Das Thema der vorliegenden Dissertation ist die Tief-UV-Resonanz-Raman-Spektroskopie an aromatischen Aminosäuren. Die Zielsetzung der vorgestellten Experimente ist es, geeignete Methoden zu entwickeln und zu testen, mit denen mittels der Bestimmung der Mikroumgebung die Tief-UV-Resonanz-Raman-Spektroskopie bei der Strukturaufklärung von Proteinen und Protein-Komplexen beitragen kann. Die Arbeit beginnt in Kapitel 1 mit einer ausführlichen Einführung in die Thematik. In der Motivation in Kapitel 2 wird erläutert, warum sich die Raman-Spektroskopie im Tief-UV-Bereich an aromatischen Aminosäuren besonders zur Untersuchung der Mikroumgebung in Proteinen eignet. Die theoretischen Grundlagen der Raman-Spektroskopie werden in Kapitel 3 anhand von klassischen und quantenmechanischen Überlegungen vorgestellt. Auf die verwendeten Geräte, die in den Experimenten verwendet wurden, wird in Kapitel 4 detailliert eingegangen. In Kapitel 5 werden die Systeme zur Untersuchung von kleinen Probenvolumina gesondert vorgestellt, die im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurden. In Kapitel 6 wird der Einfluss der Anregungswellenlänge auf die Tief-UV-Resonanz-Raman-Spektren von Tyrosin und Phenylalanin untersucht und dabei die Selektivität dieser Technologie demonstriert. Das Kapitel 7 untersucht den Einfluss der Umgebung auf die Tief-UV-Resonanz-Raman-Spektren von aromatischen Aminosäuren. Beispielhaft werden Histidin und Tyrosin bei verschiedenenen pH-Werten untersucht. Es wird ein selbst entwickelter Algortihmus vorgestellt, mit dessen Hilfe ohne Kenntnis des pKa-Wertes der pH-Wert anhand der Spektren bestimmt werden kann. Kapitel 8 zeigt einen Ausblick auf die zukünftige Anwendung der vorgestellten Geräte und Methoden auf Untersuchung der Struktur und Dynamik von Proteinen und Protein-Komplexen mittels der Bestimmung der Mikroumgebung von aromatischen Aminosäuren.

Quantitative phase imaging (QPI) is a label-free technique providing both morphology and quantitative biophysical information in biomedicine. However, applying such a powerful technique to in vivo pathological diagnosis remains challenging. Multi-core fiber bundles (MCFs) enable ultra-thin probes for in vivo imaging, but current MCF imaging techniques are limited to amplitude imaging modalities. We demonstrate a computational lensless microendoscope that uses an ultra-thin bare MCF to perform quantitative phase imaging with microscale lateral resolution and nanoscale axial sensitivity of the optical path length. The incident complex light field at the measurement side is precisely reconstructed from the far-field speckle pattern at the detection side, enabling digital refocusing in a multi-layer sample without any mechanical movement. The accuracy of the quantitative phase reconstruction is validated by imaging the phase target and hydrogel beads through the MCF. With the proposed imaging modality, three-dimensional imaging of human cancer cells is achieved through the ultra-thin fiber endoscope, promising widespread clinical applications.

Two examples of our biophotonic research utilizing nanoparticles are presented, namely laser-based fluoroimmuno analysis and in-vivo optical oxygen monitoring. Results of the work include significantly enhanced sensitivity of a homogeneous fluorescence immunoassay and markedly improved spatial resolution of oxygen gradients in root nodules of a legume species.