Fluorescence-based high-resolution tracking of nanoparticles

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Zalami, Daniel:
Fluorescence-based high-resolution tracking of nanoparticles.
Bayreuth , 2021 . - IX, 193 S.
( Dissertation, 2021 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00005907

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Abstract

High-precision tracking of nanoparticles via fluorescence-optical methods is a current research area with many applications. While optical methods are usually characterized by causing minimal damage to the sample, their ability to resolve the sample spatially is limited. Therefore, many modern measurement methods make use of tricks to circumvent the diffraction limit and to obtain information at the nanometer scale.
In this dissertation, a fluorescence optical method for tracking single nanoparticles, called single-particle orbit tracking (SPOT), is further developed, investigated, and applied. One focus of those new developments was to update the existing experimental setup so that three-dimensional localization can take place instead of only two-dimensional tracking. Another important point of improvement was the extension of the control logic to include additional parameters and signals. The required technical modifications demanded a renewed mathematical modeling of the method, as well as analysis of the measurement errors and setup performance. While the temporal resolution of the experimental setup could be improved, an axial localization of the particles was only achievable at the expense of the accuracy in the lateral direction.
Reference samples were used to experimentally validate the upgraded technique and to point out existing issues. A major problem in the application of SPOT lies in measurement artifacts, which can, for example, mask existing anomalies in the diffusion behavior of the tracked nanoparticles and would lead to misinterpretations in unknown systems. Parameter studies with variation of easily accessible quantities, such as the solvent viscosity, the particle, size or the considered time scales, offer possible remedies and concurrently show the importance of reference systems.
A new field of research is the investigation of the diffusion behavior of nanoparticles in complex filter materials. In this work, SPOT was used to study nanoparticles in a nanoporous triblock terpolymer-based membrane. Using conventional methods, the non-destructive characterization of such a system at room-temperature and in a liquid-filled state, is a great challenge. With SPOT, however, the size distribution of the voids could be determined non-invasively. For this purpose, nanometer-sized polymer particles were tracked during their thermal movement through the pore structure of the filter material. At the same time, indications of a suitable statistical model for the description of the particle motion were collected. Theoretical parameters for normal and anomalous diffusion in harmonic potentials were explicitly compared with experimentally determined values. It was shown that the particle motion can be described mainly by confined Brownian motion, but there exists a weak influence of anomalous diffusion components, which can be best described by the so-called fractional Langevin equation.

Abstract in weiterer Sprache

Die hochpräzise Nachverfolgung von Nanopartikeln mittels fluoreszenzoptischer Verfahren ist ein aktuelles Forschungsgebiet mit vielen Anwendungsbereichen. Während optische Verfahren sich meist dadurch auszeichnen, der Probe nur wenig zu schaden, so ist ihr räumliches Auflösungsvermögen begrenzt. Viele moderne Messmethoden bedienen sich daher Tricks, um die Beugungsgrenze zu umgehen, um dennoch Informationen auf der Nanometerskala zu gewinnen.
In dieser Dissertation wird eine fluoreszenzoptische Methode zur Verfolgung einzelner Nanopartikel, das sogenannte single-particle orbit tracking (SPOT), weiterentwickelt, näher untersucht und angewendet. Ein Schwerpunkt der Weiterentwicklung bestand darin, den bestehenden Versuchsaufbau derart zu modifizieren, sodass statt einer lediglich zweidimensionalen Nachverfolgung eine dreidimensionale Lokalisierung stattfinden kann. Eine weitere wichtige Verbesserung war die Erweiterung der Steuerungslogik um weitere Kenngrößen und Signale. Die erforderlichen technischen Modifikationen machten eine erneute mathematische Modellierung der Methode, sowie Analyse der Messfehler und Leistungsfähigkeit des Aufbaus notwendig. Während die zeitliche Auflösung verbessert werden konnte, so wurde eine axiale Lokalisierung der Teilchen nur auf Kosten der Genauigkeit in lateraler Richtung erreicht.
Anhand von Referenzproben wurde eine experimentelle Validierung der weiterentwickelten Technik durchgeführt und auf bestehende Probleme hingewiesen, bevor die Methode auf unbekannte Systeme angewendet wurde. Ein großes Problem in der Anwendung von SPOT, stellen Messartefakte dar, die beispielsweise vorliegende Anomalien im Diffusionsverhalten der verfolgten Nanopartikel überdecken können und bei unbekannten Systemen zu Fehlinterpretationen führen würden. Parameterstudien mit Variation von leicht zugänglichen Größen, wie der Lösungsmittelviskosität, der Teilchengröße oder der betrachteten Zeitskalen, bieten Lösungsansätze und zeigen gleichzeitig die Wichtigkeit von Referenzsystemen auf.
Ein aktives Forschungsfeld ist die Untersuchung des Diffusionsverhaltens von Nanopartikeln in komplexen Filtermaterialien. In dieser Arbeit wurden mithilfe von SPOT Nanopartikel in einer nanoporösen Triblock Terpolymer-basierte Membran untersucht. Bei der Verwendung herkömmlicher Methoden stellt die zerstörungsfreie Charakterisierung eines solchen Systems bei Raumtemperatur und in flüssigkeitsgefülltem Zustand eine große Herausforderung dar. Mit SPOT konnte jedoch die Größenverteilung der Hohlräume auf nicht-invasive Art und Weise ermittelt werden. Hierzu wurden nanometergroße Polymerpartikel bei ihrer thermischen Bewegung durch die Porenstruktur des Filtermaterials verfolgt. Gleichzeitig konnten Indizien für ein passendes statistisches Modell zur Beschreibung der Teilchenbewegung gesammelt werden. Explizit wurden theoretische Kenngrößen für normale und anomale Diffusion in harmonischen Potentialen mit experimentell ermittelten Werten verglichen. Hierbei zeigte sich, dass die Teilchenbewegung zwar hauptsächlich durch eingeschränkte Brownsche Bewegung beschrieben wird, es jedoch einen kleineren Einfluss anomaler Diffusionskomponenten geben kann, der am besten mit der sogenannten Fractional Langevin Equation beschrieben wird.