The role of molecular dipole orientation in single-molecule fluorescence microscopy and implications for super-resolution imaging

ChemPhysChem

Volumn 15, Issue 4, 2014, Pages 587-599

  Backlund, Mikael P ^a   Lew, Matthew D ^a,b   Backer, Adam S ^a,b   Sahl, Steffen J ^a   Moerner, W E ^a  

^a STANFORD UNIVERSITY   (United States)

^b Stanford University   (United States)

Author keywords

fluorescence microscopy; molecular orientation; rotational mobility; single molecule studies; super resolution imaging

Indexed keywords

DIFFRACTION; FLUORESCENCE; FLUORESCENCE MICROSCOPY; MOLECULAR IMAGING; MOLECULES; OPTICAL RESOLVING POWER; OPTICAL TRANSFER FUNCTION;

DOUBLE-HELIX POINT-SPREAD FUNCTIONS; MOLECULAR FLUORESCENCE; OPTICAL DIFFRACTION LIMIT; ROTATIONAL MOBILITY; SINGLE-MOLECULE FLUORESCENCE MICROSCOPY; SINGLE-MOLECULE STUDIES; SUPER RESOLUTION IMAGING; TRANSITION DIPOLE MOMENTS;

MOLECULAR ORIENTATION;

CHEMISTRY; FLUORESCENCE MICROSCOPY; MICROTUBULE; MOLECULAR ORIENTATION; REVIEW; ROTATIONAL MOBILITY; SINGLE-MOLECULE STUDIES; SUPER-RESOLUTION IMAGING;

FLUORESCENCE MICROSCOPY; MOLECULAR ORIENTATION; ROTATIONAL MOBILITY; SINGLE-MOLECULE STUDIES; SUPER-RESOLUTION IMAGING;

MICROSCOPY, FLUORESCENCE; MICROTUBULES;

EID: 84896403326     PISSN: 14394235     EISSN: 14397641     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/cphc.201300880     Document Type: Review

References (70)

1. W. E. Moerner, D. P. Fromm, Rev. Sci. Instrum. 2003, 74, 3597-3619.
2. W. E. Moerner, M. Orrit, Science 1999, 283, 1670-1676.
3. W. E. Moerner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2007, 104, 12596-12602.
4. W. E. Moerner, in Single-Molecule Optical Spectroscopy and Imaging: From Early Steps to Recent Advances in Single Molecule Spectroscopy in Chemistry, Physics and Biology: Nobel Symposium 138 Proceedings (Eds.:, A. Graslund, R. Rigler, J. Widengren,), Springer, Berlin, 2009, pp. 25-60.
5. E. Betzig, R. J. Chichester, Science 1993, 262, 1422-1425.
6. F. Güttler, M. Croci, A. Renn, U. P. Wild, Chem. Phys. 1996, 211, 421-430.
7. T. Ha, J. Glass, T. Enderle, D. S. Chemla, S. Weiss, Phys. Rev. Lett. 1998, 80, 2093-2096.
8. S. A. Rosenberg, M. E. Quinlan, J. N. Forkey, Y. E. Goldman, Acc. Chem. Res. 2005, 38, 583-593.
9. H. Sosa, E. J. G. Peterman, W. E. Moerner, L. S. B. Goldstein, Nat. Struct. Biol. 2001, 8, 540-544.
10. N. B. Bowden, K. A. Willets, W. E. Moerner, R. M. Waymouth, Macromolecules 2002, 35, 8122-8125.
11. E. J. G. Peterman, H. Sosa, L. S. B. Goldstein, W. E. Moerner, Biophys. J. 2001, 81, 2851-2863.
12. J. T. Fourkas, Opt. Lett. 2001, 26, 211-213.
13. J. N. Forkey, M. E. Quinlan, Y. E. Goldman, Biophys. J. 2005, 89, 1261-1271.
14. J. Beausang, D. Shroder, P. Nelson, Y. Goldman, Biophys. J. 2013, 104, 1263-1273.
15. M. R. Foreman, P. Török, New J. Phys. 2011, 13, 093013.
16. B. Richards, E. Wolf, Proc. R. Soc. London Ser. A 1959, 253, 358-379.
17. B. Sick, B. Hecht, U. P. Wild, L. Novotny, J. Microsc. 2001, 202, 365-373.
18. M. Gu, Advanced Optical Imaging Theory, Springer, Berlin/Heidelberg, 2000.
19. A. Débarre, R. Jaffiol, C. Julien, D. Nutarelli, A. Richard, P. Tchénio, F. Chaput, J. P. Boilot, Eur. Phys. J. D 2004, 28, 67-77.
20. A. M. Chizhik, R. Jäger, A. I. Chizhik, S. Bär, H. Mack, M. Sackrow, C. Stanciu, A. Lyubimtsev, M. Hanack, A. J. Meixner, Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 1722-1733.
21. J. Sepioł, J. Jasny, J. Keller, U. P. Wild, Chem. Phys. Lett. 1997, 273, 444-448.
22. R. M. Dickson, D. J. Norris, W. E. Moerner, Phys. Rev. Lett. 1998, 81, 5322-5325.
23. W. E. Moerner, J. Microsc. 2012, 246, 213-220.
24. S. W. Hell, Nat. Methods 2009, 6, 24-32.
25. T. W. Klar, S. W. Hell, Opt. Lett. 1999, 24, 954-956.
26. S. W. Hell, M. Kroug, Appl. Phys. B 1995, 60, 495-497.
27. P. Dedecker, B. Muls, J. Hofkens, J. Enderlein, J. Hotta, Opt. Express 2007, 15, 3372-3383.
28. E. Betzig, G. H. Patterson, R. Sougrat, O. W. Lindwasser, S. Olenych, J. S. Bonifacino, M. W. Davidson, J. Lippincott-Schwartz, H. F. Hess, Science 2006, 313, 1642-1645.
29. S. T. Hess, T. P. K. Girirajan, M. D. Mason, Biophys. J. 2006, 91, 4258-4272.
30. M. J. Rust, M. Bates, X. Zhuang, Nat. Methods 2006, 3, 793-796.
31. A. Sharonov, R. M. Hochstrasser, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2006, 103, 18911-18916.
32. J. Enderlein, E. Toprak, P. R. Selvin, Opt. Express 2006, 14, 8111-8120.
33. S. Stallinga, B. Rieger, Opt. Express 2010, 18, 24461-24476.
34. J. Engelhardt, J. Keller, P. Hoyer, M. Reuss, T. Staudt, S. W. Hell, Nano Lett. 2011, 11, 209-213.
35. B. Huang, W. Wang, M. Bates, X. Zhuang, Science 2008, 319, 810-813.
36. M. F. Juette, T. J. Gould, M. D. Lessard, M. J. Mlodzianoski, B. S. Nagpure, B. T. Bennett, S. T. Hess, J. Bewersdorf, Nat. Methods 2008, 5, 527-529.
37. 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, H. F. Hess, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2009, 106, 3125-3130.
38. S. R. P. Pavani, M. A. Thompson, J. S. Biteen, S. J. Lord, N. Liu, R. J. Twieg, R. Piestun, W. E. Moerner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2009, 106, 2995-2999.
39. J. C. Vaughan, S. Jia, X. Zhuang, Nat. Methods 2012, 9, 1181-1184.
40. T. J. Gould, M. S. Gunewardene, M. V. Gudheti, V. V. Verkhusha, S. Yin, J. A. Gosse, S. T. Hess, Nat. Methods 2008, 5, 1027-1030.
41. I. Testa, A. Schönle, C. von Middendorff, C. Geisler, R. Medda, C. A. Wurm, A. C. Stiel, S. Jakobs, M. Bossi, C. Eggeling, S. W. Hell, A. Egner, Opt.Express 2008, 16, 21093-21104.
42. M. D. Lew, M. P. Backlund, W. E. Moerner, Nano Lett. 2013, 13, 3967-3972.
43. K. Kinosita Jr., S. Kawato, A. Ikegami, Biophys. J. 1977, 20, 289-305.
44. A. Gasecka, T. Han, C. Favard, B. R. Cho, S. Brasselet, Biophys. J. 2009, 97, 2854-2862.
45. A. S. Backer, M. P. Backlund, M. D. Lew, W. E. Moerner, Opt. Lett. 2013, 38, 1521-1523.
46. M. P. Backlund, M. D. Lew, A. S. Backer, S. J. Sahl, G. Grover, A. Agrawal, R. Piestun, W. E. Moerner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2012, 109, 19087-19092.
47. M. Böhmer, J. Enderlein, J. Opt. Soc. Am. B 2003, 20, 554-559.
48. D. Patra, I. Gregor, J. Enderlein, J. Phys. Chem. A 2004, 108, 6836-6841.
49. W. Schroeyers, R. Vallée, D. Patra, J. Hofkens, S. Habuchi, T. Vosch, M. Cotlet, K. Müllen, J. Enderlein, F. C. De Schryver, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 14310-14311.
50. H. Uji-i, S. M. Melnikov, A. Deres, G. Bergamini, F. De Schryver, A. Herrmann, K. Müllen, J. Enderlein, J. Hofkens, Polymer 2006, 47, 2511-2518.
51. E. Toprak, J. Enderlein, S. Syed, S. A. McKinney, R. G. Petschek, T. Ha, Y. E. Goldman, P. R. Selvin, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2006, 103, 6495-6499.
52. K. I. Mortensen, L. S. Churchman, J. A. Spudich, H. Flyvbjerg, Nat. Methods 2010, 7, 377-381.
53. Y. Zhang, L. Gu, H. Chang, W. Ji, Y. Chen, M. Zhang, L. Yang, B. Liu, L. Chen, T. Xu, Protein Cell 2013, 4, 598-606.
54. F. Aguet, S. Geissbühler, I. Märki, T. Lasser, M. Unser, Opt. Express 2009, 17, 6829-6848.
55. T. P. Burghardt, PLoS One 2011, 6, e 16772.
56. S. Stallinga, B. Rieger, Opt. Express 2012, 20, 5896-5921.
57. M. A. Lieb, J. M. Zavislan, L. Novotny, J. Opt. Soc. Am. B 2004, 21, 1210-1215.
58. J. Hohlbein, C. G. Hubner, Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 121104.
59. R. Börner, D. Kowerko, S. Krause, C. von Borczyskowski, C. G. Hübner, J. Chem. Phys. 2012, 137, 164202.
60. M. R. Foreman, C. M. Romero, P. Török, Opt. Lett. 2008, 33, 1020-1022.
61. Z. Sikorski, L. M. Davis, Opt.Express 2008, 16, 3660-3673.
62. S. J. Lord, Z. Lu, H. Wang, K. A. Willets, P. J. Schuck, H.-L. D. Lee, S. Y. Nishimura, R. J. Twieg, W. E. Moerner, J. Phys. Chem. A 2007, 111, 8934-8941.
63. M. Bates, G. T. Dempsey, K. H. Chen, X. Zhuang, ChemPhysChem 2012, 13, 99-107.
64. H. D. Lee, S. J. Sahl, M. D. Lew, W. E. Moerner, Appl. Phys. Lett. 2012, 100, 153701.
65. M. D. Lew, S. F. Lee, J. L. Ptacin, M. K. Lee, R. J. Twieg, L. Shapiro, W. E. Moerner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2011, 108, E 1102 -E 1110.
66. M. A. Thompson, J. M. Casolari, M. Badieirostami, P. O. Brown, W. E. Moerner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2010, 107, 17864-17871.
67. A. Agrawal, S. Quirin, G. Grover, R. Piestun, Opt. Express 2012, 20, 26667-26680.
68. A. L. Mattheyses, M. Kampmann, C. E. Atkinson, S. M. Simon, Biophys. J. 2010, 99, 1706-1717.
69. A. Kress, P. Ferrand, H. Rigneault, T. Trombik, H. He, D. Marguet, S. Brasselet, Biophys. J. 2011, 101, 468-476.
70. B. S. DeMay, N. Noda, A. S. Gladfelter, R. Oldenbourg, Biophys. J. 2011, 101, 985-994.