Fluorescence correlation spectroscopy (FCS) is an ultra-sensitive optical technique to investigate the dynamic properties of ensembles of single fluorescent molecules in solution. It is in particular suited for measurements in biological samples. High sensitivity is obtained by employing confocal microscopy setups with diffraction limited small detection volumes, and by using single-photon sensitive detectors, for example avalanche photo diodes (APD). However, fluorescence signal is hence typically collected from a single focus position in the sample only, and several measurements at different positions have to be performed successively. To overcome the time-consuming successive FCS measurements, we introduce electron multiplying CCD (EMCCD) camera-based spatially resolved detection for FCS. With this new detection method, multiplexed FCS measurements become feasible. Towards this goal, we perform FCS measurements with two focal volumes. As an application, we demonstrate spatial cross-correlation measurements between the two detection volumes, which allow to measure calibration-free diffusion coefficients and direction-sensitive processes like molecular flow in microfluidic channels. FCS is furthermore applied to living zebrafish embryos, to investigate the concentration gradient of the morphogen fibroblast growth factor 8 (Fgf8). It is shown by one-focus APD-based and two-focus EMCCD-based FCS, that Fgf8 propagates largely by random diffusion through the extracellular space in developing tissue. The stable concentration gradient is shown to arise from the equilibrium between a local morphogen production and the sink function of the receiving cells by receptor-mediated removal from the extracellular space. The study shows the applicability of FCS to whole model organisms. Especially in such dynamically changing systems in vivo, the perspective of fast parallel FCS measurements is of great importance. In this work, we exemplify parallel, spatially resolved FCS by utilizing an EMCCD camera. The approach, however, can be easily adapted to any other class of two-dimensional array detector. Novel generations of array detectors might become available in the near future, so that multiplexed spatial FCS could then emerge as a standard extension to classical one-focus FCS. / Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS) ist eine hochempfindliche optische Methode, um die dynamischen Eigenschaften eines Ensembles von einzelnen, fluoreszierenden Molekülen in Lösung zu erforschen. Sie ist insbesondere geeignet für Messungen in biologischen Proben. Die hohe Empfindlichkeit wird erreicht durch Verwendung konfokaler Mikroskop-Aufbauten mit beugungsbegrenztem Detektionsvolumen, und durch Messung der Fluoreszenz mit Einzelphotonen-empfindlichen Detektoren, zum Beispiel Avalanche-Photodioden (APD). Dadurch wird das Fluoreszenzsignal allerdings nur von einer einzelnen Fokusposition in der Probe eingesammelt, und mehrfache Messungen an verschiedenen Positionen in der Probe müssen nacheinander durchgeführt werden. Um die zeitaufwendigen, aufeinanderfolgenden FCS-Einzelmessungen zu überwinden, entwickeln wir in dieser Arbeit Elektronenvervielfachungs-CCD (EMCCD) Kamera-basierte räumlich aufgelöste Detektion für FCS. Mit dieser neuartigen Detektionsmethode werden Multiplex-FCS Messungen möglich. Darauf abzielend führen wir FCS Messungen mit zwei Detektionsvolumina durch. Als Anwendung nutzen wir die räumliche Kreuzkorrelation zwischen dem Signal beider Fokalvolumina. Sie ermöglicht die kalibrationsfreie Bestimmung von Diffusionskoeffizienten und die Messung von gerichteter Bewegung, wie zum Beispiel laminarem Fluss in mikrostrukturierten Kanälen. FCS wird darüber hinaus angewendet auf Messungen in lebenden Zebrafischembryonen, um den Konzentrationsgradienten des Morphogens Fibroblasten-Wachstumsfaktor 8 (Fgf8) zu untersuchen. Mit Hilfe von APD-basierter ein-Fokus FCS und EMCCD-basierter zwei-Fokus FCS zeigen wir, dass Fgf8 hauptsächlich frei diffffundiert im extrazellulären Raum des sich entwickelnden Embryos. Der stabile Konzentrationsgradient entsteht durch ein Gleichgewicht von lokaler Morphogenproduktion und globalem Morphogenabbau durch Rezeptor vermittelte Entfernung aus dem extrazellulären Raum. Die Studie zeigt die Anwendbarkeit von FCS in ganzen Modell-Organismen. Gerade in diesen sich dynamisch ändernden Systemen in vivo ist die Perspektive schneller, paralleler FCS-Messungen von großer Bedeutung. In dieser Arbeit wird räumlich aufgelöste FCS am Beispiel einer EMCCD Kamera durchgeführt. Die Herangehensweise ist jedoch einfach übertragbar auf jede andere Art von zwei-dimensionalem Flächendetektor. Neuartige Flächendetektoren könnten in naher Zukunft verfügbar sein. Dann könnte räumlich aufgelöste Multiplex-FCS eine standardisierte Erweiterung zur klassischen ein-Fokus FCS werden.

The solvent-solute interface of a biomolecule is a dynamic but yet highly structured domain that links a chemically diverse solute surface to the chemically homogeneous bulk aqueous phase. The role of the resulting intermediate domain, i.e. the "hydration shell", in regulating DNA structure and recognition has been addressed here by time-resolved infrared spectroscopy. A highly reproducible automated hydration pulse regime was established and implemented for attenuated total reflectance (ATR) Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy to monitor the structural response of DNA to an incremental growth of its hydration shell on its intrinsic time scale of seconds. The transition from the crystallographically defined BI to the BII substate of B-DNA was found to be driven by the increase of water disorder upon growth of the hydration shell, derived from the water OH-stretching absorption frequency and band width changes. 2D correlation analysis was used to identify different water clusters from the temporal behaviour of their water OH stretching frequencies. The results show that BII-stabilizing structural constraints are exerted by strong water-DNA H-bonds in the grooves of B-DNA and are relieved when the groove-bound water merges into a contiguous hydration shell with the less H-bonded PO2- -solvation sphere at ~14 water molecules per DNA phosphate. The H-bond imbalance at the disjunct hydration sites is split symmetrically around the average H-bond strength of bulk water. Thus, merging into a contiguous hydration shell proceeds at little enthalpic cost and homogeneous connectivity to the outer bulk-like H-bond network, such that alteration in the network distant from the DNA can regulate the BI-BII transition in a cooperative manner. The water connectivity is disrupted by DNA-binding peptides. Remarkably, the data show that the replacement of hydration shell water upon ligand biding is crucial in conferring substate specific recognition by peptides that have little intrinsic structural preference. The antibacterial peptide indolicidin secreted from bovine neutrophils dehydrates the non-PO2--bound hydration sites, thereby rendering the unstructured peptide highly specific for the BI state with vibrational signature almost identical to the bacterial minor groove binder netropsin. The proposed dominant role of hydration shell water for DNA conformation was challenged by studying the competing effect of structured water in the coordination-shell of the lanthanide Eu3+ on water structure in the DNA hydration shell. Whereas no effect is seen at low hydration, a hydrogen-like phase is formed at a stoichiometric ratio of Eu3+ :DNA:H2O of 1:10:140, characterized by a strong increase of the molar volume of hydration water. This novel phase appears attractive for lanthanide and possibly actine separation approaches based on biomolecular coordination.

Die Dissertation befasste sich mit der Entwicklung einer neuen diagnostischen Methode für in-situ-Gewebeuntersuchungen. Der Ansatzpunkt war die Untersuchung von pathologischen Veränderungen im Gewebe, die sich biochemisch in den Zellen widerspiegeln und deshalb mit schwingungsspektroskopischen Methoden, wie der IR-Spektroskopie, erfassbar sind. Das Ziel der Arbeit war die IR-spektroskopische Charakterisierung und Klassifizierung von benignen, präkanzerösen und malignen Geweben mittels chemometrischer Algorithmen auf der Basis multivariater Informationen der IR-Spektren. Um komplexe spektrale Veränderungen zu charakterisieren und die Ergebnisse statistisch abzusichern, ist für jeden Gewebetyp eine Vielzahl an Spektren erforderlich. Daher wurde zur Spektrenakkumulation das IR-mikrospektroskopische Imaging mittels Focal Plane Array Detektor (FPA) genutzt. Die Herausforderung liegt in der Datenanalyse. Der große Datenumfang macht die Anwendung multivariater Algorithmen notwendig. Angewendet wurden Clusteralgorithmen zur Spektrendifferenzierung und die SIMCA (Soft Independent Modelling of Class Analogies) zur Spektrenklassifizierung. Die Validierung der Ergebnisse erfolgt über die histologische Untersuchung der nach der spektroskopischen Messung gefärbten Gewebedünnschnitte. Die genaue Vorgehensweise bei der Auswertung wird in dieser Arbeit anhand humaner Gewebeproben dargestellt. Die untersuchten Plattenepithelkarzinome und Adenokarzinome gehören zu den epithelialen Tumoren, die oralen bzw. zervikalen Ursprungs sind. Die Übertragbarkeit der spektralen Modelle wurde mit Gewebeproben mehrerer Patienten innerhalb einer und zwischen verschiedenen Tumorarten untersucht. Das ist ein erster Schritt zum Einsatz spektroskopischer Methoden in der medizinischen Forschung und Diagnostik.