Betreuer| Name: | Assoc. Prof. Dr.rer.nat. Notburga Gierlinger |
| Herkunftsbetrieb: | |
| 1.Beurteilende(r) |
| Name: | Dr. Ingo Burgert |
| Herkunftsbetrieb: | |
| 2.Beurteilende(r) |
| Name: | Univ.Prof. Dr. John W.C. Dunlop |
| Herkunftsbetrieb: | |
| 1. Berater |
| Name: | Univ.Prof. Dr. José Luis Toca-Herrera |
| Herkunftsbetrieb: | |
| Arbeit |
| Typ der Arbeit: | Dissertation |
| Sprache der Arbeit: | Englisch |
| Titel der Arbeit in Originalsprache: | Tip in, light on:
Raman and AFM studies of biological materials |
| Titel der Arbeit in deutsch: | Raman und AFM Studien an Biologischen Materialien |
| Titel der Arbeit in englisch: | Tip in, light on:
Raman and AFM studies of biological materials |
| Publikationsmonat: | 09.2018 |
| Seitenanzahl: | 174 |
| Volltext |
| Volltext der Arbeit: | Volltext der Arbeit im PDF-Format laden |
| Online-Katalog der Universitätsbibliothek Bodenkultur |
| AC-Nummer: | AC15177477 |
| Abstract |
| Abstract in Deutsch: | Raman-Mikroskopie hat großes Potential zur Charakterisierung von biologischen Materialien, da die Chemie in situ auf Mikroebene untersucht wird. Die Komplexität und Empfindlichkeit biologischer Materialien erfordert allerdings eine Optimierung der experimentellen Parameter. Bei Laseranregung mit 532 nm wurde in verholzten Pflanzenzellen eine Intensitätsänderung von Lignin Banden (Ethenyl/aromatische C=C Verhältnis) bei wiederholten Messungen entdeckt. Detaillierte Analysen zeigten die Abhängigkeit von der Energiedichte und Monolignole als reaktive Komponenten. Um hyperspektrale Raman Aufnahmen möglichst schnell und informationsbringend zu analysieren wurden sowohl univariate als auch multivariate Ansätze verwendet. Mit Hilfe von Clusteranalyse kombiniert mit Hauptkomponentenanalyse war es möglich Subklone von Hamsterzellen mit unterschiedlicher Proteinsyntheseaktivität zu gruppieren. Um möglichst genaue Aussagen über Reinkomponenten und deren Verteilung in Pflanzengeweben zu bekommen, wurden 3 unterschiedliche Unmixing-Methoden verglichen. Damit konnten Änderungen von Lipiden und aromatischen Stoffen in Kontext mit anderen Zellwandkomponenten (Cellulose, Pektin) sowie der Mikrostruktur im Stengelquerschnitt von Arabidopsis verfolgt werden und neue Erkentnisse über Hydrophobisierungsstrategien liefern. Um neben der Chemie auf Mikroebene auch die Nanostruktur und –Mechanik zu erfassen, wurde Raman- mit Rasterkraftmikroskopie (AFM) kombiniert. Durch die Anwendung unterschiedlicher Modi können neben der Nanostruktur auch mechanische Parameter im “Digital Pulsed Force Mode“ erfasst werden. An einem einfachen Zellwandmodell (Cellulose-Lignin Film) wurden globuläre Nanostrukturen als ligninreiche Agglomerationen mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften identifiziert. Auch an einem Knochenquerschnitt entlang den Lamellen eines Osteons gelang es die Mikro-Chemie (Mineralisierung) gemeinsam mit der Nanomechanik zu entschlüsseln. |
| Abstract in Englisch: | Raman microscopy has high potential for characterization of biological materials as chemistry is revealed in situ with a light diffraction limited spatial resolution. Yet due to the complexity and sensitivity of biological materials careful optimization of experimental parameters is needed. Using a 532nm laser excitation for repeated Raman imaging of plant cell walls resulted in an intensity change of Raman bands assigned to lignin (ethenyl/aromatic C=C ratio). Detailed analysis revealed that this process is dependent on the energy density and derives from monolignols.
To analyze the hyperspectral data fast and to retrieve a maximum of information univariate (band integration) as well as multivariate approaches were applied. Cluster analysis and Principal Component Analysis (PCA) grouped animal cell subclones with different protein synthesis activity. For analyzing Raman images of plant tissues the feasibility of three unmixing algorithms to retract the most pure components and their distribution within the map was tested. Lipids as well as aromatic components were monitored in context with other cell wall polymers (cellulose, pectin) and the micro-structure and thus new insights into the waterproofing strategies in plants were gained.
To complement information on micro-chemistry with insights into the nanolevel, a combination with Atomic Force Microscopy was implemented. With “Digital Pulsed Force Mode” beside nanostructure also the nanomechanics was probed. On a simplistic cell wall model (casted cellulose/lignin film) globular nanostructures with different mechanical properties were visualized by AFM and based on Raman spectra identified as agglomerations with higher lignin content. The benefit of combining both methods was also shown on a human iliac crest sample: Raman gave the mineral/matrix ratio and the nanoporosity of the bone whereas AFM revealed an increasing stiffness along lamellae and with increasing bone age. |
| Schlagworte |
| Schlagwörter Deutsch: | Raman imaging, Rasterkraftmikroskopie, Nanomechanik , Multivariate Datenanalyse, PCA, Clusteranalyse, Unmixing, VCA, NMF, MCR-ALS, Biologische Materialien, Pflanzenzellwand, CHO Zellen, Knochen, Hydrophobisierung, Lignifizierung |
| Schlagwörter Englisch: | Raman imaging, AFM, DPFM, multivariate data analysis, PCA, cluster analysis, Unmixing, VCA, NMF, MCR-ALS, biological material, plant cell wall, CHO cells, bone, waterproofing, lignification |
| Sonstiges |
| Signatur: | D-20424 |
| Organisationseinheit, auf der die Arbeit eingereicht wird: | H80300 Institut für Biophysik |
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