Three-dimensional diffusion coefficient measurement by a large depth-of-field rotating point spread function

光学 点扩散函数 旋转(数学) 物理 扩散 材料科学 几何学 数学 热力学
作者
Famin Wang,Hangfeng Li,Lin Ji,Mengyuan Zhao,Xin Miu,Yunhai Zhang,Wei Huang,Tao Wei
出处
期刊:Applied Optics [Optica Publishing Group]
卷期号:60 (35): 10766-10766 被引量:1
标识
DOI:10.1364/ao.433893
摘要

A prominent challenge in single-molecule localization microscopy is the real-time, fast, and accurate localization of nano-objects moving in three-dimensional (3D) samples. A well-established method for 3D single-molecule localization is the double-helix pointspread-function (DH-PSF) engineering, which uses additional optical elements to make the PSF exhibit different rotation angles with different nanoparticle depths. However, the compact main lobe size, effective detection depth, and precise conversion between rotation angle and depth are necessary, posing challenges to the DH-PSF generation method. Here we generate a more compact DH-PSF using Fresnel-zone-based spiral phases, and the pure phase mask achieves high transmission efficiency. The final generated DH-PSFs have a linear rotation rate at each axial position, showing a more accurate rotation angle and depth conversion. The Cramer–Rao lower limit calculation results show that the axial depth of DH-PSF extends to 11 µ m with an axial localization precision of 45 n m at 3000 photons and average background noise of 15. We measured the diffusion coefficient of nanospheres in different concentrations of glycerol using the generated DH-PSF. The measured results are within 6% error from the theoretical values, indicating the superior performance of the DH-PSF for nanoparticle diffusion coefficient measurements.
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