Hans-Gerd Lipinski

Dark field nanoparticle tracking analysis for size characterization of plasmonic and non-plasmonic particles

Dark field microscopy is a widely unknown method to measure the particle size distribution of diffusing nanoparticles by particle tracking. Here we demonstrate that by using the surface plasmonic resonance of Au nanoparticles, size differences of ca. 20 nm can be identified within the particle size distribution. For that purpose, we developed a software tool which helps to analyze color videos of diffusing nanoparticles retrieved from CCD or CMOS cameras. Polystyrene beads with a diameter of 100 and 200 nm were used to compare the results to those obtained with a well-established laser-based particle tracking system. The methodology will be discussed in the light of recent developments in the emerging field of optical nanoparticle tracking.

Nanopartikeldetektion in Zellpräparaten mit dem Hyperspektral-Imaging-Verfahren

Mit Hilfe des HyperSpectral-Imaging (HSI)-Verfahrens, das auf einer intensivierten Dunkelfeld-Mikroskopie basiert, konnte die raumliche Verteilung von Gold-Nanopartikeln (Au-NP) in Zellen dargestellt werden. Einzelne Partikel wurden anhand ihres Spektrums identifiziert, wobei die hohe Gesamtlichtintensitat zu markanten Unterschieden der spektralen Intensitatsamplituden fuhrte. Diese konnten durch eine Neuskalierung der Amplitudenwerte kompensiert werden, was weitergehende Vergleiche und Auswertungen erleichtert. Zudem zeigten die registrierten Spektren in ihrem Verlauf eine Abhangigkeit von der Partikelgrose. Insgesamt liefert das HSI-Verfahren, wie hier am Beispiel von Au-NP gezeigt wird, einen wichtigen Beitrag zur Lokalisation und Identifizierung von NP und damit zur nanotoxikologischen Bewertung von exponierten Zellen und Gewebeverbanden.

Räumliche Darstellung und Analyse von Nanopartikelverteilungen in vitalen Alveolarmakrophagen in vitro mit der Dunkelfeldmikroskopie

Die raumliche Wechselwirkung von Nanopartikeln mit vitalen alveolaren Makrophagen wurde mit der Dunkelfeldmikroskopie, kombiniert mit einer piezogesteuerten Verschiebung der z-Achse und einer Triggerung der Kamerabilder, untersucht. Damit gelang eine raumliche Rekonstruktion von unfixierten motilen Makrophagen bei gleichzeitiger Darstellung der raumlichen und zeitlichen Verteilung der aufgenommenen Nanopartikel. Die raumliche Darstellung der Nanopartikelverteilungen ermoglicht neue Erkenntnisse zur Biokinetik von Nanopartikeln.

Volumen- und Oberflächenbestimmung vitaler Alveolar Makrophagen in vitro mit der Dunkelfeldmikroskopie

Das Volumen und die Oberflache beweglicher Alveolarmakrophagen wurde mit Hilfe der Dunkelfeldmikroskopie unter in vitro- Bedingungen geschatzt. Dazu wurden aus 2D-Bildstapeln definierte Geometrieparameter selektiert und mit einem einfachen Geometriemodell abgeglichen. Die so bestimmten Oberflachen- und Volumenwerte zeigten nur geringfugige Unterschiede zu Daten einer Atomic-Force-Mikroskopie Untersuchung an einem Kontrollkollektiv sowie Daten aus der Literatur. Das Verfahren erscheint daher geeignet, um ungefarbte Makrophagen wiederholt dreidimensional abzubilden.

Bildgestützte Formanalyse biomedizinisch relevanter Gold Nanorods

Gold Nanorods werden in der Medizin sowohl fur experimentelle als auch fur klinische Zwecke erfolgreich eingesetzt. Diese nanoskaligen Partikel sind mit Hilfe von Transmissionselektronenmikroskopen abbildbar und zeichnen sich in den Bildern durch eine einfache, ovale Grundstruktur aus. Mit Hilfe einer auf diese Geometrie abgezielten Formanalyse-Methode, konnen die Originalabbildungen der Nanorods durch ein einfaches, graphisches Modell beschrieben werden, dessen Geometrieparameter sich automatisch aus den Elektronenmikroskopiebildern extrahieren lassen. Nicht nur lasst sich mit dieser Methode eine Partikelcharge mit den Hersteller typischen Langen- und Durchmesserangaben kennzeichnen, sondern auch eine Formhomogenitat charakterisieren. Eine solche zusatzliche Information uber die Geometrie des Objektes erscheint sinnvoll, weil die geometrische Form das dynamische Verhalten dieser Partikel im biologischen System durchaus beeinflussen kann.

Pfadbasierte Identifikation von Nanopartikel-Agglomerationen in vitro

Durch eine Laser gestutzte Mikroskopietechnik konnen Licht streuende Nanopartikel (NP) in Suspensionen anhand ihrer Beugungsmuster sichtbar gemacht und ihre Diffusionspfade durch bildanalytische Methoden erfasst werden. Diese Pfade lassen Ruckschlusse auf den Diffusionskoeffizienten und damit auf den hydrodynamischen Durchmesser (HD) der NP zu. Eine sprunghafte Anderung der NP-Grose, die im Beugungsbild keine eindeutigen Veranderungen bewirkt, kann dennoch als Agglomeration identifiziert werden, da es zu einem nicht-stationaren Verhalten des HD-Zeitreihe kommt. Nicht-agglomerierende Partikel wie Polystyrol (in H2O, Durchmesser 100nm) weisen durchweg ein station ares Zeitreihenverhalten auf, wahrend bei „erzwungener“Agglomeration bestimmter SiO2 Partikel (Durchmesser 20nm) nach NaCl-Gabe ein statistisch nachweisbares nicht-stationares HD-Zeitreihenverhalten vorliegt. Mit diesem indirekten Verfahren lassen sich NP-Agglomerationen aufdecken auch wenn sie nicht direkt mikroskopisch nachweisbar sind.

Bildanalyse frei diffundierender Nanopartikel in vitro

Durch eine Laser gestutzte Mikroskopiemethode lassen sich Nanopartikel in vitro auch mit Lichtmikroskopen als mobile Objekte visualisieren. Aus Form- und Mobilitatseigenschaften visualisierter Nanopartikel werden mit Bildverarbeitungsmethoden charakteristische Parameter gewonnen, mit deren Hilfe unterschiedliche Nanopartikel-Proben in vitro analysiert und differenziert werden konnen, um in Folgeexperimenten Aussagen uber deren gesundheitsschadigende Wirkungen erzielen zu konnen.

Haptische Modellierung und Deformation einer Kugelzelle

Haptische Simulationsmodelle dienen in der Medizin in erster Linie dem Training operativer Eingriffe. Sie basieren zumeist auf physikalischen Gewebemodellen, welche eine sehr genaue Simulation der biomechanischen Eigenschaften des betreffenden Gewebes erlauben, aber gleichzeitig sehr rechenintensiv und damit zeitaufwandig in der Ausfuhrung sind. Die menschliche Wahrnehmung kann allerdings auch eine ungenaue haptische Modellierung psychooptisch ausgleichen. Daher kann es sinnvoll sein, haptische Simulationen auch mit nicht vollstandig physikalisch definierten Deformationsmodellen durchzufuhren. Am Beispiel der haptischer Simulation einer in-vitro Fertilisation wird gezeigt, dass durch die Anwendung eines geometrischen Deformationsmodells eine kunstliche Befruchtung unter realistischen experimentellen Bedingungen in Echtzeit haptisch simuliert und damit trainiert werden kann.

Bewegungsanalyse von zeitlich aufgenommenen Zellbilddaten in vitro

Es wird eine Methode vorgestellt, mit deren Hilfe es moglich ist, rechnergestutzt Bewegungsmuster von lebenden Zellkulturen zu erkennen und auszuwerten. Anhand spezifischer Merkmale konnen in zeitlichen Bildsequenzen Zellen automatisch erkannt und uber die Zeit verfolgt werden. Daruber hinaus werden die dabei entstandenen Bewegungsmuster anhand charakteristischer Parameter erfasst.

Stereoskopische Volumenvisualierung digitaler histologischer Konfokalbilddaten

Durch Erweiterungen des Median-Filteralgorithmus und einen neuartigen Bildscharfungsalgorithmus, der unter Verwendung der zwei- und dreidimensionalen Fouriertransformation gezielte Manipulationen im Ortsfrequenzbereich vornimmt, ist es gelungen die Bildqualitat von Konfokalbildern vitaler Zellprapa-rate soweit zu steigern, dass sich hiermit hochwertige Volumenvisualisierungen durchfuhren lassen. Fur die Volumenvisualisierungen wurde ein Programm implementiert, das die Bilddaten auf gewohnlichen Bildschirmen und Ausdrucken mit Hilfe einer speziellen 3D-Brille stereoskopisch wiedergeben kann.