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4Pi Nanoscopy parallelized by line scanning

Curdt, Franziska

German Title: Linienparallelisierte 4Pi Nanoskopie

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Abstract

A superresolution scanning fluorescence microscope – or nanoscope – allows imaging structures smaller than the diffraction limit of light. The principal idea in targeted readout microscopy methods is the on/off-switching of a subset of fluorophores inside the focal volume with the help of different reversible switchable optical fluorescence transitions. If, in addition, the effective numerical aperture is doubled as in a 4Pi optical setup, the resolving power in axial direction of a far field microscope can be significantly increased. Due to the local field enhancement, a 4Pi augmented STimulated Emission Depletion (STED) setup exploits STED light in an effective manner. To this date, it features the smallest effective scannning volume. However, the acquisition of the obtained image information with this slender volume requires smaller scanning steps and in consequence a longer overall acquisition process. This disadvantage can be compensated for by parallel readout and is relevant for a 4Pi-STED combination, in particular. The proposed image parallelization scheme allows to trade-off acquisition speed against required resolution. In this thesis, a 4Pi augmented line parallelized STED setup is presented that is, for the first time, able to resolve 20 nm fluorescent microspheres with a resolution of about 50 nm in two dimensions with a focal volume that is 10 times parallelized as compared to a single spot confocal volume.

Translation of abstract (German)

Ein hochauflösendes, scannendes Fluoreszenzmikroskop – oder Nanoskop – ermöglicht die Aufnahme von Strukturen, die kleiner sind als die Beugungsgrenze von Licht. Der entscheidende Punkt in Mikroskopiemethoden, die gezielt auslesen, ist das An- und Ausschalten einer Untergruppe von Fluorophoren innerhalb eines Fokalvolumens mit Hilfe verschiedener reversibel schaltbarer optischer Fluoreszenzübergänge. Wenn zudem der effektive Öffnungswinkel verdoppelt wird, wie in einem 4Pi Aufbau, kann die Auflösung in axialer Richtung entscheidend verbessert werden. Ein Aufbau, der 4Pi und die STimulated- Emission-Depletion-Methode (STED)kombiniert, nutzt das STED-Licht durch lokale Felderhöhung sehr effektiv und erzielt bis heute das kleinstmögliche Scan-Volumen. Die Aufnahme der durch das geringe Volumen gewonnenen Information verlangt jedoch kleinere Scan-Schritte und damit eine verlängerte Aufnahmedauer. Ein parallelisierter Ausleseprozess kann diesen Nachteil kompensieren und ist gerade für die 4Pi-STED-Kombination interessant. Mit dem vorgestellten Auslese-Schema kann die Aufnahmedauer gegen die benötigte Auflösung abgewogen werden. In dieser Arbeit ist ein linienparallelisierter 4Pi-STED Aufbau vorgestellt, der erstmalig ermöglicht, mit einem zehnfach parallelisiertem Scan-Volumen im Vergleich zum Konfokalvolumen eines Einzelpunkts, 20 nm große, fluoreszente Nanopartikel mit einer FWHM von ca. 50 nm zweidimensional hochaufzulösen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Hell, Prof. Dr. Stefan W.
Date of thesis defense: 16 January 2013
Date Deposited: 24 Jan 2013 10:46
Date: 2013
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
Controlled Keywords: Nanoscopy, STED, 4Pi, Parallelisierung
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