eprintid: 22323
rev_number: 17
eprint_status: archive
userid: 2882
dir: disk0/00/02/23/23
datestamp: 2016-12-16 11:01:54
lastmod: 2017-01-24 10:04:36
status_changed: 2016-12-16 11:01:54
type: doctoralThesis
metadata_visibility: show
creators_name: Bergermann, Fabian Manuel
title: Massively parallelized STED nanoscopy
title_de: Hochgradige Parallelisierung der STED-Nanoskopie
subjects: ddc-530
subjects: ddc-600
divisions: i-130001
divisions: i-850300
adv_faculty: af-13
keywords: Superresolution
cterms_swd: STED-Mikroskopie
cterms_swd: Fluoreszenzmikroskopie
cterms_swd: Parallelisierung
abstract: Fluorescence microscopy constitutes a key method for the virtually
non-invasive study of biological structures and processes on a subcellular
scale. Stimulated Emission Depletion (STED) nanoscopy extends
fluorescence imaging to nanometer resolutions. However, this
method usually acquires an image by scanning small pixels in a sequential
manner, which can lead to long acquisition times of several
minutes. This limits the feasibility of many large-scale superresolution
experiments, because faster acquisition times imply sacrificing
either highest resolution, a good signal-to-noise ratio or a large image
size. To unleash the full spatio-temporal resolving power potential of
STED nanoscopy on a large imaging region, massively parallelized
acquisition is therefore inevitable.
In this thesis, I develop a comprehensive and quantitative description
of parallelized STED and validate the derived findings by means
of two experimental implementations. Investigating the key technical
parameters and their interplay reveals the possibility of reducing the
laser power by up to three orders of magnitude below the value required
for serially acquiring STED systems. This eliminates a major
bottleneck of previously reported attempts to parallelize STED nanoscopy,
limiting them to tiny image sizes or inferior resolutions. Moreover,
using a rather simple optical arrangement, I was able to enlarge
the superresolved image area to 33 μm edge length (roughly the dimensions
of a small cell), featuring a resolution down to 30 nm and a
13000-fold degree of parallelization. While the implementations presented
here should be viewed as prototypes, they prove the technical
feasibility of massively parallelized STED nanoscopy. The methods
developed in this thesis in combination with suitable high-speed detectors
bring video-rate STED nanoscopy of whole cells within reach.
abstract_translated_text: Fluoreszenzmikroskopie ist eine Schlüsselmethode zur minimal-invasiven
Untersuchung subzellulärer biologischer Strukturen und Prozesse.
Die sogenannte Stimulated Emission Depletion (STED) Nanoskopie
erweitert das Auflösungsvermögen bis hinein in den Nanometerbereich.
Typischerweise wird dabei die Probe Pixel für Pixel
abgetastet. Dieser sequentielle Scanprozess kann allerdings zu Bildgestehungszeiten
von mehreren Minuten führen und den Einsatz im
großen Maßstab erschweren. Um kürzere Aufnahmezeiten zu ermöglichen,
muss entweder Auflösungsqualität, Signal-zu-Rausch-Verhältnis
oder Bildgröße geopfert werden. Für die Anwendung von STED
mit höchster räumlicher und zeitlicher Auflösung auf einer großen
Bildfläche führt deshalb kein Weg an Parallelisierung vorbei.
Diese Arbeit bietet eine umfassende, quantitative Darstellung der
Theorie parallelisierten STEDs und überprüft die wichtigsten Ergebnisse
mithilfe zweier experimenteller Mikroskopieaufbauten. Die Analyse
der zentralen Parameter und deren Zusammenwirken zeigt, dass
im Vergleich zur sequentiellen STED Variante eine um bis zu drei Größenordnungen
geringere Laserleistung notwendig ist. Dies ist insofern
wichtig, als bisher publizierte Versuche STED zu parallelisieren
aufgrund unzureichender Laserleistungen in Bildfeld und Auflösung
stark eingeschränkt waren. In der vorliegenden Arbeit konnte mit
einem sogar vergleichsweise einfachen optischen Aufbau eine Auflösung
von bis zu 30 nm und eine 13000-fache Parallelisierung auf
einem Bildfeld von 33 μm Kantenlänge erzielt werden. Das entspricht
der Größe einer kleinen Zelle. Trotz ihres prototypischen Charakters
beweisen die in dieser Arbeit vorgestellten optischen Aufbauten, dass
eine hochgradige Parallelisierung der STED-Nanoskopie möglich ist.
Mit der in naher Zukunft zu erwartenden Verfügbarkeit von Kameras
mit entsprechend hoher Aufnahmegeschwindigkeit rücken Videos
lebender Zellen in STED-Auflösungsqualität in greifbare Nähe.
abstract_translated_lang: ger
date: 2016
id_scheme: DOI
id_number: 10.11588/heidok.00022323
ppn_swb: 1655587927
own_urn: urn:nbn:de:bsz:16-heidok-223231
date_accepted: 2016-11-30
advisor: HASH(0x55fc36bce9e8)
language: eng
bibsort: BERGERMANNMASSIVELYP2016
full_text_status: public
citation:   Bergermann, Fabian Manuel  (2016) Massively parallelized STED nanoscopy.  [Dissertation]     
document_url: https://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/22323/1/Dissertation_FabianBergermann.pdf