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Expanding the STED Principle to Multicolor Imaging and Far-Field Optical Writing

Meyer, Lars

German Title: Erweiterung des STED Prinzips zu Mehrfarben-Bildgebung und optischem Schreiben aus dem Fernfeld

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Abstract

Stimulated emission depletion (STED) nanoscopy has emerged as a powerful far-field technique for subdiffraction optical imaging and is extensively used in the life sciences to investigate different protein species. In many cases, however, the relative assembly of two (or more) proteins is of interest and needs to be determined with nanometric resolution. Meanwhile, STED has also found its way into material science. Yet, the method’s potential for subdiffraction optical writing has so far remained unexplored. This work evidences the development of a dual-color STED setup with lateral resolving power of 30 nm in both color channels. The method is shown to be applicable to the study of double-stained neuronal proteins and aids in establishing a novel sample sectioning technique. As a result the first high-resolution three-dimensional reconstruction of dual-color STED images is rendered possible. Flexible operation of the individual color channels furthermore answers open questions in chemistry and biology. Another key point of this thesis is the realization of STED nanolithography. Subdiffraction-sized structures are written by bleaching a layer of fluorophores. The underlying concept of bleaching suppression through STED is experimentally introduced and theoretically described by a photophysical model. Numerical simulations corroborate the experimental findings. The presented studies take multicolor STED nanoscopy close to macromolecular resolution and thus open up new methodical perspectives in the life sciences. STED nanolithography, on the other hand, has the potential of becoming an alternative to classical photolithography, thus simplifying high-resolution optical data storage.

Translation of abstract (German)

Die stimulated emission depletion (STED) Nanoskopie hat sich zu einer leistungsstarken, optisch nicht beugungsbegrenzten Fernfeld-Technik entwickelt und wird in den Lebenswissenschaften umfassend genutzt, um unterschiedliche Proteine zu untersuchen. Vielfach ist jedoch die relative Anordnung zweier (oder mehr) Proteine von Interesse und muss mit Auflösung im Nanometerbereich bestimmt werden. Mittlerweile hat STED auch in die Materialwissenschaften Einzug gehalten. Das Potential der Methode für optisches Schreiben unterhalb des Beugungslimits ist bislang jedoch unerschlossen geblieben. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines zweifarbigen STED Aufbaus mit lateraler Auflösung von 30 nm in beiden Farbkanälen. Die Methode wird zur Untersuchung doppelt gefärbter neuronaler Proteine genutzt und begünstigt die Einführung einer neuartigen Probenschneidetechnik. Daraus resultiert die erste dreidimensionale Rekonstruktion von zweifarbigen STED Bildern. Durch flexiblen Einsatz der einzelnen Farbkanäle werden darüberhinaus offene Fragestellungen in Chemie und Biologie beantwortet. Ein weiteres zentrales Thema dieser Arbeit ist die Realisierung von STED Nanolithographie. Strukturen unterhalb des Beugungslimits werden dabei durch Bleichen einer Farbstoffschicht erzeugt. Das zu Grunde liegende Konzept der STED Bleichunterdrückung wird experimentell vorgestellt und an Hand eines photophysikalischen Modells theoretisch beschrieben. Numerische Simulationen unterstützen die experimentellen Befunde. Die vorgestellten Studien bringen die mehrfarbige STED Nanoskopie nah an makromolekulare Auflösung heran und eröffnen damit neue methodische Perspektiven in den Lebenswissenschaften. Die STED Nanolithographie könnte eine interessante Alternative zu klassischer Photolithographie werden, was hochauflösende optische Datenspeicherung deutlich vereinfachen würde.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Spatz, Prof. Dr. Joachim P.
Date of thesis defense: 22 December 2009
Date Deposited: 22 Feb 2010 08:42
Date: 2009
Faculties / Institutes: Service facilities > Uni-externe Einrichtungen
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Controlled Keywords: sted, Fluoreszenzmikroskopie, Auflösungsvermögen, Bleichen, Hochauflösendes Verfahren
Uncontrolled Keywords: superresolution microscopy , Stimulated Emission Depletion (STED) , Nanolithography , Photobleaching
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