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Supercritical Angle Coherent Raman Spectro (SAcoR)-Imaging Facility

English title Supercritical Angle Coherent Raman Spectro (SAcoR)-Imaging Facility
Applicant Seeger Stefan
Number 182977
Funding scheme R'EQUIP
Research institution Institut für Chemie Universität Zürich
Institution of higher education University of Zurich - ZH
Main discipline Physical Chemistry
Start/End 01.12.2018 - 31.01.2020
Approved amount 129'350.00
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Keywords (8)

supercritical angle; stimulated depletion; Raman microscopy; surface analysis; coherent; nanostructures; Alzheimer; Parkinson

Lay Summary (German)

Lead
Supercritical Angle Coherent Raman Spectro (SAcoR)-Imaging Facility
Lay summary

Im vorliegenden Projektvorhaben soll ein neuartiges optisches Abbildungssystem entwickelt werden, das es ermöglicht simultan an einer Oberfläche und in einer darüberstehenden Flüssigkeit berührungslose Analysen vorzunehmen. Hierbei soll eine nanometergenaue Auflösung erreicht werden. Das Prinzip beruht auf der von uns entwickelten Supercritical Angle Microscopy, die biher vorwiegend im Fluoreszenzmoduns betrieben wird. Erst kürzlich ist es uns gelungen, auf eine Supercritical Angle Raman Mikroskopie zu entwickeln, die es ermöglicht, völlig frei von Markierungsmolekülen Analysen durchzuführen. Allerdings ist das Auflösungsvermögen und damit auch die Empfinslichkeit noch nicht ausreichend. Mit der Entwicklung der stimulierten Ramanspektroskopie eröffnet sich nun eine Möglichkeit, die Vorteile der Ramantechnik zu nutzen und gleichzeitig eine wesentlich höhere Empfindlichkeit zu erreichen. Hier ist insbesondere zu beachten, das das spektrale Auflösungsvermögen, also die sichere Unterscheidung benachbarter Banden im Ramanspektrum entscheidend ist für eine sichere Analyse von Komponenten in der Probe. Die Kombination von Supercritical Angle Microscopy und stimulated Raman Spectroscopy wird dazu führen, dass zukünftig dynamische Wechselwirkungsprozesse von Molekülen an Oberflächen sicher und mit hoher Auflösung detektiert werden können. Die ist zum Beispiel wichtig, um Proteine, die Schlüsselrollen bei neurodegenerative Krankheiten wie Alzheimer oder Parkinson spielen, und deren Wechselwirkung bzw. Aggrgation mit bzw. an Nervenzelloberflächen zu visualisieren und den Mechanismus der Aggregation zu verstehen.

Direct link to Lay Summary Last update: 30.07.2019

Responsible applicant and co-applicants

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
163190 Surface induced Oligomerisation and Fibrillization of alpha-Synuclein investigated by 3D-SAF, SAF-FRET, SAF-FCS, and SAF-Raman 01.08.2016 Project funding (Div. I-III)
176026 Directed in situ Shaping of Highly Complex Nanoparticles Applying the Droplet Assisted Growth and Shaping (DAGS) Approach 01.01.2018 Project funding (Div. I-III)

Abstract

We want to develop a novel optical imaging system which combines the advantages of label-free, non-invasive imaging paradigm with super-resolution optical methods. The idea is to combine coherent Raman scattering (CRS) microscopy with supercritical angle (SA) detection and stimulated depletion (SD) excitation, in order to benefit, on one hand, of the inherent and proven high-speed and chemically-selective imaging properties of CRS micro-spectroscopy and, on the other hand, of the strong spatial resolution and confinement affordable with SA combined with SD excitation/detection geometries. Supercritical Angle technology, invented in our lab initially in the fluorescence mode (known as “Supercritical Angle Fluorescence Microscopy”, SAF) and recently in the spontaneous Raman mode (“Supercritical Angle Raman Spectroscopy”, SAR), does not only allow for a discrimination of signal generated from the surface and the bulk, respectively, but is also able to record signals simultaneously from both detection volumes resulting in a nanometer precise localization of the emitting species. The combination of SA detection with CRS (“Coherent Raman Supercritical Angle” (CORSA) Imaging) will combine these advantages with high sensitivity, the label-free concept, and the high information content due to the Raman spectra. Further, SD will add a tremendously improved lateral spatial resolution which will be advantageous in particular in cell biological applications.Several applications will be addressed: The investigation of protein-lipid bilayer interactions, in particular the behavior of ?-synuclein (the key protein involved in Parkinson disease, ?-Amyloid (involved in Alzheimer disease) and their surface induced aggregation and plaque formation is one key application is one project from Life Science.Further, CORSA will be used to investigate the assembly mechanism for the ring-shaped, homododecameric pore of the bacterial cytolytic toxin ClyA which has been investigated by fluorescent based methods, but not high-sensitive label-free technologies.CORSA will also be applied to investigate the selective functionalization of cancer cells with artificial metalloenzymes. These metalloenzymes could enable the localized release of anticancer prodrugs.In material science we will investigate the growth of polymeric one-dimensional nanostructures based on a novel room temperature synthesis scheme. The molecular structure -when unraveled by CORSA- will also shed light on the impact of special wetting effects induced by the nanostructures.
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