Bending modes of DNA directly addressed by cryo-electron microscopy of DNA minicircles.

We use cryo-electron microscopy (cryo-EM) to study the 3D shapes of 94-bp-long DNA minicircles and address the question of whether cyclization of such short DNA molecules necessitates the formation of sharp, localized kinks in DNA or whether the necessary bending can be redistributed and accomplished within the limits of the elastic, standard model of DNA flexibility. By comparing the shapes of covalently closed, nicked and gapped DNA minicircles, we conclude that 94-bp-long covalently closed and nicked DNA minicircles do not show sharp kinks while gapped DNA molecules, containing very flexible single-stranded regions, do show sharp kinks. We corroborate the results of cryo-EM studies by using Bal31 nuclease to probe for the existence of kinks in 94-bp-long minicircles.

The structure of nervous tissue and of Gram-positive bacteria studied by cryo-electron microscopy of vitreous sections

Résumé La structure, ou l'architecture, des êtres vivants définit le cadre dans lequel la physique de la vie s'accomplit. La connaissance de cette structure dans ses moindres détails est un but essentiel de la biologie. Son étude est toutefois entravée par des limitations techniques. Malgré son potentiel théorique, la microscopie électronique n'atteint pas une résolution atomique lorsqu'elle est appliquée ä la matièxe biologique. Cela est dû en grande partie au fait qu'elle contient beaucoup d'eau qui ne résiste pas au vide du microscope. Elle doit donc être déshydratée avant d'être introduite dans un microscope conventionnel. Des artéfacts d'agrégation en découlent inévitablement. La cryo-microscopie électronique des sections vitreuses (CEMOVIS) a ëté développée afin de résoudre cela. Les spécimens sont vitrifiés, c.-à-d. que leur eau est immobilisée sans cristalliser par le froid. Ils sont ensuite coupés en sections ultrafines et celles-ci sont observées à basse température. Les spécimens sont donc observés sous forme hydratée et non fixée; ils sont proches de leur état natif. Durant longtemps, CEMOVIS était très difficile à exécuter mais ce n'est plus le cas. Durant cette thèse, CEMOVIS a été appliqué à différents spécimens. La synapse du système nerveux central a été étudiée. La présence dans la fente synaptique d'une forte densité de molécules organisées de manière périodique a été démontrée. Des particules luminales ont été trouvées dans Ies microtubules cérébraux. Les microtubules ont servi d'objets-test et ont permis de démontrer que des détails moléculaires de l'ordre du nm sont préservés. La compréhension de la structure de l'enveloppe cellulaire des bactéries Grampositives aété améliorée. Nos observations ont abouti à l'élaboration d'un nouveau modèle hypothétique de la synthèse de la paroi. Nous avons aussi focalisé notre attention sur le nucléoïde bactérien et cela a suscité un modèle de la fonction des différents états structuraux du nucléoïde. En conclusion, cette thèse a démontré que CEMOVIS est une excellente méthode poux étudier la structure d'échantillons biologiques à haute résolution. L'étude de la structure de divers aspects des êtres vivants a évoqué des hypothèses quant à la compréhension de leur fonctionnement. Summary The structure, or the architecture, of living beings defines the framework in which the physics of life takes place. Understanding it in its finest details is an essential goal of biology. Its study is however hampered by technical limitations. Despite its theoretical potential, electron microscopy cannot resolve individual atoms in biological matter. This is in great part due to the fact. that it contains a lot of water that cannot stand the vacuum of the microscope. It must therefore be dehydrated before being introduced in a conventional mìcroscope. Aggregation artefacts unavoidably happen. Cryo-electron microscopy of vitreous sections (CEMOVIS) has been developed to solve this problem. Specimens are vitrified, i.e. they are rapidly cooled and their water is immobilised without crystallising by the cold. They are then. sectioned in ultrathin slices, which are observed at low temperatures. Specimens are therefore observed in hydrated and unfixed form; they are close to their native state. For a long time, CEMOVIS was extremely tedious but this is not the case anymore. During this thesis, CEMOVIS was applied to different specimens. Synapse of central nervous system was studied. A high density of periodically-organised molecules was shown in the synaptic cleft. Luminal particles were found in brain microtubules. Microtubules, used as test specimen, permitted to demonstrate that molecular details of the order of nm .are preserved. The understanding of the structure of cell envelope of Gram-positive bacteria was improved. Our observations led to the elaboration of a new hypothetic model of cell wall synthesis. We also focused our attention on bacterial nucleoids and this also gave rise to a functional model of nucleoid structural states. In conclusion, this thesis demonstrated that CEMOVIS is an excellent method for studying the structure of bìologìcal specimens at high resolution. The study of the structure of various aspects of living beings evoked hypothesis for their functioning.

The making of frozen-hydrated, vitreous lamellas from cells for cryo-electron microscopy.

There has been a long standing desire to produce thick (up to 500 nm) cryo-sections of fully hydrated cells and tissue for high-resolution analysis in their natural state by cryo-transmission electron microscopy. Here, we present a method that can successfully produce sections (lamellas in FIB-SEM terminology) of fully hydrated, unstained cells from high-pressure frozen samples by focused ion beam (FIB) milling. The samples are therefore placed in thin copper tubes and vitrified by high-pressure freezing. For transfer, handling and subsequent milling, the tubes are placed in a novel connective device (ferrule) that protects the sample from devitrification and contamination and passes through all operation steps. A piezo driven sample positioning stage (cryo-nano-bench, CNB) with three degrees of freedom was additionally developed to enable accurate milling of frozen-hydrated lamellas. With the CNB, high-pressure frozen samples can be milled to produce either thin lamellas (<100 nm), for direct imaging by high-resolution cryo-TEM or thicker lamellas (300-500 nm) for cryo-electron tomography. The sample remains vitreous throughout the process by using the presented tools and methods. The results are an important step towards investigating larger cells and even tissue in there natural state which in the end will enable us to gain better insights into cellular processes.

Transmission electron microscopy in cell biology: sample preparation techniques and image information

Transmission electron microscopy is a proven technique in the field of cell biology and a very useful tool in biomedical research. Innovation and improvements in equipment together with the introduction of new technology have allowed us to improve our knowledge of biological tissues, to visualizestructures better and both to identify and to locate molecules. Of all the types ofmicroscopy exploited to date, electron microscopy is the one with the mostadvantageous resolution limit and therefore it is a very efficient technique fordeciphering the cell architecture and relating it to function. This chapter aims toprovide an overview of the most important techniques that we can apply to abiological sample, tissue or cells, to observe it with an electron microscope, fromthe most conventional to the latest generation. Processes and concepts aredefined, and the advantages and disadvantages of each technique are assessedalong with the image and information that we can obtain by using each one ofthem.

Optimizing immuno-labeling for correlative fluorescence and electron microscopy on a single specimen.

Correlative fluorescence and electron microscopy has become an indispensible tool for research in cell biology. The integrated Laser and Electron Microscope (iLEM) combines a Fluorescence Microscope (FM) and a Transmission Electron Microscope (TEM) within one set-up. This unique imaging tool allows for rapid identification of a region of interest with the FM, and subsequent high resolution TEM imaging of this area. Sample preparation is one of the major challenges in correlative microscopy of a single specimen; it needs to be apt for both FM and TEM imaging. For iLEM, the performance of the fluorescent probe should not be impaired by the vacuum of the TEM. In this technical note, we have compared the fluorescence intensity of six fluorescent probes in a dry, oxygen free environment relative to their performance in water. We demonstrate that the intensity of some fluorophores is strongly influenced by its surroundings, which should be taken into account in the design of the experiment. Furthermore, a freeze-substitution and Lowicryl resin embedding protocol is described that yields excellent membrane contrast in the TEM but prevents quenching of the fluorescent immuno-labeling. The embedding protocol results in a single specimen preparation procedure that performs well in both FM and TEM. Such procedures are not only essential for the iLEM, but also of great value to other correlative microscopy approaches.

Cryo-electron microscopy of vitreous sections of native biological cells and tissues : methodology and applications

Résumé L'eau est souvent considérée comme une substance ordinaire puisque elle est très commune dans la nature. En fait elle est la plus remarquable de toutes les substances. Sans l'eau la vie sur la terre n'existerait pas. L'eau représente le composant majeur de la cellule vivante, formant typiquement 70 à 95% de la masse cellulaire et elle fournit un environnement à d'innombrables organismes puisque elle couvre 75% de la surface de terre. L'eau est une molécule simple faite de deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène. Sa petite taille semble en contradiction avec la subtilité de ses propriétés physiques et chimiques. Parmi celles-là, le fait que, au point triple, l'eau liquide est plus dense que la glace est particulièrement remarquable. Malgré son importance particulière dans les sciences de la vie, l'eau est systématiquement éliminée des spécimens biologiques examinés par la microscopie électronique. La raison en est que le haut vide du microscope électronique exige que le spécimen biologique soit solide. Pendant 50 ans la science de la microscopie électronique a adressé ce problème résultant en ce moment en des nombreuses techniques de préparation dont l'usage est courrant. Typiquement ces techniques consistent à fixer l'échantillon (chimiquement ou par congélation), remplacer son contenu d'eau par un plastique doux qui est transformé à un bloc rigide par polymérisation. Le bloc du spécimen est coupé en sections minces (d’environ 50 nm) avec un ultramicrotome à température ambiante. En général, ces techniques introduisent plusieurs artefacts, principalement dû à l'enlèvement d'eau. Afin d'éviter ces artefacts, le spécimen peut être congelé, coupé et observé à basse température. Cependant, l'eau liquide cristallise lors de la congélation, résultant en une importante détérioration. Idéalement, l'eau liquide est solidifiée dans un état vitreux. La vitrification consiste à refroidir l'eau si rapidement que les cristaux de glace n'ont pas de temps de se former. Une percée a eu lieu quand la vitrification d'eau pure a été découverte expérimentalement. Cette découverte a ouvert la voie à la cryo-microscopie des suspensions biologiques en film mince vitrifié. Nous avons travaillé pour étendre la technique aux spécimens épais. Pour ce faire les échantillons biologiques doivent être vitrifiés, cryo-coupées en sections vitreuse et observées dans une cryo-microscope électronique. Cette technique, appelée la cryo- microscopie électronique des sections vitrifiées (CEMOVIS), est maintenant considérée comme étant la meilleure façon de conserver l'ultrastructure de tissus et cellules biologiques dans un état très proche de l'état natif. Récemment, cette technique est devenue une méthode pratique fournissant des résultats excellents. Elle a cependant, des limitations importantes, la plus importante d'entre elles est certainement dû aux artefacts de la coupe. Ces artefacts sont la conséquence de la nature du matériel vitreux et le fait que les sections vitreuses ne peuvent pas flotter sur un liquide comme c'est le cas pour les sections en plastique coupées à température ambiante. Le but de ce travail a été d'améliorer notre compréhension du processus de la coupe et des artefacts de la coupe. Nous avons ainsi trouvé des conditions optimales pour minimiser ou empêcher ces artefacts. Un modèle amélioré du processus de coupe et une redéfinitions des artefacts de coupe sont proposés. Les résultats obtenus sous ces conditions sont présentés et comparés aux résultats obtenus avec les méthodes conventionnelles. Abstract Water is often considered to be an ordinary substance since it is transparent, odourless, tasteless and it is very common in nature. As a matter of fact it can be argued that it is the most remarkable of all substances. Without water life on Earth would not exist. Water is the major component of cells, typically forming 70 to 95% of cellular mass and it provides an environment for innumerable organisms to live in, since it covers 75% of Earth surface. Water is a simple molecule made of two hydrogen atoms and one oxygen atom, H2O. The small size of the molecule stands in contrast with its unique physical and chemical properties. Among those the fact that, at the triple point, liquid water is denser than ice is especially remarkable. Despite its special importance in life science, water is systematically removed from biological specimens investigated by electron microscopy. This is because the high vacuum of the electron microscope requires that the biological specimen is observed in dry conditions. For 50 years the science of electron microscopy has addressed this problem resulting in numerous preparation techniques, presently in routine use. Typically these techniques consist in fixing the sample (chemically or by freezing), replacing its water by plastic which is transformed into rigid block by polymerisation. The block is then cut into thin sections (c. 50 nm) with an ultra-microtome at room temperature. Usually, these techniques introduce several artefacts, most of them due to water removal. In order to avoid these artefacts, the specimen can be frozen, cut and observed at low temperature. However, liquid water crystallizes into ice upon freezing, thus causing severe damage. Ideally, liquid water is solidified into a vitreous state. Vitrification consists in solidifying water so rapidly that ice crystals have no time to form. A breakthrough took place when vitrification of pure water was discovered. Since this discovery, the thin film vitrification method is used with success for the observation of biological suspensions of. small particles. Our work was to extend the method to bulk biological samples that have to be vitrified, cryosectioned into vitreous sections and observed in cryo-electron microscope. This technique is called cryo-electron microscopy of vitreous sections (CEMOVIS). It is now believed to be the best way to preserve the ultrastructure of biological tissues and cells very close to the native state for electron microscopic observation. Since recently, CEMOVIS has become a practical method achieving excellent results. It has, however, some sever limitations, the most important of them certainly being due to cutting artefacts. They are the consequence of the nature of vitreous material and the fact that vitreous sections cannot be floated on a liquid as is the case for plastic sections cut at room temperature. The aim of the present work has been to improve our understanding of the cutting process and of cutting artefacts, thus finding optimal conditions to minimise or prevent these artefacts. An improved model of the cutting process and redefinitions of cutting artefacts are proposed. Results obtained with CEMOVIS under these conditions are presented and compared with results obtained with conventional methods.

Cryo-negative staining: advantages and applications for three-dimensional electron microscopy of biological macromolecules

Les échantillons biologiques ne s?arrangent pas toujours en objets ordonnés (cristaux 2D ou hélices) nécessaires pour la microscopie électronique ni en cristaux 3D parfaitement ordonnés pour la cristallographie rayons X alors que de nombreux spécimens sont tout simplement trop << gros D pour la spectroscopie NMR. C?est pour ces raisons que l?analyse de particules isolées par la cryo-microscopie électronique est devenue une technique de plus en plus importante pour déterminer la structure de macromolécules. Néanmoins, le faible rapport signal-sur-bruit ainsi que la forte sensibilité des échantillons biologiques natifs face au faisceau électronique restent deux parmi les facteurs limitant la résolution. La cryo-coloration négative est une technique récemment développée permettant l?observation des échantillons biologiques avec le microscope électronique. Ils sont observés à l?état vitrifié et à basse température, en présence d?un colorant (molybdate d?ammonium). Les avantages de la cryo-coloration négative sont étudiés dans ce travail. Les résultats obtenus révèlent que les problèmes majeurs peuvent êtres évités par l?utilisation de cette nouvelle technique. Les échantillons sont représentés fidèlement avec un SNR 10 fois plus important que dans le cas des échantillons dans l?eau. De plus, la comparaison de données obtenues après de multiples expositions montre que les dégâts liés au faisceau électronique sont réduits considérablement. D?autre part, les résultats exposés mettent en évidence que la technique est idéale pour l?analyse à haute résolution de macromolécules biologiques. La solution vitrifiée de molybdate d?ammonium entourant l?échantillon n?empêche pas l?accès à la structure interne de la protéine. Finalement, plusieurs exemples d?application démontrent les avantages de cette technique nouvellement développée.<br/><br/>Many biological specimens do not arrange themselves in ordered assemblies (tubular or flat 2D crystals) suitable for electron crystallography, nor in perfectly ordered 3D crystals for X-ray diffraction; many other are simply too large to be approached by NMR spectroscopy. Therefore, single-particles analysis has become a progressively more important technique for structural determination of large isolated macromolecules by cryo-electron microscopy. Nevertheless, the low signal-to-noise ratio and the high electron-beam sensitivity of biological samples remain two main resolution-limiting factors, when the specimens are observed in their native state. Cryo-negative staining is a recently developed technique that allows the study of biological samples with the electron microscope. The samples are observed at low temperature, in the vitrified state, but in presence of a stain (ammonium molybdate). In the present work, the advantages of this novel technique are investigated: it is shown that cryo-negative staining can generally overcome most of the problems encountered with cryo-electron microscopy of vitrified native suspension of biological particles. The specimens are faithfully represented with a 10-times higher SNR than in the case of unstained samples. Beam-damage is found to be considerably reduced by comparison of multiple-exposure series of both stained and unstained samples. The present report also demonstrates that cryo-negative staining is capable of high- resolution analysis of biological macromolecules. The vitrified stain solution surrounding the sample does not forbid the access to the interna1 features (ie. the secondary structure) of a protein. This finding is of direct interest for the structural biologist trying to combine electron microscopy and X-ray data. developed electron microscopy technique. Finally, several application examples demonstrate the advantages of this newly

Study of biomacromolecule conformational changes by Scanning Force Microscopy

L?objectif de ce travail de thèse est l?étude des changements conformationels des biomacromolecules à l?échelle d?une molécule unique. Pour cela on a utilisé la Microscopie à Force Atomique (AFM) appliqué à l?étude des protéines et des acides nucléiques déposés sur une surface. Dans ce type de microscopie, une pointe très fine attachée à l?extrémité d?un levier est balayée au dessus d?une surface. L?interaction de la pointe avec la surface de l?échantillon induit la déflection du levier et ce phénomène permet de reconstruire la topographie de l?échantillon. Très importante dans cette technique est la possibilité de travailler en liquide. Cela permet de étudier les biomolécules en conditions quasi-physiologiques sans qu?elles perdent leur activité. On a étudié GroEL, la chaperonin de E.coli, qui est un homo oligomère avec une structure à double anneau qui joue un rôle très important dans le repliement des protéines dénaturées et celles qui viennent d?être synthétisées. En particulier on a focalisé notre attention sur la stabilité mécanique et sur les changements conformationels qui ont lieu pendant l?activité de GroEL. Une analyse détaillée des changements dans la stabilité mécanique et des effets produits par la liaison et l?hydrolyse de l?ATP est présentée dans ce travail. On a montré que le point le plus faible dans la structure de GroEL est l?interface entre les deux anneaux et que l?étape critique dans l?affaiblissement de la structure est l?hydrolyse de l?ATP. En ce qui concerne le changement conformationel, le passage d?une surface hydrophobe à hydrophile, induit par l?hydrolyse de l?ATP, a été montré. Ensuite on a étudié le changement dans la conformation et dans la topologie de l?ADN résultant de l?interaction avec des molécules spécifiques et en réponse à l?exposition des cellules de E.coli à des conditions de stress. Le niveau de surenroulement est un paramètre très sensible, de façon variée, à tous ces facteurs. Les cellules qui ont crus à de températures plus élevées que leur température optimale ont la tendance à diminuer le nombre de surenroulements négatif pour augmenter la stabilité thermique de leur plasmides. L?interaction avec des agents intercalant induit une transition d?un surenroulement négatif à un surenroulement positif d?une façon dépendante de la température. Finalement, l?effet de l?interaction de l?ADN avec des surfaces différentes a été étudié et une application pratique sur les noeuds d?ADN est présentée.<br/><br/>The aim of the present thesis work is to study the conformational changes of biomacromolecules at the single molecule level. To that end, Atomic Force Microcopy (AFM) imaging was performed on proteins and nucleic acids adsorbed onto a surface. In this microcopy technique a very sharp tip attached at the end of a soft cantilever is scanned over a surface, the interaction of the tip with the sample?s surface will induce the deflection of the cantilever and thus it will make possible to reconstruct the topography. A very important feature of AFM is the possibility to operate in liquid, it means with the sample immersed in a buffer solution. This allows one to study biomolecules in quasi-physiological conditions without loosing their activity. We have studied GroEL, the chaperonin of E.coli, which is a double-ring homooligomer which pays a very important role in the refolding of unfolded and newly synthetized polypeptides. In particular we focus our attention on its mechanical stability and on the conformational change that it undergoes during its activity cycle. A detailed analysis of the change in mechanical stability and how it is affected by the binding and hydrolysis of nucleotides is presented. It has been shown that the weak point of the chaperonin complex is the interface between the two rings and that the critical step to weaken the structure is the hydrolysis of ATP. Concerning the conformational change we have directly measured, with a nanometer scale resolution, the switching from a hydrophobic surface to a hydrophilic one taking place inside its cavity induced by the ATP hydrolysis. We have further studied the change in the DNA conformation and topology as a consequence of the interaction with specific DNA-binding molecules and the exposition of the E.coli cells to stress conditions. The level of supercoiling has been shown to be a very sensitive parameter, even if at different extents, to all these factors. Cells grown at temperatures higher than their optimum one tend to decrease the number of the negative superhelical turns in their plasmids in order to increase their thermal stability. The interaction with intercalating molecules induced a transition from positive to negative supercoiling in a temperature dependent way. The effect of the interaction of the DNA with different surfaces has been investigated and a practical application to DNA complex knots is reported.<br/><br/>Observer les objets biologiques en le touchant Schématiquement le Microscope a Force Atomique (AFM) consiste en une pointe très fine fixée a l?extrémité d?un levier Lors de l?imagerie, la pointe de l?AFM gratte la surface de l?échantillon, la topographie de celui-ci induit des déflections du levier qui sont enregistrées au moyen d?un rayon laser réfléchi par le levier. Ces donnés sont ensuit utilisés par un ordinateur pour reconstituer en 3D la surface de l?échantillon. La résolution de l?instrument est fonction entre autre de la dureté, de la rugosité de l?échantillon et de la forme de la pointe. Selon l?échantillon et la pointe utilisée la résolution de l?AFM peut aller de 0.1 A (sur des cristaux) a quelque dizaine de nanomètres (sur des cellules). Cet instrument est particulierment intéressant en biologie en raison de sa capacité à imager des échantillons immergés dans un liquide, c?est à dire dans des conditions quasiphysiologiques. Dans le cadre de ce travail nous avons étudié les changements conformationels de molécules biologiques soumises à des stimulations externes. Nous avons essentielment concentré notre attention sur des complexes protéiques nommé Chaperons Moléculaires et sur des molécules d?ADN circulaire (plasmides). Les Chaperons sont impliqués entre autre dans la résistance des organismes vivants aux stress thermiques et osmotiques. Leur activité consiste essentielment à aider les autres protéines à être bien pliés dans leur conformation finale et, en conséquence, à eviter que ils soient dénaturées et que ils puissent s?agréger. L?ADN, quant à lui est la molécule qui conserve, dans sa séquence, l?information génétique de tous les organismes vivants. Ce travail a spécifiquement concerné l?étude des changements conformationels des chaperonins suit a leur activation par l?ATP. Ces travaux ont montrés a l?échelle de molécule unique la capacité de ces protéines de changer leur surface de hydrophobique a hydrophilique. Nous avons également utilisé l?AFM pour étudier le changement du nombre des surenroulements des molécules d?ADN circulaire lors d?une exposition à un changement de température et de force ionique. Ces travaux ont permis de montrer comment la cellule regle le nombre de surenroulements dans ces molécules pour répondre et contrôler l?expression génétique même dans de conditions extrêmes. Pour les deux molécules en général, c?était très important d?avoir la possibilité de observer leur transitions d?une conformation a l?autre directement a l?échelle d?une seul molécule et, surtout, avec une résolution largement au dessous des la longueur d?onde de la lumière visible que représente le limite pour l?imagerie optique.

Metabolic and structural rearrangement during dark-induced autophagy in soybean (Glycine max L.) nodules: An electron microscopy and P-31 and C-13 nuclear magnetic resonance study

The effects of dark-induced stress on the evolution of the soluble metabolites present in senescent soybean (Glycine max L.) nodules were analysed in vitro using C-13- and P-31-NMR spectroscopy. Sucrose and trehalose were the predominant soluble storage carbons. During dark-induced stress, a decline in sugars and some key glycolytic metabolites was observed. Whereas 84% of the sucrose disappeared, only one-half of the trehalose was utilised. This decline coincides with the depletion of Gln, Asn, Ala and with an accumulation of ureides, which reflect a huge reduction of the N-2 fixation. Concomitantly, phosphodiesters and compounds like P-choline, a good marker of membrane phospholipids hydrolysis and cell autophagy, accumulated in the nodules. An autophagic process was confirmed by the decrease in cell fatty acid content. In addition, a slight increase in unsaturated fatty acids (oleic and linoleic acids) was observed, probably as a response to peroxidation reactions. Electron microscopy analysis revealed that, despite membranes dismantling, most of the bacteroids seem to be structurally intact. Taken together, our results show that the carbohydrate starvation induced in soybean by dark stress triggers a profound metabolic and structural rearrangement in the infected cells of soybean nodule which is representative of symbiotic cessation.

New features of the layer-by-layer deposition of microcrystalline silicon films revealed by spectroscopic ellipsometry and high resolution transmission electron microscopy

Spectroscopic ellipsometry and high resolution transmission electron microscopy have been used to characterize microcrystalline silicon films. We obtain an excellent agreement between the multilayer model used in the analysis of the optical data and the microscopy measurements. Moreover, thanks to the high resolution achieved in the microscopy measurements and to the improved optical models, two new features of the layer-by-layer deposition of microcrystalline silicon have been detected: i) the microcrystalline films present large crystals extending from the a-Si:H substrate to the film surface, despite the sequential process in the layer-by-layer deposition; and ii) a porous layer exists between the amorphous silicon substrate and the microcrystalline silicon film.

Characterisation of pigment particles by scanning electron microscope and image analysis programs

Coating and filler pigments have strong influence to the properties of the paper. Filler content can be even over 30 % and pigment content in coating is about 85-95 weight percent. The physical and chemical properties of the pigments are different and the knowledge of these properties is important for optimising of optical and printing properties of the paper. The size and shape of pigment particles can be measured by different analysers which can be based on sedimentation, laser diffraction, changes in electric field etc. In this master's thesis was researched particle properties especially by scanning electron microscope (SEM) and image analysis programs. Research included nine pigments with different particle size and shape. Pigments were analysed by two image analysis programs (INCA Feature and Poikki), Coulter LS230 (laser diffraction) and SediGraph 5100 (sedimentation). The results were compared to perceive the effect of particle shape to the performance of the analysers. Only image analysis programs gave parameters of the particle shape. One part of research was also the sample preparation for SEM. Individual particles should be separated and distinct in ideal sample. Analysing methods gave different results but results from image analysis programs corresponded even to sedimentation or to laser diffraction depending on the particle shape. Detailed analysis of the particle shape required high magnification in SEM, but measured parameters described very well the shape of the particles. Large particles (ecd~1 µm) could be used also in 3D-modelling which enabled the measurement of the thickness of the particles. Scanning electron microscope and image analysis programs were effective and multifunctional tools for particle analyses. Development and experience will devise the usability of analysing method in routine use.

Electric field calibration method for scanning electron microscope

This paper proposes a calibration method which can be utilized for the analysis of SEM images. The field of application of the developed method is a calculation of surface potential distribution of biased silicon edgeless detector. The suggested processing of the data collected by SEM consists of several stages and takes into account different aspects affecting the SEM image. The calibration method doesn’t pretend to be precise but at the same time it gives the basics of potential distribution when the different biasing voltages applied to the detector.

Electric field measurements using scanning electron microscope

The main idea of this diploma work is to study electric field distribution on the micro level. For this purpose a silicon edgeless detector was chosen as the object of investigation and scanning electron microscope as an investigation tool. Silicon edgeless detector is an important part of installation for studying proton-proton interactions in TOTEM experiment at Large Hadron Collider. For measurement of electric field distribution inside scanning electron microscope a voltage contrast method was applied.