Combining Near-Field and Far-Field Microscopy: A new method for nanoscale super-resolution imaging

Lähikenttä- ja kaukokenttämikroskopian yhdistäminen: Uusi korkearesoluutioinen menetelmä nanokuvantamiseen. Osteoporoosi on sairaus, jossa luun uudistumisprosessi ei ole enää tasapainossa. Uuden luun muodostuminen on hitaampaa johtuen osteoblastien laskeneesta aktiivisuudesta. Yksi keino estää osteoporoosin syntyä on estää osteoklastien sitoutuminen luun pinnalle, jolloin ne eivät aloita luun syömisprosessia. Tämän Pro gradu -tutkielman tarkoituksena on luoda uusi työkalu osteoklastien sitoutumisen tutkimiseen samanaikaisesti fluoresenssi- ja atomivoimamikroskoopilla. Tätä tarkoitusta varten yhdistettiin atomivoimamikroskooppi sekä STED mikroskooppi. Kirjallisuuskatsauksessa käydään läpi yksityiskohtaisesti molempien mikroskooppitekniikoiden teoriat. Kokeellisessa osiossa esitetään käytetyt metodit ja alustavat tulokset uudella systeemillä. Lisäksi keskustellaan lyhyesti kuvan analysoinnista ImageJohjelmalla. Konfokaalisen fluoresenssimikroskoopin ja atomivoimamikroskoopin yhdistelmä on keksitty jo aikaisemmin, mutta tavallisen konfokaalimikroskoopin erottelukyvyn raja on noin 200 nanometriä johtuen valon diffraktioluonteesta. Yksityiskohdat eivät erotu, jos ne ovat pienempiä kuin puolet käytettävästä aallonpituudesta. STED mikroskooppi mahdollistaa fluoresenssikuvien taltioimisen solunsisäisistä prosesseista 50 nanometrin lateraalisella erotuskyvyllä ja atomivoimamikroskooppi antaa topografista tietoa näytteestä nanometrien erotuskyvyllä. Biologisia näytteitä kuvannettaessa atomivoimamikroskoopin erotuskyky kuitenkin huononee ja yleensä saavutetaan 30-50 nanometrin erotuskyky. Kuvien kerrostaminen vaatii vertauspisteitä ja tätä varten käytettiin atomivoimamikroskoopin kärjen tunnistamista ja referenssipartikkeleita. Kuva-analysointi suoritettiin ImageJ-kuvankäsittelyohjelmalla. Tuloksista nähdään, että referenssipartikkelit ovat hyviä, mutta niiden sijoittaminen tarkasti tietylle kohdealueelle on hankalaa nanoskaalassa. Tästä johtuen kärjen havaitseminen fluoresenssikuvassa on parempi metodi. Atomivoimamikroskoopin kärki voidaan päällystää fluoresoivalla aineella, mutta tämä lisää kärjen aiheuttamaa konvoluutiota mittausdataan. Myös valon takaisinsirontaa kärjestä voidaan tutkia, jolloin konvoluutio ei lisäänny. Ensimmäisten kuvien kerrostamisessa käytettiin hyväksi fluoresoivalla aineella päällystettyä kärkeä ja lopputuloksessa oli vain 50 nanometrin yhteensopimattomuus fluoresenssi- ja topografiakuvan kanssa. STED mikroskoopin avulla nähdään leimattujen proteiinien tarkat sijainnit tiettynä ajankohtana elävän solun sisällä. Samaan aikaan pystytään kuvantamaan solun fyysisiä muotoja tai mitata adheesiovoimia atomivoimamikroskoopilla. Lisäksi voidaan käyttää funktinalisoitua kärkeä, jolla voidaan laukaista signalointitapahtumia solun ja soluväliaineen välillä. Sitoutuminen soluväliaineeseen voidaan rekisteröidä samoin kuin adheesiomediaattorien sijainnit sitoutumisalueella. Nämä dynaamiset havainnot tuottavat uutta informaatiota solun signaloinnista, kun osteoklasti kiinnittyy luun pintaan. Tämä teknologia tarjoaa uuden näkökulman monimutkaisiin signalointiprosesseihin nanoskaalassa ja tulee ratkaisemaan lukemattoman määrän biologisia ongelmia.

Antennimittausjärjestelmän toteutus ja ominaisuuksien määrittäminen

Diplomityössä tarkasteltiin antennien säteilykuviomittauksiin käytettävien antennimittaratojen ominaisuuksia. Sovelletun elektroniikan laboratorion antennimittaradasta kehitettiin toimiva säteilykuvion mittausjärjestelmä, johon kuuluvat radiokaiuton kammio, suuntauskoneisto ja antennikannakkeet, HP 8720D -piirianalysaattori ja RF-kaapelointi sekä valmistutetut mitta-antennitorvet. Työssä vertailtiin koaksiaalikaapeleita ja valittiin antennimittaukseen soveltuvat. 1,70–2,60 GHz:n taajuusalueen mittastandardiksi suunniteltiin torviantenni, jonka kaksi prototyyppiä valmistutettiin konetekniikan osastolla. Torviantennien ominaisuudet mitattiin. Antennimittaradan ominaisuudet ja soveltuvuus erilaisiin antennimittauksiin selvitettiin sekä teoreettisesti että mittauksin.

Antenna feed design for omnidirectional broadband antenna

This thesis is about development broadband feed for two-mirror antenna system that match following requirements: beamwidth from 45 to 90 degrees at -3 dB level, circular polarization, absence of radiation to the lower hemisphere area. Literature review was done in the areas of the UWB antennas creation. During the work attempts were made to create a feed in a form of the quad ridged horn and "eleven" antennas. The latter is introduced as the most effective feed among all antennas discussed in thesis. Radiation patterns and other results for "eleven" antenna were obtained. Results were saved as far field sources and placed slightly below focal point into the two-mirror antenna system, because phase center of the “eleven” antenna is predominantly shifted upwards. Directivity patterns for the two-mirror system were obtained and the conclusions about the work results have been made

Bioimage informatics in STED super-resolution microscopy

Optical microscopy is living its renaissance. The diffraction limit, although still physically true, plays a minor role in the achievable resolution in far-field fluorescence microscopy. Super-resolution techniques enable fluorescence microscopy at nearly molecular resolution. Modern (super-resolution) microscopy methods rely strongly on software. Software tools are needed all the way from data acquisition, data storage, image reconstruction, restoration and alignment, to quantitative image analysis and image visualization. These tools play a key role in all aspects of microscopy today – and their importance in the coming years is certainly going to increase, when microscopy little-by-little transitions from single cells into more complex and even living model systems. In this thesis, a series of bioimage informatics software tools are introduced for STED super-resolution microscopy. Tomographic reconstruction software, coupled with a novel image acquisition method STED< is shown to enable axial (3D) super-resolution imaging in a standard 2D-STED microscope. Software tools are introduced for STED super-resolution correlative imaging with transmission electron microscopes or atomic force microscopes. A novel method for automatically ranking image quality within microscope image datasets is introduced, and it is utilized to for example select the best images in a STED microscope image dataset.

Seasonal occurrence of Lygus bugs on field crops in Finland

Selostus: Niittyluteiden esiintyminen viljelykasveissa kasvukauden eri aikoina

Long-term fertilizer field trials: comparison of three mathematical response models

Selostus: Lannoituksen pitkäaikaiset kenttäkokeet: kolmen matemaattisen mallin vertailu

Drought response of modern and old oat lines in greenhouse and long-term field trials

Selostus: Vanhojen ja uusien kauralajikkeiden reagointi kuivuuteen kasvihuone- ja peltokokeissa

Effect of fertilization on soil phosphorus in a long-term field experiment in southern Finland

Selostus: Maan fosforitilan muutos pitkäaikaisessa kenttäkokeessa hietamaalla

Concentrate feeding and milk yield based on field data of milk recorded herds

Selostus: Väkirehuruokinnan vaikutus maidontuotantoon karjantarkkailutiloilta kerätyssä kenttäaineistossa