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Parallelised STED nanoscopy

Bingen, Pit

German Title: Parallelisierte STED Nanoskopie

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Abstract

Optische Nanoskopie hat sich als wertvolles Instrument für die Molekularbiologeentwickelt. Diese Methoden sind nicht mehr durch die Beugung des Lichtes begrenzt und führen zu neuen Herausforderungen. Das dafür erforderliche Schalten des molekularen Signals macht eine zeitlich sequentielle Signalaufnahme erforderlich und führt zu längeren Aufnahmezeiten mit steigender Auflösung. Um die Gesamtaufnahmezeit des Bildfeldes zu reduzieren und damit die Attraktivität der hochauflösenden optischen Methoden für die Biologie zu erhöhen ist eine Parallelisierung des Bildfeldes essenziell. Diese Arbeit befasst sich mit den fundamentalen Grenzen der parallelisierten Nanoskopie und beinhaltet die erste experimentelle Ausführung von parallelisierter Koordinaten-definierter Nanoskopie mit Fluoreszenzverhinderung durch stimulierte Emission (STED). Eine verlustfreie vierfache Parallelisierung wird durch polarisierende Strahlteiler und ein chromatisches segmentiertes Wellenplättchen, welches als formgestaltendes Element fungiert, ermöglicht. Eine gemeinsame Faserlichtquelle gewährleistet dass alle Laserstrahlen sowohl räumlich als auch zeitlich überlagert sind. Die zeitreduzierende Eigenschaft von Parallelisierung wurde nachgewiesen. Diese Arbeit führt außerdem eine neue Detektionsmethode in die Nanoskopie ein, welche die koinzidenten Photonen pro Laserzyklus detektiert.Der Effekt des Photonenantibunching von fluoreszenten Molekülen ermöglichtes die Anzahl von gleichzeitig angeregten Molekülen aus der Photonenstatistikheraus zu bestimmen. Dies erlaubt es Koordinaten-definierten Nanoskopiemethoden, wie STED, die Anzahl der fluoreszenten Molekülenim Fokus zu zählen.

Translation of abstract (English)

Far-Field Fluorescence nanoscopy techniques have established themselves as promising tools for molecular biology. These methods are no longer limited by diffraction, and give rise to new challenges and limitations. The use of switching of molecular signalling states makes time-sequential recordings inevitable and leads to increasingly long acquisition times with higher resolution. Parallelisation is essential for reducing the overall acquisition time and enhancing the overall impact of fluorescence nanoscopy on biology. This work discusses the fundamental limits of parallelised coordinate-targeted nanoscopy and demonstrates the frst experimental realisation of parallelisation of stimulated emission depletion (STED) nanoscopy. A loss-free fourfold parallelisation is achieved by polarisation-based beam-splitting and chromatic segmented waveplates as beam-shaping devices. A common fibre source offers inherently spatially and temporally aligned laser beams. The time-reducing capabilities of parallelisation are demonstrated. This work additionally introduces a new detection scheme to targeted nanoscopy, detecting coincident photons per laser cycle on four single photon detectors. Using the quantum phenomenon of photon antibunching, the number of simultaneously excited emitters of an ensemble of molecules can be determined and targeted nanoscopy thus be extended to molecule counting.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Hell, Prof. Dr. Stefan W.
Date of thesis defense: 11 July 2012
Date Deposited: 07 Sep 2012 14:06
Date: 2012
Faculties / Institutes: Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Laser-Rastermikroskopie, Mikroskopie, sted, Fluoreszenz
Uncontrolled Keywords: STED , Hochauflöung , Beugungslimit , Lichtmikroskopie , ParallelisierungSTED , High Resolution , Diffraction Barrier , Optical Microscopy , Parallelisation
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