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3D fluorescence microscopy with isotropic resolution on the nanoscale

Schmidt, Roman

German Title: 3D Fluoreszenzmikroskopie mit isotroper Auflösung im Nanometerbereich

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Abstract

The resolution of any linear imaging system is given by its point-spread-function (PSF) quantifying the blur of an object point in the image. The sharper the PSF, the better is the resolution. In standard fluorescence microscopy, however, diffraction dictates a PSF with a cigar-shaped main maximum, called the focal spot which extends over at least half the wavelength of light (L = 400-800 nm) in the focal plane and > L along the optic axis (z). While concepts have evolved to sharpen the focal spot both laterally and axially, none of them has reached their ultimate goal: a spherical spot that can be arbitrarily downscaled in size. Herein, I introduce such a fluorescence microscope and demonstrate the creation of spherical focal spots of 40-45 nm (~ L/16) diameter that is pushed down to 21-30 nm (~ L/30) under suitable conditions. Fully relying on focused light, this lens-based fluorescence nanoscope unravels the interior of cells noninvasively, uniquely dissecting their sub-L sized organelles. Further fields of application open up, such as the characterization of novel nanomaterials.

Translation of abstract (German)

Die Auflösung eines jeden linearen Abbildungverfahrens ist durch seine Punktbildfunktion (engl. point-spread-function, PSF) gegeben, die das Verwaschen eines Punktes des Urbilds quantifiziert. Je schärfer die PSF, desto besser die Auflösung. In der herkömmlichen Fluoreszenzmikroskopie weist die PSF beugungsbedingt ein zigarrenförmiges Hauptmaximum auf, welches auch fokaler Fleck genannt wird. Seine Ausdehnung beträgt mindestens die Hälfte der Lichtwellenlänge (L = 400-800 nm) in der Fokalebene und > L entlang der optischen Achse (z). Obwohl Konzepte entwickelt wurden, die den fokalen Fleck sowohl lateral als auch axial schärfen, ist es bisher keinem von ihnen gelungen, das ultimatives Ziel zu erreichen: Die isotrope Abbildung mittels eines kugelförmigen fokalen Flecks, der beliebig verkleinert werden kann. Hier stelle ich solch ein Fluoreszenzmikroskop vor und demonstriere die Erzeugung eines kugelförmigen fokalen Flecks mit einem Durchmesser von 40-45 nm (~ L/16), der unter geeigneten Bedingungen auf 21-30 nm (~ L/30) verkleinert wird. Rein auf fokussiertem Licht basierend, blickt dieses linsenbasierte Fluoreszenznanoskop in das Innere von Zellen und analysiert nicht-invasiv die Struktur ihrer sub-L messenden Organellen. Weitere Anwendungen, wie zum Beispiel die Charakterisierung neuartiger Nanomaterialien, eröffnen neue Einsatzgebiete.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Hell, Prof. Dr. Stefan W.
Date of thesis defense: 5. November 2008
Date Deposited: 20. May 2009 16:33
Date: 2008
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: sted, Vier-Pi-Mikroskopie, Fluoreszenz, Mikroskopie, Fernfeld
Uncontrolled Keywords: isoSTED, 4Pi, STED, Nanoskopie, MikroskopieisoSTED, 4Pi, sub-diffraction, nanoscopy, microscopy
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