Die vorliegende Arbeit befasst sich mit zwei neuen methodischen Ansätzen auf dem Gebiet der Fluoreszenzmikroskopie. Im ersten Teil der Arbeit wir eine Methode vorgestellt, mit der die Winkelselektivität der Fluoreszenzanregung verbessert werden kann. Die ExPAN (excitation polarization angle narrowing) genannte Technik nutzt stimulierte Emission, um den Effekt der Photoselektion zu vergrößern. ExPAN lässt sich potentiell für verschiedene Methoden einsetzen, in denen fluoreszenzmarkierte Proben untersucht werden und ist insbesondere im Kontext von Fluoreszenzanisotropie-Messungen oder der Bestimmung von molekularen Orientierungen von Interesse. Solche Methoden finden in den Biowissenschaften breite Anwendung und werden z.B. zum Studium von Rezeptor-Liganden-Interaktionen oder der Proteindynamik eingesetzt. Im Rahmen der Arbeit wird ExPAN in Kombination mit einem neuen Ansatz in der Weitfeldmikroskopie untersucht, bei der die Orientierung von Farbstoffmolekülen als Kontrastmechanismus genutzt wird. Dabei wird die Polarisationsrichtung des Anregungslichts rotiert, um Informationen über die molekulare Orientierung zu gewinnen. Aufgrund der Photoselektion weist das Fluoreszenzsignal von Molekülen mit bevorzugter Ausrichtung dadurch eine periodische Modulation auf. Es wird gezeigt, dass diese Information zur Unterscheidung von Molekülen mit abweichender Orientierung genutzt werden kann, selbst wenn sich deren Signale räumlich überlagern. Für die Versuche wurde ein modifiziertes Weitfeld-Mikroskop konstruiert und die Methode zum einen experimentell an Einzelmolekülen und zum anderen mittels Simulationen erprobt. Dabei konnten Signale von Farbstoffmolekülen mit einem Abstand von bis zu 80 nm separiert werden. Darüber hinaus wurde ein moduliertes Fluoreszenzsignal bei oberflächenmarkierten Mikropartikeln in wässriger Lösung sowie bei fixierten biologischen Proben beobachtet. Eine Verbesserung der Photoselektion durch ExPAN wird experimentell nachgewiesen und gezeigt, dass mit ExPAN auch ähnlich orientierte Moleküle unterschieden werden können. Im zweiten Teil der Arbeit wird eine Methode zur Verbesserung der Auflösung von konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopen vorgestellt, die als Multidetektor-Scanning (MDS) bezeichnet wird und auf dem Prinzip der Image-Scanning-Mikroskopie (ISM) beruht. Mit ISM lässt sich die Auflösung von Fluoreszenzmikroskopen theoretisch verdoppeln. Da ISM einen Flächendetektor voraussetzt, wurden in der Vergangenheit hauptsächlich CCD oder CMOS Kameras als Detektoren eingesetzt. In dieser Arbeit werden anstelle einer Kamera mehrere Einzelphotonendetektoren verwendet und über ein Glasfaserbündel zu einem Flächendetektor kombiniert. Dadurch ist es erstmals möglich, die Methode in Verbindung mit Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie (FLIM) einzusetzen. FLIM hat sich in den Biowissenschaften als wichtige Mikroskopie-Technik etabliert und wird unter anderem bei Protein-Protein-Interaktionsstudien oder zur Untersuchung des NADH-Metabolismus eingesetzt. Die Verbesserung der räumlichen Auflösung von FLIM mit MDS ist somit für eine Reihe von biologischen Fragestellungen von potentiellem Interesse. Im Rahmen der Arbeit wurde ein Multidetektor-Scanning-Mikroskop konstruiert und durch die Vermessung von fluoreszierenden Mikropartikeln charakterisiert. Eine Verbesserung der Auflösung durch MDS wird an fixierten biologischen Proben demonstriert. Dabei wurde eine Auflösung von 168 nm mit MDS sowie 146 nm mit MDS und Dekonvolution erreicht. Schließlich wird die Kombination der Methode mit Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie demonstriert.

The diploma thesis is focused on the design and realization of an experimental device. The purpose of device is the simulation of dynamic and kinematic conditions of knee replacement during the walking cycle. The simulator will be used to study the formation of the lubricating film in contact of the femoral component and the polyethylene spacer, and to the cyclic wear tests for knee replacements. First part of thesis is focused on the description of working parameters of knee replacements and analysis of knee joint simulators. The description of conceptual design and selection of the final variation follows. The final design allows simulation of dynamic and kinematic conditions of ISO 14 243-3. Creation of lubricating film is analyzed by the non-contact optical fluorescence microscopy method. The work includes complete drawing documentation, wiring diagram, verification of the functionality of the device and detailed operating instructions.

The theme of this diploma thesis is the design of a scanning electron microscope with a focused ion beam. Specifically, the thesis is focused on the design of the microscope covers and the adjacent workplace of the operator for Tescan Orsay Holding a.s.. Design is solved as the first proposal aimed at future innovation of the design of the entire product line.

The content of this diploma thesis was testing the applicability of available structural analysis techniques on a appropriate model hydrogel system. The main aim was to evaluate the advantages and disadvantages of selected structural analysis techniques and the influence of the composition change of the hydrogel system on its internal structure. Semi-interpenetrated hydrogels based on agarose of different concentration were chosen as model system, this type of material was chosen for simple and repeatable preparation and also for its application potential. Electron microscopy (SEM, cryoSEM), mercury porosimetry and turbidimetry were chosen as structural analysis techniques. Experimental results could be used to improve knowledge about the influence of hydrogel composition on its structure and the comparison of chosen techniques will be used for the choice of appropriate structural analysis in the future, which will be applicable to other hydrogel systems as well.

The thesis is focused on the medium dynamics simulation in the environmental scanning electron microscope. Specifically, it researches (examines) the conical aperture location effect in the differential pumped chamber and the width of the pumping channel in this chamber. The theoretical part deals with the environmental scanning microscope generally and other tools used in this thesis, e.g. ANSYS Fluen software, fluid turbulence, medium free path of molecules and electrons scattering. In the practical part, the work is focused on data processing from the ANSYS Fluent program and on their evaluation.

The aim of the first part of this thesis is to explain the theoretical basis of transmission electron microscopy and to mention fundamental parts of transmission electron microscopes. The next part of this work is focused on possible methods of image segmentation, the use of neural networks in the detection of objects in an image and the subsequent clustering of results. The theoretical part of the thesis is concluded with an explanation of some already published methods of automatic detection of biological structures in microscopic images and theoretical design of the algorithm, which will be subsequently developed. The process of training neural networks in order to automatically detect biological structures in an image is described at the beginning of the practical part. This is followed by an evaluation of the results achieved by these networks. Subsequently, cluster analysis methods are applied to these results, the products of which are compared with each other and also with the results obtained by already published methods.

This master’s thesis focuses on the image reconstruction from holographic microscope. The first part of the thesis summarizes problems of holography, describes its principle and application particularly in live cell biology. In the second part the description of several methods used for off-axis hologram reconstruction is provided. The last part describes the implementation of the basic step in holographic reconstruction – the elimination of autocorrelation and twin image – and then also the reconstruction of 3D information of the sample.

This master’s thesis contains a description of mesenchymal stem cells (MSC). The work includes knowledge about the process of migration and differentiation of MSCs. The theoretical part of this thesis also deals with the problem of cell cultivation in 2D and 3D environments. The most used materials for creating 3D scaffolds are described here. The practical part contains the description of the cell culture protocol for passaging and also describes the experiment in the cell laboratory. The results of the experiment are discussed using confocal microscope images. The proposed experiment was tested with a sufficient number of repetitions. The processing of microscopic images was performed in the MATLAB programming environment.

Given diploma thesis deals with the design and realization of a device whose purpose is to simulate real condition in the contact area of deep groove ball bearings. Direct observation of such area was then carried out. Initial part of the thesis addresses principles occurring in ball bearings, such as friction and lubrication and wear mechanisms. Several devices which are commonly used for bearing lubrication studies are then described at the work. Subsequently, author’s solution was introduced with the output of Ball-on-ring device. Ball-on-ring configuration is key feature due to its geometry since it enables to create identical conditions as those which occur in ball bearings such as contact pressure and velocities. Lubricant distribution by the contact area is analysed with fluorescent microscopy. Part of this thesis is a validation experiment and drawing documentation of the device.

Tato dizertční práce se zabývá výrbou a charakterizací plasmonických nanostruktur. Její první část začíná krátkým úvodem do plasmoniky s navazujícím přehledem metod, které jsou v dnešní době nejčastěji používány k výrobě a charakterizaci plasmonických nanostruktur. Druhá část se pak zaměřuje na samotný výzkum, který byl v rámci PhD studia realizován. Cílem prvních experimentů bylo prozkouat možnosti použití elektronové litografie za variabilního tlaku v procesní komoře pro výrobu plasmonických nanostruktur na nevodivých substrátech jako je např. sklo. Jelikož se jedná o materiály, které jsou velice často používány k přípravě plasmonických struktur pacujících v oblasti viditelného světla. Druhá sekce pak diskutuje některé specifické aspekty přípravy plasmonických mikrostruktur elektronovou litografií pro THz oblast. Poslední část se pak zaměřuje na funkční vlastnosti plasmonických nanostruktur, převážně pak na kvantitativní charakterizaci fáze dalekého pole indukovaného plasmonickými nanostrukturami a jejich aplikacemi v oblasti optických metapovrchů - uměle připravených povrchů, které mohou být použity jako planární optické komponenty. Práce demonstruje a diskutuje různé experimentální přístupy použití mimoosové holografické mikroskopie pro jejich charakterizaci.