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Adaptive Optik in der Zwei-Photonen-Mikroskopie

Binding, Jonas Rolf Hans

English Title: Adaptive Optics in Two-Photon Microscopy

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Abstract

Adaptive Optik wird in der Astronomie, in der Augenheilkunde und anderen Gebieten erfolgreich eingesetzt. Die Technik scheint auch für die Lichtmikroskopie vielversprechend, jedoch wurde die Relevanz von Aberrationen für viele biologische Proben noch nicht untersucht. Um die Bedeutung der adaptiven Optik für in-vivo Zwei-Photonen-Kalzium-Bildgebung in tiefen Kortexschichten im Nagergehirn abzuschätzen, wurden die von der Probe verursachten Aberrationen mittels Raytracing berechnet, und der sich ergebende Signalverlust abgeschätzt. Astigmatismus sowie die beiden niedrigsten Ordnungen der sphärischen Aberration stellten sich als dominant heraus; ihre Korrektur sollte das Fluoreszenzsignal erhöhen. Um diese theoretischen Ergebnisse zu überprüfen, wurden ein deformierbarer Spiegel und ein Wellenfrontsensor in ein Zwei-Photonen-Mikroskop integriert. Die Charakterisierung des Systems ergab, dass sich Wellenfronten im notwendigen Bereich mit einem RMS-Fehler von lambda/25 produzieren lassen, wenngleich der Betrieb als offener Regelkreis während der Zwei-Photonen-Mikroskopie noch Verbesserungen bedarf. Beim Mikroskopieren von Proben, die starke Aberrationen verursachen, werden durch die adaptive Optik Signalzunahmen von bis zu 150% erzielt; vollständige Korrektur der Aberrationen war jedoch nicht möglich. Höchste Fluoreszenzintensität wird bei Zernike-Koeffizienten beobachtet, die deutlich unter den theoretisch vorhergesagten Werten liegen. Mögliche Gründe für diese Diskrepanz werden diskutiert.

Translation of abstract (English)

Adaptive optics is successfully being used in astronomy, ophtamology and other fields. The technique holds promise also for optical microscopy, but the role aberrations play in many biological samples has not yet been determined. To estimate the relevance of adaptive optics for deep in-vivo two-photon calcium imaging in the rodent brain, the sample-induced aberrations were calculated using geometrical ray-tracing and the resulting signal loss was estimated. It was found that astigmatism and two orders of spherical aberration should dominate, and that their correction would increase the fluorescence signal. To test these theoretical results, a deformable mirror and a wavefront sensor were integrated into a custom-designed two-photon microscope. Characterization of the system shows the ability to produce wavefronts in the necessary range with a residual RMS error of lambda/25, but open-loop operation during two-photon imaging still requires some improvements. When imaging in strongly aberrating samples, signal improvements of up to 150% are achieved, but complete compensation of the aberrations was not possible. Peak intensities are found at Zernike coefficients that were substantially smaller than predicted by calculations. Possible reasons for the discrepancy are discussed.

Item Type: Master's thesis
Date Deposited: 08. Sep 2010 11:03
Date: 2008
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Adaptive Optik, Mikroskopie, Biophysik, Heidelberg / Max-Planck-Institut für Medizinische Forschung, Wellenfront, Wellenfrontsensor, Fluoreszenz
Uncontrolled Keywords: Zwei-Photonen-Mikroskopie , Deformierbarer Spiegeladaptive optics , two-photon microscopy , biophysics , deformable mirror , refractive index mismatch , laser scanning microscopy , wavefront
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