Simpler STED setups [Elektronische Ressource] / put forward by Matthias Reuss

©Matthias Reuss, German Cancer Research Center, Universitätsbibliothek Heidelberg

Sujets

• Physik

Informations

• Publié par: ruprecht-karls-universitat_heidelberg
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 44
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 8 Mo

Extrait

Disser ta tion
submitt ed t o the
C ombined F aculties f or the Na tur al S cienc es and f or
M a thema tics
of the Ruper t o - C ar ola Univ ersit y of Heidelber g ,
G erman y
f or the deg r ee of
D oc t or of Na tur al S cienc es
P ut f or w ar d b y
M a tthias R euss , M ast er of Ar ts
B or n in Munich
Or al examina tion: D ec ember 15, 2010Simpler STED setups
P r o f . D r . S t efa n W . H e l l
R ef e r e e s:
P r o f . D r . R a in er H. A. F in k“ L ’e s se n t i e l e s t i n v is i b l e p o u r l e s y e ux ”
A n t o in e de Sa in t-E xu p ér y , L e P et i t P r in ce .A bstr ac t
i s w o r k di s c u s s es r ug g e d t e c hnic a l sim p lic a t io n s f o r S TED n a n os-
co p y a n d m et h o d s r e l a t e d t o i t (RESO LFT). S TED i s a t yp e o f l a s er s c a n-
nin g micr os co p y t h a t u s es s t im u l a t e d emi s sio n in o r der t o in hi b i t s p o n-
t a n e o u s uo r es cen ce f r o m o u t er p a r ts o f t h e f o c a l s p o t. i s de li b era t e
t ra n sien t o ff-sw i t c hin g o f uo r o p h o r es p er mi ts e v en den s e l y p ac k e d u-
o r es cen t m o le c u les t o b e s p a t i a l l y i s o l a t e d f r o m t h e r es t; a n d b e c a u s e i s o-
l a t e d m o le c u les c a n b e r eg i s t er e d s e q uen t i a l l y — n o m a t t er h o w c los e t h e y
a r e — t h e r es o l u t io n i s in cr e a s e d b e y o n d t h e diff rac t io n limi t.
F o r sw i t c hin g , S TED a s ks f o r a s ep a ra t e in hi b i t io n b e a m m o die d in
a wa y t h a t i t s u p p r es s es uo r es cen ce , b u t o n l y in t h e p er i p h era l r eg io n s
o f t h e f o c a l s p o t.  e r e q uir em en ts o f a s e co n d b e a m p a t h a n d addi t io n a l
m e a n s f o r b e a m s h a p in g h a v e k ep t S TED f r o m ga inin g t h e c ur r en c y i t
des er v es, a l t h o ug h hig h r es o l u t io n i s in h ug e dem a n d , g en era l l y .
H er e , i t i s di s c u s s e d h o w co n t em p o ra r y S TED s et u ps c a n b e sim p lie d
radic a l l y ; in fac t u p t o a p o in t w h er e i t i s p os si b le t o u pg rade exi s t in g l a s er
s c a nnin g sys t em s w i t h a co-a lig n e d S TED-b e a m, sim p l y b y addin g a n e l-
em en t a b o u t t h e size o f a n o p t ic a l t hin- lm l t er . A s t h e a p p a r en t n e e d
f o r a s ep a ra t e b e a m p a t h ce a s es t o exi s t, S TED b e co m es sim p ler a n d m o r e
r e li a b le . A t t h e s a m e t im e , t h e p er f o r m a n ce i s t h e s a m e a s f o r a t radi t io n a l
S TED-s et u p .
Z usammenfassung
Die v o r lieg en de A rb ei t er ö r t er t M ög lic h k ei t en zur t e c hni s c h en V er ein-
fac h un g v o n S TED N a n os k o p en un d v er wa n d t en V er fa hr en (RESO LFT).
S TED i s t ein e W ei t er en t w ic k l un g t radi t io n e l ler L a s er ra s t er mi k r os k o p ie
un d b a sier t a uf der U n t er dr üc k un g v o n s p o n t a n er Fl uo r eszenz im ä ußer en
B er eic h des A nr egun gs-B eugun gse c ks mi t t e l s s t im u lier t er Emi s sio n. D a s
g e zie l t e t ra n sien t e A u s s c h a l t en v o n F a rbs t o ff-M o le k ü len h a t zur F o lg e , d a s s
O b j e k t e v o n s e hr n a h e lieg en den a n der en O b j e k t en rä um lic h g et r enn t
w er den k ö nn en; d a s w ie der um er m ög lic h t s e q uen t ie l les A u s les en dies er
O b j e k t e un d d a mi t A uös un g en un t er h a l b der B eugun gsg r enze .
F ür d a s A u s s c h a l t en w ir d j e do c h ein zw ei t er S t ra h l er f o r der lic h, der f ür
die U n t er dr üc k un g der Fl uo r eszenz a m R a n de der A nr egun gs-B eugun gs-
e c ks v era n t w o r t lic h zeic hn et. D a s er f o r der t ein en un a b h ä n g ig en S t ra h l-
en ga n g , d a der S TED-S t ra h l s o v erä n der t w er den m u s s, d a s s er n ur a m
R a n d w ir k t. N un i s t g en er e l l der B e d a r f a n S ys t em en mi t v erb es s er t er
A uös un g s e hr g r o ß, a l ler din gs s t e h en o b en g en a nn t e Er f o r der ni s s e der
g r o ß äc hig en V erb r ei t un g v o n S TED im W eg e — b i s j etzt.
H ier w er den n un M ög lic h k ei t en zur radi ka len V er einfac h un g g eg en-
wä r t ig er S TED-A ua u t en di s k u t ier t. I n der T a t w ir d g e zeigt, d a s s a uc h
b es t e h en de L a s er ra s t er mi k r os k o p e d ur c h B er ei ts t e l len ein er S TED-Q ue l le
un d den Ein b a u ein es E lem en ts et wa v o n der G r ö ße ein es D ünn s c hic h t-
l t er s zu S TED-fä hig en S ys t em en um g er ü s t et w er den k ö nn en. W ei l die
N o t w en dig k ei t ein es w ei t er en S t ra h len ga n gs en t fä l l t, w er den dies e S ys-
t em e r o b u s t er un d zu v er l ä s sig er , g leic hzei t ig a b er i s t i hr e L ei s t un gsfä hig-
k ei t un d die erzie l b a r e A uös un g in k ein s t er W ei s e v er min der t.
C on t en ts
1 In tr oduc tion 1
2 T heor y and basic principles 5
2.1 Standar d fluor esc enc e ligh t micr osc op y 5
2.1.1 F luor esc enc e 6
2.1.2 Standar d fluor esc enc e micr osc op y t echniques 7
2.1.3 T he r esolution pr oblem in image f or ming devic es 9
2.2 H igh-r fluor esc enc e micr osc op y 14
2.2.1 Stimula t ed Emission D epletion (STED ) micr osc op y 14
2.2.2 R ev ersible Sa tur a t ed Optical F luor esc enc e T r ansitions
(RESOLFT ) and tar get ed swit ching 17
2.2.3 St ochastic swit ching and r ead- out 18
3 Rugged simplific a tions f or RESOLFT -t ype nanosc opes 21
3.1 T he ma thema tical theor y of f ocusing with high numer ical aper -
tur es 21
3.2 A t ypical c on v en tional STED setup 27
3.3 B eam shaping devic es based on polar iza tion eng ineer ing 32
3.3.1 Bir efr ingen t beam shaping devic es — the motiv a tion 32
3.3.2 P olar iza tion eng ineer ing with bir efr ingenc e 34
P olar iza tion: definition and char ac t er iza tion 35
T he ph y sical or ig ins of bir efr ingenc e 36
W a v e pla t es 41
3.3.3 Exper imen tal r ealiza tion of bir efr ingen t beam shaping devic es 42
A seg men t ed w a v e pla t e f or 2D -STED micr osc op y : easySTED 44
M olecular Or ien ta tion M icr osc op y (MOM) 53
A seg men t ed beam shaping devic e f or 3D -STED micr osc op y 60
3.3.4 R obustness c onsider a tions f or seg men t ed w a v e pla t es 69
T oler anc e against misalig nmen t in the pupil 69
D et ec tion efficienc y and per f or manc e under chr oma tic devia-
tions 753.4 I mpr o ving the qualit y of c on tinuous w a v e STED with time - ga t ed
det ec tion 78
4 C onclusions and O utlook 87
A S ample pr epar a tion 91
B Ma thema tic al c onsider a tions on suitable bir efringen t beam shap -
ing de vic es 93
C F inding the optimal SWP - c onfigur a tion b y means of a genetic al-
gorithm 99
Bibliogr aph y 109