Einzelpartikelverfolgung

Prinzip der Einzelpartikelverfolgung: Die Rechtecke repräsentieren einzelne Bilder einer Zeitserie. Die verfolgten Teilchen sind rot markiert und im letzten Bild sind die rekostruierten Trajektorien ${\vec {x}}_{i}(t)$ als blaue Linien gezeigt.

Einzelpartikelverfolgung, Einzelteilchenverfolgung oder üblicher english single particle tracking (SPT) ist eine Mess-Methode der Physik und vor Allem der Biophysik, mit der die Trajektorien einzelner (mikroskopischer) Teilchen in einem Medium (z.B. einer Flüssigkeit oder Zelle) erfasst werden können. Sie erlaubt es die Brown'sche Molekularbewegung direkt zu beobachten und zu quantifizieren.

Beschreibung

Einzelpartikelverfolgung wird häufig in Verbindung mit verschiedenen fluoreszenz-mikroskopischen Verfahren verwendet. Die zu verfolgenden Teilchen werden dann mit einem Fluoreszenzfarbstoff markiert. Liegen sie in einer so geringen Konzentration vor, dass einzelne Teilchen im Mikroskopiebild unterschieden und lokalisiert werden können, so kann Einzelpartikelverfolgung angewendet werden. Man nimmt dann eine schnelle Serie von Bildern auf und lokalisiert in jedem dieser Bilder die Teilchen. Dies ergibt für jedes Bild $t$ der Serie einen Satz von Koordinate ${\vec {x}}_{i}(t)$ der Teilchen $i$. Danach wird versucht die Teilchen aus zwei (oder mehr) aufeinanderfolgenden Bildern so einander zuzuordnen, dass eine durchgängige Trajektorie für die teilchen entsteht. Oft ordnet man dann diejenigen Positionen ${\vec {x}}_{i}(t)$ und ${\vec {x}}_{j}(t+1)$ aus zwei aufeinanderfolgenden Bilder einander zu, die den geringsten Abstand zwischen allen Positione haben.

Dieses Verfahren ergibt dann einen Satz von Trajektorien ${\vec {x}}_{i}(t)$, die einer weiteren statistischen Auswertung zugeführt werden können, um etwa Diffusionskoeffizienten oder Transportgeschwindigkeiten zu berechnen. Verschiedene Diffusionsprozesse (normale Diffusion, anomale Diffusion, Diffusion in abgeschlossenen Poren) können durch die Berechnung der mittleren quadratischen Verschiebung unterschieden werden.

Mikroskopieverfahren

Viele Einzelpartikelverfolgung werden mit schnellen Fluoreszenzmikroskopieverfahren, wie

• Interne Totalreflexionsfluoreszenzmikroskopie (TIRF)
• Lichtscheibenmikroskopie (LSFM)

Speziell die Verfahren der scanning confocal microscopy sind geeignet, um einzelne Teilchen zu Verfolgen. Im gegensatz zu den oben genannten Weitfeldmikroskopieverfahren, kann hierbei aber immer nur ein einzelne Teilchen zu jeder Zeit verfolgt werden, dafür aber mit höherer zeitlicher Auflösung. Zum Beispiel kann der Fokus eines Konfokalmirkoskops stetig in kreisen um ein zu verfolgendes Teilchen geführt werden. bewegt sich das Teilchen, so ist die Fluorezenzverteilung auf der Kreisbahn nicht mehr überall gleich und der Fokus kann entsprechend verschoben werden.

Auflösung

• Die zeitliche Auflösung der Trajektorien, die mit Einzelpartikelverfolgung gewonnen werden können hängt von der zeitlichen Auflösung der Bildaufnahme im Mikroskop ab. Kamera-basierte Verfahren erreichen zeitliche Auflösungen im Betreicht von 1-100 ms. Mit sehr schnellen Kameras können Auflösungen von bis zu 25µs erreicht werden.
• Die räumliche Auflösung ist tpischerweise besser, als die Auflösung des Mirkoskopieverfahrens (Faktor 1-5, oder 20-100nm), da die Position eines einzelnen Fluorophors mit sub-pixel-Präzision bestimmt werden kann (siehe Photoactivated Localization Microscopy).