According to recent progress in high resolved
fluorescence microscopy literature presents relations for the
spatial resolution limit with an infinite resolution of fluorescing
pigments. We show that similar relations would also be found for
the time resolution. According to information theory the
resolution is limited by the capacity of the employed computer
system. Therefore an infinite resolution is not possible although
fluorescence spectroscopy might be still far away from the
principal lower bound of resolution for arbitrary big and
arbitrary stable systems.
Inhaltsverzeichnis
I. INTRODUCTION
II. THE RESOLUTION OF MODERN TSCSPC TECHNIQUES
A. Spatial resolution
B. Temporal Resolution
III. BEKENSTEIN LIMIT AND HEISENBERG´S UNCERTAINTY RELATION
A. Bekenstein limit
B. Analogy to Heisenberg´s uncertainty relation
IV. EXPERIMENTAL EXAMPLE
V. CONCLUSION AND FURTHER ASPECTS
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht die fundamentalen Auflösungsgrenzen der zeit- und ortsaufgelösten Einzelphotonenzählung (TSCSPC) in der Nanobiophotonik unter Berücksichtigung informationstheoretischer und physikalischer Beschränkungen.
- Analyse der räumlichen und zeitlichen Auflösungsgrenzen moderner TSCSPC-Verfahren.
- Anwendung des Bekenstein-Limits und der Heisenbergschen Unschärferelation auf Messdaten.
- Untersuchung der Rolle der Speicherkapazität und Messdauer für die erreichbare Auflösung.
- Validierung theoretischer Modelle anhand experimenteller Daten an Chlorophyll-bindenden Proteinen (WSCP).
- Diskussion der Möglichkeit zur Auflösungssteigerung durch statistische Fits unterhalb der Kanalbreite.
Auszug aus dem Buch
IV. EXPERIMENTAL EXAMPLE
From fs absorption spectroscopy and theoretical considerations two very fast fluorescence decay components with 8 ps and 1 ps are expected in fluorescence measurements performed on a special kind of WSCP complexes [13]. WSCP is a water soluble chlorophyll (Chl) binding protein as shortly mentioned in the introduction. For further details see [12],[13].
At first glance the fluorescence at a temperature of 10 K of a so called type II WSCP containing Chl a and Chl b in a ratio of 2.6:1 is well fit with fluorescence components of 6 ns, 2 ns and 100 ps (see fig. 2). The χr2 indicating the quality of the fit does not significantly change when a fourth decay component is added.
In time resolved fluorescence spectroscopy with an IRF of 150 ps FWHM it is not expected to resolve a 1 ps decay component. It is also hard to resolve an 8 ps decay component. It is interesting to note that the information of these both fast time constants for exciton relaxation in WSCP which are expected from theory assuming two structural different binding Chl dimers explaining the spectral data of transient fs absorption spectroscopy [13] is correctly found by a fit of the fluorescence measurement in spite of a rather low signal/noise ratio of 100 and a broad IRF of 150 ps (FWHM).
Theiss et al. explained the existence of 2 fast decay components with 8 ps and 1 ps by 2 different Chl dimers found in WSCP showing different coupling strengths. The fast decay components are the time constants of the exciton relaxations in the coupled dimers. The 1 ps component should describe the relaxation of strongly coupled WSCP dimers whereas the 8 ps component describes the excitonic relaxation of weakly coupled Chl dimers.
Zusammenfassung der Kapitel
I. INTRODUCTION: Die Einleitung gibt einen Überblick über die Bedeutung der Fluoreszenzspektroskopie in der Nanobiophotonik und führt in die Thematik der Auflösungsgrenzen bei der Untersuchung lebender Zellen ein.
II. THE RESOLUTION OF MODERN TSCSPC TECHNIQUES: Dieses Kapitel analysiert die physikalischen Grenzen der räumlichen und zeitlichen Auflösung bei TSCSPC-Verfahren und diskutiert mathematische Modelle zur Beschreibung dieser Limiten.
III. BEKENSTEIN LIMIT AND HEISENBERG´S UNCERTAINTY RELATION: Hier werden universelle informationstheoretische Schranken wie das Bekenstein-Limit und deren Äquivalenz zur Heisenbergschen Unschärferelation auf die Einzelphotonenzählung angewendet.
IV. EXPERIMENTAL EXAMPLE: Anhand von WSCP-Komplexen wird praktisch demonstriert, wie extrem kurze Zerfallskomponenten trotz begrenzter Geräteauflösung (IRF) durch mathematische Modellierung extrahiert werden können.
V. CONCLUSION AND FURTHER ASPECTS: Das Fazit stellt fest, dass die Auflösung maßgeblich durch die Speicherkapazität limitiert wird und diskutiert die Übertragbarkeit der Modelle auf kosmologische Maßstäbe.
Schlüsselwörter
Einzelphotonenzählung, TSCSPC, Nanobiophotonik, Bekenstein-Limit, Heisenberg-Unschärferelation, Fluoreszenzspektroskopie, WSCP, Exzitonen-Relaxation, Zeitauflösung, Ortsauflösung, Poisson-Statistik, Diffraktionslimit, Instrumentelle Antwortfunktion, Datenanalyse, Proteindynamik.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser wissenschaftlichen Arbeit primär?
Die Arbeit untersucht die theoretischen und praktischen Grenzen der räumlichen und zeitlichen Auflösung bei der zeit- und ortsaufgelösten Einzelphotonenzählung (TSCSPC) und leitet diese aus fundamentalen physikalischen Gesetzen ab.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Die zentralen Felder sind die moderne Nanobiophotonik, die Anwendung informationstheoretischer Schranken (Bekenstein-Limit) auf optische Messverfahren sowie die Analyse von exzitonischen Relaxationsprozessen in biologischen Proteinkomplexen.
Was ist die Forschungsfrage der Untersuchung?
Die Arbeit fragt nach den prinzipiellen unteren Grenzen der Auflösung bei TSCSPC-Experimenten und ob diese durch die Hardwarekapazität oder durch fundamentale physikalische Konstanten determiniert sind.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zum Einsatz?
Es werden mathematische Ableitungen aus der Informationstheorie, statistische Methoden wie der Levenberg-Marquardt-Algorithmus zur Datenanpassung und experimentelle Daten aus der fs-Absorptions- und Fluoreszenzspektroskopie verwendet.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil befasst sich mit der mathematischen Herleitung der Auflösungsgrenzen, der Analogie zur Unschärferelation sowie der experimentellen Validierung an Chlorophyll-bindenden Proteinen (WSCP).
Welche Schlüsselbegriffe sind charakteristisch?
Wesentliche Begriffe sind TSCSPC, Bekenstein-Limit, Auflösungsgrenze, Exzitonen-Relaxation und die instrumentelle Antwortfunktion (IRF).
Wie erklärt der Autor die Auflösung von Prozessen unterhalb der Kanalbreite?
Der Autor argumentiert, dass durch eine präzise mathematische Modellierung (Fit) der Wahrscheinlichkeitsverteilung der Photonenereignisse eine Auflösung möglich ist, die über die rein technische Kanalbreite des Detektors hinausgeht.
Welche Bedeutung haben die WSCP-Komplexe für die Studie?
Die WSCP-Komplexe dienen als Modellsystem, um zu zeigen, dass selbst sehr schnelle exzitonische Relaxationsprozesse (im ps-Bereich), die theoretisch außerhalb der Auflösung der Messapparatur liegen, durch korrekte Datenanalyse extrahiert werden können.
- Arbeit zitieren
- Franz-Josef Schmitt (Autor:in), 2008, The ultimative resolution limit in the universe, München, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/159774
