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Biophysics-based modeling and data analysis of local field potential signal
Get PDFUnderstanding the neurophysiological mechanisms of information processing within and across brain regions has always been a fundamental and challenging topic in neuroscience. Considerable works in the brain connectome and transcriptome have laid a profound foundation for understanding brain function by its structure. At the same time, the recent advance in recording techniques allows us to probe the nonstationary brain activity from various spatial and temporal scales. However, how to effectively build the dialogue between the anatomical structure and the dynamical brain signal still needs to be solved. To tackle the problem, we explore interpreting electrophysiology signals with mechanistic models.
In chapter 2 we first segregate high-coherent brain signals into different pathways and then connect their dynamics to synaptic properties. Based on a state space model of LFP generation, we explore several preprocessing methods to bias the signal to the synaptic inputs and enhance the separatability of pathway-specific contributions. The separated sources are more reliable with the preprocessing methods, especially in highly coherent states, e.g., awake running. With reliably separated pathways, we further studied their synaptic properties and explored the local directional connections in the hippocampus. The estimated synaptic time constant and pathway connection agrees with well-established anatomical studies.
In chapter 3 we explore establishing a simple model to capture the impulse response of passive neurons with detailed dendritic morphology. We validate Green’s function methods based on compartmentalized models by comparing them to numerical simulations and analytical solutions on continuous neuron membrane potentials. A parameterized model based on laminar Green’s function is further developed and helps to infer the anatomical properties, like the input current distribution and cell position, from their spatiotemporal response patterns. The effect of cell position and template are examed.
Based on the model of chapter 3, we use the biophysical possible impulse response profile to regularize the source separation in the frequency domain in chapter 4. The components from different frequencies are clustered according to the same latent input distributions. The source separation in better-separated frequency bins from the same pathway helps separation in other highly contaminated frequencies. The optimization is formulated as a probabilistic model to maximize the negentropy as well as spatial likelihood. Similar to dipole approximation for EEG signals, Green’s function method provides an effective approximation to capture biologically possible spatiotemporal patterns and helps to guide the separation. We validated the method on real data with optogenetic stimulation.
In chapter 5 we further separate the far-field signals from the local pathway activities according to their physiological properties. We propose a pipeline to reliably separate and automatically detect far-field signal components. Based on this, a toolbox is provided to remove the EMG artifacts and assess the cleaning performance. In the free-running animals, we show that EMG artifacts shadow the high-frequency oscillatory events detection, and EMG cleaning rescues this effect. Overall, this thesis explored multiple possibilities to incorporate neurophysiology knowledge to understand and model the electrical field potential signals.Das Verständnis der neurophysiologischen Mechanismen der Informationsverarbeitung innerhalb und zwischen Gehirnregionen war schon immer ein grundlegendes und herausforderndes Thema in den Neurowissenschaften. Weitreichende Arbeiten zum Konnektom und Transkriptom des Gehirns haben eine Grundlage für das Verständnis der Gehirnfunktion gelegt. Des Weiteren ermöglicht uns der derzeitige Fortschritt in der Aufnahmetechnik, die nicht stationäre Gehirnaktivität auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen zu untersuchen. Wie jedoch die anatomischen Strukturen und die dynamischen Gehirnsignal effektiv zusammen wirken können, muss jedoch noch gelöst werden. Um dieses Problem anzugehen, untersuchen wir die Interpretation elektrophysiologischer Signale mit mechanistischen Modellen.
In Kapitel 2 trennen wir zunächst die hochkohärenten Gehirnsignale in verschiedene Leitungsbahnen und verbinden dann die Dynamik mit synaptischen Eigenschaften. Basierend auf einem Zustandsraummodell zur Erzeugung lokaler Feldpotentiale (LFP) untersuchen wir verschiedene Vorverarbeitungsmethoden, die die Signale bestmöglich auf die synaptischen Eingangsströme ausrichten und die Trennbarkeit von leitungsbahnspezifischen Beiträgen verbessert. Die Trennung der Signalquellen ist durch das Vorverarbeitungsverfahren insbesondere während hochkohärenter Verhaltenszustände (z. B. laufen im Wachzustand) zuverlässiger. Mit zuverlässig getrennten Leitungsbahnen konnten wir die entsprechenden synaptischen Eigenschaften weiter untersuchen und die lokalen gerichteten Verbindungen im Hippocampus untersuchen. Die geschätzte synaptische Zeitkonstante und die Verbindungen der Leitungsbahnen stimmen mit etablierten anatomischen Studien überein.
In Kapitel 3 untersuchen wir die Erstellung eines einfachen Modells zur Beschreibung der Impulsantwort passiver Neuronen mit detaillierter dendritischer Morphologie. Wir validieren Greensche Funktionsmethoden basierend auf kompartimentierten Modellen, indem wir sie mit numerischen Simulationen und analytischen Lösungen des kontinuierlichen Membranpotentials von Neuronen vergleichen. Ein parametrisiertes Modell, das auf der laminaren Greenschen Funktion basiert, wird weiterentwickelt. Es hilft dabei, die anatomischen Eigenschaften - die Verteilung des Eingangsstroms und die Zellposition - aus ihren raumzeitlichen Reaktionsmustern abzuleiten. Die Auswirkung der Zellposition und des Templates werden untersucht.
Basierend auf dem Modell aus Kapitel 3 verwenden wir in Kapitel 4 das biophysikalisch mögliche Profil der Impulsantwort, um die Quellentrennung im Frequenzbereich festzulegen. Die Komponenten verschiedener Frequenzen werden nach derselben latenten Eingangsverteilungen geclustert. Die Quellentrennung in besser getrennten Frequenzbereichen derselben Leitungsbahn hilft bei der Quelltrennung in anderen stark kontaminierten Frequenzbereichen. Die Optimierung wird als probabilistisches Modell formuliert, um sowohl die Negentropie als auch die räumliche Wahrscheinlichkeit zu maximieren. Ähnlich wie die Dipolnäherungen für EEG-Signale bietet die Greensche Funktionsmethode eine effektive Annäherung, um biologisch mögliche raumzeitliche Muster zu erfassen, und hilft, die Quellen zu trennen. Wir haben die Methode an realen Daten mit optogenetischer Stimulation validiert.
Im Kapitel 5 trennen wir weiter die Fernfeldsignale von den Signalen der lokalen Leitungsbahnen nach ihren physiologischen Eigenschaften. Wir schlagen eine Methode vor, die es erlaubt, Fernfeld-Signalkomponenten zuverlässig von lokaler Aktivitaet zu trennen und automatisch zu erkennen. Es wird eine Toolbox bereitgestellt, die EMG-Artefakte entfernt und die bereinigten Signale bewertet. In Ableitungen von freilaufenden Tieren zeigen wir, dass EMG-Artefakte die Erkennung von hochfrequenten Oszillationen beeintraechtigt, aber nach der Bereinigung des EMG-Signals erkannt werden kann.
Insgesamt untersucht diese Dissertation mehrere Möglichkeiten die elektrischen Feldpotentiale neuronaler Aktivität unter Einbeziehung neurophysiologischen Wissens zu modellieren und zu verstehen
Adaptive Systeme zur Erkennung und zum Transfer von chiraler Information: Ligandendesign, intramolekulare Verzahnung und supramolekulare Wechselwirkungen
Get PDFGenerationen bei der Grenzarbeit
Get PDFDiese Studie fragt nach der Ausbildung journalistischer Haltung. Und zwar unter den Bedingungen des digitalen Medienwandels in einer ambivalenten Moderne, die permanent Irritationen erzeugt. Haltung wird hier als Produzentin und zugleich Produkt in einem Prozess zwischen Können und Anerkennung verstanden. Konkreter Gegenstand der Untersuchung ist eine wichtige Teilpopulation der Berufsgruppe: Abgänger:innen der Deutsche Journalistenschule München, einer traditionsreichen und mediensystemrelevanten Institution. Ihre Alumni wurden hinsichtlich Kapitalausstattung, Feldstrategien sowie Handlungsmodus vermessen. Dazu wurde im triadischen Denkstil eine Praxeologie der journalistischen Berufsausbildung entworfen. Diese Praxeologie verknüpft in einem iterativen Forschungsprozess die individuelle Kapital-Disposition (Ressourcen) über die Metaebene des Habituellen (Haltung) mit der kollektiven Feld-Position (Ver-/Handlung). Sozialisation wird hierbei als produktive Realitätsverarbeitung betrachtet und Medienwandel als hochfrequentes Zusammenwirken von Innovationsimpulsen und Reproduktionsreflexen in gesellschaftlichen, kulturellen, ökonomischen und technologischen Diskursen konzipiert. Auf dieser theoretischen Basis entstand mithilfe von Vorwissen (Forschungsstand) und einer Vorstudie (Leitfadengespräche) ein Analyserahmen. Mit ihm konnten elitäre Stellung, generationelle Stellungnahme sowie professionelle Haltung der Journalistenschüler:innen im Deutungsringen um ihren Beruf empirisch untersucht werden. Im Zentrum stand dabei eine Online-Befragung von 41 Lehrredaktionsjahrgängen der DJS Ende 2016 (nicht vollständig realisierte Vollerhebung; Rücklaufquote der ermittelten Grundgesamtheit: 61%, n=907). Die quantitative Erhebung wurde in einem Mixed Methods-Design von qualitativen Verfahren flankiert (Leitfadeninterviews, Diskursbeobachtungen). Die Ergebnisse zeigen zunächst, dass die Alumni überwiegend eine bildungsbürgerliche Herkunft haben und selten einen Migrationshintergrund. In ihrer Laufbahn haben sie sich gut etabliert, überdurchschnittlich häufig im öffentlich-rechtlichen System und in Leitmedien. Ihre Journalistenschulausbildung hat sie mit klassischen praktischen Qualifikationen und vor allem mit hoher Reputation ausgestattet. Deren Wert ist ihnen bewusst und ihre Sicherung ein Anliegen. Im Metadiskurs um den Journalismus zeigen die Abgänger:innen daher eine starke Präsenz. Argumentativ setzen sie dabei auf eher traditionelle Paradigmen. Exzellenz wird postuliert und angestrebt, um die eigene Befugnis im Mediensystem zu legitimieren. Habituell lässt sich ein mehrheitlicher Modus erkennen: sachorientiert, selbstbewusst und den Nutzer:innen gegenüber distanziert. Insgesamt positionieren sich die Abgänger:innen mit einer Anspruchshaltung. Sie sehen sich als besonders befähigt, befugt und berufen, die Grenzen ihres Berufes maßgeblich mitzugestalten. Überwiegend liegt dem eine systemstabilisierende, pädagogische Haltung zugrunde. Aber auch Minderheiten- und Außenseiterposition wurden festgesellt: systemkritische Haltungen, die vom Branchen-Mainstream abweichen. Vergleiche der DJS-Daten mit solchen der gesamten Journalismus-Population haben – bei aller gebotenen Vorsicht aufgrund methodischer Unterschiede – starke Ähnlichkeiten ergeben. Das betrifft beispielsweise den bildungsbürgerlichen Hintergrund der Elternhäuser oder die hohe Zustimmung zum Rollenverständnis "objektive:r Beobachter:in". Aber es gab auch Abweichungen, etwa der große Anteil von DJS-Alumni im öffentlich-rechtlichen Rundfunk oder eine geringere Neigung zu Inhalten für ein breites Publikum. Die Kausalitäten sind nicht eindeutig zu klären. Es darf jedoch begründet vermutete werden, dass aus der Journalistenschule heraus auch das Aufgabenverständnis der anderen Akteurinnen und Akteure im Journalismus mitgeprägt wird. Gravierende Unterschiede zwischen den Generationsgruppen konnten nicht festgestellt werden. Noch herrscht den hier erhobenen Daten zufolge ein pragmatisch-solidarisches Verhältnis zwischen den Kohorten Boom („Baby Boomer"), Übergang („Generation X") und Zukunft („Millennials"). Konfliktlinien deuten sich lediglich an, insbesondere was ein Verhältnis auf Augenhöhe zum Publikum betrifft. Dies ist den Jüngeren ein größeres Anliegen als den Älteren. Ergänzende Beobachtungen sprechen dafür, dass aktivistische Haltungsformen das Potenzial zur Generationsbildung haben, z.B. bei den Themen Diversity und Klima. Um diesen Gedanken empirisch zu verfolgen, bedarf es weiterer Untersuchungen, die auch die Generation Z einbeziehen müssten. Als Forschungsdesiderata wird die Entwicklung von methodischen Ansätzen vorgeschlagen, um spezifische journalistische Medienstile, insbesondere auf Social Media-Plattformen empirisch zu greifen. Die hier vorgelegte Studie lässt, trotz mancher Limitationen, darauf schließen, dass die Ausbildungssituation an der Deutschen Journalistenschule in ihren Abgänger:innen eine Habitus-Komponente des Anspruchs ausgeprägt hat: auf die Deutungshoheit bei der Abgrenzung des eigenen Berufes
Anwendung nicht-medikamentöser Maßnahmen zur Reduktion prozeduraler Belastungen und Schmerzen
Get PDFKontinuierliche Aktivitätsmessung bei Patienten mit chronischer Herzinsuffizienz und hochgradiger Insuffizienz der Atrioventrikularklappen nach kathetergesteuerter Herzklappenrekonstruktion
Get PDFThermal non-equilibria promote prebiotic DNA and RNA polymerization
Get PDFLife is based on informational polymers such as DNA or RNA. For their polymerization, high concentrations of monomer building blocks are required. Before compartmentalization occurred on early Earth, prebiotic de novo strand formation of nucleic acids suffered from dilution of reagents and products. In this doctoral thesis, I show that the ubiquitous non-equilibrium conditions within heated underwater rock cracks on early Earth could have formed a natural habitat for nurturing RNA and DNA polymerization. This study demonstrates how the yield of otherwise inefficient primordial polymerization reactions is enhanced by a physical non-equilibrium triggered by thermal gradients.
Heat fluxes across a thin rock crack accumulate the monomeric building blocks of DNA and RNA which enhances their polymerization. Also the resulting polymers are localized inside the pore over long times and protected against diffusion. Enclosed gas bubbles can additionally trigger micro-scale wet-dry cycles and enable dry-based reaction. In a closed system, I found nucleotides concentrate 10-fold at the bottom of the lab-built crack after 24 hours with a -fold relative accumulation for the chosen \SI{40}{\milli\metre} high crack. I found enhanced polymerization from aminoimidazolized DNA nucleotides and 2',3'-cyclic RNA nucleotides, up to 25-fold. The activity of these substrates is known to be very limited under isothermal bulk conditions. Moreover, co-polymerization of 2',3'-cGMP and 2',3'-cCMP in the thermal trap showed an increased heterogeneity in sequence composition compared to isothermal drying, enlarging the encoded sequence space. Finite element simulations on long time-scales showed how open pores with continuous collection of reagents can accommodate an active polymerization reaction over years while the escape of the nucleotides from the crack is negligible.
This simple physical non-equilibrium habitat of a heated, water-filled rock pore creates an active, cell-like compartment that accumulates nucleotides for polymerization and traps RNA strands, providing a pre-cellular non-equilibrium setting for the first steps of molecular evolution.Das Leben basiert auf den Informationspolymeren DNA und RNA. Für ihre Polymerisation sind hohe Konzentrationen von initialen Monomerbausteinen erforderlich. Bevor es auf der frühen Erde zur Kompartimentierung kam, litt die präbiotische de novo Strangbildung von Nukleinsäuren unter der Verdünnung ihrer Edukte und Produkte. In dieser Doktorarbeit zeige ich, dass die allgegenwärtigen Nicht-Gleichgewichtsbedingungen in erhitzten Unterwasser-Gesteinsspalten auf der frühen Erde ein natürliches Habitat für eine erhöhte RNA- und DNA-Polymerisation gebildet haben können. Diese Studie zeigt, wie die Ausbeute von ansonsten ineffizienten primordialen Polymerisationsreaktionen durch ein physikalisches Nicht-Gleichgewicht, das durch thermische Gradienten angetrieben wird, erhöht wird.
Wärmeströme durch dünne Gesteinsrisse akkumulieren die monomeren Bausteine von DNA und RNA, was deren Polymerisation fördert. Auch bleiben die entstehenden Polymere bleiben über lange Zeiten im Inneren der Pore lokalisiert und vor Diffusion geschützt. Eingeschlossene Gasblasen können zusätzlich mikroskopische Nass-Trocken-Zyklen auslösen und eine trockene Polymerisationsreaktion in einer wasserhaltigen Umwelt ermöglichen. In einem geschlossenen System wurde nach 24 Stunden eine 10-fache Aufkonzentration von Nukleotiden am Boden des im Labor nachgebauten Risses gefunden, mit einer -fachen relativen Akkumulation für die gewählte \SI{40}{\milli\metre} hohe Pore. Eine bis zu 25-fach erhöhte Polymerisation von aminoimidazolisierten DNA-Nukleotiden und 2',3'-zyklischen RNA-Nukleotiden konnte nachgewiesen werden. Es ist bekannt, dass die Aktivität dieser Substrate unter normalen, isothermen Bedingungen im Bulk sehr begrenzt ist. Darüber hinaus zeigte die gemeinsame Polymerisation von 2',3'-cGMP und 2',3'-cCMP in der thermischen Falle eine erhöhte Heterogenität in der Sequenzzusammensetzung im Vergleich zur isothermen Trocknung, wodurch der kodierte Sequenzraum vergrößert wird. Finite-Elemente-Simulationen auf langen Zeitskalen zeigten, wie offene Poren mit kontinuierlicher Anreicherung von Reagenzien eine aktive Polymerisationsreaktion über Jahre hinweg beherbergen können, während das Entweichen der Oligonukleotide aus dem Riss vernachlässigbar war.
Dieses einfache physikalische Nichtgleichgewichtshabitat einer geheizte, wassergefüllten Gesteinspore schafft ein aktives, zellähnliches Kompartiment, das Nukleotide für die Polymerisation akkumuliert und RNA- und DNA-Stränge zurückbehält, wodurch eine präzelluläre Nichtgleichgewichtsumgebung für die ersten Schritte der molekularen Evolution entsteht
Integrated viral haemorrhagic fever surveillance and response in public healthcare facilities in Guinée Forestière after the 2014-2016 Ebola epidemic
Get PDFIntegrated disease surveillance and response (IDSR) in African countries aims at preventing epidemics through rapid outbreak detection, timely reporting of signal cases and the implementation of containment strategies. After the 2014– 2016 West African Ebola virus disease epidemic, the IDSR for viral haemorrhagic fevers was revitalized to minimize the risk of future epidemics in the region. Guinée Forestière (Forest Guinea) – where the 2014-2016 Ebola outbreak started – is considered to be at a particularly high risk for future viral haemorrhagic fever outbreaks. The aim of this dissertation is to explore how the IDSR of viral haemorrhagic fevers is practiced in the clinical reality of public healthcare facilities in Guinée Forestière in the aftermath of the 2014-2016 Ebola virus epidemic.
Our first publication examines viral haemorrhagic fever surveillance performance in a daily clinical setting in the largest tertiary hospital in Guinée Forestière. It ascertains suspect case prevalence based on different screening criteria for a time period of three months. It further describes clinical trajectories of patients who fit screening criteria in order to discuss challenges associated with viral haemorrhagic fever suspect case identification. The study shows that regardless of which suspect case criteria are applied, suspect cases are usually not recognized at hospital entry. Further identification of suspect cases during their hospitalization seems equally challenging. This is due non-application of viral haemorrhagic fever suspect case definitions in daily clinical practice and low use of laboratory diagnostics to support important differential diagnosis.
To ascertain whether certain misconceptions of healthcare workers explain the findings of the first publication, the second publication assesses the knowledge, attitudes and practices towards viral haemorrhagic fevers amongst healthcare workers in public healthcare facilities in the most populated prefecture of Guinée Forestière. While the great majority of respondents demonstrated good knowledge and favourable attitudes towards viral haemorrhagic fevers, some reported gaps in preventive practices such as suspect case detection.
Respondents also reported a shortage of protective medical equipment used in everyday clinical work. Whether or not healthcare workers had been trained in infection prevention and control prior to our study did not seem to influence their level of knowledge, attitudes and practices towards viral haemorrhagic fevers.
Both studies provide a strong incentive to monitor the application of IDSR of viral haemorrhagic fevers in public healthcare facilities in Guinea and beyond. Minor gaps in knowledge, attitudes and practices amongst healthcare workers towards viral haemorrhagic fevers do not seem to account for the observed deficiencies in viral surveillance. Further research may illuminate why structural changes to improve viral surveillance in the aftermath of the Ebola outbreak are not translated into clinical practice.Integrated Disease Surveillance and Response (IDSR) in afrikanischen Ländern zielt darauf ab, Epidemien zu verhindern. Ausbrüche sollen schneller erkannt und Signalfälle gemeldet werden, damit angemessene Eindämmungsstrategien umgesetzt werden können. Nach der westafrikanischen Ebola-Epidemie 2014- 2016 wurde IDSR für virale hämorrhagische Fieber in betroffenen Ländern gestärkt, um das Risiko für zukünftige Epidemien zu minimieren. Guinée Forestière (Waldguinea) – die Region in der die Ebola-Epidemie 2014-2016 begann - ist einem besonders hohen Risiko für künftige Ausbrüche von viralen hämorrhagischen Fiebern ausgesetzt. Ziel dieser Dissertation ist es zu untersuchen, wie IDSR für virale hämorrhagische Fieber in der klinischen Realität öffentlicher Gesundheitseinrichtungen in Guinée Forestière nach der Ebola-Epidemie 2014-2016 umgesetzt wird.
Die erste Studie beobachtet die praktische Anwendung von Screening- Maßnahmen auf virale hämorrhagische Fieber im klinischen Alltag des größten Tertiärkrankenhauses in Guinée Forestière. Die Studie ermittelt die Prävalenz von Verdachtsfällen anhand verschiedener Screening-Kriterien für einen Zeitraum von drei Monaten. Ferner werden klinische Verläufe von Patienten beschrieben, die Screening-Kriterien erfüllen. Daran werden die Herausforderungen für die Erkennung von Verdachtsfällen verdeutlicht. Die Studie zeigt, dass Verdachtsfälle – unabhängig der Screening-Kriterien – im klinischen Alltag im Untersuchungszeitraum nicht erkannt wurden. Die weitere Erkennung von Verdachtsfällen während deren Krankenhausaufenthaltes scheint ebenso schwierig zu sein. Dies ist sowohl auf den geringen Einsatz von Labordiagnostik zur Unterstützung bestimmter Diagnosen im klinischen Alltag, als auch auf die Missachtung von Falldefinitionen für virale hämorrhagische Fieber zurückzuführen.
Um festzustellen, ob bestimmte Bildungsdefizite bzw. Missverständnisse von Personal im öffentlichen Gesundheitswesen in Guinée Forestière die Ergebnisse der ersten Studie erklären, erhebt die zweite Studie deren Wissen, Einstellungen und Praktiken bezüglich viraler hämorrhagischer Fieber. Während die große Mehrheit der Befragten gute Kenntnisse und eine positive Einstellung zu viralen hämorrhagischen Fieber zeigte, berichteten einige über Lücken in der Präventionspraxis sowie der Erkennung von Verdachtsfällen. Die Befragten berichteten auch über einen Mangel an medizinischer Schutzausrüstung für deren tägliche klinische Arbeit. Ob Gesundheitspersonal vor unserer Studie in Infektionsschutz geschult worden war oder nicht schien deren Kenntnisstand, Einstellungen und Praktiken bezüglich viraler hämorrhagischer Fieber nicht zu beeinflussen.
Beide Studien unterstreichen die Wichtigkeit, die Anwendung von IDSR im klinischen Alltag von Gesundheitseinrichtungen in Guinea und den Nachbarländern regelmäßig zu evaluieren. Kleinere Wissenslücken und wenige fehlerhafte Praktiken des Gesundheitspersonals bezüglich viraler hämorrhagischer Fieber schienen nicht für die beobachteten Mängel im alltäglichen Screening verantwortlich zu sein. Weitere Studien könnten hilfreich sein, um genauer zu beleuchten warum strukturelle Veränderungen zur Verbesserung der Virusüberwachung nach der Ebola-Epidemie unzureichend in den klinischen Alltag übersetzt werden
Reaction nanoscopy
Get PDFDie Wechselwirkung zwischen Licht und Nanoteilchen führt zu einer lokalen Verstärkung des elektromagnetischen Feldes auf der Teilchenoberfläche.
Im Regime der Starkfeld-Physik verursacht diese Feldlokalisierung eine räumlich begrenzte Emission von Ionen von der Oberfläche von sphärischen Nanopartikeln, die mit der kürzlich eingeführten Reaktionsnanoskopietechnik abgebildet werden kann.
Die Technik erlaubt die massenaufgelöste Messung der Energie- und Winkelverteilungen von Ionen, die durch die Starkfeld-Ionisation einzelner Nanopartikel im Vakuum erzeugt werden.
In der vorliegenden Arbeit wurden Reaktionsnanoskpie-Experimente für einen breiten Bereich experimenteller Parameter durchgeführt und die Ergebnisse weitgehend durch ein Monte-Carlo-Modell reproduziert, das auf der Nahfeld-getriebenen Erzeugung von Ladungen und ihrer klassischen Propagation beruht.
Im ersten Teil der Arbeit werden Experimente an SiO2-Nanoteilchen mit hohen Probenkonzentrationen und niedrigen Laserintensitäten behandelt. Mit Hilfe des Monte-Carlo-Modells wurden charakteristische Signaturen in den Daten auf die Ionenemission von Nanopartikel-Clustern zurückgeführt. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wurden verschiedene Methoden vorgeschlagen, die eine Trennung der Messdaten in die Beiträge einzelner Nanopartikel und Clusterbeiträge ermöglichen. Diese Signaltrennung und der Nachweis von Nanopartikel-Clustern im Allgemeinen war in früheren Studien zur Starkfeld-Elektronen-Emission von Nanopartikeloberflächen nicht möglich. Die dort beobachteten Abweichungen zwischen Theorie und Experiment könnten daher durch einen nicht berücksichtigten Beitrag von Elektronen aus Nanopartikel-Clustern erklärt werden.
Der zweite Teil der Arbeit enthält eine Parameterstudie an einzelnen SiO2-Nanopartikeln bei verschiedenen Laserpolarisationen und -intensitäten. Außerdem werden Isotopenaustauschexperimente vorgestellt, die die molekulare Oberflächenzusammensetzung von SiO2-Nanoteilchen in typischen Reaktionsnanoskopie-Experimenten klären. Die Analyse der entsprechenden Ergebnisse wurde genutzt, um die Gültigkeit des Monte-Carlo-Modells zu prüfen und die Grenzen seiner Anwendbarkeit zu ermitteln. Die hier gewonnenen Erkenntnisse bilden die Grundlage für die zukünftige Entwicklung einer theoretischen Beschreibung von Reaktionsnanoskopie-Experimenten, die auf der molekularen Beschaffenheit der Nanopartikeloberfläche basiert.
Der letzte Teil der Arbeit befasst sich mit der ersten Studie zur Reaktionsnanoskopie an starkfeld-ionisierten Nanotröpfchen. Anhand von Propandiol-Tröpfchen wurde gezeigt, dass der an festen Nanoteilchen beobachtete enge Zusammenhang zwischen der Nahfeldverteilung und der Winkelverteilung der Ionenausbeute auch für Nanotröpfchen beobachtet wird. Diese Übereinstimmung wurde für eine in-situ-Charakterisierung der häufigsten Tröpfchengröße in der Verteilung und für die Bewertung der Tröpfchenstabilität genutzt. Schließlich wird ein Vergleich der Ionenspektren von Tröpfchen aus zwei verschiedenen Propandiol-Isomeren durchgeführt. Ergebnisse aus Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen deuten darauf hin, dass ein Teil der beobachteten Unterschiede in den Spektren auf die isomerspezifische Molekülstruktur auf der Tröpfchenoberfläche zurückzuführen ist.
Die Ergebnisse dieser Arbeit belegen das enorme Potenzial der Anwendung der Reaktionsnanoskopie auf Problemstellungen der Oberflächenchemie. Die Technik legt den Grundstein für die Verfolgung der Entstehung von Reaktionsprodukten auf den Größenordnungen von Femtosekunden und Nanometern.The interaction between light and nanoparticles leads to a local enhancement of the electromagnetic field on the particle surface.
In the regime of strong-field physics, this field localization causes a spatially confined emission of ions from the surface of spherical nanoparticles, which can be imaged using the recently introduced reaction nanoscopy technique.
The technique facilitates the mass-resolved measurement of energy and angular distributions of ions produced by the strong-field ionization of individual nanoparticles in a vacuum.
In this work, reaction nanoscopy experiments were performed for a wide range of experimental parameters. The results were largely reproduced by a Monte Carlo model based on the near-field driven generation of charges and their classical propagation.
The first part of this work describes experiments employing silica nanoparticles with high sample concentrations and low laser intensities. Using the Monte-Carlo model, characteristic signatures in the data are attributed to ion emission from nanoparticle clusters. Based on these results, several methods are proposed to separate reaction nanoscopy data into single nanoparticle and cluster contributions. This signal separation and the detection of nanoparticle clusters has not been possible in previous studies on strong-field electron emission from nanoparticles. The deviations between theory and experiment observed there are consistent with an unaccounted contribution of nanoparticle clusters.
The second part contains a parametric study of different laser polarizations and intensities incident on single silica nanoparticles. Isotope exchange experiments are presented, which are used to investigate the molecular surface composition of silica particles in typical reaction nanoscopy experiments. The results are used to evaluate the applicability of the Monte-Carlo model and explore its limitations. The insights gained here form the foundation for future developments toward a theoretical description of reaction nanoscopy experiments based on the molecular details of the nanoparticle surface.
The final part of this thesis covers the first reaction nanoscopy study on strong-field ionized nanodroplets. Using propanediol droplets, it is demonstrated that a close correspondence between the near-field distribution and the angular distribution of the ion yield is observed for droplets similar to that of solid particles. This correspondence is used for an in situ characterization of the mean droplet size and for evaluating droplet stability. Finally, a comparison of the ion spectra for droplets from two different propanediol isomers is carried out. Density functional theory results suggest that parts of the observed differences can be attributed to the isomer-specific molecular structure on the droplet surface.
The findings of this thesis demonstrate the great potential of the application of reaction nanoscopy to surface chemistry. The technique paves the way toward spatiotemporal tracing of reaction products on the femtosecond and nanometer scales
