Advancement of single molecule microarray scanner towards imaging cytometry
Description
Single molecule sensitive fluorescence microscopy is currently one of the major techniques in biological and medical research. New applications in the area of cytometry demand fast, stable, and reliable methods to acquire large amounts of (image) data for successful statistical analysis. In this work I addressed two major limitations: restricted time reference in multi-color scanning and blurred scan images. After a general survey over fluorescence microscopy I give a description of limiting technical parameters various commercial and scientific biochip-readers suffer from. An in-depth discussion of relevant physical and technical aspects leads to the concept of an advanced fluorescence scanner whose implementation details are also provided. The above mentioned limited time-reference of 'classical' scanning was addressed by a multi-color alternating excitation approach. Through rapid switching between excitation wavelengths, synchronized sample movement, and image readout multiple tightly time-referenced scan-images in different excitation channels can be obtained. This method provides single molecule sensitivity combined with sharp mapping of moving particles (D ∼0.5μm2/s) as found in lipid bilayers or living cells. Also a localization precision of point light sources down to ∼10 nm is shown. Furthermore the fast imaging of large glass-slides as used in a number of biochip-applications usually suffers from blurring. Thus, a stable method for keeping the specimen in the focal plane is required. The implemented novel approach utilizes the totally reflected excitation laser beam as error indicator. Together with a two-stage (discrete coarse and analog fine) objective z adjustment a fast and sensitive control loop is formed which keeps an initially set sample-objective distance within the limited focal depth of a high-NA objective (usually some hundreds of nanometers) while scanning a multiple cm2 biochip with single molecule sensitivity. Finally, this thesis contains two applications of the new technologies. Firstly, the method was optimized to enable micropatterning studies for measuring protein-protein interaction in the live cell plasma membrane. Microstructured surfaces functionalized with fluorophore-labeled antibodies were brought in contact with living cells. The redistribution of the associated membrane-proteins was recorded on large chip-areas with the new scanner. Secondly, to successfully apply fluorescence imaging in cytometry it is also necessary to discriminate mobile fluorophores used as markers in cells against static (dirt) particles. Through the introduction of asynchronous time-delay and integration (TDI) mode we could record the time course of the fluorescence signal. Combined with rotating the polarization excitation a characterization of absorption dipoles is possible. This allowed e.g. distinguishing proteins with average labeling of 0.55 versus 2.89 fluorophores. (author)
Availability note (English)
Available from JKU University Library, Altenberger Strasse 69, 4040 Linz (AT)Abstract (German)
Einzelmolekuel-sensitive Fluoreszenz-Mikroskopie ist derzeit eine der meist verwendeten Technologien in biologischer und medizinischer Forschung. Neue Anwendungen auf dem Gebiet der Zytometrie verlangen nach schnellen und zuverlaessigen Messmethoden fuer die Akquisition grosser Mengen an (Bild)daten die zur anschliessenden statistischen Auswertung benoetigt werden. In dieser Arbeit habe ich mich mit zwei besonders stoerenden Problemen befasst: dem eingeschraenkten Zeitbezug beim Scannen in mehreren Farbkanaelen und dem Auftreten von Bildunschaerfen beim allgemeinen Scannen. Nach einer einfuehrenden uebersicht ueber die Technik der Fluoreszenz-Mikroskopie beschreibe ich die Limitierungen, wie sie bei verschiedenen kommerziellen und wissenschaftlichen Biochip-Scannern vorkommen. Eine tiefer gehende Diskussion der relevanten physikalischen und technischen Aspekte fuehrt zum Konzept eines weiterentwickelten Fluoreszenz-Scanners, dessen Implementierungs-Details schliesslich beschrieben werden. Um dem eingeschraenkten Zeitbezug im Mehrfarbenscannen zu begegnen wurde ein multi-color alternating excitation System entwickelt. Durch raschen Wechsel zwischen den Anregungswellenlaengen, damit synchronisierter Probenbewegung und Datenauslesung koennen mehrere, in engem Zeitbezug stehende Scan-Bilder in verschiedenen Farbkanaelen gewonnen werden. Diese Methode kombiniert Einzelmolekuel-Sensitivitaet mit der scharfen Abbildung von bewegten Objekten (D∼0.5μm2/s), wie sie z.B. in Lipid-Bilayern oder lebenden Zellen vorkommen. Eine Lokalisierungs-Genauigkeit fuer Punktlichtquellen von ca. 10 nm wird ebenfalls gezeigt. Ein weiteres Problem sind Bild-Unschaerfen, wie sie beim schnellen Scannen in Biochip-Anwendungen auftreten. Hier ist ein Verfahren notwendig, das die Probe zuverlaessig in der Fokalebene des Objektivs haelt. Die hierfuer neu entwickelte Methode benutzt den total-reflektierten Anregungslaser als Fehlerindikator. Zusammen mit einer zweistufigen Objektiv-z-Verstellung (stufenweise grob und analog fein) wird ein Regelkreis gebildet, der einen einmal gewaehlten Objekt-Objektiv-Abstand stabil innerhalb der Schaerfentiefe des Systems (typisch einige hundert Nanometer) haelt. Das Verfahren ermoeglicht schnelles, einzelmolekuel-sensitives Scannen ueber mehrere cm2. Weiters beschreibt diese Dissertation zwei Anwendungen der obigen Technologien: erstens ermoeglichte diese optimierte Messmethode Protein-Protein-Interaktionsstudien in lebenden Zellen auf mikrostrukturierten Oberflaechen. Diese waren mit fluoreszenz-markierten Antikoerpern funktionalisiert. Nach dem Zellkontakt wurde die Umverteilung der ebenfalls markierten, assoziierten Membranproteine gemessen. Zweitens wurde auf dem Setup eine Methode zur Unterscheidung von mobilen Fluorophoren und statischen Emittern (z.B. Schmutzpartikel) implementiert. Im asynchronen time-delay and integration (TDI) Mode wurde der zeitliche Verlauf des Fluoreszenz-Signals aufgezeichnet. In Verbindung mit einer Rotation der Polarisationsebene des Anregungssignals war eine Charakterisierung der Absorptions-Dipole moeglich. Es wurde gezeigt, dass damit Proteine mit Labelling von 0.55 bis 2.89 Fluorophoren unterschieden werden koennen.(author)Additional details
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 98 p.
INIS
- Country of Publication
- Austria
- Country of Input or Organization
- Austria
- INIS RN
- 44016841
- Subject category
- S74: ATOMIC AND MOLECULAR PHYSICS;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis, Non-conventional Literature
- Descriptors DEI
- EXCITATION; FLUORESCENCE; IMAGES; MEMBRANE PROTEINS; MICROARRAY TECHNOLOGY; MICROSCOPY; MOLECULES
- Descriptors DEC
- BIOTECHNOLOGY; EMISSION; ENERGY-LEVEL TRANSITIONS; LUMINESCENCE; ORGANIC COMPOUNDS; PHOTON EMISSION; PROTEINS