Fotogerjesztett biofizikai rendszerek. Barócsi Attila



Hasonló dokumentumok
Lumineszcencia Fényforrások

Az időtől független Schrödinger-egyenlet (energia sajátértékegyenlet), A Laplace operátor derékszögű koordinátarendszerben

Lumineszcencia alapjelenségek

A felvétel és a leadás közötti átalakító folyamatok összességét intermedier - köztes anyagcserének nevezzük.

Száloptika, endoszkópok

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal. Dr. Vincze Árpád

A fény. Abszorpciós fotometria Fluoreszcencia spektroszkópia. A fény. A spektrumok megjelenési formái. A fény kettıs természete: Huber Tamás

Fény kölcsönhatása az anyaggal:

Fizikai kémia és radiokémia labor II, Laboratóriumi gyakorlat: Spektroszkópia mérés

Biomolekuláris szerkezeti dinamika

Szerves kémiai analízis TANTÁRGYI KOMMUNIKÁCIÓS DOSSZIÉ

Laser / lézer. Egy kis történelem. Egy kis történelem. Egy kis történelem Albert Einstein: az indukált emisszió elméleti predikciója

Modern mikroszkópiai módszerek

Röntgendiffrakció, tömegspektrometria, infravörös spektrometria.

Mit mond ki a Huygens elv, és miben több ehhez képest a Huygens Fresnel-elv?

NEMKOHERENS FÉNYFORRÁSOK I TERMIKUS ÉS LUMINESCENS SUGÁRZÓK

A tananyag felépítése: A BIOLÓGIA ALAPJAI. I. Prokarióták és eukarióták. Az eukarióta sejt. Pécs Miklós: A biológia alapjai

Részecske- és magfizikai detektorok. Atommag és részecskefizika 9. előadás május 3.

τ Γ ħ (ahol ħ=6, evs) 2.3. A vizsgálati módszer: Mössbauer-spektroszkópia (Forrás: Buszlai Péter, szakdolgozat) A Mössbauer-effektus

Nemkoherens fényforrások 1. Termikus és lumineszcens sugárzók

Az elektromágneses spektrum

Speciális fluoreszcencia spektroszkópiai módszerek


Abszorpciós fotometria

Különböző fényforrások (UV,VIS, IR) működési alapjai, legújabb fejlesztések

Fizika 2 (Modern fizika szemlélete) feladatsor

Kimenő üzemmód ; Teljesítmény

Környezetvédelmi mérések fotoakusztikus FTIR műszerrel

Atomszerkezet. Fehérjék szerkezetvizsgáló módszerei. Molekulaszerkezet. Molekula energiája. Lumineszcenciás technikák. E e > E v > E r. + E v.

Készítette: Bujnóczki Tibor Lezárva:

Optika és Relativitáselmélet II. BsC fizikus hallgatóknak

OZMÓZIS, MEMBRÁNTRANSZPORT

Detektorok tulajdonságai

A fényerősség egységének nemzeti etalonja

RAJZOLATI ÉS MÉLYSÉGI MINTÁZATKIALAKÍTÁS II:

Atomfizika I. Az anyagszerkezetről alkotott kép változása Ókori görög filozófusok régi kérdése: Miből vannak a testek? Meddig osztható az anyag?

A 9,9 -biantril különleges fluoreszcenciája


Konfokális mikroszkópia elméleti bevezetõ

A polimer elektronika

Lumineszcencia spektrometria összefoglaló

1. Atomspektroszkópia

2. OPTIKA 2.1. Elmélet Geometriai optika

Fény- és fluoreszcens mikroszkópia. Optikai szeletelés

Az optikai szálak. FV szálak felépítése, gyakorlati jelenségek

Fluoreszcencia módszerek (Kioltás, Anizotrópia, FRET) Modern Biofizikai Kutatási Módszerek

Biofizika tesztkérdések

Dipoláris relaxáció vizsgálata idıbontott spektroszkópiai módszerekkel

Az eukarióta sejt energiaátalakító organellumai

Anyagvizsgálati módszerek

Műszeres analitika II. (TKBE0532)

KÉMIA. Kémia a gimnáziumok évfolyama számára

Nehéz töltött részecskék (pl. α-sugárzás) kölcsönhatása

Reál osztály. Kémia a gimnáziumok évfolyama számára. B változat

Világítástechnikai alapfogalmak

Kémia a gimnáziumok évfolyama számára. B változat

Gerhátné Udvary Eszter

Fluoreszcencia módszerek (Kioltás, Anizotrópia, FRET)

Elektronmikroszkópia. Nagy Péter Debreceni Egyetem, Biofizikai és Sejtbiológiai Intézet 1/47

L Ph 1. Az Egyenlítő fölötti közelítőleg homogén földi mágneses térben a proton (a mágneses indukció

Szakképesítés-ráépülés: Műszeres analitikus Szóbeli vizsgatevékenység A vizsgafeladat megnevezése: Analitikai elemző módszerek

Az elemeket 3 csoportba osztjuk: Félfémek vagy átmeneti fémek nemfémek. fémek

Atomfizikai összefoglaló: radioaktív bomlás. Varga József. Debreceni Egyetem OEC Nukleáris Medicina Intézet Kötési energia (MeV) Tömegszám

Lumineszcencia spektrometria összefoglaló

Elektromos ingerlés ELEKTROMOS INGERLÉS. A sejtmembrán szerkezete. Na + extra. Elektromos ingerlés:

Ragyogó molekulák: dióhéjban a fluoreszcenciáról és biológiai alkalmazásairól

Elektrokémia. A nemesfém elemek és egymással képzett vegyületeik

Lumineszcencia spektroszkópia

UV-LÁTHATÓ ABSZORPCIÓS SPEKTROFOTOMETRIA

1 Elektronika 2 Jegyzet. Elektronika 2. Jegyzet

BIOFIZIKA. Metodika- 2. Liliom Károly. MTA TTK Enzimológiai Intézet

PÉCSI TUDOMÁNYEGYETEM. Oxidkristályok lineáris terahertzes spektroszkópiai vizsgálata. Unferdorben Márta

Abszorpció, emlékeztetõ

Egy idegsejt működése

Röntgensugárzás 9/21/2014. Röntgen sugárzás keltése: Röntgen katódsugárcső. Röntgensugárzás keletkezése Tulajdonságok Anyaggal való kölcsönhatás

A MITOKONDRIUMOK SZEREPE A SEJT MŰKÖDÉSÉBEN. Somogyi János -- Vér Ágota Első rész

Elektronspektrométerek fejlesztése az ATOMKI-ben ( )

Abszorbciós spektroszkópia

ZÁRÓJELENTÉS. Fény hatására végbemenő folyamatok önszerveződő rendszerekben

XXV. ELEKTROMOS VEZETÉS SZILÁRD TESTEKBEN

MgB 5. Gd y. (x + y + z = 1) pigmentet tartalmazó kerámiai festékek. Tb z. Ce x O 10. Tax Zoltán Kotsis Leventéné Horváth Attila Veszprémi Egyetem

ALKÍMIA MA Az anyagról mai szemmel, a régiek megszállottságával.

4. Szervetlen anyagok atomemissziós színképének meghatározása

Fluoreszcencia 2. (Kioltás, Anizotrópia, FRET)

Elektromágneses hullámok, a fény

Emelt óraszámú kémia helyi tanterve

A talliummal szennyezett NaI egykristály, mint gammasugárzás-detektor

Az atom felépítése, fénykibocsátás (tankönyv 68.o.- 86.o.)

A kémiai energia átalakítása a sejtekben

Lumineszcencia. Lumineszcencia. Molekulaszerkezet. Atomszerkezet

Korszerű Diagnosztikai Módszerek

Radiometria, fotometria, színmérés. Az anyagokat Prof. Schanda János jegyzeteiből összeállította: Várady Géza

Előtétszó Jele Szorzó milli m 10-3 mikro 10-6 nano n 10-9 piko p femto f atto a 10-18

NEUTRON-DETEKTOROK VIZSGÁLATA. Mérési útmutató BME NTI 1997

ATTOSZEKUNDUMOS IMPULZUSOK

MÉRŐÉRZÉKELŐK FIZIKÁJA. Hang, fény jellemzők mérése. Dr. Seres István

Sugárzási alapismeretek

Környezetgazdálkodás ban gépészmérnöki diplomát szerzett Dr. Horváth Márk ben ő lett az első Fizikai Nobel-díj tulajdonosa.

kapillárisok vizsgálatából szerzett felületfizikai információk széleskörűen alkalmazhatók az anyagvizsgálatban, vékonyrétegek analízisében.

1. Prefix jelentések. 2. Mi alapján definiáljuk az 1 másodpercet? 3. Mi alapján definiáljuk az 1 métert? 4. Mi a tömegegység definíciója?

Átírás:

Barócsi Attila 1

Tartalom Sugárzás kölcsönhatása atomi/molekuláris rendszerekkel Fényelnyelés biológiai makromolekulákban Foto-gerjesztett molekulák viselkedése Fotoszintézis növények Halobacterium Retinál ChR2 csatorna-rodopszin Fluoreszcencia detektálás és alkalmazás 2

Sugárzás kölcsönhatása atomi/molekuláris rendszerekkel Sugárzások biológiai hatásának alapja élő rendszer atomjainak / molekuláinak gerjesztése v. ionizálása energiaátadás Elektromágneses sugárzás emissziója / abszorpciója olyan állapotváltozáskor, amikor a rendszer elektromos dipólus-momentuma megváltozik (elektronátmenet, rezgési/forgási állapotváltozás) Elektromágneses spektrum Fényérzetet a ~400-760 nm (VIS) tartomány ad, tágabban fény az IR-UV, ún. optikai tartomány: 100-280 nm UV-C (távoli) 280-315 nm UV-B* (középső) 315-400 nm UV-A (közeli) 400-760 nm (látható, VIS) 760-1400 nm IR-A (közeli) 1,4-3,0 m IR-B (középső) 3-1000 m IR-C (távoli) 3

Sugárzás kölcsönhatása atomi/molekuláris rendszerekkel Elektromágneses spektrum Atommagon kívüli folyamatokban (elektronok, atomok, molekulák állapotváltozásaikor): fény- és röntgensugárzás duális jelleg Rövidebb felé: magfolyamatokból -sugárzás részecskejelleg dominál Hosszabb felé: mikrohullámok hullám leírás Radiometria optikai sugárzás mint energiát szállító folyamat (fizikai mennyiségekkel) Fotometria fényérzet keltő fény átlagos nappali emberi látására jellemző színképi függvénnyel korrigálva. Színmérés: színészleléshez objektíven mérhető mennyiségeket rendel Sugárzott teljesítmény, e = P W Fényáram, v lm Sugárerősség, I e = P W sr 1 Fényerősség, I v cd Ki- (adó) / besugárzott (vevő) intenzitás, I = P A W m 2 Felületi fényáram (adó) / megvilágítás (vevő), E v lx Sugársűrűség, L e = P A, W m 2 sr 1 Fénysűrűség, L v cd m 2 4

Sugárzás kölcsönhatása atomi/molekuláris rendszerekkel Emisszió: Rendszer gerjesztett állapotú. Gerjesztések: termikus lángfestés fémsókkal elektromos kisülési csövek optikai zöld növények fotoszintézisében Spontán: E 2 E 1 átmenet foton kibocsátással; külső hatás nélkül bekövetkező, statisztikus eloszlású, inkoherens: I ni Indukált: belépő E energiájú foton kölcsönhat a már E 2 állapotú atom elektronjával, amely visszatér E 1 -be két foton kibocsátásával frekvenciájuk, polarizációjuk és fázisuk is azonos monokromatikus és koherens sugárzás: A na 2 I n a 2 n 2 i E 2 E 1 E 2 h E 1 h h h 5

Sugárzás kölcsönhatása atomi/molekuláris rendszerekkel Abszorpció optikai gerjesztéskor elnyelődő foton 3 módon adhat át energiát: Perturbálja egy elektron állapotát (időtartama ~ foton rezgésideje, ~10 15 s), majd beesőével azonos foton emittálódik: koherens (klasszikus v. Rayleigh-szórás). Eltérő foton kis valószínűséggel: Raman-szórás. Fényszórást bármilyen foton kiválthat. Gerjeszti a rendszert bizonyos-tartományok esetén sokkal nagyobb időállandóval (megengedett optikai átmenet:10 8 s, metastabil állapot: 10 3 s). Gerjesztési energia emissziója: fotonként (lumineszcencia); kémiai folyamatban (fotokémiai reakció); fononként (hővé alakul: szűkebben vett fényabszorpció) áthaladó fényintenzitás csökken, mely-szerinti eloszlása jellemző az abszorbens rendszerre. fényelektromos hatást vált ki. Röntgen- és -sugárzás esetén jelentős lehet a Compton-szórás és párkeltés. be be be ki ki 6

Fényelnyelés biológiai makromolekulákban Abszorpció és pigmentméret: 7

Fényelnyelés biológiai makromolekulákban Abszorpció és pigmentméret: e 2L n p e h e nh 2L E e p 2 e 2m e n 2 8m h e 2 L 2 E e ( n 2 LUMO 8m 2 nhomo 2 e L )h 2 8

Fényelnyelés biológiai makromolekulákban Abszorpció és pigmentméret: e 2 π R n 9

A gerjesztett molekula energiája Fotogerjesztett biofizikai rendszerek Foto-gerjesztett molekulák viselkedése Jablonski-diagram molekuláris átmenetek energiahelyes ábrázolására: Kasha-szabály: S 2 S 1 mindig hő, sugárzás S 1 legalsó vibrációs (LUMO) szintjéről T 1 S 0 : spinváltás (kis valószínűség élettartam nő) Szinglet / triplet állapotok: S 2 S 1 vibrációs kaszkád (hő) belső konverzió (hő) szinglet triplet átalakulás (nem sugárzó) 10 15 s 10 9 s E r 0 1 2 r T 1 S, S = 0 E 2 10 3 s 10 15 s E 1 E T T, S = 1 Fluoreszcencia S 0 Foszforeszcencia 10

Foto-gerjesztett molekulák viselkedése Sugárzásmentes átmenetek: Lumineszcencia: nem fonontér rovására, hanem egyéb gerjesztésre >100 ps-nál hosszabb idő után bekövetkező fénykibocsátás. Lumineszcencia centrumok nem egy időben emittálnak lumineszcencia élettartam (~s néhány nap). I lum (T) > I term (T) hidegfény fluoreszcencia késleltetett: metastabil állapot esetén kioltás: reabszorpciós / transzfer folyamatoknál foszforeszcencia gyorsabb transzfer-reakciók miatt ritka a természetes folyamatokban 11

Foto-gerjesztett molekulák viselkedése Lumineszcencia fotolumineszcencia: gerjesztett állapot g foton hatására Fluoreszcens foton energiája nem lehet nagyobb, mint a gerjesztő fotoné: f g Köztes nemsugárzó átmenetek is lehetségesek Két / több foton egymást követő elnyelésekor a kilépő foton energiája lehet nagyobb frekvencia felkonvertálás ( f < { g1, g2 }) feltétele: csapda, mely az elektront tárolja a következő foton elnyeléséig g h 2 h 1 Két / több foton egyidejű elnyelése: virtuális köztes állapoton keresztül ( f < g ) csapda f hc( 1 2) g g g f f 12

Foto-gerjesztett molekulák viselkedése Energia- és töltéstranszfer: Energiatranszfer reakciók: gerjesztett elektron lyuk pár exciton transzfer (nettó töltés = 0) 13

14 Foto-gerjesztett molekulák viselkedése FRET Förster (fluoreszcens) rezonáns energiatranszfer: monopólus indukálta dipólus dipólus kölcsönhatás ~ (r 3 ) 2 : E E E I I R r R r 1 ) ( ) ( ~, ) / ( 1 1 D DA D DA 6 0 6 6 0 ) ( ~ ~ ) ( 1 ~ 1 0,5 1 1 ] száma átmenet [, 1, 1, ) ( ~ DA DA r DA D r D D 6 0 D nr r nr r nr r nr r DA 6 4 2 DA r D I k k I R k k k k k k s i k k k k k k k k k k r n k I k E E E i E E E E E E E E E

Foto-gerjesztett molekulák viselkedése Fluoreszcencia kioltás: Fluoreszcencia csökken olyan molekulák / ionok jelenlétében melyek elektronszerkezete megfelelő ahhoz, hogy a gerjesztett állapotú fluorofór gerjesztési energiáját átvegyék és disszipálják (pl. hő, fotokémiai munka). k r DQ kr DQ ~ IDQ ID ~ kr knr kq Statikus kioltás: Nem fluoreszkáló (sötét) komplex kialakulása alapállapotú fluorofórral gerjesztett molekulák száma csökken fluorofór élettartam nem változik diffúziónak nincs szerepe k Dinamikus kioltás: Ütközés a gerjesztett fluorofórral gerjesztett állapot relaxál fluorofór élettartam csökken diffúzió kontrollált: I I 1 K[ Q] DQ / D r D k r kr k nr 15

Fotoszintézis Autotróf élőlények (növények, bizonyos baktériumok és más egysejtűek) a fény energiáját kémiai energiává alakítva szervetlen anyagból (legtöbbször CO 2 + H 2 O) szerves anyagot (pl. glükózt) állítanak elő O 2 képződés mellett. Növények: alkalmazkodtak (???) a fény látható tartományához különböző pigmentek (konjugált kettős kötések). Hatékony abszorpció kétféle fotorendszer (PSI II), reakcióközpontjukban egy-egy (chl-a) molekula-dimer áll. 16

Fotoszintézis növények Fotoszintézis akkor hatékonyan, ha (a többi biokémiai folyamathoz hasonlóan) térben elkülönül a sejt más részétől színtest 17

Fotoszintézis növények Fényszakasz: 1. Tilakoidba ágyazott fehérjealapú PSI II a szerkezetének megfelelő fény energiáját elnyeli, és továbbítja a reakcióközpont felé. A többletenergiától a chl-a elektront ad le (oxidálódik), amely szállítómolekulákra (antenna) kerül. Mindkét PS energiacsapdaként (LHC) működik, de: PSI gyenge oxidáló- / erős redukálószert termel (NADP + -t redukálja) h 6 (2H2O 2NADP 3ADP3Pi 2NADPH 2H 3ATP O2 ) 18

Fotoszintézis növények Fényszakasz: PSII erős oxidáló- / gyenge redukálószert termel (+1,1 V: természetes biológiai rendszerekben legnagyobb: víz-oxidáció feltétele) Gerjesztett állapot élettartama ~10 9 s a reakcióközpont feladata ezalatt eljuttatni az elektront a szállítórendszerhez (P680 * Pheo feofitin: elsődleges e -akceptor Q A Q B kinon e -akceptorok) 19

Fotoszintézis növények 2. PSINADP +, és PSIII között működik elektronszállító rendszer. Nem ciklikus elektronáram: PSII PSI NADP + Ciklikus elektronáram: Fd ferredoxin a NADPH mennyiségétől függően elektronokat csatol vissza PSI-ből a PQ plasztokinon protonpumpa működtetésére. 20

Fotoszintézis növények Fotogerjesztés és lehetséges relaxációs útvonalai: 21

Fotoszintézis növények Klorofill fluoreszcencia: 22

Fotoszintézis növények Klorofill fluoreszcencia kioltás: F 0 : minimális fluoreszcencia, PSII nyitott (sötétadaptált) F' 0 : fényadaptált (PSI gerjesztett) F m : maximális fluoreszcencia, PSII zárt (sötétadaptált) F' m : fényadaptált F v /F m : max. PSII kvantumhatásfok PQ: fotokémiai kioltás (nyitott/ összes centrum) 23

Fotoszintézis növények Klorofill fluoreszcencia kioltás: F 0 : minimális fluoreszcencia, PSII nyitott (sötétadaptált) F' 0 : minimális fluoreszcencia (fényadaptált, PSI gerjesztett) F m : maximális fluoreszcencia, PSII zárt (sötétadaptált) F' m : maximális fluoreszcencia (fényadaptált) F s : állandósult fluoreszcencia (fényadaptált) 24

Fotoszintézis Halobacterium O 2 jelenlétében ATP termelés oxidatív foszforilációval. Kevés O 2 : átkapcsol fotoszintetézisre. Fényenergiával hajtott protonpumpa által felépített gradiens hajtja az ATP-ázt az ATP szintézishez (Mitchell kemiozmozis). Ha nincs BR, nincs fényválasz O 2 nélkül nem áll vissza az ATP szint.» Danon, Stoeckenius, Photophosphorylation in Halobacterium halobium, PNAS Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 71, 1234-38 (1974) 25

Fotoszintézis Halobacterium Respirációs/foszforilációs elektrontraszport-lánc gátlása nem befolyásolja a fényválaszt. Membrán proton-permeabilitás növelése mind a fény-, mind az O 2 választ gátolja. A bíbormembrán egyetlen fehérjealkotója a BR, mely sűrű pakolással épül be (csak 25% lipid), szabályos 2D hexagonális rácsba (6 nm-enkénti rácspontok körül 3 BR). Termelt ATP mennyisége ~ bíbormembrán frakció (és nem a teljes sejt) abszorpciójával. 26

Retinál Bakteriorodopszin (BR): 248 aminosav + transz-retinál (440 nm abszorpció) C=N kovalens kötés opszinhoz (560 nm abszorpció) Protonpumpa (Halobacterium): Fényadaptált BR: transz-retinál h 13-cisz-retinál fotociklus proton szállítás extracelluláris térbe ATP-szintézis. 27

Retinál BR fotociklus» Mak-Jurkauskas et al, Energy transformations early in the bacterio-rhodopsin photocycle revealed by DNP-enhanced solid-state NMR, PNAS, 105 883-8 (2008) VIS fényimpulzussal megvilágítva a bíbormembrán abszorpciója 410 nm-re tolódik, majd visszatér a hosszú állapotába ciklikus protonfelvétel / -leadással. Folyamatos megvilágításra a BR oszcillál a 2 állapot között. Membránba ágyazva a proton transzlokáció irányítottá válik (kifelé). Fotokémiai elágazás: OP Q, mely stabil, de legerjeszthető (memória) retinál fehérjéről leválik, de a kötőhelynél marad 28

Retinál Látás: 11-cisz-retinál h transz-retinál disszociál opszin enzimatikus aktiválódása. transzducin-gdp transzducin-gtp cgmp 5 -GMP hidrolízis. cgmp-függő Na + csatornák bezáródása hiperpolarizáció gátlás csökken akciós potenciál. 29

ChR2 csatorna-rodopszin A membránpotenciál optikai változtatása: ChR2: nem-szelektív kationpumpa HR: halorodopszin kloridpumpa» Pastrana, Optogenetics: controlling cell function with light, Nature Methods,8, (2011) 30

Fluoreszcencia-detektálás és alkalmazása Fluoreszcencia jelenségéből analitikai eszköz oka: egy-foton detektálási érzékenység Jelentősége a biológiai tudományokban a legnagyobb fluoreszcenciát a fiziológiai folyamatokra közvetlenül jellemző idő- és méretskálák befolyásolják (pl. fehérjék, látás, fotoszintézis, DNS, sejtek és membránok vizsgálata) Aromás molekulák fluoreszcenciája = {, kvantumhatásfok, I, t d, polarizáció, pozíció} Fluoreszcencia alkalmazások 4 csoportja: spektroszkópia lecsengési idő (élettartam) mérés mikroszkópia szenzorok» Birch, Fluorescence detections and directions, Meas. Sci. Technol., 22, 052002, (2011) 31

Fluoreszcencia detektálás és alkalmazás Spektroszkópia fluorimetria: Szoftver forradalom automatikus vezérlés és gyors online adatelemzés Hardver oldal keveset változott: gázkisüléses lámpa + monokromátor (MC) + mintatartó + kimenő MC + PMT 32

Fluoreszcencia detektálás és alkalmazás Lecsengési idő fluorometria: Másik 3 alkalmazási csoportban látványos fejlődés molekuláris területen közvetve / közvetlenül a lecsengési idő mérésén keresztül Korai fluorofór mérések: kvantumhatásfok és lecsengési idő alapján felállított mérlegegyenletekkel abszolút kvantumhatásfok (emittált/elnyelt fotonszám meghatározás nehéz) relatív kvantumhatásfok (spektrális korrekciók szükségesek) n f n emittált absz n N emittált gerj k r kr k nr Jelen irány: pontosan mérhető abszolút lecsengési időből meghatározni mindent, amit lehet (lecsengés nem feltétlenül multi-exponenciális: ps-ns komponensek) idő-korrelált fluoreszcens spektroszkópia N gerj r r 1 k nr nr, r 0 r 0,gerj ( k k r nr ( k k ) t N( t) N e k 1 k f gerj 0 ) t 33

Fluoreszcencia detektálás és alkalmazás Lecsengési idő fluorometria: Kapuzásos (direkt) időmérés: nagy fotonszám esetén (analóg mintavétel) periodikus gerjesztés léptetéssel gyors t: időfelbontás / integrálási idő (érzékenység) kompromisszum Fázisfluorometria: f ( t ) e j2π F ( ) több időállandós lecsengés több gerjesztési frekvenciával mérni 34

Fluoreszcencia detektálás és alkalmazás TCSPC Time-Correlated Single Photon Counting: Feladat: időfüggő intenzitásprofil felvétele. Egyetlen gerjesztési ciklus alatt a lecsengés rögzítése problémás: 1. Lecsengési idő rövid (~100 ps ~100 ns). Pl. 500 ps élettartamot elfogadható 10 pontos rögzítéséhez 50 ps időfelbontás kell. 2. Intenzitás túl kicsi analóg mintavételezéshez (néhány foton / emisszió diszkrét jel). 3. Gerjesztési intenzitás növelése fakuláshoz vezethet.» Wahl, Tech Note TCSPC 1.2, PicoQuant GmbH, (2000) TCSPC: periodikus gerjesztés adatgyűjtés több cikluson át egyciklusú profil rekonstrukció egy-fotonos eseményekből. 35

Fluoreszcencia detektálás és alkalmazás TCSPC Time-Correlated Single Photon Counting: Start/stop számlálás alapelve CFD = Constant Fraction Discriminator TAC = Time-to-Amplitude Converter 36

Fluoreszcencia detektálás és alkalmazás TCSPC Time-Correlated Single Photon Counting: Blokkvázlat Fordított Start/stop (ne legyen várakozás, ha nincs foton) 37

Fluoreszcencia detektálás és alkalmazás Mikroszkópia: (Hagyományos fluoreszcens) Konfokális 2-fotonos Időfelbontásos FLIM fluorescent lifetime imaging 38

Fluoreszcencia detektálás és alkalmazás Mikroszkópia: Hagyományos: párhuzamos képalkotás egyidejűleg nagy látótér és felbontás Abbé-elv: x ~ / NA lat Pásztázó: pontdetektorral képsík letapogatása pontforrással tárgy letapogatása egyetlen tárgypontot kell leképezni kép elektronikus formában Konfokális: szimmetrikus: mindkét oldalon leképző lencse szinkron pásztázás mélységi felbontás: z ~ / NA 39

Fluoreszcencia detektálás és alkalmazás Mikroszkópia konfokális: reflexiós elrendezés (szinkron pásztázás automatikusan) NA nsin» Radiance2100 - Confocal Imaging Systems, Bio-Rad, (2005) 40

Fluoreszcencia detektálás és alkalmazás Mikroszkópia konfokális:» Puskár Z., SOTE Anatómiai Intézet 41

Fluoreszcencia detektálás és alkalmazás Mikroszkópia 2-fotonos: I f ~ I g 2 nagy (lokalizált) fotonsűrűség szükséges (térbeli fókusz) egy időben (időbeli fókusz) f < g Miért IR? Nincs rövid pulzus rövidebb esetén. 42

Fluoreszcencia detektálás és alkalmazás Mikroszkópia 2-fotonos:» Radiance2100 MP - Multi-photon Imaging Systems, Bio-Rad, (2005) 43

Fluoreszcencia detektálás és alkalmazás Mikroszkópia 2-fotonos (kontra konfokális): Nagyobb : behatolási mélység nagyobb: max. 1000 m (konfokális ~40 m) optikai károsodás (fakulás) kisebb UV fluorofórok / élő szövet vizsgálata UV károsodás nélkül auto-fluoreszcencia vizsgálat (gerjesztés / emisszió nem fed át) 2 v. több fluorofór egyidejű detektálása (pl. kék / zöld emisszió) (konfokális: több gerjesztés + utólagos képösszerakás korrekcióval) 3D diffrakció-limitált gerjesztés: detektor pásztázás (tűlyuk) nem kell direkt detektor sejtjelölő indikátorokból származó szóródó fotonok is detektálhatók gerjesztett térfogaton kívüli háttér kisebb (~nincs) FRET analízis Időfókusz : 4D vizsgálatok (pl. FCS / FLIM) 3-fotonos gerjesztéssel több fluorofór, pl. 930 nm 465 (2P) / 310 nm (3P) 44

Fluoreszcencia detektálás és alkalmazás Időfelbontásos mikroszkópia: FLIM fluorescent lifetime imaging» Suhling et al, Time-resolved fluorescence microscopy, Photochem. Photobiol. Sci., 4, 13-22 (2005) 45

Optikai csipesz Optikai csapda: geometriai optikai leírás (d > ) Fresnel-formulák elektromágneses leírás (d < ) Biológiai mintához: 46

Optikai csipesz Optikai csipesz alkalmazások: mikromanipulátor erőmérő deformáció vizsgálat Molekuláris motorok teljesítményviszonyai: normál fiziológia: G C 20 k B T = 83 pn nm /s ATP-szintetáz aktivitás: r 20 ATP/s P C 400 k B T/s motor sebesség: 800 nm/s F stop 2 pn 47

Optikai csipesz DVD-pickup mint optikai manipulátor:» Kasukurti et al, Single-cell isolation using a DVD optical pickup, Optics Express, 19, 10377-86 (2011) 48

BME Atomfizika Tanszék IFS Intelligens FluoroSzenzor:» Barócsi: SPICY Smart tools for Predicting of Crop Yield, KBBE211347, 2008-2012 49

BME Atomfizika Tanszék 2-fotonos mikroszkóp idegsejtek fiziológiás vizsgálatára: Ti:sapphyre laser X drift compensation Material dispersion precompensation Y drift compensation Angular dispersion precompensation Beam expander Drift compens. unit Y scanner AO scanner unit X scanner Angular dispersion compensation 50% ΔF/F 500ms Aspheric surface PMT 20µm Sample» Maák P., BME & Femtonics Ltd., Hungary 50