<HTML>
<HEAD>
<TITLE>Re: [RASMB] peak in sedimentation velocity scans at high protein conc.</TITLE>
</HEAD>
<BODY>
<BLOCKQUOTE><FONT COLOR="#800000">Greetings, everyone<BR>
<BR>
Yes, there continues to be a problem associated with the (obsolescent) algorithm used in the XL-I for tracking fringe displacements via phase determination. The trouble with determining the absolute phase of a sinusoidal function is that the precision is given by the derivative of the function - and hence, twice per cycle, goes to zero!<BR>
<BR>
There have long been excellent alternative algorithms available - fringe analysis has been (and is) a major topic of research in the engineering community, people who want to follow how the engine housing shakes when you open the throttle, and all that. Good algorithms are not compute-intensive, and really do need to be applied. Harding & Rowe (1988) gives one such algorithm, it looks pretty elderly now I guess . . . . but way out modern as compared to the DeRosier approach used in the XL-I. See also the paper by Rowe, Wynne-Jones, Thomas & Harding (1989).<BR>
<BR>
It is indeed absolutely vital - as Tom says - that the optics be focussed on the mid-plane of the cell, to avoid 3rd order artifacts (Svensson 1954 equation - Optica Acta, 1, 25). In doing this one sacrifices a bit of sharpness of the fringes (via 2nd order effects), but we can live with that. If the focus is on the <U>mid</U>-point of the cell (not far away, especially in a 3 mm c'piece cell) then errors pile up when fringe steepness exceeds 38 fringes/mm (at a precision of ±0.01 fringe) - see Lloyd 1974. <BR>
<BR>
So - we need (1) proper focussing of the optics in the hardware; (2) a modern fringe detection algorithm in the software.<BR>
<BR>
Not really rocket science, I suggest.<BR>
</FONT><BR>
Arthur<BR>
<BR>
Arthur J Rowe & Stephen E Harding (1988) <BR>
Automatic data capture and analysis of Rayleigh fringe displacements in analytical ultracentrifugation<BR>
Optics and Lasers in Engineering, 8(2) 83-96)<BR>
<BR>
A J Rowe, S.Wynne-Jones, D Thomas & S E Harding (1989)<BR>
Analysis of solute concentration and concentration derivative distributions by means of frameshift Fourier and other algorithms applied to Rayleigh interferometric and Fresnel fringe patterns<BR>
Fringe Pattern Analysis, Graeme T Reid, Editor, Proc SPIE <B>1163</B> 138-148<BR>
<BR>
Peter H Lloyd (1974) Optical Methods in Ultracentrifugation, Electrophoresis & Diffusion pp 87-88<BR>
<BR>
<BR>
</BLOCKQUOTE>--<BR>
*******************************************************<BR>
Arthur J Rowe<BR>
Professor of Biomolecular Technology<BR>
NCMH Business Centre<BR>
University of Nottingham<BR>
School of Biosciences<BR>
Sutton Bonington<BR>
Leicestershire LE12 5RD   UK<BR>
<BR>
Tel:        +44 (0)115 951 6156<BR>
            +44 (0)116 271 4502<BR>
Fax:        +44 (0)115 951 6157<BR>
email:      arthur.rowe@nottingham.ac.uk<BR>
Web:        www.nottingham.ac.uk/ncmh/business<BR>
*******************************************************<BR>
<BR>
<BR>
<BLOCKQUOTE><BR>
<BR>
</BLOCKQUOTE><BR>
<BLOCKQUOTE><TT>Hi-<BR>
The transformation from phase to fringe displacement does limit changes <BR>
in the fringe displacement to +/- 0.5 fringe. At one time the software <BR>
would let you increase this value (say to 0.9 fringe), but the same <BR>
sorts of issues would arise. There are particular problems that arise <BR>
when the phase is at the 0 - 2pi boundary and a steep gradient is <BR>
present, when there are defects in the image and at the menisci. Other <BR>
algorithms have been used- with the faster computers available now, <BR>
these should be revisited. Keep in mind that the gradients where the <BR>
interference system fails are steeper than where schlieren effects <BR>
become significant absorbance data. Thus, the interference optics are <BR>
more accurate for high concentration (and steep concentration gradient) <BR>
systems. We are starting work on the next generation of interference <BR>
optics, so now is a good time to review the algorithms. We estimate that <BR>
these new optics will be ~100x more precise and ~2x more sensitive than <BR>
the current optics.<BR>
<BR>
As long as we are on the subject,  the accuracy of the fringe <BR>
displacement measurements (and the absorbance system) depends on having <BR>
the optics focused properly. The optics must be focused at the 2/3 plane <BR>
(i.e. 2/3 of the distance through the sample, going from the source <BR>
towards the detector). Focusing above this point (i.e. at the midpoint <BR>
of the cell) leads to the fringe displacement being exaggerated in steep <BR>
gradients... from the standpoint of data analysis, it would appear that <BR>
there is a weak self-association for a single ideal component. If the <BR>
optics are focused below this point (i.e. at the 3/4 point) leads to a <BR>
suppression of the fringe diplacement in regions with high concentration <BR>
gradients, and analysis of the data will overestimate nonideality.<BR>
<BR>
There is an excellent discussion of the accuracy of the interference <BR>
optics in David Yphantis's 1964 paper: D. A. Yphantis. Equilibrium <BR>
Ultracentrifugation of Dilute Solutions. Biochemistry 3:297-317, 1964. <BR>
Note that it is the third order effects that cause significant problems, <BR>
not the second order problems.<BR>
Best wishes to all-<BR>
Tom<BR>
<BR>
<BR>
Peter Schuck wrote:<BR>
<BR>
><BR>
> Hi Everybody,<BR>
><BR>
> I agree with everything said, but since there seems to be a developing <BR>
> general interest in this topic, I'd like to add one observation we <BR>
> made repeatedly with the interference optics.<BR>
><BR>
> First - and this is certainly not new - one can easily visualize the <BR>
> lensing effect of the boundary. I am attaching a powerpoint slide <BR>
> showing the camera image from a run with several mg/ml thyroglobulin <BR>
> at 50000 rpm. There's an obvious lack of light intensity in the <BR>
> boundary when using the 12 mm centerpiece, which is absent from the <BR>
> image of the 3 mm centerpiece in the same run, as John mentioned. The <BR>
> lack of light intensity is what causes the artificial peaks in the <BR>
> absorbance scans.    [sorry, version with the attachment bounced back <BR>
> awaiting approval ]<BR>
><BR>
> But the interesting point is that one can frequently still acquire <BR>
> fringe shift data through the boundary - in fact even through the one <BR>
> shown in the picture. They do not exhibit an artificial peak, but they <BR>
> have different problems. At very high gradients, the scans seem to <BR>
> 'skip' fringes, i.e. the algorithm to assign fringe shifts from <BR>
> neighboring points fails and instead of an increase in fringe shift <BR>
> from one radial point to the next, one may see even a slight decrease <BR>
> from one point to the next (I suspect the XLI software simply can't <BR>
> deal with more than 0.5 fringes shift for neighboring radial points). <BR>
> As Jack mentioned, we've seen this a lot also in CsCl gradients, and <BR>
> at this occasion I've built into SEDFIT some limited capability to <BR>
> repair this problem afterwards in software (with an algorithm assuming <BR>
> that the boundary and its derivatives are monotonic). However, there <BR>
> also seems to be a range of boundary steepness that is already <BR>
> producing peaks in absorbance, but not yet exhibiting the fringe <BR>
> 'skipping' in interference optics. Of course, the fringe profiles from <BR>
> these steep gradients can still be questioned with regard to their <BR>
> faithful representation of the concentration gradient, which I doubt.<BR>
><BR>
> However, the absence of the artificial peak at least allows us to load <BR>
> the data and conveniently determine an empirical s-value from the <BR>
> midpoint. Assuming that the distortion of the boundary shape is not <BR>
> modifying the integral over the boundary in a time-dependent way, one <BR>
> might even be able to get a fairly good precision on the <BR>
> weight-average s.<BR>
><BR>
> Best,<BR>
> Peter<BR>
><BR>
><BR>
><BR>
><BR>
>> X-SBRS: 5.5<BR>
>> X-BrightmailFiltered: true<BR>
>> X-Brightmail-Tracker: AAAAAA==<BR>
>> Date: Fri, 28 Oct 2005 08:59:27 -0400<BR>
>> From: Peter Schuck <pschuck@helix.nih.gov><BR>
>> User-Agent: Mozilla Thunderbird 1.0.6 (Windows/20050716)<BR>
>> X-Accept-Language: en-us, en<BR>
>> To: Norbert.Muecke@dkfz-heidelberg.de<BR>
>> Subject: Re: [RASMB] peak in sedimentation velocity scans at high <BR>
>> protein<BR>
>>  conc.<BR>
>> X-Sanitizer: murus Advosys mail filter<BR>
>><BR>
>> Hi Norbert,<BR>
>> this is Wiener skewing from refraction of light within the boundary. <BR>
>> If you use interference optics, you should not observe this. Also, <BR>
>> you can probably minimize it by running slower rotor speed and not <BR>
>> generating as steep gradients. Peter<BR>
>><BR>
>><BR>
>> Norbert Muecke wrote:<BR>
>><BR>
>>> Hi,<BR>
>>> I have done some velocity runs at high protein conc. (up to 6g/l).<BR>
>>> A new peak within the boundary could be observed.<BR>
>>> I have attached the scans of three different concentrations.<BR>
>>> Absorbance was measured at 284nm.<BR>
>>> Any idea of how to explain that phenomena would be appreciated.<BR>
>>><BR>
>>> Best regards<BR>
>>> Norbert<BR>
>>><BR>
>>><BR>
>>> Division Biophysics of Macromolecules, B040<BR>
>>> German Cancer Research Center (DKFZ), TP3<BR>
>>> Im Neuenheimer Feld 580<BR>
>>> D-69120 Heidelberg, Germany<BR>
>>><BR>
>>><BR>
>>><BR>
>>> ------------------------------------------------------------------------ <BR>
>>><BR>
>>><BR>
>>> Der folgende Teil dieser Nachricht enthält einen Anhang im <BR>
>>> sogenannten Internet MIME Nachrichtenformat.<BR>
>>> Wenn Sie Pegasus Mail oder ein beliebiges anderes MIME-kompatibles<BR>
>>> Email-System verwenden, sollte Sie den Anhang mit Ihrem Email-System<BR>
>>> speichern oder anzeigen können. Anderenfalls fragen Sie Ihren <BR>
>>> Administrator.<BR>
>>><BR>
>>> The following section of this message contains a file attachment<BR>
>>> prepared for transmission using the Internet MIME message format.<BR>
>>> If you are using Pegasus Mail, or any another MIME-compliant system,<BR>
>>> you should be able to save it or view it from within your mailer.<BR>
>>> If you cannot, please ask your system administrator for assistance.<BR>
>>><BR>
>>>   ---- Datei Information/File information -----------<BR>
>>>   Datei/File: uebersichtscans.jpg<BR>
>>>   Datum/Date: 28 Oct 2005, 11:28<BR>
>>>   Größe/Size: 24596 bytes.<BR>
>>>   Typ/Type:  JPEG-image<BR>
>>><BR>
>>><BR>
>>> ------------------------------------------------------------------------ <BR>
>>><BR>
>>><BR>
>>> _______________________________________________<BR>
>>> RASMB mailing list<BR>
>>> RASMB@rasmb.bbri.org<BR>
>>> http://rasmb.bbri.org/mailman/listinfo/rasmb<BR>
>>><BR>
><BR>
> _______________________________________________<BR>
> RASMB mailing list<BR>
> RASMB@rasmb.bbri.org<BR>
> http://rasmb.bbri.org/mailman/listinfo/rasmb<BR>
><BR>
<BR>
-- <BR>
Department of Biochemistry and Molecular Biology<BR>
University of New Hampshire<BR>
Rudman Hall 379<BR>
46 College Road<BR>
Durham, NH 03824-3544<BR>
Phone: 603-862-2459<BR>
FAX:   603-862-0031<BR>
www.camis.unh.edu<BR>
www.bitc.unh.edu<BR>
<BR>
<BR>
_______________________________________________<BR>
RASMB mailing list<BR>
RASMB@rasmb.bbri.org<BR>
http://rasmb.bbri.org/mailman/listinfo/rasmb<BR>
</TT></BLOCKQUOTE><TT><BR>
</TT>
</BODY>
<br/>
<p>
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</p>
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