Title (eng)
Design and development of an interferometric multi-pass microscope
Parallel title (deu)
Design und Entwicklung eines interferometrischen Multi-Pass Mikroskops
Author
Jan Pac
Advisor
Thomas Juffmann
Assessor
Thomas Juffmann
Abstract (deu)
Die Erforschung der Dynamik von Proteinen ist von zentralem Interesse für die Molekularbiologie und die biomedizinische Forschung. In jüngster Zeit wurden interferometrische Bildgebungsverfahren so weit entwickelt, dass es möglich ist, die Bewegung einzelner Proteine zu beobachten. Die Sensitivität der interferometrischen Bildgebungsverfahren ist praktisch und grundlegend durch Schrotrauschen begrenzt und kann, im Prinzip, mit der Hilfe von Resonator-Techniken, wie der Multi-Pass Mikroskopie, verbessert werden. Um zu untersuchen, ob diese Verbesserung auch im Labor erreicht werden kann, haben wir ein interferometrisches Multi-Pass Mikroskop entwickelt. Der Entwicklungsprozess begann mit der Auswahl geeigneter optischer und optomechanischer Komponenten und der Konstruktion des Aufbaus innerhalb der 3D CAD Software SolidWorks. Als Nächstes wurde das Mikroskop im Labor zusammengebaut und Goldnanopartikel wurden abgebildet, um unseren Aufbau zu testen. Unsere Ergebnisse wurden mit einer theoretischen Randelementmethode (REM-Simulation oder englisch boundary element method, BEM-Simulation) überprüft. Außerdem haben wir als Machbarkeitsnachweis gezeigt, dass die interferometrische Multi-Pass Abbildung von Goldnanopartikeln einen besseren Kontrast im Vergleich zur Single-Pass Abbildung erzielt. Schließlich wurde eine Rauschanalyse des Mikroskops durchgeführt. Aufgrund dessen wurden alle Ergebnisse nochmal begutachtet und Vorschläge zur weiteren Optimierung oder Neugestaltung des Aufbaus gesammelt. Dies sollte die Richtung für zukünftige interferometrische Multi-Pass Abbildungen einzelner Proteine weisen.
Abstract (eng)
Studying the dynamics of proteins is of central interest in molecular biology and biomedical research. Recently, interferometric imaging techniques have been developed to a point where it is possible to observe the motion of single proteins. The sensitivity of interferometric imaging techniques is practically and fundamentally limited by shot noise and could, in principle, be improved using cavity enhancement techniques like multi-pass microscopy. To investigate if this improvement can also be achieved in the laboratory, we developed an interferometric multi-pass microscope. The development process began with choosing suitable optical and optomechanical components and designing the setup within the 3D CAD software SolidWorks. Next, we assembled the microscope in the laboratory and imaged gold nanoparticles to test our setup. Our findings were validated with a theoretical boundary element method (BEM) simulation. Furthermore, we demonstrated that interferometric multi-pass imaging of gold nanoparticles obtains a better contrast compared to single-pass imaging as a proof-of-concept experiment. Finally, we conducted a noise analysis of the microscope and based on the result, all findings were reviewed and suggestions on how to further optimize or redesign the setup were collected. This should lead the way for future interferometric multi-pass imaging of single proteins.
Keywords (eng)
microscopyiSCATscatteringinterferometryopticsmulti-passing
Keywords (deu)
MikroskopieiSCATInterferometrieOptik
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1366232
rdau:P60550 (deu)
74 Seiten
Number of pages
74
Association (deu)
Title (eng)
Design and development of an interferometric multi-pass microscope
Parallel title (deu)
Design und Entwicklung eines interferometrischen Multi-Pass Mikroskops
Author
Jan Pac
Abstract (deu)
Die Erforschung der Dynamik von Proteinen ist von zentralem Interesse für die Molekularbiologie und die biomedizinische Forschung. In jüngster Zeit wurden interferometrische Bildgebungsverfahren so weit entwickelt, dass es möglich ist, die Bewegung einzelner Proteine zu beobachten. Die Sensitivität der interferometrischen Bildgebungsverfahren ist praktisch und grundlegend durch Schrotrauschen begrenzt und kann, im Prinzip, mit der Hilfe von Resonator-Techniken, wie der Multi-Pass Mikroskopie, verbessert werden. Um zu untersuchen, ob diese Verbesserung auch im Labor erreicht werden kann, haben wir ein interferometrisches Multi-Pass Mikroskop entwickelt. Der Entwicklungsprozess begann mit der Auswahl geeigneter optischer und optomechanischer Komponenten und der Konstruktion des Aufbaus innerhalb der 3D CAD Software SolidWorks. Als Nächstes wurde das Mikroskop im Labor zusammengebaut und Goldnanopartikel wurden abgebildet, um unseren Aufbau zu testen. Unsere Ergebnisse wurden mit einer theoretischen Randelementmethode (REM-Simulation oder englisch boundary element method, BEM-Simulation) überprüft. Außerdem haben wir als Machbarkeitsnachweis gezeigt, dass die interferometrische Multi-Pass Abbildung von Goldnanopartikeln einen besseren Kontrast im Vergleich zur Single-Pass Abbildung erzielt. Schließlich wurde eine Rauschanalyse des Mikroskops durchgeführt. Aufgrund dessen wurden alle Ergebnisse nochmal begutachtet und Vorschläge zur weiteren Optimierung oder Neugestaltung des Aufbaus gesammelt. Dies sollte die Richtung für zukünftige interferometrische Multi-Pass Abbildungen einzelner Proteine weisen.
Abstract (eng)
Studying the dynamics of proteins is of central interest in molecular biology and biomedical research. Recently, interferometric imaging techniques have been developed to a point where it is possible to observe the motion of single proteins. The sensitivity of interferometric imaging techniques is practically and fundamentally limited by shot noise and could, in principle, be improved using cavity enhancement techniques like multi-pass microscopy. To investigate if this improvement can also be achieved in the laboratory, we developed an interferometric multi-pass microscope. The development process began with choosing suitable optical and optomechanical components and designing the setup within the 3D CAD software SolidWorks. Next, we assembled the microscope in the laboratory and imaged gold nanoparticles to test our setup. Our findings were validated with a theoretical boundary element method (BEM) simulation. Furthermore, we demonstrated that interferometric multi-pass imaging of gold nanoparticles obtains a better contrast compared to single-pass imaging as a proof-of-concept experiment. Finally, we conducted a noise analysis of the microscope and based on the result, all findings were reviewed and suggestions on how to further optimize or redesign the setup were collected. This should lead the way for future interferometric multi-pass imaging of single proteins.
Keywords (eng)
microscopyiSCATscatteringinterferometryopticsmulti-passing
Keywords (deu)
MikroskopieiSCATInterferometrieOptik
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1366233
Number of pages
74
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