Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Anwendung und Weiterentwicklung der CARS -Mikroskopie (CARS, (Coherent anti-Stokes Raman scattering)) zur Lokalisierung von Wirkstoffen in Zellen. Aufgrund einer C-Deuterierung dieser Wirkstoffe werden diese intrinsisch markiert und lassen sich nicht-invasiv mit Hilfe Raman-basierter Mikrospektroskopietechniken von Zellbestandteilen unterscheiden. Diese Arbeit widmet sich der für biomedizinische Anwendungen zu geringen Sensitivität und zu hohen Komplexität des experimentellen Aufbaus für CARS-Mikroskopie. Auf der Anwendungsseite wurdenzunächst mittels quantitativer Raman- und CARS- Mikroskopie die Detektionsgrenzen C-deuterierter Stoffe bestimmt. Anhand von mit deuterierter Fettsäure inkubierter Makrophagen wurde chemischer Kontrast in Zellen qualitativ gezeigt. Die Weiterentwicklung des experimentellen Aufbaus erfolgte durch den Einsatz von Impulsformern. Diese können das Anregungslicht in Amplitude und Phase formen und somit den Schwingungskontrast optimieren und den experimentellen Aufbau vereinfachen. Verwendet wurden dabei sowohl ein spatial light modulator (SLM) als auch ein akustooptischer Modulator (AOM), die in dieser Arbeit miteinander verglichen werden. Mit Hilfe einer photonischen Kristallfaser als spektral breite Lichtquelle und des AOM als spektraler Filter konnte der Aufbau vereinfacht und ein Schema zur Implementierung von Quasi-Multiplex CARS-Mikroskopie aufgebaut werden, welches ein schnelles Schalten zwischen verschiedenen bildgebenden Raman-Banden erlaubt. Die automatisierte Optimierung des Schwingungskontrasts erfolgte schließlich durch den Einsatz des SLM, der mit Hilfe eines selbstlernenden Algorithmus den Schwingungskontrast von CARS-Bildern um bis zu 160 % verbessern konnte.

The use of nanotechnology has become wide spread in all branches of science. Nanotechnology help us to understand microstructure and due to the world has started to produce new materials. One of many examples carbon nanotubes (CNTs). In diploma thesis I tried to find the way of successful introduction into concrete mixture. I was studying influence of CNTs and other nano particles and I was comparing them with referential samples (without CNTs). Also I tested the improvement of mechanical characteristics of concrete. The morphology of nano particles was studied using Scanning Electron Microscopy (SEM). The results show that introduction of nanoparticles to results in increasing strength and higher density. That is why High Performace Concrete so resistant and durable.

The subject of the PhD thesis is the application of a transmission digital holographic microscope (DHM) which was designed and constructed in the Laboratory of optical microscopy at the IPE BUT for the research of live cells dynamics. First part of the work is concerned with theoretical description of the microscope imaging properties dependent on the coherence of illumination. It is supplemented with experiments of imaging of a model and a real biological specimen. The following part describes construction modifications and innovations of the microscope and its equipment that enabled the utilization of the microscope for live cells observations. In the experimental part the methodology of live cells preparation and DHM imaging was worked out. The methodology was verified by the observation of cell dynamics during an apoptosis induced by the cytostaticum cis-platinum. Further experiments examined the dynamics of live cells in standard conditions and during a deprivation stimulus. A novel method of holographically reconstructed phase, named \uva{dynamic phase differences}, was set up to evaluate quantitative changes of cell mass distribution during the experiments. Depending on the degree of malignancy and density of cell outgrowth, various schemes of cancer cells behaviour during a specific reaction were revealed using this method. For the quantitative analysis of the DHM phase imaging, a suitable statistical characteristic and an interpretation of the measured data were proposed. Both of them were successfully applied for the comparison of cell motility of two cell types: parental and progeny cell lines. On the basis of the proposed processing, hypotheses describing the reaction mechanism of tumour cells to stress life conditions were established. In the conclusions we summarize our findings and suggestions for the construction and the applications of a new generation of the transmission DHM.

Práce se zabývá adaptivními filtry pro vizualizaci obrazů s vysokým rozlišením. V teoretické části je popsán princip činnosti konfokálního mikroskopu a matematicky korektně zaveden pojem digitální obraz. Pro zpracování obrazů je volen jak frekvenční přístup (s využitím 2-D a 3-D diskrétní Fourierovy transformace a frekvenčních filtrů), tak přístup pomocí digitální geometrie (s využitím adaptivní ekvalizace histogramu s adaptivním okolím). Dále jsou popsány potřebné úpravy pro práci s neideálními obrazy obsahujícími aditivní a impulzní šum. Závěr práce se věnuje prostorové rekonstrukci objektů na základě jejich optických řezů. Veškeré postupy a algoritmy jsou i prakticky zpracovány v softwaru, který byl vyvinut v rámci této práce.

This thesis deals with imaging through diffuse media in coherence-controlled holographic microscope (CCHM) developed in IPE FME BUT. The mutual coherence function as well as the signal dependence on the lateral mutual shift between both arms of the CCHM are calculated. Both functions are related to each other. The latter dependence is measured experimentally. A principle of imaging with CCHM through diffuse media with both ballistic and diffuse light is explained by a simple geometrical model. This model is then verified experimentally by imaging a sample through diffuse medium. The point spread function (PSF) of CCHM for imaging through diffuse media is then calculated. Results of PSF calculation are proved experimentally.

This dissertation thesis deals with the methods for processing image data in X-ray microtomography and digital holographic microscopy. The work aims to achieve significant acceleration of algorithms for tomographic reconstruction and image reconstruction in holographic microscopy by means of optimization and the use of massively parallel GPU. In the field of microtomography, the new GPU (graphic processing unit) accelerated implementations of filtered back projection and back projection filtration of derived data are presented. Another presented algorithm is the orientation normalization technique and evaluation of 3D tomographic data. In the part related to holographic microscopy, the individual steps of the complete image processing procedure are described. This part introduces the new orignal technique of phase unwrapping and correction of image phase damaged by the occurrence of optical vortices in the wrapped image phase. The implementation of the methods for the compensation of the phase deformation and for tracking of cells is then described. In conclusion, there is briefly introduced the Q-PHASE software, which is the complete bundle of all the algorithms necessary for the holographic microscope control, and holographic image processing.

This paper presents a homogeneous system of magnetic colloidal particles that self-assembles via two structural patterns of different symmetry. Based on a qualitative comparison between a real magnetic particles system, analytical calculations and molecular dynamics simulations, it is shown that bistability can be achieved by a proper tailoring of an anisotropic magnetization distribution inside the particles. The presented bistability opens new possibilities to form two-dimensionally extended and flexible structures where the connectivity between the particles can be changed in vivo. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

In dieser Doktorarbeit wird die Magnetisierungsdynamik von strukturierten, weichmagnetischen Einzelschichten aus Permalloy (Ni81Fe19) mittels stroboskopischer Kerrmikroskopie untersucht. Die Dicke der in unterschiedliche Formen (Kreise, Quadrate und Rechtecke) strukturierten magnetischen Schicht beträgt 50 nm bzw. 160 nm. Durch die Verwendung eines gepulsten Lasers als Beleuchtungsquelle wird eine Zeitauflösung erreicht, die unter 25 ps liegt. Parallel zu den Laserpulsen wird die Probe mit gepulsten Magnetfeldern angeregt und die Reaktion der Magnetisierung auf diese schnellen Magnetfeldänderungen wird untersucht. Diese Reaktion der Magnetisierung unterscheidet sich deutlich von einer Anregung mit quasistatischen Magnetfeldern. Durch die stroboskopische Beobachtungsweise sind nur reversible Prozesse sichtbar, irreversible Prozesse werden durch die Mittelung über mehrere Millionen Anregungs- und Beobachtungspulse nicht abgebildet. Dies wird bei der Anregung eines Vortex in einer Kreisscheibe deutlich, bei dem die Magnetisierungsrichtung im Vortexkern durch das gepulste Magnetfeld teilweise geschaltet wird. Dadurch ändert sich der Drehsinn der spiralförmigen Relaxationsbewegung des Vortex, was zu einer Überlagerung der beiden Bewegungen während der Beobachtung führt. Desweiteren wird eine Vervielfältigung von Vortex-Antivortex Paaren in Stachelwänden durch hochfrequente Felder gezeigt. Diese Vervielfältigung führt zur Erzeugung eines neuen, metastabilen Zustandes mit geringerem Stachelabstand. Mit steigender Frequenz des Feldes fällt der Stachelabstand bis auf 30 % des Ausgangswertes. Ab einer Grenzfrequenz, die durch die ferromagnetische Resonanz gegeben ist, kann die Magnetisierung dem Feld nicht mehr folgen und die Wandstruktur ist vergleichbar mit der im quasistatischen Grenzfall. Auch in dickeren Elementen wird diese Erzeugung beobachtet, wo sie zu einer irreversiblen Wandtransformation von der asymmetrischen Blochwand zur Stachelwand führt. Bei der Pulsanregung eines Landau-Domänenzustandes in einem Quadrat kommt es zur Bildung von sichelartigen Domänen an den Ecken des Quadrates. Die Entstehung dieser Domänen geschieht relativ schnell innerhalb einer Nanosekunde. Während der Relaxation der Magnetisierung lösen sich diese neu entstandenen Domänen durch Wandverschiebung wieder auf. Die Auflösung der Domänen geschieht deutlich langsamer als die Entstehung, was durch die unterschiedlichen Mechanismen, die bei der Entstehung (Magnetisierungsdrehung) und Auflösung (Wandverschiebung) der Domänen involviert sind, begründet werden kann. Außerdem kommt es zu einer inkohärenten Drehung der Magnetisierung in der Domäne mit antiparalleler Ausrichtung der Magnetisierung bezüglich des Pulsfeldes. Diese Drehung der Magnetisierung, lateral abwechselnd nach links und rechts, wird durch eine leichte Abweichung der Magnetisierung von einer perfekt homogenen Ausrichtung begünstigt.

Untersuchungen zur Kantenfestigkeit von Gläsern zeigen, dass diese in Abhängigkeit des Herstellers und der Kantenbearbeitungsart nach DIN 1249-11 stark variiert. Insbesondere der Bearbeitungsprozess des Schleifens weist eine Vielzahl von Parametern auf, welche die resultierende Oberflächenbeschaffenheit der Glaskante beeinflussen, allerdings noch unzureichend untersucht sind. Eine objektive Erfassung der Oberflächenbeschaffenheit über Kennwerte der Rauheit könnte helfen, Prozessparameter bewertbar zu machen und eine Korrelation zwischen dem Bearbeitungsprozess und der Kantenfestigkeit zu schaffen. Im Rahmen einer ersten Vorstudie wurden Rauheitskennwerte geschliffener und polierter Kantenoberflächen von drei Herstellern mittels konfokalem Laserscanning-Mikroskop ermittelt und hinsichtlich ihrer Eignung zur Bewertung der Bearbeitungsprozesse geprüft. / Roughness examination of processed glass edges under a confocal laser scanning microscope. Findings on the edge strength show that, it varies depending on the manufacturer and the type of edge finishing. In particular the grinding process has a large number of parameters that influence the surface quality of the glass edge, which have not yet been fully investigated. The determination of objective roughness parameters could help to evaluate the grinding processes and further correlate the surface quality with the edge strength. Within the scope of a preliminary study, roughness parameters were calculated for ground and polished glass edges of three manufacturers using a confocal laser scanning microscope. Finally the method was tested regarding to its suitability for a determination of characteristic roughness parameters that could be used to evaluate the grinding processes.

Background SARS-CoV-2 infection causes acute respiratory distress, which may progress to multiorgan failure and death. Severe COVID-19 disease is accompanied by reduced erythrocyte turnover, low hemoglobin levels along with increased total bilirubin and ferritin serum concentrations. Moreover, expansion of erythroid progenitors in peripheral blood together with hypoxia, anemia, and coagulopathies highly correlates with severity and mortality. We demonstrate that SARS-CoV-2 directly infects erythroid precursor cells, impairs hemoglobin homeostasis and aggravates COVID-19 disease. Methods Erythroid precursor cells derived from peripheral CD34+ blood stem cells of healthy donors were infected in vitro with SARS-CoV-2 alpha variant and differentiated into red blood cells (RBCs). Hemoglobin and iron metabolism in hospitalized COVID-19 patients and controls were analyzed in plasma-depleted whole blood samples. Raman trapping spectroscopy rapidly identified diseased cells. Results RBC precursors express ACE2 receptor and CD147 at day 5 of differentiation, which makes them susceptible to SARS-CoV-2 infection. qPCR analysis of differentiated RBCs revealed increased HAMP mRNA expression levels, encoding for hepcidin, which inhibits iron uptake. COVID-19 patients showed impaired hemoglobin biosynthesis, enhanced formation of zinc-protoporphyrine IX, heme-CO2, and CO-hemoglobin as well as degradation of Fe-heme. Moreover, significant iron dysmetablolism with high serum ferritin and low serum iron and transferrin levels occurred, explaining disturbances of oxygen-binding capacity in severely ill COVID-19 patients. Conclusions Our data identify RBC precursors as a direct target of SARS-CoV-2 and suggest that SARS-CoV-2 induced dysregulation in hemoglobin- and iron-metabolism contributes to the severe systemic course of COVID-19. This opens the door for new diagnostic and therapeutic strategies.