Single-frequency ion parking, a useful technique in electrospray mass spectrometry (ESI-MS), involves gas-phase charge-reduction ion/ion reactions in an electrodynamic ion trap in conjunction with the application of a supplementary oscillatory voltage to selectively inhibit the reaction rate of an ion of interest. The ion parking process provides a means for limiting the extent of charge reduction in a controlled fashion and allows for ions distributed over a range of charge states to be concentrated into fewer charge states (a single charge state under optimal conditions). As charge reduction inherently leads to an increase in the mass-to-charge (

Abstract Controlling chemical processes in live cells is a challenging task. The spatial heterogeneity of biochemical reactions in cells is often overlooked by conventional means of incubating cells with desired chemicals. A comprehensive understanding of spatially diverse biochemical processes requires precise control over molecular activities at the subcellular level. Herein, we develop a closed-loop optoelectronic control system that allows the manipulation of biomolecular activities in live cells at high spatiotemporal precision. Chemical-selective fluorescence signals are utilized to command lasers that trigger specific chemical reactions or control the activation of photoswitchable inhibitors at desired targets. We demonstrate the capability to selectively produce reactive oxygen species (ROS) solely at targeted organelles using blue light. Notably, the induction of ROS in the endoplasmic reticulum leads to a more pronounced disruption of tubulin polymerization and a reduction in green fluorescent protein signals, in comparison to that in lipid droplets. Moreover, when combined with a photoswitchable inhibitor, we selectively inhibit tubulin polymerization within subcellular compartments. This technology enables spatiotemporal control over chemical processes and drug activities, exclusively at desired targets, while minimizing undesired effects on non-targeted locations.

The traditional method in biological science to regulate cell functions often employs chemical interventions, which commonly lack precision in space and time. While optical manipulation offers superior spatial precision, existing technologies are constrained by limitations in flexibility, accuracy, and response time. Here, we present an adaptable and interactive optical manipulation platform that integrates laser scanning, chemical sensing, synchronized multi-laser control, adaptable target selection, flexible decision-making, and real-time monitoring of sample responses. This software-assisted real-time precision opto-control (S-RPOC) platform facilitates automatic target selection driven by optical signals while permitting user-defined manual delineation. It allows the treatment of mobile or stationary targets with varying laser dosages and wavelengths simultaneously at diffraction-limited spatial precision and optimal accuracy. Significantly, S-RPOC showcases versatile capabilities including adaptive photobleaching, comprehensive quantification of protein dynamics, selective organelle perturbation, control of cell division, and manipulation of individual cell behaviors within a population. With its unprecedented spatiotemporal precision and adaptable decision-making, S-RPOC holds the potential for extensive applications in biological science.

Abstract Precision control of molecular activities and chemical reactions in live cells is a long-sought capability by life scientists. No existing technology can probe molecular targets in cells and simultaneously control the activities of only these targets at high spatial precision and on the fly. We develop a real-time precision opto-control (RPOC) technology that detects a chemical-specific optical response from molecular targets during laser scanning and uses the optical signal to trigger an acousto-optic modulator, which allows a separate laser beam to only interact with the molecules of interest without affecting other parts of the sample. RPOC can automatically probe and control biomolecular activities and chemical processes in dynamic living samples with submicron spatial accuracy, nanoseconds response time, and high chemical specificity.

Fourier transform fluorescence recovery after photobleaching (FT-FRAP) with patterned illumination is theorized and demonstrated for quantitatively evaluating normal and anomalous diffusion. Diffusion characterization is routinely performed to assess mobility in cell biology, pharmacology, and food science. Conventional FRAP is noninvasive, has low sample volume requirements, and can rapidly measure diffusion over distances of a few micrometers. However, conventional point-bleach measurements are complicated by signal-to-noise limitations, the need for precise knowledge of the bleach beam profile, potential for bias due to sample heterogeneity, and poor compatibility with multi-photon excitation due to local heating. In FT-FRAP with patterned illumination, the time-dependent fluorescence recovery signal is concentrated to puncta in the spatial Fourier domain through patterned bleaching, with substantial improvements in signal-to-noise, mathematical simplicity, representative sampling, and multiphoton compatibility. A custom nonlinear-optical beam-scanning microscope enabled patterned illumination for photobleaching through two-photon excitation. Measurements in the spatial Fourier domain removed dependence on the bleach profile, suppressing bias from imprecise knowledge of the point spread function. For normal diffusion, the fluorescence recovery produced a simple single-exponential decay in the spatial Fourier domain, in excellent agreement with theoretical predictions. Simultaneous measurement of diffusion at multiple length scales was enabled through analysis of multiple spatial harmonics of the bleaching pattern. Anomalous diffusion was characterized by FT-FRAP through a nonlinear fit to multiple spatial harmonics of the fluorescence recovery. Constraining the fit to describe diffusion over multiple length scales resulted in higher confidence in the recovered fitting parameters. Additionally, phase analysis in FT-FRAP was shown to inform on flow/sample translation.