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Towards Spin-Polarized Electron Beams from a Laser-Plasma Accelerator
Get PDFThe LEAP (Laser Electron Acceleration with Polarization) project at DESY is a proof- of-principle experiment aiming to demonstrate the generation – thus also the transport – of spin-polarized electron beams from a laser-plasma accelerator (LPA). This is expected to be achieved using a pre-polarized plasma source, generated via the photodissociation of HCl molecules with an ultraviolet (UV) dissociation laser. Compton transmission polarimetry is envisioned for polarization measurements, inferring electron polarization from the transmission asymmetry of bremsstrahlung photons through magnetized iron. This thesis explores three key aspects of LEAP, focusing on development an experimental realization. First, a feasibility study was conducted to generate the UV dissociation laser via cascaded second-harmonic generation in two beta-barium borate crystals directly from the LPA driver laser. A measured conversion efficiency of η(ω→4ω) ≈ 0.8 % into the UV demonstrates the feasibility of this approach. Second, a homogeneous Cherenkov lead-glass calorimeter was built as an integral part of the LEAP Compton transmission polarimeter. Furthermore, it was tested and calibrated with single electrons at the DESY II Test Beam Facility. The derived calorimeter energy resolution of σE/⟨E⟩ < 2 % at TeV-scale total energies meets the requirement for its application within the LEAP polarimeter. GEANT4 simulations indicate a nonlinear calorimeter response to low-energy particles (< 10 MeV). The uncertainty of this response introduces a relative uncertainty of ∼ 1.5 % on the simulated analyzing power of the polarimeter. Finally, the full polarimeter setup, consisting of a solenoid magnet and the Cherenkov calorimeter, was commissioned at the FLARE facility using an unpolarized LPA electron beam. Initial system tests, beam charge and energy characterization, and operational polarization measurements were conducted. Simulations determined the analyzing power of the system to be A = 11.74 ± 0.18 % ( ∆A/A = 1.6 %) with the dominant uncertainty arising from the calorimeter response. The actual measurement was found to be primarily influenced by beam stability and control. In particular, observed asymmetries - unrelated to beam polarization - can be explained by potential energy drifts. Extrapolation to realistic polarization measurements indicates that shot-to-shot charge and energy stability must be provided at the ≤ 1 % level to enable reliable polarization measurements.Das LEAP-Projekt (Laser Electron Acceleration with Polarization) am DESY zielt darauf ab, erstmals die Erzeugung – und damit auch den Transport – von spin-polarisierten Elektronenstrahlen mittels eines Laser-Plasma Beschleunigers (LPA) zu demonstrieren. Dies soll durch die Verwendung einer vorpolarisierten Plasmaquelle erreicht werden, die mittels Photodissoziation von HCl-Molekülen mit einem ultravioletten (UV) Dissoziationslaser erzeugt wird. Die Polarisationsmessung basiert auf Compton-Transmissionspolarimetrie. Bei dieser Metode wird die Elektronenpolarisation aus der polarisationsabhängigen Asymmetrie der Transmission von von Bremsstrahlungsphotonen durch magnetisiertes Eisen bestimmt. In dieser Arbeit wurden drei zentrale Aspekte des LEAP-Projekts untersucht.
Erstens wurde eine Machbarkeitsstudie zur Erzeugung des UV Dissoziationslasers durch kaskadierte Frequenzverdopplung des LPA-Treiberlasers mittels zweier Beta-Barium Borat Kristalle durchgeführt. Die gemessene Konversionseffizienz von etwa η(ω→4ω) ≈ 0.8 % ins UV bestätigt die Umsetzbarkeit dieses Konzepts. Zweitens wur de ein homogenes Tscherenkow-Bleikristall-Kalorimeter als integraler Bestandteil des LEAP-Polarimeters konstruiert und mittels einzelner Elektronen vom DESY II Teststrahl getestet und kalibriert. Die ermittelte Energieauflösung von σE/⟨E⟩ < 2 % bei TeV-Gesamtenergien erfüllt die Anforderungen für den Einsatz im LEAP-Polarimeter. GEANT4-Simulationen zeigen eine nichtlineare Kalorimeterantwort für niederenergetische Teilchen (< 10 MeV). Die Unsicherheiten dieser Kalorimeterantwort führen zu einer relativen Unsicherheit von etwa 1.5% in der simulierten Analysierstärke des Polarimeters. Drittens wurde das vollständige Polarimeter, bestehend aus einem Solenoidmagneten und dem Tscherenkow-Kalorimeter, im FLARE Labor am DESY mit einem unpolarisierten LPA-Elektronenstrahl in Betrieb genommen. Dabei wurden erste Systemtests, Strahlcharakterisierungen und Polarisationsmessungen durchgeführt. Simulationen bestimmten die Analysierstärke des Systems zu A = 11.74 ± 0.18 % ( ∆A\A = 1.6 %), wobei die größte Unsicherheit aus der Kalorimeterantwort resultiert.
Die eigentliche Messung wurde jedoch hauptsächlich durch Strahlstabilität und -kontrolle beeinflusst, insbesondere durch mutmaßliche Energiedrifts, die signifikante Schein-Asymmetrien erzeugten. Eine Extrapolation auf realistische Polarisationsmessungen zeigt, dass eine Schuss-zu-Schuss-Stabilität von Ladung und Energie von ≤ 1 % erreicht werden muss, um verlässliche Polarisationsmessungen zu ermöglichen
Monitoring von Partikeln im Nanometer-Größenbereich in Polymerisationsprozessen mittels Photonendichtewellen Spektroskopie
Get PDFIn dieser Arbeit werden Polymerisationsprozesse untersucht und mittels Prozessanalytik inline, sowie offline verfolgt und begleitet. Zu Beginn wird verdeutlicht, dass eine zeitlich eng aufgelöste Beobachtung der durchgeführten Polymersynthesen zu Erkenntnissen über den Prozess führt. Durch die inline Prozessanalyse mittels Photonendichtewellen Spektroskopie und der inline Verfolgung von optischen Koeffizienten wird gezeigt, dass die verschiedenen Phasen der Polymersynthese sich auch in den optischen Eigenschaften der Dispersion widerspiegeln.
Diese Arbeit liefert Einblicke in Polymerisationsprozesse verschiedener Art, insbesondere in die Polyvinylacetat- (PVAc) und Polystyrolsynthese (PS). Es wird eine eingehende Analyse der Vinylacetat-Homopolymerisation durch Monomer verarmte, semikontinuierliche Synthese beschrieben. Zunächst wird gezeigt, dass die Partikelgröße und die Partikelgrößenverteilung des Systems durch Änderung einfacher Polymerisationsparameter, wie der Gesamtmenge des dem System zugesetzten Monomers, verändert werden können und eine klare Abhängigkeit besteht. Ein Unterschied in der mittleren Partikelgröße und der Partikelgrößenverteilung wurde erstmalig durch die Photonendichtewellen (PDW) Spektroskopie ermittelt und quantifiziert. Die PDW-Spektroskopie zeigt sich nicht nur für die Analyse des produzierten Dispersionsproduktes als geeignet, sondern auch für die Inline-Überwachung des gesamten Polymerisationsprozesses bis hin zu Massenanteilen des Polymers von weit über 40 %. Weiterhin wird gezeigt, dass der gemessene reduzierte Streukoeffizient der Dispersion eine Korrelation mit dem Partikelwachstum aufweist. Es wird ebenso gezeigt, dass die Implementierung von Inline-PDW Spektroskopie in Echtzeit, Hinweise auf mögliche thermische Durchbruchsreaktionen und unsichere Reaktionen geben kann. In Kombination mit anderen Inline-Prozessanalytik (PAT)-Trends, wie z.B. der Auswertung der Reaktionstemperatur, kann eine Durchbruchsreaktion durch gezielte PAT-Anwendung der PDW Spektroskopie verhindert werden.
In weiteren Experimenten wurde festgestellt, dass das untersuchte System aufgrund der Verwendung von Polyvinylalkohol (PVA) als Stabilisierungskolloid dazu neigt, Wasser auf der Partikeloberfläche zu absorbieren. Da dieses Phänomen in der Literatur bekannt ist, wird ein iterativer Ansatz zur Berechnung des volumenbasierten Quellungsfaktors verschiedener PVAc-Homopolymere vorgestellt. Eine Versuchsreihe mit sequentieller Erhöhung der Gesamtmenge von PVA als kolloidalem Stabilisator wurde hinsichtlich der Wasserquellung analysiert. Um die Fähigkeit der PDW-Spektroskopie zur Partikelgrößenbestimmung in diesem Ansatz zu beweisen, wurde Polystyrol, welches mit Natriumdodecylsulfat (SDS) stabilisiert wurde, zusätzlich als Best-Practice Beispielsystem untersucht. Es zeigt sich, dass die PS/SDS-Partikel aufgrund des hydrophilen Charakters der Partikel und des SDS-Stabilisators erwartungsgemäß nicht zur Wasserquellung neigen. Es wird demonstriert, dass die theoretisch berechnete Streuung sehr gut zu den mittels PDW-Spektroskopie experimentell ermittelten Streukoeffizienten μs' übereinstimmt, ohne Anpassungen der Partikel hinsichtlich Wasserquellung vorzunehmen. Mittels des vorgestellten iterativen Ansatzes zur systematischen Fehlerminimierung wurde die Wasserquellung der PVAc/PVA-Partikel in Lösungen von bis zu 50 % w/w Massenanteil Polymer berechnet. Demnach wurde hingegen festgestellt, dass die PVAc/PVA-Teilchen in Dispersion bis zu 40 Volumenprozent Wasser aufnehmen. Erst durch die Annahme der individuell iterativ ermittelten Wasserquellung konnte eine Ermittlung der Partikelgröße mit annehmbaren Fehlerwerten erzielt werden. Da die Wasserquellung eine große Herausforderung für die Inline-Überwachung der Partikel darstellt, und die Analyse der Partikelgröße während ihrer Nukleierung und ihres Wachstums sehr schwierig ist, wurde ein verwandtes System für weitere Untersuchungen gewählt.
Die Co-polymerisation von Vinylacetat und Versa® 10 ist ein industriell relevanter Prozess. Es ist bekannt, dass der Prozess sehr exotherm verläuft und bei der Produktion im Großmaßstab Sicherheitsprobleme auftreten können. In einer Kooperation mit der Universität Hamburg wurden Scale-up-Experimente durchgeführt und mittels inline PDW-Spektroskopie verfolgt. Es zeigte sich auch hier, dass die inline gemessenen optischen Parameter über den ganzen Reaktionsverlauf von bis zu 63 % Massenanteil Polymer darstellbar sind. Es konnte anfängliche Inhomogenität durch unzureichende Durchmischung mittels PDW-Spektroskopie ermittelt werden, die letztendlich zu geringen Umsätzen in den Polymerisationen führten.
Durch den Einsatz der PDW-Spektroskopie als PAT-Werkzeug kann die Polymerisation von Polyvinylacetaten durchgehend in Echtzeit verfolgt werden. Dadurch können sicherheitsrelevante Aspekte minimiert, Inhomogenität der Emulsion detektiert und die resultierenden Produkteigenschaften gezielt gesteuert werden. Der Einsatz der in dieser Arbeit angewandten PDW-Spektroskopie erzielt eine deutliche Erhöhung der Messdatenpunkte während einer Reaktion im Vergleich zu offline Messmethoden, wodurch deutliche Kosten- und Zeitersparnisse im Betrieb erzielt werden können
Harbour porpoise behaviour near bottom set nets and acoustic bycatch mitigation devices
Get PDFBycatch in set net fisheries is considered the biggest threat to small cetacean populations worldwide. In the western Baltic Sea or Belt Sea, concerns around elevated bycatch rates of harbour porpoises (Phocoena phocoena) have already been raised in the 1980s and are nowadays considered above sustainable threshold levels. One of the primary bycatch mitigation tools employed in gillnet fisheries are acoustic deterrent devices (ADD, so-called pingers), that emit artificial sounds with the aim to keep animals away from fishing gear, and which have proven to significantly reduce harbour porpoise bycatch in set net fisheries worldwide. However, concerns about habitat exclusion of harbour porpoises have been raised around them. To address these concerns, the PAL (Porpoise ALert), an alternative acoustic alerting device that emits synthetic harbour porpoise signals from the Belt Sea population was developed. PAL is currently being implemented in a part of the German fishery in the Belt Sea on a voluntary basis after it showed to be effective in reducing harbour porpoise bycatch in gillnet fisheries. However, even with pingers and PAL, bycatch events persist in the fishery. In fact, despite decades of research going into bycatch mitigation, the mechanisms behind bycatch events in gillnets and in the vicinity of mitigation devices remain poorly understood, particularly regarding animal behaviour, as direct observations are methodologically and logistically challenging. The aim of this thesis was to advance knowledge on harbour porpoise behaviour near bottom set nets and near the alerting device PAL in the Belt Sea, as well as looking at whether porpoises habituate to the PAL signal. It further assessed two land-based methods to observe harbour porpoises providing guidance for method selection for future research, thus addressing issues related to the methodological and logistical challenges when studying bycatch of porpoises.
Harbour porpoises are particularly challenging to observe due to their small size and inconspicuous behaviour. To better understand their behaviour, efficient observation tools are required. The theodolite and the drone are two land-based observation methods commonly employed to observe small cetaceans with near shore distribution. In a first step of this thesis, advantages and disadvantages of booth tools where analyzed while studying the harbour porpoise. For this aim, data on their location, behaviour and group sizes of porpoises was collected and compared between methods during a field experiment in Fyns Hoved (Denmark). The theodolite proved to be more adept at rapidly collecting data on the general distribution of porpoises in an area and excelled at gathering data at greater distances. The accuracy of obtained positional data of porpoises at the surface was similar with both methods, but drones revealed a clear advantage in behavioural observations, as they allow recording the animals even under the water surface. Group sizes were also determined more precisely using drones (Chapter 3).
Based on these findings, drones were used to study in more detail the behaviour of porpoises near a bottom set net structure with and without PAL during a targeted experiment in Fyns Hoved (Denmark). These trials were designed to enhance our understanding on underlying behavioural mechanisms leading to entanglement in set bottom nets as well as behavioural reactions of porpoises towards a net equipped with PAL. For this, wild harbour porpoises were recorded with drones and acoustic underwater recorders near a bottom set net structure during an in situ experiment in the Danish Belt Sea and different aspects of their behaviour studied: swimming speed, respiration rates, reaction types towards the net and the PAL and apparent reaction distances. Porpoises demonstrated limited behavioral responses when navigating the net, with the most common reaction being swimming over the float line without any apparent reaction, both in the presence and absence of PAL. Porpoises exhibited a consistent pattern of swimming speed, increasing the speed in direct vicinity of the net and slowing down after interacting with the net. This pattern was observed both when only the net was present as well as when the PAL was attached. The echolocation behaviour of the porpoises showed some significant differences when the PAL was present with minimum inter click interval and click train duration being lower after porpoises crossed the net. In general, during the trials all porpoises navigated the nets efficiently which might suggest that bycatch events could be related to distractions and accidents rather than pure net detection failure (Chapter 4).
To further investigate whether porpoises in Germany might have habituated to the PAL signal since its first implementation in 2017, a long-term experiment was set up in collaboration with some fishers in Germany and Denmark to record the porpoises’ echolocation behaviour near nets with PAL. For this aim, two areas inhabited by animals from the Belt Sea population were selected as the PAL signal is a synthetic porpoise sound from this population and has this far only been successfully tested in this area. As PAL is not employed in the fishery in Denmark, the experiment was conducted under the assumption that porpoises in Denmark are more naïve to the PAL signal, thus considering Denmark as a not-exposed area. To test whether porpoises habituated to PAL in Germany, the echolocation of porpoises on reference stations without PAL and near PAL-equipped nets was compared within Germany and Denmark and between the countries. Four parameters that describe the porpoises’ click trains were selected for this aim and investigated using traditional statistics as well as machine learning models: number of clicks within a click train, the median frequency, the average sound and the minimum inter click interval of a click train. The median values for all four acoustic parameters were very similar, both between the reference stations of both countries and between reference stations and PAL-equipped nets within countries. Based on the four selected click train parameters, habituation of German porpoises towards the PAL was not detected (Chapter 5).
The new findings generated in this thesis address several knowledge gaps associated to the study of harbour porpoises and their interaction with bottom set nets and the PAL in the Belt Sea. The evaluation of the two land-based observation methods gives evidence-based guidance for researchers to choose a suitable method in accordance with their research question and sets a base to maintain comparability among different studies that employed theodolites or drones for similar aims. It further revealed that drones are more suitable to study the behaviour of porpoises as they allow recording the animals even under the water surface. This advantage was further highlighted when studying the behaviour of porpoises interacting with a bottom set net structure in the wild for the first time. The interactions revealed that porpoises are able to navigate nets without getting entangled in them and that they do not exhibit a strong reaction either in behaviour, echolocation or swimming speeds when interacting with nets and the PAL. However, despite their ability to avoid nets during the trials, bycatch persists in actual fisheries which might be attributed to distraction or inexperience rather than a lack of net detectability. It is thus recommended that alerting strategies should be combined with materials enhancing the acoustic detectability of nets to further reduce the bycatch risk. Based on previously available information of the PAL and new findings from this dissertation, the PAL seems to be a good alternative to traditional pingers for the Belt Sea, as PAL do not exclude porpoises from their habitat, and signs of habituation to the signal were not detected in the four analyzed click train parameters. Besides these promising findings, they do not yield information on whether PAL still contributes sufficiently to bycatch reduction in the German fishery. To address this question, it is suggested that a long-term bycatch monitoring scheme be implemented to ascertain whether the proven bycatch reduction effect of the PAL persists over time, given the complexity of the real fishery in the Belt Sea. This is especially relevant in light of the limited information available on German harbour porpoise bycatch rates and the fact that current estimated bycatch levels for the Belt Sea exceed sustainable bycatch thresholds.Der Beifang in der Stellnetzfischerei gilt als die größte Bedrohung für Kleinwalpopulationen weltweit, darunter auch für den in der Ostsee heimischen Schweinswal (Phocoena phocoena). In der westlichen Ostsee oder Beltsee wurde bereits in den 1980er Jahren auf die hohen Beifangraten von Schweinswalen aufmerksam gemacht und auch heutzutage liegen die Beifangraten hier über den als nachhaltig angesehenen Schwellenwerten. Eines der verbreitetsten Instrumente zur Vermeidung des Beifangs von Kleinwalen in der Stellnetzfischerei sind akustische Abschreckvorrichtungen (acoustic deterrent devices - ADDs, sogenannte Pinger), die künstliche Töne aussenden, um die Tiere von den Fanggeräten fernzuhalten und deren Beifang somit weltweit nachweislich erheblich reduzieren. Dennoch liegen Bedenken hinsichtlich der Vertreibung von Schweinswalen aus ihren Lebensräumen vor. Um der großräumigen Vertreibung von Schweinswalen entgegenzuwirken, wurde der sogenannte PAL (Porpoise ALert) entwickelt. Der PAL ist ein alternatives akustisches Warngerät, das nachgeahmte Laute von Schweinswalen der Beltsee-Population aussendet. PAL hat sich als wirksam bei der Verringerung des Schweinswalbeifangs erwiesen und wird seit 2017 auf freiwilliger Basis von einem Teil der deutschen Fischerei in der Beltsee eingesetzt. Dennoch kommt es trotz Pinger- und PAL-Einsatz weiterhin zu Beifängen von Schweinswalen in der Stellnetzfischerei. Auch nach jahrzehntelanger Forschung im Bereich der Beifangreduzierung sind die zugrundeliegenden Mechanismen hinter den Beifangereignissen in Stellnetzen sowie in der Nähe von technischen Maßnahmen zur Beifangreduzierung nach wie vor nur unzureichend bekannt. Dies betrifft insbesondere das Verhalten der Tiere, da direkte Beobachtungen methodisch und logistisch schwierig sind. Ziel dieser Arbeit war es, das Wissen über das Verhalten von Schweinswalen in der Nähe von Stellnetzen und dem Warngerät PAL in der Beltsee zu erweitern und zu untersuchen, ob sich Schweinswale an das PAL-Signal gewöhnen. Darüber hinaus wurden zwei landgestützte Methoden zur Beobachtung von Schweinswalen bewertet. Die Ergebnisse dieser Bewertung, einschließlich der Betrachtung von logistischen Herausforderungen, stellen eine Orientierungshilfe für die Auswahl von Methoden in künftigen Forschungsarbeiten dar, deren Ziel die Untersuchung des Beifangs von Schweinswalen und seiner Ursachen ist.
Schweinswale sind aufgrund ihrer geringen Größe und ihres unauffälligen Verhaltens besonders schwierig zu beobachten. Um ihr Verhalten besser zu verstehen, sind effiziente Beobachtungsinstrumente erforderlich. Der Theodolit und die Drohne sind zwei Beobachtungsmethoden, die häufig zur Beobachtung von Kleinwalen in Küstennähe eingesetzt werden. In einem ersten Schritt dieser Arbeit wurden die Vor- und Nachteile der beiden Beobachtungsinstrumente für die Untersuchung des Schweinswals analysiert. Zu diesem Zweck wurden während eines Feldexperiments in der dänischen Beltsee bei Fyns Hoved (Dänemark) Daten über die Position, das Verhalten und die Gruppengröße von Schweinswalen gesammelt und zwischen beiden Methoden verglichen. Es zeigte sich, dass der Theodolit besser geeignet ist, um schnell Daten über die allgemeine Verteilung der Schweinswale in einem Gebiet zu sammeln und bei der Erfassung von Daten über größere Entfernungen bessere Ergebnisse liefert. Die Genauigkeit der gewonnenen Positionsdaten der Schweinswale an der Oberfläche war bei beiden Methoden ähnlich, aber Drohnen zeigten einen klaren Vorteil bei Verhaltensbeobachtungen, da sie die Erfassung der Tiere auch unter der Wasseroberfläche ermöglichen. Die Gruppengrößen wurden mit Drohnen ebenfalls genauer bestimmt (Kapitel 3).
Auf der Grundlage der Erkenntnisse aus Kapitel 3 wurden daher Drohnen eingesetzt, um das Verhalten von Schweinswalen in der Nähe einer Stellnetzstruktur mit und ohne PAL vor der Küste von Fyns Hoved (Dänemark) detaillierter zu untersuchen. Diese Versuche sollten das Verständnis für die zum Beifang führenden Verhaltensmechanismen, sowie für die Reaktionen von Schweinswalen auf eine mit PAL ausgestattete Netzstruktur verbessern. Während der Versuche wurden zusätzlich zu Drohnen auch Unterwasser-Akustikrekorder in der Nähe der Stellnetzstruktur ausgebracht. Verschiedene Aspekte des Verhaltens der Tiere wurden aufgezeichnet bzw. bestimmt: Schwimmgeschwindigkeit, Atmungsraten, Reaktionen auf das Netz und den PAL sowie Reaktionsdistanzen. Schweinswale zeigten in ihrem Verhalten begrenzte Reaktionen bei der Bewegung entlang der Netzstruktur. Die häufigste Reaktion auf das Netz und das Netz mit PAL war das Schwimmen über die Schwimmleine hinweg, ohne eine offensichtliche Abweichung der Schwimmrichtung. Schweinswale zeigten ein einheitliches Muster der Schwimmgeschwindigkeit, wobei die Geschwindigkeit in unmittelbarer Nähe der Netzstruktur zunahm und sich nach der Interaktion mit der Netzstruktur verlangsamte. Dieses Muster wurde sowohl während nur die Netzstruktur im Wasser war beobachtet, als auch wenn der PAL an der Netzstruktur war. Das Echoortungsverhalten der Schweinswale hingegen wies signifikante Unterschiede, je nachdem, ob PAL an der Netzstruktur war oder nicht. Sowohl das kürzeste Intervall zwischen den Klicks in einer Klicksequenz und die Dauer der Klicksequenz waren geringer, nachdem die Schweinswale über die Netzstruktur mit dem PAL geschwommen waren. Während der Versuche gab es keine Anzeichen, dass Schweinswale Probleme hatten, die Netzstruktur zu vermeiden oder darüber hinweg zu schwimmen, was darauf hindeuten könnte, dass Beifangereignisse eher auf Ablenkungen und Unfälle, als auf eine grundsätzlich fehlende Möglichkeit das Netz wahrzunehmen, zurückzuführen sind (Kapitel 4).
Um zu prüfen, ob sich Schweinswale in Deutschland, wo PAL bereits seit 2017 regelmäßig eingesetzt werden, an das PAL-Signal gewöhnt haben, wurde das Echoortungsverhalten der Tiere in einem Langzeitexperiment in Zusammenarbeit mit einigen Fischern durchgeführt. Dafür wurden zwei Gebiete in Deutschland und in Dänemark ausgewählt, die beide von der Beltsee-Population bewohnt werden. Da PAL in Dänemark nicht in der Fischerei eingesetzt werden, wurde bei dem Versuch davon ausgegangen, dass die Schweinswale in Dänemark naiver gegenüber dem PAL-Signal sind, und daher Dänemark als nicht exponiertes Gebiet definiert. Die Echoortung der Schweinswale wurde zwischen Referenzstationen ohne PAL und Stationen in der Nähe von mit PAL ausgestatteten Stellnetzen sowohl innerhalb Deutschlands und Dänemarks, als auch zwischen diesen Ländern verglichen. Zu diesem Zweck wurden vier Parameter, die eine Klicksequenz beschreiben, ausgewählt und mit Hilfe traditioneller Statistikmethoden sowie verschiedener maschineller Lernmodelle untersucht: Anzahl der Klicks, mittlere Frequenz, durchschnittlicher Schalldruck sowie das kürzeste Intervall zwischen den Klicks einer Klicksequenz. Die Medianwerte für alle vier akustischen Parameter waren sowohl zwischen den Referenzstationen beider Länder als auch zwischen den Referenzstationen und den mit PAL ausgerüsteten Netzen innerhalb beider Länder sehr ähnlich. Auf der Grundlage der vier ausgewählten Klicksequenz-Parameter konnte also keine Gewöhnung der deutschen Schweinswale an den PAL festgestellt werden (Kapitel 5).
Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse liefern wertvolle Einsichten zur Untersuchung von Schweinswalen, ihrer Interaktion mit Stellnetzen und dem PAL in der Beltsee und konnten somit einige bestehende Wissenslücken füllen. Die Bewertung der beiden Beobachtungsmethoden gibt Forschenden evidenzbasierte Anhaltspunkte für die Auswahl einer geeigneten Methode für ihre Forschungsfrage und schafft eine Grundlage für die Vergleichbarkeit verschiedener Studien, bei denen Theodoliten oder Drohnen für ähnliche Ziele eingesetzt werden. Es zeigte sich außerdem, dass Drohnen besser geeignet sind, das Verhalten von Schweinswalen zu untersuchen, da sie Aufnahmen auch unter der Wasseroberfläche ermöglichen. Dieser Vorteil wurde noch deutlicher, als das Verhalten von wild lebenden Schweinswalen zum ersten Mal in der Nähe von einer am Boden befestigten Netzstruktur gefilmt wurde. Die Interaktionen zeigten, dass Schweinswale grundsätzlich in der Lage sind, sich in der Nähe von Netzen aufzuhalten, ohne sich darin zu verfangen, und dass sie weder im Verhalten, bei der Echoortung oder in der Schwimmgeschwindigkeit stark auf die Netze und das PAL reagieren. Trotzdem kommt es in der kommerziellen Fischerei immer wieder zu Beifängen, was eher mit Ablenkung oder Unerfahrenheit einzelner Tiere als mit einer grundsätzlich fehlenden Möglichkeit, Netze wahrnehmen zu können, zusammenhängen könnte. Es wird daher empfohlen, akustische Warngeräte wie Pinger oder das PAL gleichzeitig mit Strategien zu kombinieren, die die Netze für Schweinswale akustisch wahrnehmbarer machen, um das Beifangrisiko weiter zu verringern. Basierend auf den bisher verfügbaren Informationen über PAL und den neuen Erkenntnissen aus dieser Arbeit, scheint PAL eine gute Alternative zu herkömmlichen Pingern für die Beltsee zu sein, da der PAL Schweinswale nicht aus ihrem Lebensraum ausschließt sowie in den vier untersuchten Klicksequenz-Parametern keine Anzeichen für eine Gewöhnung an das PAL-Signal festgestellt wurden. Die Ergebnisse geben allerdings keinen Aufschluss darüber, ob PAL noch ausreichend wirksam zur Reduzierung der Beifänge in der deutschen Fischerei beiträgt. Zur Beantwortung dieser Frage wird empfohlen, ein langfristiges Beifangerfassungsprogramm einzuführen, um festzustellen, ob die nachgewiesene Wirkung von PAL auf die Reduzierung der Beifänge langfristig und unter Berücksichtigung der Komplexität der realen Fischerei in der Beltsee immer noch besteht. Dies ist besonders wichtig, wenn man berücksichtigt, dass nur wenige Informationen über den Beifang von Schweinswalen in Deutschland zur Verfügung stehen und dass die derzeit geschätzten Beifangmengen in der Beltsee insgesamt über den nachhaltigen Beinfang-Grenzwerten liegen
Futtermittelauthentifizierung: Bewertung metabolombasierter Ansätze zur geografischen Klassifizierung am Beispiel von Körnermaisproben
No full textDie Rückverfolgbarkeit von Waren, insbesondere Lebensmitteln und Futtermitteln wird zunehmend relevanter, vor allem da der Handel und die Lieferketten im Zuge der Globalisierung immer komplexer werden. Körnermais als wichtiges Futtermittel ist besonders anfällig für betrügerische Umdeklarationen der Warenherkunft. Der Handelsmarkt für Körnermais ist international, gleichzeitig beeinflusst der Anbauort nicht nur die ernährungsphysiologische Qualität des Futtermittels, sondern ist auch ein Risikofaktor für eine Kontamination mit Mykotoxinen. Heutzutage erfolgt die Verifikation des Anbaulandes jedoch immer noch hauptsächlich über Lieferdokumente. Folglich ist eine objektive analytische Verifikation des Anbauortes von Körnermais erforderlich. Insbesondere die Analyse des Metaboloms (Gesamtheit aller Stoffwechselprodukte) erscheint naheliegend, da dieses dem Phänotyp am nächsten ist und somit empfänglich für Umwelteinflüsse ist.
Daher wurde die Möglichkeit der Herkunftsverifikation von Körnermaisproben in dieser Arbeit untersucht. Hierfür kamen zwei analytische Verfahren zum Einsatz: die flüssigkeitsgekoppelte Massenspektrometrie (LC-MS) sowie die Fourier-transformierte Nahinfrarotspektroskopie (FT-NIR-Spektroskopie).
Um sicherzustellen, dass die beobachteten Unterschiede von der unterschiedlichen geographischen Probenherkunft herrührten und nicht aus Sortenunterschieden resultierten, wurden insgesamt 81 Proben aus Landessortenversuchen analysiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass – im Einklang mit der Literatur – der Einfluss der Herkunft mit im Mittel 12.0-25.6 % viel bedeutsamer ist, als jener der Sorte mit lediglich 7.8-9.1 % beeinflussten Features.
Bei der Analytik mittels FT-NIR-Spektroskopie stellte sich eine Vermahlung der Körnermaisproben als vorteilhaft heraus. Insgesamt wurden 101 Proben aus fünf unterschiedlichen Ländern analysiert. Mittels statistischer Tests und multivariater Datenanalyse wurden herkunfts-spezifisch beeinflusste Bereiche der FT-NIR-Spektren identifiziert. Diese entsprachen den Absorptionsbanden von Proteinen, Stärke sowie Lipiden. Diese Bereiche des Spektrums wurden zur Klassifikation mittels des Support-Vector-Machines-Algorithmus mit einer linearen Kernelfunktion genutzt, wobei eine Erfolgsrate von 94.7 % mittels Kreuzvalidierung (10 folds, 100 Wiederholungen) erreicht wurde. Die Robustheit der Methode wurde zudem überprüft, indem weitere 72 Proben aus Frankreich und Ungarn analysiert wurden, die mittels eines anderen Verfahrens vermahlen und zudem für 24 h gefriergetrocknet wurden.
Im Falle der LC-MS-Analytik wurden insgesamt 151 Proben aus sieben unterschiedlichen Ländern untersucht. Um das Körnermais-Metabolom analytisch zu erfassen, wurden zunächst zwei Methoden für die Extraktion von polaren bzw. unpolaren Metaboliten optimiert. Dabei zeigte sich, dass polare Metabolite bevorzugt mittels einer Mischung aus Methanol und Wasser (2:1 v/v) extrahiert werden konnten, während unpolare Metabolite optimaler Weise mittels einer Bligh & Dyer-basierten Extraktionsmethode abgedeckt wurden.
Mittels statistischer Tests und multivariater Datenanalyse wurden herkunfts-spezifisch beeinflusste Features in den LC-MS-Daten der unpolaren Metabolite, welche im positiven Ionenmodus detektiert werden konnten, ermittelt. Dieses Subset des Metaboloms erwies sich sowohl als sehr abundant, als auch gleichzeitig am robustesten gegenüber eventuellen Sorteneinflüssen.
Folglich wurde diese Methode zur analytischen Herkunftsverifikation herangezogen. Mittels statistischer Tests und multivariater Datenanalyse wurden 20 herkunfts-spezifisch beeinflusste Features in den LC-MS-Analysen identifiziert. Die Klassifizierung mittels Random-Forest-Algorithmus erzielte dabei eine Erfolgsrate von 90.5 % in der Kreuzvalidierung (10 folds, 100 Wiederholungen). Die Markersubstanzen wurden als Lipide identifiziert, die den Klassen der Phospholipide sowie den Di- und Trigylceriden angehörten. Die prinzipielle Eignung der zuvor mittels hochauflösender LC-MS-Analyse auf der Ebene der unfragmentierten Analyten (MS1-Ebene) halb-quantitativ detektierten Markermetabolite wurde für ein Subset von neun Markern ebenfalls quantitativ auf MS2-Ebene verifiziert. Dabei wurden kongruente Klassifizierungs-ergebnisse erhalten.
Die Robustheit der 20 identifizierten Markersubstanzen, wurde zudem ausführlich untersucht. Insbesondere wurden die Metabolite in Hinblick auf ihre Lagerungsstabilität der erstellten Extrakte verifiziert.
Schließlich wurde eine Datenfusion, der mittels der beiden Analysemethoden erhobenen Daten durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass eine Fusion der Analysedaten auf low-level Ebene zu besseren Klassifizierungsergebnissen mittels des Random-Forest-Algorithmus führte (97.3 % für die Fusion der 20 LC-MS-Metabolite und der 216 spezifischen Wellenzahlen der FT-NIR-Spektren), als die jeweiligen Einzelmethoden. Dieses Ergebnis unterstreicht die Möglichkeit der Optimierung eines Klassifikationsmodells durch die Nutzung zweier zueinander orthogonaler Analysenmethoden.The traceability of goods, especially food and feed, is an emerging topic, as trade and supply chains are more and more complex in a globalized market. Especially grain maize is prone to fraud regarding the origin of growth: The market for maize is internationalized and the growth location could not only influence the quality of grain maize, but also influence the risk of mycotoxin contamination. Today, this verification of the origin is mainly done by checking shipping documents, which may be distorted. In conclusion there is a high need of analytical methods for verification e. g. to be able to objectively trace back the origin of feed samples. Analyzing the metabolome for origin verification is straightforward, as it is closest to the phenotype and therefore, very sensitive to environmental influences.
Therefore, the ability of analytical methods for a verification of the geographical origin of grain maize is accessed in this work. Two analytical methods, liquid chromatography online-coupled to mass spectrometry (LC-MS) as well as Fourier-transformation near-infrared spectroscopy (FT-NIR spectroscopy) were used.
To assure that the observed variations were caused by differences of growth origin (and not by varietal differences) in total 81 samples of varietal trials were analyzed first. It could be shown, that in accordance with literature the influence of the geographical location of the growth origin had a much bigger influence (mean 12.0-25.6 vs. 7.8-9.1 % regulated features by origin resp. variety).
For FT-NIR spectroscopy, it was also found that the preferred sample form for the NIR beam is a ground sample. In total, 101 samples from five different countries were measured by FT-NIR spectroscopy for building an origin differentiation model. By using multivariate data analysis specific marker bands suitable for determining the origin of grain maize could be identified, which were located in the regions of absorbance of proteins, starches and lipids. Classification algorithms showed a successful rate of 94.7 % in a 100 times repeated 10-fold cross-validation support vector machines classification using a linear kernel function. The robustness of the method was further accessed by measuring another 72 samples from France and Hungary, which were prepared by a different mill and lyophilized afterwards. In case of LC-MS analysis, 151 samples from seven different countries were considered. To assure that the metabolome was optimal covered first two extraction methods were first optimized for maximum coverage. It turned out, polar metabolites of grain maize are preferently extracted using a mixture of methanol and water (2:1 v/v), while non-polar metabolites are best covered by using a Bligh & Dyer-based extraction method.
By using multivariate data analysis 20 promising specific marker features could be identified by means of LC-MS analysis from non-polar metabolites detected in the positive ion mode. Classification of statistical relevant markers using random forest algorithm showed a successful rate of 90.5 % in a 100 times repeated 10-fold cross-validation. The robustness of the model to different varieties was tested, as well as its performance when the number of marker features is downscaled to be more feasible to use. The selected markers were identified to belong to the class of triglycerides, diglycerides and phospholipids. The feasibility of these marker substances in terms of a quantitative analysis were exemplary conducted for a subset of nine marker substances, which resulted in comparable classification results.
The robustness of the 20 identified marker metabolites was carefully analyzed. In particular, the stability of the extracts obtained was investigated.
Finally, the data obtained by the two analytic methods were also combined to a low-level fusion classification model. Using this strategy correct classification results of 97.3 % (using fused data of 20 LC-MS marker substances and 216 wavenumbers of FT-NIR spectra) could be achieved using the random forest algorithm, which performed better than the respective analytical methods without combination. These results underline the possibility of optimization of a classification model by the combined usage of two different orthogonal analytical approaches
Exploring Potential: ALPS II’s TES Detection System for Direct Dark Matter Searches
Get PDFThis thesis both proposes and experimentally explores the opportunity to operate Transition Edge Sensors (TES) as detectors for Dark Matter (DM)-scattering by simultaneously employing them as target and sensor. By exploiting their microcalorimetric capabilities and sensitivity to low energy depositions, competitive limits can be set on low mass DM interactions based on electron scattering. Further limits on absorption and DM-nucleon scattering can be determined as well. With a sensitive area of 25 μm × 25 μm, 20 nm thickness, and a mass of just 0.2 ng, the TES sensors are not comparable to large scale experiments searching for ∼GeV-scale Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs). However, the sensors’ sensitivity to energy depositions as low as ∼ 0.3 eV enables sensitivity to much lower sub-MeV DM masses. TES are operated on the transition curve between the normal and superconducting state, where the sensor is sensitive to the smallest energy depositions, yielding detectable pulses. Based on the detector’s sensitivity, especially to single near-infrared photons, it should also be sensitive to sub-MeV to high MeV DM particles scattering in its electron or nucleon systems. By exploiting the similarity of these processes and using the ALPS II experiment’s TES detection system, dedicated DM searches were performed with two distinct TES detection modules. In dedicated experimental setups, the well-known ALPS II-optimized analysis scheme was employed to determine ideal detector configurations for DM searches in need of a sufficiently large energy bandwidth. In a next step, the detector’s energy response was investigated by analyzing the pulse shapes of photons from different lasers with photon energies from 0.76 eV to 1.41 eV. During these tests, a linear proportionality between the pulse’s integral with the energy was found, while at the same time, the rise and decay time of the pulses stayed predominantly constant over these energies. This performance along with subsequent simulations of signal pulses over a larger energy range can be used for a dedicated event selection to isolate photon-like pulses from the various backgrounds present in the system. Therefore, these background sources, including fast (baseline) noise spikes, are mitigated by dedicated analysis and straightforward cutting schemes. Dedicated DM search measurements are performed using two different detector modules. The measurement and analysis pipeline was optimized for module TES D. A second module TES F with a setup adjusted for DM search measurements is presented in a preliminary analysis, as well. DM search measurements of 489 h and 400 h have been performed, respectively. By applying dedicated event selections to each, limits on different DM parameter spaces have been set for both, considering expected DM interaction rates in the explored DM mass range. The resulting limits are compared to results originating from similar experimental efforts, especially one employing Superconducting Nanowire Single Photon Detectors (SNSPDs) as both target and sensor, as well. The TES modules are able to surpass limits set by the first generation of these SNSPDs for lower masses in the light mediator limit. However, limits set by a dedicated optimized second generation SNSPD experiment exceed both. Nevertheless, this enhancement from a first to a second upgraded generation already exemplifies the strength of such an approach, as similar improvements can be explored for TES detectors as well. Therefore, projections for possible future detection scenarios are explored, presenting the strength of possible second generation TES
detection systems. Hence, it was shown for the first time, that TES detectors can be used as a simultaneous sensor and target in direct DM experiments with a plethora of possibilities for further upgrades and optimization
Development and Implementation of New Diagnostic Approaches for Prognostic Evaluation and Therapeutic Management in Allogeneic Hematopoietic Stem Cell Transplantation
Get PDFDie allogene Stammzelltransplantation (allo-HSCT) bietet bei einer Vielzahl maligner Erkrankungen eine potenzielle Heilung, ist jedoch mit erheblichen Risiken therapieassoziierter Morbidität und Mortalität sowie, in einigen Fällen, dem Risiko eines Rückfalls der Erkrankung verbunden. Daher werden dringend präzise diagnostische Ansätze benötigt, die es erlauben, Patientinnen und Patienten vor der Transplantation zu stratifizieren sowie nach der Transplantation durch eine frühzeitige Anpassung der Therapie Rückfälle zu verhindern. Das Ziel der vorliegenden Arbeit mit dem Titel "Entwicklung und Anwendung neuer diagnostischer Verfahren zur Prognoseabschätzung und Therapiesteuerung bei zellulären Therapien" bestand darin, in verschiedenen Patientenkohorten (Myelofibrose, akute myeloische Leukämie [AML], chronisch myelomonozytäre Leukämie [CMML]) Prognosefaktoren für das Überleben und das Rückfallrisiko nach allo-HSCT zu identifizieren und zu validieren sowie die Auswirkung von Therapieinterventionen wie Spender-Lymphozyten-Infusionen (DLI) zu untersuchen. Dazu wurden verschiedene Faktoren analysiert, die Verlauf und Ergebnis nach allo-HSCT beeinflussen, darunter genetische Mutationen, der Status der minimalen Resterkrankung (MRD) und therapeutische Interventionen. Die Studien umfassten retrospektive Analysen von Patienten mit Myelofibrose (349 Patienten), CMML (240 Patienten), refraktärer AML (56 Patienten) und rezidivierter Myelofibrose (37 Patienten). Verschiedene prognostische Scores, molekulargenetische Analysen und der MRD-Status (z.B. am Tag 100 nach allo-HSCT) wurden genutzt, um das Überleben und das Risiko von Rezidiven und Transplantat-assoziierter Mortalität (Nicht-rezidivbedingte Mortalität, NRM) zu bewerten. Folgende Ergebnisse wurden erzielt:
Myelofibrose: Patienten mit TP53-Mutationen hatten ein signifikant schlechteres Gesamtüberleben (OS) im Vergleich zu Patienten ohne TP53-Mutation (median: 1,5 Jahre vs. 13,5 Jahre) und höherer Rückfallrate assoziiert. Ein komplexer Karyotyp verschlechterte ebenfalls das Ergebnis nach allo-HSCT signifikant.
CMML: Ein im Rahmen der Arbeit entwickelter, prognostischer CMML-Transplantationsscore, der Mutationen in ASXL1 und NRAS sowie den Blastenanteil berücksichtigt, zeigte eine starke Vorhersagekraft für das Gesamtüberleben und die nicht-rezidivbedingte Mortalität (NRM).
Refraktäre AML: Der MRD-Status am Tag 100 nach Transplantation war ein starker Prädiktor für das Gesamtüberleben und die Krankheitsfreiheit. MRD-negative Patienten hatten signifikant bessere Ergebnisse (1-Jahres-OS 76% vs. 35% bei MRD-positiven).
Rezidivierte Myelofibrose: DLI-Gaben führten zu einer hohen Gesamtansprechrate (73%), wobei molekulare Komplettremissionen häufiger erreicht wurden, wenn nur ein molekulares Rezidiv vorlag. Chronische Spender-gegen-Wirt-Krankheit nach DLI war mit einem besseren Ansprechen assoziiert.
Zusammengefasst zeigten die im Rahmen der Arbeit veröffentlichten Studien, dass genetische Marker, insbesondere TP53-Mutationen, sowie der MRD-Status am Tag 100 nach der allo-HSCT starke prognostische Faktoren für das Überleben und das Rückfallrisiko sind. Der neu entwickelte CMML-Transplantationsscore erlaubt eine präzisere Risikostratifizierung für CMML-Patienten. DLI-Therapien bieten vielversprechende Ergebnisse bei der Behandlung von rezidivierter Myelofibrose und refraktärer AML, insbesondere bei molekularem Rückfall. Insgesamt sind genetische Analysen und der MRD-Status entscheidend für die Optimierung der Therapie und das Management nach der Transplantation. Die in der vorliegenden Arbeit etablierten innovativen Diagnostikansätze können zukünftig dazu beitragen, die Behandlungsergebnisse in der klinischen Praxis zu verbessern und zellbasierte Therapien für eine breitere Patientengruppe zugänglicher und sicherer zu gestalten
Kolloidale Synthese von InAs Nanokristallen: von Clustern zu ultragroßen Quantenpunkten, InAs/ZnS Quantenpunkten mit verbesserter Photolumineszenz und lumineszierenden „giant shell“ InAs/ZnSe/ZnS Quantenpunkten über „grüne“ Verfahren
Get PDFThis work makes a significant contribution to expanding the available nanoparticle sizes and spectral range of RoHS-compliant colloidal indium arsenide (InAs) quantum dots (QDs) and InAs clusters, as well as to expanding the material portfolio of luminescent InAs QDs. All
syntheses were carried out using non-pyrophoric, commercially available `green` precursors.
The absorption edge of the colloidal InAs QDs was successfully shifted into the mid-infrared (MIR) range above ~2,600 nm, with particle sizes of up to 40 nm on average, exceeding the previously reported values by a factor of about three. Colloidal synthesis of such large nanoparticles was previously considered to be unattainable. Additionally, a novel synthesis approach – seedless growth – has been developed in this work.
It was possible to synthesize InAs clusters via a `green` route for the first time, without the use of pyrophoric precursors. In addition, ultra-small, ultraviolet-active structures were observed. By heating the clusters, small monodisperse InAs QDs were synthesized.
Furthermore, luminescent, RoHS-compliant indium arsenide/zinc sulfide (InAs/ZnS) core/shell QDs were developed. Photoluminescence quantum yield (PL QY) of ~48% at an emission wavelength of ~1,000 nm was achieved, surpassing literature values by a factor of about four. Additionally, the first `green` synthesis route for luminescent `giant` shell indium arsenide/zinc selenide/zinc sulfide (InAs/ZnSe/ZnS) QDs was demonstrated.
Overall, the results of this work open up new horizons for both fundamental research and practical applications of III-V QDs and clusters, overcoming synthetic challenges that have persisted for decades, and advancing the development of eco-friendly, low-cost (infrared) quantum materials of the next generation.Diese Arbeit leistet einen signifikanten Beitrag zur Erweiterung der verfügbaren Partikelgröße und des Spektralbereichs RoHS-konformer kolloidaler Indiumarsenid (InAs) Quantenpunkte (engl. quantum dots, QDs) und InAs Cluster, sowie zur Erweiterung des Materialportfolios
lumineszenter InAs QDs. Alle Syntheserouten wurden gezielt unter Verwendung kommerziell erhältlicher, nicht-pyrophorer „grüner“ Vorläufer entwickelt.
Im Rahmen der Arbeit konnte die Absorptionskante von kolloidalen InAs QDs erfolgreich in den mittleren Infrarotbereich über ~2600 nm verschoben werden. Dies geschah durch erfolgreiche Synthese großer InAs QDs mit mittleren Partikeldurchmessern von bis zu 40 nm, was die bisher berichteten Werte um rund das Dreifache übertrifft. Kolloidale Synthese solch großer Nanopartikel galt bisher als unrealisierbar. Es wurde darüber hinaus eine neue kolloidale Synthesemethode – seedless growth – entwickelt.
Des Weiteren gelang es, InAs Cluster durch eine „grüne“ Synthese ohne Verwendung pyrophorer Substanzen herzustellen. Auch wurden ultrakleine, ultraviolett-aktive Strukturen erhalten. Durch Hochheizen der Cluster konnten kleine monodisperse InAs QDs hergestellt werden.
Darüber hinaus wurden RoHS-konforme lumineszierende Indiumarsenid/Zinksulfid (InAs/ZnS) Kern/Schale-Partikel mit einer Photolumineszenz-Quantenausbeute (engl. photoluminescence quantum yield, PL QY) von ~48% bei einer Emissionswellenlänge von ~1000 nm synthetisiert. Dies übertrifft die bisher berichteten Literaturwerte für InAs/ZnS QDs um rund das Vierfache. Zudem wurde die erste „grüne“ Syntheseroute lumineszenter „giant“ shell Indiumarsenid/Zinkselenid/Zinksulfid (InAs/ZnSe/ZnS) QDs demonstriert.
Insgesamt eröffnen die Ergebnisse dieser Arbeit neue Ansätze sowohl für die Grundlagenforschung, als auch für praktische Anwendungen von III-V QDs und Clustern. Sie tragen maßgeblich zur Entwicklung umweltfreundlicher, kostengünstiger (infraroter) Quantenmaterialien der nächsten Generation bei
Predictors of Treatment Failure, Second-Line Therapy Outcomes, and Patient Satisfaction After Prostatic Artery Embolization: A Retrospective Study in Benign Prostatic Hyperplasia
Get PDFEffects of antenatal corticosteroid treatment on immune cell development and seeding of secondary lymphoid organs in the offspring
Get PDFAntenatal corticosteroids (ACS) are routinely given to women at risk of preterm birth to enhance lung maturation and improve neonatal survival. While the benefits of ACS are well-established, the immune-modulating effects of glucocorticoids, such as thymic atrophy and T cell depletion, raise concerns about potential impacts on neonatal immunity. Although the general effects of glucocorticoids on immune cells are known, the specific consequences of steroid-induced lymphopenia for susceptibility to neonatal infections remain unclear. In this thesis, the effects of prenatal betamethasone exposure on immune cell development and the neonatal response to viral infections were investigated using a pregnancy mouse model. Prenatal steroids reduced lymphoid progenitors and delayed the migration of mature immune cells to the periphery. Despite this, immune responses to neonatal MCMV infection were not significantly compromised by a single dose of steroids, even though viral clearance in the lungs was delayed. In conclusion, antenatal steroid exposure induced a generalized but transient lymphopenia and delayed peripheral seeding of immune cells. However, the neonatal immune system exhibited a strong regenerative capacity, effectively managing the immune response to neonatal MCMV infection even after the challenges posed by a single administration of steroids.Die Antenatale Kortikosteroidtherapie (ANS) wird in der Schwangerschaft im Falle einer drohenden Frühgeburtlichkeit routinemäßig angewandt, um die Lungenreifung des Kindes zu induzieren und somit dessen Überlebenschancen zu verbessern. Die Vorteile pränataler Steroide sind unumstritten, dennoch können erhebliche Veränderungen auf das junge Immunsystem, wie beispielsweise T-Zell-Depletion und Thymusatrophie, festgestellt werden. Das deutet darauf hin, dass es tiefgreifendere Effekte auf das Immunsystem der Nachkommen durch pränatale Steroide geben könnte. Obwohl viel über die allgemeinen immunmodulatorischen Auswirkungen von Glukokortikoiden bekannt ist, gibt es bislang nur wenige Daten zu den spezifischen Folgen von ANS-induzierter Immunzelldepletion im Rahmen von neonatalen Infektionen. In dieser Arbeit wurden die Auswirkungen von pränataler Betamethasongabe auf die Entwicklung von Immunzellen sowie deren Funktion im Rahmen einer neonatalen CMV-Infektion anhand eines Schwangerschaftsmausmodells untersucht. Pränatale Steroide führten zu einer Reduktion von lymphoiden Vorläuferzellen und zu einer verspäteten Migration reifer Immunzellen in die Peripherie. Die Immunantwort auf eine neonatale Infektion mit Cytomegalovirus (MCMV) war jedoch bis auf eine Verzögerung der Viruselimination in der Lunge unbeeinträchtigt.
Zusammenfassend riefen ANS eine generalisierte, aber vorübergehende Lymphopenie in den Neugeborenen hervor und verzögerten die Auswanderung von Immunzellen in die peripheren Organe. Das neonatale Immunsystem bewies jedoch eine starke Regenerationsfähigkeit und konnte auch trotz der steroidbedingten Veränderungen eine CMV-Infektion in der Neugeborenenperiode effektiv bewältigen
Integration sensomotorischer Testverfahren zur Bewertung der Propriozeption in Return-to-Sport Testbatterien: Implikationen für Forschung und Praxis
Get PDFReturning to sports after an anterior cruciate ligament injury is a complex and highly individualized decision-making process. Such injuries destroy sensorimotor receptors, which cannot be restored even through surgical reconstruction. The resulting reduction in proprioceptive abilities can impair knee joint stability and athletic performance, increasing the risk of re-injury to the ipsilateral and contralateral knees. Various return-to-sport test batteries have been proposed in the literature. Based on cut-off criteria, these test batteries aim to determine whether an athlete can safely resume sports activity without a high risk of re–injury following an anterior crucitae ligament injury. They consist of different combinations of strength, jump, balance, agility, and psychological tests. However, there is currently no test battery that reliably predicts a safe return to sports, as evidenced by the high re–injury rates in both the previously affected and contralateral knees. Notably, none of the existing test batteries include sensorimotor assessments to evaluate proprioception. Active knee joint angle reproduction tests are commonly used to assess proprioceptive abilities and fall under joint position sense tests. These tests measure knee angle reproduction errors by comparing the actively reproduced angle from the ipsilateral or contralateral limb to a predetermined reference angle. The reproduction error is defined as the difference between the set and reproduced angles. Comparisons are made between the left and right legs or between the injured and uninjured extremities. Different testing protocols are used, including variations in body position, knee movement direction, reference angles, joint angle speeds, and measurement instruments. However, the lack of standardization limits the comparability of results. Furthermore, there is currently no clear evidence of how body position, movement direction, and the dominance of the reference limb influence reproduction errors in the active contralateral knee joint angle reproduction test. Understanding these factors is essential for integrating sensorimotor testing into return–to–sport test batteries. Establishing a standardized protocol could enhance the reliability of such assessments and improve clinical decision-making. This dissertation aimed to systematically review the literature to identify key person–independent factors influencing reproduction errors in active knee joint angle reproduction tests. Through empirical studies, the active contralateral knee joint angle reproduction test was examined in a healthy cohort under different controlled testing conditions. Understanding these influencing factors is crucial for developing valid return–to–sport test batteries. This scientific advancement could improve rehabilitation protocols, enable athletes to return to sports more safely and effectively, and reduce the risk of re–injury. To enhance one’s understanding of , a systematic review with an additional meta–analysis was first conducted to investigate the key non-person-dependent test factors in active knee joint angle reproduction tests. The findings revealed significant differences in knee joint angle reproduction errors based on body position, movement direction, and pre–fatigue. Limited literature was available specifically for the active contralateral knee joint angle reproduction test, although this test appears to be particularly sensitive in detecting proprioceptive deficits after anterior cruciate ligament rupture. Building on these findings, two experimental studies were conducted to investigate differences in active contralateral knee joint angle reproduction errors with respect to body position, movement direction, and leg dominance. The results indicated that body position and the dominance of the reference limb were the primary factors influencing test outcomes in a healthy, physically active cohort, whereas movement direction had no statistically significant effect. To support the application of these results in clinical and sport science practice, a prospective cohort study was implemented in the final phase. This study examined patients two years post anterior cruciate ligament reconstruction, comparing them with a healthy controls with the active contralateral knee joint angle reproduction test. The results demonstrated no significant differences in reproduction errors between the patient group and the control group, nor between the reconstructed and contralateral limbs within the patient cohort. These findings have practical implications for integrating active knee joint angle reproduction testing into return to sport test batteries. A standardized test protocol comprising a defined body position, controlled movement direction, bilateral assessment within the mid–range of motion, exclusion of pre–fatigue, and prior activation to counteract thixotropic effects may serve as a foundational framework for proprioceptive testing in return to sports decision–making following knee injuries. Future research should focus on the metric validation of the procedure using quantitative quality criteria, the development of normative reference values and its application in the course of rehabilitation. A technology–based development for broader clinical integration might also be pursued.Die Rückkehr zum Sport nach einer vorderen Kreuzbandverletzung ist ein komplexer und individueller Entscheidungsprozess. Solche Verletzungen führen zur Schädigung sensomotorischer Rezeptoren, welche auch durch chirurgische Rekonstruktion nicht wiederhergestellt werden können. Die sich daraus ergebende Verringerung propriozeptiver Fähigkeiten kann die Stabilität des Kniegelenks und die daraus resultierende motorische Leistung beeinträchtigen und damit das Risiko einer erneuten Verletzung am ipsilateralen und kontralateralen Knie erhöhen. In der Literatur gibt es verschiedene Return–to–Sport Testbatterien, welche anhand von Cutt–off Kriterien beurteilen sollen, ob der Sportler nach einer Kreuzbandverletzung wieder mit der sportlichen Aktivität und ohne das Risiko einer erneuten Verletzung beginnen kann. Die Testbatterien beinhalten unterschiedliche Zusammensetzungen verschiedener Kraft–, Sprung– und Balance–, Agilitäts– und psychologische Tests. Aktuell gibt es keine Testbatterien, welche hier zuverlässige Ergebnisse zur Verfügung stellen, was sich primär in den hohen Re–und kontralateralen Verletzungsraten zeigt. Keine dieser Testbatterien bezieht sensomotorische Testverfahren mit in den Entscheidungsprozess der sicheren Rückkehr in die sportliche Aktivität mit ein. Aktive Winkelreproduktionstest werden in der sportorthopädischen Diagnostik zur Bewertung der propriozeptiven Fähigkeiten verwendet und fallen unter den Oberbegriff der ’Joint Position Sense’ Tests. Diese Verfahren messen einen Kniewinkel, welcher aktiv von der ipsilateralen oder kontralateralen Beinseite reproduziert wird. Der Winkelreproduktionsfehler ist hierbei die Differenz zwischen dem vorgegebenen und reproduzierten Winkeln. Hierzu werden Vergleiche zwischen der linken und rechten, beziehungsweise der betroffenen und nicht–betroffenen Extremität gezogen. Die einzelnen Kniewinkelreproduktionstests werden dazu mit unterschiedlichen Testverfahren durchgeführt. Hierzu zählen zum Beispiel unterschiedliche Positionen des Körpers, der Bewegungsrichtung des Knies, der Referenzwinkelvorgaben, der Gelenkwinkelgeschwindigkeiten, sowie der Messmethodik. Diese uneinheitliche Anwendung schließt die Vergleichbarkeit der Testergebnisse aus. Zusätzlich besteht im aktiven kontralateralen Kniewinkelreproduktionstest noch keine Evidenz zur Abhängigkeit der Winkelreproduktionsfehler von der Körperposition, der Bewegungsrichtung und der Dominanz des Beins welches den Referenzwinkel vorgibt. Dies wird relevant für die Integration des sensomotorischen Testverfahrens in eine Return–to–Sport Testbatterie, um ein Verständnis für das Testverfahren zu entwickeln und davon ein erstes Modell eines standardisierten Verfahrens in eine Return–to–Sport Testbatterie zu etablieren. Ziel der Dissertation ist es daher, durch systematische Literaturrecherche die Faktoren zu identifizieren und zu analysieren, die den absoluten Winkelreproduktionsfehler in aktiven Kniewinkelreproduktionstest beeinflussen, um wissenschaftlich fundierte Grundlagen für die Standardisierung und Integration dieses sensomotorischen Tests zur Beurteilung propriozeptiver Fähigkeiten in Return–to–Sport Testbatterien der klinischen Praxis zu schaffen. Durch empirische Untersuchungen soll der aktive kontralaterale Kniegelenkwinkelreproduktionstest als Maß für den ‚Joint Position Sense‘ in einer gesunden Kohorte unter verschiedenen personenunabhängigen Testungen untersucht werden. Das Verständnis dieser Faktoren ist entscheidend für die Entwicklung valider Return–to–Sport Testbatterien. Dieser wissenschaftliche Fortschritt könnte Rehabilitationsprotokolle verbessern, Athleten eine sicherere und effektivere Rückkehr zum Sport ermöglichen und das Risiko erneuter Verletzungen verringern. Hierzu wurde zunächst eine systematische Übersichtsarbeit mit zusätzlicher Meta–Analyse zu den
personenunabhängigen Haupttestfaktoren in aktiven Kniewinkelreproduktionstest durchgeführt. Die Arbeit zeigte, dass sich signifikante Unterschiede im aktiven Kniewinkelreproduktionsfehler abhängig von der Körperposition, der Bewegungsrichtung und der Vorermüdung ergeben. Geringe Literaturevidenz zeigte sich vor allem für den aktiven kontralateralen Kniewinkelreproduktionstest, welcher jedoch als besonders sensitiv für propriozeptive Defizite nach vorderer Kreuzbandruptur scheint. Aus den Erkenntnissen resultierend wurden zwei experimentelle Studien durchgeführt, bei welchen der Unterschied im aktiven kontralateralen Kniewinkelreproduktionstest zwischen der Körperposition, der Bewegungsrichtung und der Beindominanz geprüft wurde. In einer aktiven und gesunden Kohorte zeigten sich die Körperposition und die Dominanz des Referenzbeins als Haupteinflussfaktoren auf das
Ergebnis des aktiven kontralateralen Kniewinkelreproduktionstest. Die Bewegungsrichtung hatte keinen Einfluss auf den absoluten Winkelreproduktionsfehler. Um den Übertrag in die klinisch sportwissenschaftliche Praxis zu schaffen, wurde im letzten Schritt eine prospektive Kohortenstudie angeschlossen. In dieser Studie wurden Patienten mit vorderer Kreuzbandruptur zwei Jahre nach Rekonstruktionsplastik mit der Semitendinosus-Sehne mit einer
gesunden Kohorte im aktiven kontralateralen Kniewinkelreproduktionstest verglichen. Patienten zwei Jahre nach vorderer Kreuzbandruptur zeigten keine Unterschiede im absoluten
Winkelreproduktionsfehler im Vergleich zu einer gesunden Kohorte, als auch zum gesunden Referenzbein. Durch die erlangte Forschungserkenntnis ergibt sich eine direkte praktische Implikation auf die Return–to–Sport Testbatterie. Ein standardisiertes Test–Retest–Verfahren mit festgelegter Körperposition, Bewegungsrichtung, beidseitiger Messung eines Winkels im mittleren Range–of–Motion unter Ausschluss einer Vorermüdung und vorheriger Anregung der Thyxopathie bildet einen ersten Entwurf eines sensomotorischen Testverfahrens zur Messung der Propriozeption zur Integration in eine Return–to–Sport Testbatterie nach Knieverletzungen. Zukünftige Forschung sollte auf dieser Basis die metrische Absicherung des Verfahrens durch quantitativen Gütekriterien, die Entwicklung normativer Referenzwerte sowie die Anwendung im Rehabilitationsverlauf fokussieren. Auch eine technologiebasierte Weiterentwicklung zur breiteren klinischen Integration sollte angestrebt werden