Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / A discriminação de fases que são praticamente indistinguíveis ao microscópio ótico de luz refletida ou ao microscópio eletrônico de varredura (MEV) é um dos problemas clássicos da microscopia de minérios. Com o objetivo de resolver este problema vem sendo recentemente empregada a técnica de microscopia colocalizada, que consiste na junção de duas modalidades de microscopia, microscopia ótica e microscopia eletrônica de varredura. O objetivo da técnica é fornecer uma imagem de microscopia multimodal, tornando possível a identificação, em amostras de minerais, de fases que não seriam distinguíveis com o uso de uma única modalidade, superando assim as limitações individuais dos dois sistemas. O método de registro até então disponível na literatura para a fusão das imagens de microscopia ótica e de microscopia eletrônica de varredura é um procedimento trabalhoso e extremamente dependente da interação do operador, uma vez que envolve a calibração do sistema com uma malha padrão a cada rotina de aquisição de imagens. Por esse motivo a técnica existente não é prática. Este trabalho propõe uma metodologia para automatizar o processo de registro de imagens de microscopia ótica e de microscopia eletrônica de varredura de maneira a aperfeiçoar e simplificar o uso da técnica de microscopia colocalizada. O método proposto pode ser subdividido em dois procedimentos: obtenção da transformação e registro das imagens com uso desta transformação. A obtenção da transformação envolve, primeiramente, o pré-processamento dos pares de forma a executar um registro grosseiro entre as imagens de cada par. Em seguida, são obtidos pontos homólogos, nas imagens óticas e de MEV. Para tal, foram utilizados dois métodos, o primeiro desenvolvido com base no algoritmo SIFT e o segundo definido a partir da varredura pelo máximo valor do coeficiente de correlação. Na etapa seguinte é calculada a transformação. Foram empregadas duas abordagens distintas: a média ponderada local (LWM) e os mínimos quadrados ponderados com polinômios ortogonais (MQPPO). O LWM recebe como entradas os chamados pseudo-homólogos, pontos que são forçadamente distribuídos de forma regular na imagem de referência, e que revelam, na imagem a ser registrada, os deslocamentos locais relativos entre as imagens. Tais pseudo-homólogos podem ser obtidos tanto pelo SIFT como pelo método do coeficiente de correlação. Por outro lado, o MQPPO recebe um conjunto de pontos com a distribuição natural. A análise dos registro de imagens obtidos empregou como métrica o valor da correlação entre as imagens obtidas. Observou-se que com o uso das variantes propostas SIFT-LWM e SIFT-Correlação foram obtidos resultados ligeiramente superiores aos do método com a malha padrão e LWM. Assim, a proposta, além de reduzir drasticamente a intervenção do operador, ainda possibilitou resultados mais precisos. Por outro lado, o método baseado na transformação fornecida pelos mínimos quadrados ponderados com polinômios ortogonais mostrou resultados inferiores aos produzidos pelo método que faz uso da malha padrão. / The discrimination of phases that are practically undistinguishable to the optical microscope of reflected light or to the scanning electron microscope (SEM) is one of the classical problems in ore microscopy. With the aim of solving this problem it has been recently used the technique of co-located microscopy that consists in the junction of two microscopy modalities, optical microscopy and scanning electron microscope. The aim of the technique is to provide an image of the multimodal microscopy, becoming possible the identification, in mineral samples, of phases that wouldnt be distinguished by the use of one modality only, overcoming the individual limitations of the two systems. The method of register available so far in literature to the fusion of optical microscopy and scanning electron microscope images is a hard-working procedure and extremely dependent on the operator interaction, once it involves the system calibration with a standard mesh in each routine of images acquisition. Due to this reason the current technique is not practical. This piece of work proposes a methodology in order to automate the process of images register in optical microscopy and scanning electron microscopy in a way to improve and simplify the co-located microscopy technique. The proposed method may be divided in two procedures: acquisition of transformation and register of the images with the use of this transformation. The acquisition of transformation involves, first, the pre-processing of pairs in a way of performing a crude register among the images of each pair. Then, homologous points are achieved in the optical and in SEM images. In order to this, it has been used two methods, the first one was developed based in algorithm SIFT and the second was defined from the sweeping of the highest of coefficient correlation. In the following step it is calculated the transformation. Two different approaches were used: the local weighted mean (LWM) and the weighted least squares with orthogonal polynomials (MQPPO). The LWM receives as entrance what we call pseudo-counterparts, points that are distributed in a regular way in the reference image, and that reveal, in the image to be registered, the relative local dislocation among the images. Those pseudo-counterparts may be obtained by SIFT or by the method of correlation coefficient. On the other side, the MQPPO receives a group of points with natural distribution. The analysis of the images registration obtained employed as a metric the value of correlation among the obtained images. It was noticed that with the use of the proposed variants SIFT-LWM and SIF-Correlation were obtained slightly higher results than the ones from the method with standard mesh and LWM. Thus, the proposal, besides reducing drastically the operator intervention, still enabled more exact results. On the other side, the method based in the transformation provided by the minimum square pondered with orthogonal polynomial showed lower results than to the ones produced by the method that used standard mesh

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / A discriminação de fases que são praticamente indistinguíveis ao microscópio ótico de luz refletida ou ao microscópio eletrônico de varredura (MEV) é um dos problemas clássicos da microscopia de minérios. Com o objetivo de resolver este problema vem sendo recentemente empregada a técnica de microscopia colocalizada, que consiste na junção de duas modalidades de microscopia, microscopia ótica e microscopia eletrônica de varredura. O objetivo da técnica é fornecer uma imagem de microscopia multimodal, tornando possível a identificação, em amostras de minerais, de fases que não seriam distinguíveis com o uso de uma única modalidade, superando assim as limitações individuais dos dois sistemas. O método de registro até então disponível na literatura para a fusão das imagens de microscopia ótica e de microscopia eletrônica de varredura é um procedimento trabalhoso e extremamente dependente da interação do operador, uma vez que envolve a calibração do sistema com uma malha padrão a cada rotina de aquisição de imagens. Por esse motivo a técnica existente não é prática. Este trabalho propõe uma metodologia para automatizar o processo de registro de imagens de microscopia ótica e de microscopia eletrônica de varredura de maneira a aperfeiçoar e simplificar o uso da técnica de microscopia colocalizada. O método proposto pode ser subdividido em dois procedimentos: obtenção da transformação e registro das imagens com uso desta transformação. A obtenção da transformação envolve, primeiramente, o pré-processamento dos pares de forma a executar um registro grosseiro entre as imagens de cada par. Em seguida, são obtidos pontos homólogos, nas imagens óticas e de MEV. Para tal, foram utilizados dois métodos, o primeiro desenvolvido com base no algoritmo SIFT e o segundo definido a partir da varredura pelo máximo valor do coeficiente de correlação. Na etapa seguinte é calculada a transformação. Foram empregadas duas abordagens distintas: a média ponderada local (LWM) e os mínimos quadrados ponderados com polinômios ortogonais (MQPPO). O LWM recebe como entradas os chamados pseudo-homólogos, pontos que são forçadamente distribuídos de forma regular na imagem de referência, e que revelam, na imagem a ser registrada, os deslocamentos locais relativos entre as imagens. Tais pseudo-homólogos podem ser obtidos tanto pelo SIFT como pelo método do coeficiente de correlação. Por outro lado, o MQPPO recebe um conjunto de pontos com a distribuição natural. A análise dos registro de imagens obtidos empregou como métrica o valor da correlação entre as imagens obtidas. Observou-se que com o uso das variantes propostas SIFT-LWM e SIFT-Correlação foram obtidos resultados ligeiramente superiores aos do método com a malha padrão e LWM. Assim, a proposta, além de reduzir drasticamente a intervenção do operador, ainda possibilitou resultados mais precisos. Por outro lado, o método baseado na transformação fornecida pelos mínimos quadrados ponderados com polinômios ortogonais mostrou resultados inferiores aos produzidos pelo método que faz uso da malha padrão. / The discrimination of phases that are practically undistinguishable to the optical microscope of reflected light or to the scanning electron microscope (SEM) is one of the classical problems in ore microscopy. With the aim of solving this problem it has been recently used the technique of co-located microscopy that consists in the junction of two microscopy modalities, optical microscopy and scanning electron microscope. The aim of the technique is to provide an image of the multimodal microscopy, becoming possible the identification, in mineral samples, of phases that wouldnt be distinguished by the use of one modality only, overcoming the individual limitations of the two systems. The method of register available so far in literature to the fusion of optical microscopy and scanning electron microscope images is a hard-working procedure and extremely dependent on the operator interaction, once it involves the system calibration with a standard mesh in each routine of images acquisition. Due to this reason the current technique is not practical. This piece of work proposes a methodology in order to automate the process of images register in optical microscopy and scanning electron microscopy in a way to improve and simplify the co-located microscopy technique. The proposed method may be divided in two procedures: acquisition of transformation and register of the images with the use of this transformation. The acquisition of transformation involves, first, the pre-processing of pairs in a way of performing a crude register among the images of each pair. Then, homologous points are achieved in the optical and in SEM images. In order to this, it has been used two methods, the first one was developed based in algorithm SIFT and the second was defined from the sweeping of the highest of coefficient correlation. In the following step it is calculated the transformation. Two different approaches were used: the local weighted mean (LWM) and the weighted least squares with orthogonal polynomials (MQPPO). The LWM receives as entrance what we call pseudo-counterparts, points that are distributed in a regular way in the reference image, and that reveal, in the image to be registered, the relative local dislocation among the images. Those pseudo-counterparts may be obtained by SIFT or by the method of correlation coefficient. On the other side, the MQPPO receives a group of points with natural distribution. The analysis of the images registration obtained employed as a metric the value of correlation among the obtained images. It was noticed that with the use of the proposed variants SIFT-LWM and SIF-Correlation were obtained slightly higher results than the ones from the method with standard mesh and LWM. Thus, the proposal, besides reducing drastically the operator intervention, still enabled more exact results. On the other side, the method based in the transformation provided by the minimum square pondered with orthogonal polynomial showed lower results than to the ones produced by the method that used standard mesh

La microscopie non-linéaire résolue en polarisation est un outil puissant pour accéder à des informations structurelles dans les assemblages biomoléculaires. Les interactions non-linéaires entre matière et lumière induisent des processus complexes où des champs électromagnétiques cohérents interagissent avec les dipôles de transitions moléculaires. Le contrôle de la polarisation des champs électromagnétiques excitateurs et l’étude des réponses non-linéaires induites procurent de riches informations sur la distribution angulaire des molécules présentes dans le volume focal de l’objectif du microscope. Dans cette thèse, nous appliquons cette sensibilité à la polarisation à plusieurs modalités de microscopie cohérentes sans marquage (diffusion cohérente Raman anti-Stokes (CARS), diffusion Cohérente stimulée (SRS)) et à la fluorescence à deux photons (2PEF) afin d’obtenir des informations quantitatives sur la forme de la distribution moléculaire et l’orientation des lipides dans les membranes artificielles, ainsi que dans les membranes biologiques telles que la myéline des tissus de la moelle épinière. Avec cette technique, nous adressons une question fondamentale sur le comportement des ensembles lipidiques dans les membranes et sur l’effet d’autres molécules telles que le cholestérol et les marqueurs fluorescents. Nous démontrons que le CARS résolu en polarisation permet d’accéder à de fines informations sur l’organisation des lipides dans les membranes de la myéline, en deçà de la limite de diffraction. / Polarization resolved nonlinear microscopy is a powerful tool to image structural information in biomolecular assemblies. Nonlinear interaction between light and matter lead to complex processes where coherent combinations of optical fields couple to assemblies of molecular transition dipoles. Controlling polarized optical fields and monitoring nonlinear induced signals in a medium can nevertheless bring rich information on molecular orientational organization within the focal spot of a microscope objective. In this PhD thesis we apply this polarization sensitivity to different label-free optical coherent techniques (coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS), stimulated Raman scattering (SRS)) and to two-photon fluorescence (2PEF) to retrieve quantitative information on the static molecular distribution shape and orientation of lipids in model membranes and biological membranes such as myelin sheaths in spinal cord tissues. With this technique, we address fundamental questions about lipid packing behavior in membranes, and how it can be affected by other molecules such as cholesterol and the insertion of fluorescent lipid probes. We demonstrate that polarization resolved CARS give access to fine details on lipids arrangement in myelin sheaths, at a sub-diffraction scale. In the context of experimental autoimmune encephalomyelitis disease (EAE) we show, that even at the stage of disruption of the myelin envelope during the demyelination process, lipids multilayers reveal strong capability to preserve their macroscopic self-assembly into highly organized structures, with a degree of disorganization occurring only at the molecular scale.

Orientador: Carlos Lenz Cesar / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-22T08:41:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Thomaz_AndreAlexandrede_D.pdf: 9291787 bytes, checksum: 9554ec1cfb5b3952506ff59b61aec5f9 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: A comunidade científica concorda que há grandes chances que a próxima revolução tecnológica virá do controle dos processos biológicos. Grandes mudanças são esperadas, desde como produzimos alimentos até como combatemos as doenças. O controle dos processos biológicos nos permitirá produzir carne sintética para alimentação, produzir biocombustíveis retirando CO2 da atmosfera, produzir órgãos inteiros para transplante e combater de forma eficiente doenças como câncer, por exemplo. Está claro para o nosso grupo que para se obter esses resultados é necessário entender a biologia na sua unidade mais básica: a célula. A partir do entendimento e domínio das reações químicas que acontecem dentro da célula, e mais especificamente do controle do DNA, é que vamos conseguir atingir essas previsões e revolucionar a maneira como vivemos hoje. Com esse pensamento em mente, o objetivo dessa tese foi desenvolver uma plataforma fotônica integrada para estudos de processos celulares. Nós acreditamos que as ferramentas fotônicas são as ferramentas que preenchem todos os requisitos para os estudos de processos celulares, pois possibilitam o acompanhamento dos processos em tempo real sem causar dano as células. As técnicas presentes são: fluorescência excitada por 1 ou 2 fotons, geração de segundo ou terceiro harmônico, pinças ópticas, imagem por tempo de vida da fluorescência e "fluorescence correlation spectroscopy" (FCS). Nesta tese demonstramos como montar essa plataforma integrada e mostramos sua versatilidade com resultados em várias áreas da biologia e também para o estudo de quantum dots. / Abstract: The scientific community believes there is a great chance that the next technological revolution is coming from the control of biological processes. Great changes are expected, from the way we produce food up to the way we fight diseases. The control of biological processes will allow us to produce synthetic meat as food, to produce biofuels extracting CO2 directly from the atmosphere, to produce whole synthetic organs for transplant and to fight diseases, like cancer, in more efficient ways. It is clear to our group that in order to obtain these results it is necessary to understand biology from its most basic unity: the cell. Only from understanding and controlling chemical reactions inside a cell, and more specifically from the DNA controlling, it will be possible to achieve these predictions and cause a revolution in the way we live nowadays. Bearing these thoughts in mind, the objective of this thesis was to develop an integrated photonic platform for study of cellular processes. We believe that photonic tools are the only tools that fulfill all the requeriments for studies of cellular processes because they are capable to follow processes in real time without any damage to the cells. The techniques integrated are: 1 or 2 photon excited fluorescence, second or third harmonic generation, optical tweezers, fluorescence lifetime imaging and fluorescence correlation spectroscopy. In this thesis we demonstraded how to assemble this integrated plataform and we showed its versatility with results from different areas of biology and quantum dots. / Doutorado / Física / Doutor em Ciências