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Physik

Inhalt:

  1. Veröffentlichungen
  2. Diplomarbeit
  3. Stoffzusammenfassungen
  4. Vorträge, Projekte, etz.
  5. Klausur-Spickzettel




Dissertation

Logo: Dissertation Dissertation:Mapping Diffusion Properties in Living Cells [PDF PDF, 39,3MB]
In meiner Dissertation in der Arbeitsgruppe von Biophysics of Macromolecules (Deutsches Krebsforschungszentrum, † Prof. Dr. J. Langowski) und Image processing and Modelling (Universität Heidelberg, PD Dr. Christoph S. Garbe) habe ich ein Lichtscheibenmikroskop (siehe auch https://www.dkfz.de/en/biophysics-of-macromolecules/research/experimental-techniques/spim.htmlSteuersoftware QuickFit 3.0 entwickelt (siehe https://github.com/jkriege2/QuickFit3 und https://www.dkfz.de/en/biophysics-of-macromolecules/research/software/quickfit.html). Dabei sind auch die weiter unten aufgeführten Veröffentlichungen entstanden.

Zusammenfassung:

Die Funktion lebender Zellen basiert auf chemischen Reaktionen. Es zeigt sich, dass die Geschwindigkeit dieser Reaktionen durch den Molekültransport in der Zelle limitiert ist und damit auch wesentlich von der räumlichen Organisation der Zelle abhängt. Zur Untersuchung solcher Transportprozesse wird häufig Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS) in Verbindung mit fluoreszenzmarkierten Proteinen angewendet. Hierbei beobachtet man mit Hilfe eines Lasermikroskops die Fluktuationen der Fluoreszenz, die aus einem kleinen Untervolumen (∼1μm3) der Probe emittiert wird. Eine Autokorrelationsanalyse dieser Fluktuationen ermöglicht es, die Konzentrationen und vor allem den Diffusionskoeffizienten der markierten Teilchen zu vermessen. Üblicherweise wird für FCS ein konfokales Mikroskop eingesetzt, das zu jeder Zeit nur ein einziges Volumen beobachten kann. In der vorliegenden Dissertation wurde FCS zu einer bildgebenden Methode weiterentwickelt, indem es mit Lichtscheibenfluoreszenzmikroskopie (SPIM) kombiniert wird. Diese relativ neue Weitfeldmikroskopietechnik ermöglicht es, gezielt eine beliebig positionierbare Ebene (1-3μm dick) in einer Zelle zu beobachten. Durch Einsatz einer schnellen elektronenverfielfachende CCD-Kamera (EM-CCD) konnte damit die Bewegung auch relativ kleiner autofluoreszenter Proteine in lebenden Zellen ortsaufgelöst vermessen werden.

Es wird zunächst der Aufbau eines Lichtscheibenmikroskops beschrieben, das für die Anwendung auf SPIM-FCS in einzelnen Zellen optimiert wurde. Verschiedene Testmessungen zeigen die grundsätzliche Anwendbarkeit von SPIM-FCS in in-vitro-Proben und in allen größeren Kompartimenten lebender Zellen (Zellkern, Zytoplasma, Zellmembran). Anschließend wird die Eignung verschiedener kommerziell erhältlicher Kameras als Bildsensor für SPIM-FCS-Messungen verglichen. Nach aktuellem Stand bieten EM-CCD-Kameras den besten Kompromiss aus Photosensitivität und erreichbarer zeitlicher Auflösung (∼500μs). Zusätzlich zu diesen linearen Kameras wird auch der Einsatz von Bildsensoren aus Einzelphoton-Lawinenphotodioden (SPAD arrays) untersucht. Diese bieten gegenüber EM-CCD-Kameras eine deutlich höhere Zeitauflösung (1-10μs) und wären damit ideale Detektoren für SPIM-FCS. Allerdings erreichen sie noch nicht die gleiche Photosensitivität. Zwei verschiedene Sensoren wurden ausführlich charakterisiert und konnten erfolgreich für erste SPIM-FCS Messungen von gelösten Fluoreszenzfarbstoffen eingesetzt werden.

In einem weiteren Schritt wurde SPIM-FCS um eine Kreuzkorrelations-Analyse erweitert (SPIM-FCCS), die es zum ersten Mal erlaubt, auch Interaktionen zwischen verschieden markierten, cytosolischen Molekülen in Zellen zu kartieren. Dazu werden die Fluoreszenz-Fluktuationen aus zwei unterschiedlichen Farbkanälen einer Kreuz-Korrelations-Analyse unterzogen. Eine messbare Kreuz-Korrelation ergibt sich nur, wenn zwei unterschiedlich markierte Moleküle in der Probe eine Bindung eingehen und sich gemeinsam bewegen.

Schließlich konnten die entwickelten Verfahren auf verschiedene zelluläre Systeme angewendet werden. Durch die Kartierung der Mobilität von inerten Molekülen verschiedener Größe konnte unter anderem die Viskosität des Mediums in verschiedenen Zellen bestimmt werden. Eine räumliche Abhängigkeit der Mobilität konnte nur in Nukleoli nachgewiesen werden. Außerdem wurde ein wichtiger Schritt im Remodellierungszyklus des Keratin-Zytoskeletts in Zellen untersucht. Als dritte Anwendung demonstrieren SPIM-F(C)CS-Messungen an verschiedenen Chromatin-assoziierten Molekülen die Dynamik des Zellkerns. Eine Bildgebung der Mobilität von markierten Histon-Proteinen ließ Rückschlüsse auf Organisation des Chromatins zu. Außerdem wurde die Aktivität des nuklearen Rezeptors RXR und eines Transkriptionsfaktors vermessen.





Diplomarbeit

Logo: MOT Diplomarbeit: Zeeman-Slower und Experimentsteuerung für das NaLi-Experiment [PDF PDF, 10,9MB]
In meiner Diplomarbeit in der Arbeitsgruppe von Prof. Oberthaler habe ich einen Zeeman-Slower und eine Experiment-Steuerung für ein neues Experiment zu ultrakalten Quantengasen (wir verwenden fermionisches 6Li und bosonisches 23Na) aufgebaut und getestet. Die Arbeit beschreibt auch ausführlich den Aufbau und die Auswertung der Absorbtionsabbildung der Atome.

Zusammenfassung:

Diese Diplomarbeit beschreibt den Aufbau einiger Komponenten für ein neues Experiment zu ultrakalten Quantengasen aus fermionischem 6Li und bosonischem 23Na. Es wurde ein Zeeman- Slower zum gleichzeitigen Abbremsen beider Atomspezies entworfen und aufgebaut, der den ersten Schritt in einem mehrstufigen Kühlverfahren darstellt. Die Funktion des Zeeman-Slowers konnte anhand einiger Messungen der Laderate einer magneto-optischen Falle verifiziert werden. Außerdem wird in dieser Arbeit eine genaue Analyse der Bewegung von Atomen in einem Zeeman- Slower durchgeführt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde außerdem eine Computer-Steuerung für das Experiment entworfen, die eine Automatisierung von dessen Ablauf mit einer Zeitauflösung von unter 10ms erlaubt. Die Steuerung ist modular aufgebaut und kann durch offene Schnittstellen mit weiterer Software interagieren, wie zum Beispiel Programmen zur Datenauswertung. Zur Definition der Experiment- Sequenzen steht unter anderem eine umfangreiche Beschreibungssprache zur Verfügung, deren Aufbau und Verarbeitung hier beschrieben wird.





(Wissenschaftliche) Veröffentlichungen

Logo: shDNA T. Wocjan, J. Krieger, O. Krichevsky, J. Langowski (2009):
Dynamics of a fluorophore attached to superhelical DNA: FCS experiments simulated by Brownian dynamics.
PhysChemChemPhys, 11 (45), 10671-10681, a href="https://doi.org/10.1039/b911857h">DOI: 10.1039/b911857h [PDF PDF]
Logo: FPGACorrelation Jan Buchholz, Jan Wolfgang Krieger, Gábor Mocsár, Balázs Kreith, Edoardo Charbon, György Vámosi, Udo Kebschull, and Jörg Langowski (2012):
FPGA implementation of a 32x32 autocorrelator array for analysis of fast image series,
Opt. Express 20, 17767-17782,
DOI: 10.1364/OE.20.017767 [LINK]
Logo: FPGACorrelation G. Mocsár, B. Kreith, J. Buchholz, J. W. Krieger, J. Langowski, G. Vámosi (2012):
Multiplexed multiple-t auto- and cross-correlators on a single FPGA.
Rev. Sci. Instr. 83, 046101; DOI: 10.1063/1.3700810
Logo: SPIM-FCS Anand Pratap Singh, Jan Wolfgang Krieger, Jan Buchholz, Edoardo Charbon, Jörg Langowski, Thorsten Wohland (2013):
The performance of 2D array detectors for light sheet based fluorescence correlation spectroscopy.
Opt. Express 21(7), 8652-68. DOI: 10.1364/OE.21.008652
Logo: FCCS Jan Wolfgang Krieger, Anand Pratap Singh, Christoph S. Garbe, Thorsten Wohland and Jörg Langowski (2014):
Dual-Color Fluorescence Cross-Correlation Spectroscopy on a Single Plane Illumination Microscope (SPIM-FCCS),
Opt. Express22(3), 2358-2375, DOI: 10.1364/OE.22.002358, supplementary information [PDF]
Logo: RXR Peter Brazda, Jan Krieger, Bence Daniel, David Jonas, Tibor Szekeres, Jörg Langowski, Katalin Tóth, Laszlo Nagy and György Vámosi (2014):
Ligand binding shifts highly mobile RXR to chromatin-bound state in a coactivator-dependent manner as revealed by single cell imaging.
Molecular and Cellular Biology34(7): 1234-1245. DOI: 10.1128/MCB.01097-13
Logo: Fos/Jun N. Szalóki, J.W. Krieger, I. Komáromi, K. Tóth, G. Vámosi (2015):
Evidence for homodimerization of the c-Fos transcription factor in live cells revealed by FRET, SPIM-FCCS and MD-modeling.
Mol. Cell. Biol. e-pub DOI:10.1128/MCB.00346-15
Logo: SPIM-FCS T. Wohland, J. Krieger, A. Singh, N. Bag, C. Garbe, T. Saunders, J. Langowski (2015):
Practical Guidelines for Imaging Fluorescence (Cross-) Correlation Spectroscopy in Live Cells and Organisms.
Nature Protocols 10(12), 1948-1974 DOI:10.1038/nprot.2015.100
Logo: EGFP-Oligomers Vámosi G, Mücke N, Müller G, Krieger JW, Curth U, Langowski J, Tóth K (2016):
EGFP oligomers as natural fluorescence and hydrodynamic standards.
Sci Rep. 6, 33022. DOI:10.1038/srep33022
Logo: ULF Assembly N. Mücke, L. Kämmerer, S. Winheim, R. Kirmse, J.W. Krieger, M. Mildenberger, J. Ba├čler, E. Hurt, W. H. Goldmann, U. Aebi, K. Toth, J. Langowski, H. Herrmanmn (2018):
Assembly Kinetics of Vimentin Tetramers to Unit-Length Filaments: A Stopped-Flow Study
Biophys. J. 114, p2408-2418 DOI: 10.1016/j.bpj.2018.04.032
Logo: FPGACorrelation Jan Buchholz, Jan Krieger, C. Bruschini, S. Burri, A. Ardelean, E. Charbon, J. Langowski (2018):
Widefield High Frame Rate Single-Photon SPAD Imagers for SPIM-FCS
Biophys. J. 114, p2455-2464DOI: 10.1016/j.bpj.2018.04.029
Logo: Lamin F. Taheri, B. Isbilir, G. Müller, J. W. Krieger, G. Chirico, J. Langowski, K. Tóth (2018):
Random Motion of Chromatin Is Influenced by Lamin A Interconnections
Biophys. J. 114, p2465-2472. DOI: 10.1016/j.bpj.2018.04.037
Logo: SPIM-FCS Sawant, M., Schwarz, N., Windoffer, R., Magin,T., Krieger, J., Mücke, N., Obara, B., Jankowski, V., Jankowski, J., Wally, V., Lettner, T., Leube, R.E. (2018):
Threonine 150 phosphorylation of keratin 5 is linked to Epidermolysis Bullosa Simplex and regulates filament assembly and cell viability.
J Invest Dermatol. 138 (3): 627-636. DOI: 10.1016/j.jid.2017.10.011




Stoffzusammenfassungen/Formelsammlungen

Logo:EDyn Stoffzusammenfassung zur Elektrodynamik und Relativitätstheorie [PDF PDF, 2.39MB]     last updated: 24.6.2006
Dieses Tutorial zu Elektrodynamik unf Relativitätstheorie entsteht als Vorbereitung auf das Diplom in theoretischer Physik.
Bisher wird abgedeckt: Mathematische Grundlagen, Elektrostatik, Magnetostatik, Maxwell-Gleichungen, Elektrodynamik in Materie, Energie- und Impulssatz für EM-Felder, Maxwellgleichungen in Form von Potentialen (Eichungen, retardierte Potentiale), Strahlungstheorie, EM-Wellen, Einführung in die spezielle Relativitätstheorie (Minkowski-Raum und -Diagramme, Lorentz-Trafo), relativistische Mechanik (kontravariante Formulierung, Lagrange-Formalismus), relativistische Elektrodynamik
Logo:statistische Mechanik Stoffzusammenfassung zur statistischen Mechanik und Thermodynamik [PDF PDF, 2.96MB]     last updated: 27.6.2006
Dieses Tutorial zu statistischen Mechanik und Thermodynamik entsteht als Vorbereitung auf das Diplom in theoretischer Physik.
Bisher wird abgedeckt: Zeit- und Scharmittel, Liouville-Gleichung, statistischer Operator, Information und Entropie, mathematische Grundlagen, mikrokanonisches, kanonisches, großkanonisches Ensemble, diverse Beispiele (Paramagnete, ideales gas ...), Thermodynamik, Einführung in Quantenstatistik, Bose-Einstein-/Fermi-Dirac-Statistik, ideale Quantengase
Logo Stoffzusammenfassung zur Quantenmechanik [PDF PDF, 4.25MB]     last updated: 1.11.2007
hier hab ich mir diverse Dinge zur Quantenmechanik zusammengetragen. Neben einem Überblick über wichtige Definitionen und Sätze gibt es viele gerechnete Beispiele. Diese Sammlung soll noch erweitert werden, sodass sie möglichst viele interessante Beispiele enthält.
Bisher sind u.A. folgende Systeme enthalten: freies Teilchen, Delta-Potential, Mach-Zehnder-Interferometer, Harmonischer Oszillator, Drehimpuls im radialsymmetrischen Potential,  das Wasserstoffatom, Bewegung im EM-Feld, Zwei-Zustands-System, einige bemerkungen zur Festkörperphysik
Logo Tutorial: Theoretische Mechanik [PDF PDF,  342kB]     last updated: 26.6.2006
Dieses Tutorial zu theoretischen Mechanik entsteht als Vorbereitung auf das Diplom in theoretischer Physik
Logo Stoffzusammenfassung zur Computerphysik und Numerik
Eine Stoffzusammenfassung der Vorlesung "Computerphysik" bei Prof. R. Spurzem an der Uni Heidelberg. Ich habe dieses Dokument (zusammen mit der beigefügten Software) im Rahemn meiner Vorbereitung auf das Diplom erstellt.
Logo
Formelsammlung zur Physik  [PDF PDF, 1,2 MB]
eine Zusammenstellung einiger physikalischer Formeln und Gesetzt ... mehr eine Baustelle, als was vernünftiges ;-)
Logo
Mathematische Formelsammlung für Physiker [PDF PDF, 1,4 MB]
hier versuche ich alles Mögliche an mathematischen Formeln aufzuschreiben (in einfach benutzbarer Form), die man ab und zu in der Physik braucht (z.B. Koordinaten-Transformationen, häufig auftretende Differenzialgleichungen, ein Sammlung interessanter Funktionen etz.)
Logo
Stoffzusammenfassung von Kapitel 10 (Thermodynamik) aus Demptröder 1 [PDF PDF, 1.74 MB]
eingescannte Handschrift. Das habe ich zum Vordiplom zusammengeschrieben ... und irgendjemand wollte es haben ;-)
Stoffzusammenfassung zum FP-Versuch: Vakuumphysik [PDF PDF, 118 kB]
Logo Stoffzusammenfassung zum FP-Versuch: Optik [PDF PDF, 876 kB]



Vorträge, Projekte, etz.

Logo: MOT Fortgeschrittenenpraktikum (SS 2005): "Magneto-optische Falle"
Auswertung und Seminarvortrag zum Versuch Magneto-optische Falle (F20) im Fortgeschrittenenpraktikum für Physik der Uni Heidelberg, durchgeführt von Martin Horbanski und Jan Krieger
Logo:Neuron Seminarvortrag (WS 2004/05): "Neuronen-Modelle, Kodierung, das Spike-Response-Modell",[PDF PDF 303 kB]
Ein Vortrag aus dem Seminar Physikalische Grundlagen Neuronaler Informationsverarbeitung bei Prof. Meier an der Universität Heidelberg, WS04/05.
Logo Praktikumsbericht: "Microcontrolergesteuerte Strahlstabilisierung für Kurzpulslaser" [PDF PDF, 5.53 MB]
Das ist ein Projekt, das ich im Sommer 2003 am Max-Planck-Institut für Qunatenoptik (Garching) durchgeführt habe. Es handelte sich um ein Praktikum an diesem Institut in der Gruppe von Prof. Witte (MPQ: Laser-Plasma-Gruppe).
Logo Vortrag (Sommerakademie 2004): Reaktions-Diffusions-Systeme



Klausur-Spickzettel





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