Doctor of Philosophy / Department of Chemical Engineering / Keith L. Hohn / Amorphous silica-alumina is widely used as a solid acid catalyst for various reactions in oil refining and the petrochemical industry. The strength and the number of the acid sites in the material are most often believed to arise from the alumina atoms inserted into the silica lattice. The existence of the acidity distribution across the framework is a result of the local composition or the short-range interactions on the silica-alumina surface. Conventional techniques used to characterize silica-alumina provide effective information on the average acidity, but may not reflect the heterogeneity of surface acidity within the material. Recently, it is possible to study individual catalytic sites on solid catalysts by single molecule fluorescence microscopy with high time and space resolution. Fluorophores can be chosen that emit at different wavelengths depending on the properties of the local environment. By doping these fluorophores into a solid matrix at nanomolar concentrations, individual probe molecules can be imaged. Valuable information can be extracted by analyzing changes in the fluorescence spectrum of the guest molecules within a host matrix. In this research, silica-alumina thin films were studied with single molecule fluorescence microscopy. The samples were prepared by a sol-gel method and a wide-field fluorescence microscope was used to locate and characterize the fluorescent behaviors of pH sensitive probes. In mesoporous thin films, the ratio of the dye emission at two wavelengths provides an effective means to sense the effective pH of the microenvironment in which each molecule resides. The goal of this work was to develop methods to quantify the acidity of individual micro-environments in heterogeneous networks. Pure silica films treated with external phosphate solutions of different pH values were used to provide references of the fluorescence signals from individual dye molecules. SM emission data were obtained from mesoporous Al-Si films as a function of Al content in films ranging from 0% to 20% alumina. Histograms of the emission ratio revealed that films became more acidic with increasing Al content. The acidity on interior surfaces in zeolite pores was also of interest in this work. A microfluidic device was built to isolate the interior surface from the exterior surface. Some preliminary results showed the potential of using SM fluorescence method to study the acidic properties inside the pores of zeolite crystals.

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.

Gene regulation by transcription factors are one of the key processes that are important to sustain all kinds of life. In the prokaryote Escherichia coli this has shown to especially crucial. The operator sequence to which these transcription factors bind to are very small in comparison to the whole genome of E. coli, thus the question becomes how these proteins can find these sequences quickly. One particularly well-studied transcription factor in this regard is the lac repressor. It has been shown that this transcription factors finds its operators faster than the limit of three dimensional diffusion. The leading model for how the repressor does that is facilitated diffusion and this model has gained more experimental evidence, particularly using single-molecule fluorescence microscopy. This study aimed at measuring the unspecific binding time between the lac repressor and DNA in vivo, but in the end the project evolved to trying to establish a single-molecule tracking assay of the repressor in vivo. In this study a mutant of the repressor was expressed and purified, labelled with a synthetic fluorophore, electroporated into E. coli and tracking was performed under a microscope. One of the three types of experiments were partially analysed with an image analysis software. Unfortunately, analysis was not completed for all experiments which made it difficult to compare the results. In the end the data was compared by eye while also using the results from image analysis. With slight optimism it can be concluded that the assay worked, but it needs more development.

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