Fakultätsbericht 2016-2017

Lehrstuhl für Physikalische Chemie I (Nanobiophotonik ) Prof. Dr. Rainer Heintzmann Forschungsschwerpunkte  Hochauflösende Mikroskopie: Methodenentwicklungen wie Strukturierte Beleuchtung (SIM), Zwei-photonen SIM, Optisches Photonen-Reassignment (OPRA), Bildinversionsinterferometrie, Einzelmolekül-Lokalisierungsmikroskopie  (Raman-)Lichtschichtmikroskopie: Mit Hilfe der Lichtschichtbeleuchtung lässt sich die Raman- Mikroskopie mit optischen Schneiden deutlich beschleunigen bei gleichzeitiger Reduzierung der Probenbelastung. Die spektrale Aufnahme erfolgt über Fourier-interferometrische Bildgebung oder mit einem Mikrolinsenarray-basierten Spektrometer.  Kohärente Bildgebungsmethoden: In den letzten zwei Jahren hat sich die Arbeitsgruppe der kohären- ten Bildgebung in Transmissions- und Reflexionsgeometrie zugewandt. Daten von einem kommerziel- len Holographischen Mikroskop (TeScan) und einem eigenen Holoscopie-Aufbau liegen jetzt vor.  Bildverarbeitung: Expertise besteht vor allem in der Rekonstruktion von SIM Daten und dem inversen Modellieren. Viele der aufgenommenen Mikroskopiedaten werden mit selbstentwickelten Entfal- tungsverfahren rekonstruiert. Neuerdings werden hier auch neuronale Netze (CNNs, GANs) in der inversen Modellierung von kohärenten und inkohärenten Mikroskopiedaten genutzt. 58 — FORSCHUNG Die Weiterentwicklung der strukturierten Be- leuchtungsmikroskopie [1] ist nach wie vor ein zentrales Forschungsthema. Durch die Beteiligung an zwei SFBs (Receptor-Light und Polytarget), hat sich das selbstentwickelte SIM-System deut- lich in Richtung der Routine-Anwendung bewegt (jetzt vier Farben mit schneller Bildgebung). Die Strukturierte Beleuchtungsmikroskopie Entwicklung einer einfach zu benutzenden und schnellen Rekonstruktionssoftware ist eine aktu- elle Herausforderung. In einem EU-Projekt wird SIM in Richtung der Bildgebung in dickem Gewe- be weiterentwickelt. Dazu wird es mit einer Zwei- Photonen-Anregung kombiniert, wobei nur eine relativ kleine Region beleuchtet wird („Spotlight- SIM“). In Kooperation mit der AG Yang am CalTech wurden wichtige Beiträge zur Standardisierung der Auflösungsdefinition in der kohärenten Mik- roskopie geliefert [2]. In den vergangenen zwei Jahren wurde an einer weiteren Auflösungserhö- hung durch nichtlineares SIM gearbeitet [3]. Wei- terhin wurde SIM, in enger Kooperation mit Sara Abrahamsson, mit einem neuen Verfahren zur gleichzeitigen Aufnahme von neun Fokalebenen kombiniert [4]. [1] Heintzmann, R., Huser, T. (2017): Super-Resolution Structured Illumination Microscopy. Chem. Rev. 117, 13890–13908, 201. [2] Horstmeyer, R., Heintzmann, R., Popescu, G., Waller, L., Yang, C. (2016): Standardizing the resolution claims for coherent microscopy. Nature Photonics 9, 68-71. [3] Lu-Walther, H.-W., Hou, W., Kielhorn, M., Arai, Y., Nagai, T., Kessels, M.M., Qualmann, B., Heintzmann, R. (2016): Nonlinear structured illumination using a fluorescent protein activating at the readout wavelength, PLoS One, DOI:10.1371/journal.pone.0165148. [4] Abrahamsson, S. et al. (2017): Multifocus structured illumination microscopy for fast volumetric super-resolution imaging, Biomed. Opt. Expr. 8, 4135-4140. Abb. 1. Bild eines lebenden Neurons in strukturierter Beleuchtung, aufgenommen mit dem selbst ent- wickelten Mehrfarben-SIM-Mikroskop (unveröffent- lichte Daten, C. Karras).