard, and M. Orrit, Phys. Rev. Lett. 70, 3584 (1993).
158. L. Edman and R. Rigler, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 97, 8266 (2000).
159. A. P. Bartko and R. M. Dickson, J. Phys. Chem. B 103, 3053 (1999).
160. G. K. Schenter, H. P. Lu, and X. S. Xie, J. Phys. Chem. A 103, 10477 (1999).