| dc.date.accessioned | 2022-09-05T14:12:46Z | |
| dc.date.available | 2022-09-05T14:12:46Z | |
| dc.date.issued | 2021-12-15 | |
| dc.identifier | doi:10.17170/kobra-202209026813 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/123456789/14131 | |
| dc.language.iso | eng | |
| dc.rights | Urheberrechtlich geschützt | |
| dc.rights.uri | https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/ | |
| dc.subject | light sheet microscopy | eng |
| dc.subject | selective plane illumination microscopy | eng |
| dc.subject | SPIM | eng |
| dc.subject | developmental biology | eng |
| dc.subject | drosophila embryo | eng |
| dc.subject | structured illumination | eng |
| dc.subject | tiling light sheet microscopy | eng |
| dc.subject.ddc | 570 | |
| dc.title | Development of digital fluorescence light sheet microscopy for high-resolution optical imaging | eng |
| dc.type | Dissertation | |
| dcterms.abstract | In modern biology investigating the morphological development of an organism is an inevitable task. Optical microscopy has been extensively used to monitor the live tissue changes in a model organism and it is typically used in conjunction with white light or fluorescence microscopy. The fluorescence microscopy occupies a significant place in biological research due to its ability to address various biological question at subcellular level of a biological sample. One of the more recent developments in fluorescence imaging is selective plane illumination microscopy (SPIM), it is a wide-field fluorescence microscope that images the sample based on the optical sectioning by a light sheet. The main optical properties of SPIM depend on the thickness and the distribution of the light sheet. Controlling the characteristics of the light sheet is possible by using engineered beams such as the Bessel, Airy, tiling beams, etc. Ideally, a SPIM should be able to apply different engineered light sheets to provide the user with the direct chance to evaluate different light sheets on the same sample for optimum image quality. The first section of this thesis provides insights into SSPIM, which is developed to achieve better imaging system. SSPIM is a hologram producer for beam engineering that converts a Gaussian beam to all possible light sheet variants. We demonstrate that the SSPIM is readily integrated into the SPIM setup and can enhance the imaging capabilities of a large biological sample.
The second part of this thesis focuses on the development of a novel SPIM setup, which addresses some of the existing limitations of SPIM in resolution caused by the non- transparency of a large biological sample. The core of this SPIM relies upon the Multiview SPIM (M-SPIM) setup, which enables the observer to image the sample from different views simultaneously. To accomplish this, M-SPIM is build up as a four lenses SPIM set up to illuminate the sample simultaneously on two sides and detect the emission signals in orthogonal directions. In order to engineer the light sheet within this setup, the M-SPIM was combined with a spatial light modulator (SLM). We take advantage of the SSPIM software to produce several holograms as virtual lenses for applying to tile thin light sheets over a large field of view. We demonstrate that the combination of the tiling technique and M-SPIM, called MT-SPIM, has several advantages compared to previous methods including sample rotation. The first advantage is that a fairly large sample can be imagedin sub-cellular resolution without any mechanical rotation, preventing the sample from unwanted drift over the imaging. The other advantage is that the spatial and temporal resolution is homogenous in different planes, resulting in a successful 3D image registration and fusion. The results show that the MT-SPIM improves the axial-resolution relative to the conventional M-SPIM by a factor of two which improves imaging quality of nuclei and MyosinII from cellular to subcellular level during early embryogenesis of Drosophila melanogaster. | eng |
| dcterms.abstract | In der modernen Biologie ist die Untersuchung der morphogenetischen Entwicklung eines Organismus eine wichtige und herausfordernde Aufgabe. Die Lichtmikroskopie, in der Regel in Verbindung mit Weißlicht- oder Fluoreszenzmikroskopie, wird in großem Umfang eingesetzt, um die Formveränderungen von lebendem Gewebe in Modellorganismen zu beobachten. Die Fluoreszenzmikroskopie nimmt dabei einen bedeutenden Platz in der biologischen Forschung ein, da sie die Möglichkeit bietet, verschiedene biologische Fragen auf subzellulärer Ebene einer biologischen Probe zu untersuchen. Eine der neueren Entwicklungen auf dem Gebiet der Fluoreszenzbildgebung ist die Selective Plane Illumination Microscopy (SPIM), ein Weitfeld-Fluoreszenzmikroskop, das die Probe auf der Grundlage optischer Schnitte durch ein Lichtblatt abbildet. Die wichtigsten optischen Eigenschaften der SPIM hängen von der Dicke und der Verteilung des Lichtblatts ab. Die Eigenschaften des Lichtblatt- bildenden Lichtbogens lassen sich durch die Verwendung von Strahlenbündeln wie Bessel- , Airy- und gekachelte Strahlen steuern. Idealerweise sollte ein SPIM in der Lage sein, verschiedene Lichtblätter zu verwenden, um dem Benutzer die Möglichkeit zu geben, verschiedene Lichtblätter auf derselben Probe für eine optimale Bildqualität zu bewerten. Der erste Abschnitt dieser Arbeit befasst sich mit der Entwicklung von SSPIM, das entwickelt wurde, um ein besseres räumliches Strahlenformungssystem zu erreichen. SSPIM ist ein Hologrammerzeuger für das ‚Beam-Engineering‘, der einen Gaußschen Strahl in alle möglichen Lichtblattvarianten umwandelt. Wir zeigen, dass sich das SSPIM leicht in den SPIM-Aufbau integrieren lässt, und die Abbildungsmöglichkeiten einer großen biologischen Probe verbessern kann.
Der zweite Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung eines neuartigen SPIM-Aufbaus, der einige der bestehenden Einschränkungen von SPIM, die durch die Intransparenz einer großen biologischen Probe verursacht werden, behebt. Das Herzstück dieses SPIM-Systems ist das Multiview-SPIM (M-SPIM), welches es dem Beobachter ermöglicht, die Probe aus verschiedenen Blickwinkeln gleichzeitig zu betrachten. Um dies zu erreichen, ist M-SPIM als SPIM mit vier Objektiven aufgebaut, um die Probe gleichzeitig von zwei Seiten zu beleuchten und die Emissionssignale in orthogonalen Richtungen zu erfassen. Um das Lichtblatt in diesem Aufbau zu erzeugen, wurde das M-SPIM mit einem räumlichen Lichtmodulator (SLM) kombiniert. Wir nutzen die Vorteile der SSPIM-Software, um mehrere Hologramme als virtuelle Linsen zu erzeugen, die wir zum Kacheln dünner Lichtblätter über ein großes Sichtfeld verwenden. Wir zeigen, dass die Kombination aus der Kacheltechnik und M-SPIM, MT-SPIM genannt, mehrere Vorteile gegenüber früheren Methoden mit Probenrotation hat. Der erste Vorteil besteht darin, dass eine relativ große Probe in subzellulärer Auflösung ohne mechanische Drehung abgebildet werden kann, wodurch eine unerwünschte Drift der Probe während der Abbildung verhindert wird. Der andere Vorteil ist, dass die räumliche und zeitliche Auflösung in verschiedenen Ebenen homogen ist, was zu einer erfolgreichen 3D-Bildregistrierung und -fusion führt. Die Ergebnisse zeigen, dass die axiale Auflösung von MT-SPIM im Vergleich zur konventionellen M-SPIM um den Faktor zwei verbessert wird, was die Bildqualität von Zellkernen und Myosin II von der zellulären bis zur subzellulären Ebene während der frühen Embryogenese von Drosophila melanogaster verbessert. | ger |
| dcterms.accessRights | open access | |
| dcterms.creator | Aakhte, Mostafa | |
| dcterms.dateAccepted | 2021-12-15 | |
| dcterms.extent | 134 Seiten | |
| dc.contributor.corporatename | Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Mathematik und Naturwissenschaften, Institut für Biologie | ger |
| dc.contributor.referee | Müller, Arno (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Baumert, Thomas (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Garcia, Martin E. (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Lehmann, Peter (Prof. Dr.) | |
| dc.subject.swd | Fluoreszenzmikroskopie | ger |
| dc.subject.swd | Lichtscheibenmikroskopie | ger |
| dc.subject.swd | Mikroskopie | ger |
| dc.subject.swd | Entwicklungsbiologie | ger |
| dc.subject.swd | Drosophila | ger |
| dc.subject.swd | 3D-Technologie | ger |
| dc.type.version | publishedVersion | |
| kup.iskup | false | |
| ubks.epflicht | true | |
