Gutenberg Open Science (Univ. Mainz)
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Development of new atomic force microscopy methods to investigate interfaces of semiconductor materials
Full text linkThis PhD Thesis investigates nanoscale structures in semiconductor devices and their structure
property relationships, with a particular focus on perovskite solar cells (PSCs). Over the past two decades, PSCs have attracted significant attention due to their high power conversion efficiency (PCE) and low production costs, positioning them as promising alternatives to traditional silicon solar cells. However, to fully exploit their potential for commercial applications, a fundamental understanding of their nanoscale physical properties is essential. Features such as grain boundaries (GBs) and crystal lattice and interfacial defects has been observed to function as recombination centers for charge carriers. This property is critical to the functionality of the device. However, direct visualization at this scale has remained challenging.
The aim of this PhD Thesis is to develop tools and methods that enable a deeper understanding through visualization of promising semiconductor materials and their buried interfaces at the nanoscale. This knowledge will facilitate targeted engineering of surfaces and defects to optimize device performance without compromising efficiency.
To probe electronic properties at the nanoscale, I employed conventional Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) alongside two newly developed Atomic Force Microscopy (AFM) techniques based on Electrostatic Force Microscopy (EFM) principles. The first method, nanoscale surface photovoltage spectroscopy (nano-SPV), enables the study of charging and discharging processes in PSCs. The second method, multi-frequency heterodyne Electrostatic Force Microscopy (MFH-EFM), enhances the spatial resolution of the second capacitance derivative signal, allowing for more detailed investigation of interfaces in semiconductor devices.
As demonstrated by KPFM measurements, passivation molecules have been found to preferentially accumulate at grain boundaries, where dangling bonds are present. Utilizing tr-KPFM and the newly developed nano-SPV method has revealed that surface passivation not only leads to more homogeneous extraction and recombination of charge carriers but also increases
recombination times, indicating fewer defects that hinder carrier extraction.
The novel MFH-EFM method enabled superior localization of dielectric properties compared to standard approaches and the possibility to do dielectric spectroscopy.
This PhD thesis presents new functional methods with improved resolution for the AFM and
further improves the versatility of the EFMs for nanocharacterization of new energy materials.Diese Dissertation untersucht nanoskalige Strukturen in Halbleiterbauelementen und deren Struktur-Eigenschafts-Beziehungen, mit dem Hauptfokus auf Perowskit-Solarzellen (PSCs). PSCs haben sich in den letzten Jahren durch hohe Energieumwandlungseffizienz (PCE) und niedrige Produktionskosten als vielversprechende Alternative zu Siliziumsolarzellen etabliert.
Für ihr volles Potenzial ist ein grundlegendes Verständnis ihrer nanoskaligen Eigenschaften entscheidend. Merkmale wie Korngrenzen (GBs) und Kristallgitterdefekte fungieren als Rekombinationszentren für Ladungsträger, aber eine direkte Visualisierung auf dieser Skala ist bisher nicht möglich.
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von Werkzeugen, die ein tieferes Verständnis vielversprechender Halbleitermaterialien auf der Nanoskala ermöglichen und so ein gezieltes Design von Oberflächen und Defekten zur Optimierung der Leistungsfähigkeit ohne großen Effizienzverlust zu optimieren. Um die elektronischen Eigenschaften auf der Nanoskala zu unter
suchen, wurden neben konventioneller Kelvin-Sonden-Kraftmikroskopie (KPFM) zwei neuartige Rasterkraftmikroskopie-Techniken (AFM) eingesetzt, die auf elektrostatischer Kraftmikroskopie (EFM) basieren: Die nanoskalige Oberflächen-Photospannungs-Spektroskopie (nano-SPV) ermöglicht die Analyse von Lade- und Entladevorgängen in PSCs, während die multifrequente heterodyne EFM (MFH-EFM)-Methode die räumliche Auflösung Grenzflächenuntersuchung verbessert, indem es das zweite Kapazitätsableitungssignal nutzt.
Wie durch KPFM-Messungen nachgewiesen wurde, sammeln sich Passivierungsmoleküle bevorzugt an Korngrenzen an, wo ungesättigte Bindungen vorhanden sind. Durch den Einsatz von tr-KPFM und der neu entwickelten nano-SPV-Methode wurde ferner festgestellt, dass die Oberflächenpassivierung nicht nur zu einer homogeneren Extraktion und Rekombination von Ladungsträgern führt, sondern auch die Rekombinationszeiten verlängert, was auf weniger Defekte hinweist, die die Ladungsträgerextraktion behindern. Die neuartige MFH-EFM-Methode ermöglichte eine im Vergleich zu Standardverfahren überlegene Lokalisierung dielektrischer Eigenschaften und die Durchführung dielektrischer Spektroskopie.
Diese Dissertation stellt neue funktionelle Methoden mit verbesserter Auflösung für das AFM vor und verbessert die Vielseitigkeit von EFMs für die Nanokarakterisierung neuer Energiematerialien.XXXIII, 262 Seiten ; Illustrationen, Diagramm
Quantitative interactomics screen reveals the role of the lncRNA ANRIL during viral infection
Full text linkRecent advances in deep sequencing technologies have revealed that while only 2-5% of the human genome encodes protein-coding genes, an estimated 80% of these genes are actively transcribed into a variety of non-coding RNAs. Among these, long non-coding RNAs represent a major subclass, with over 35,000 annotated genes. Despite their abundance, most of these genes remain functionally uncharacterized.
The antisense non-coding RNA in the INK4 locus (ANRIL) is transcribed from the disease-associated hotspot 9p21.3, which has been implicated in cancer development and cardiovascular disorders, yet its molecular functions remain poorly defined. To systematically characterize ANRIL, a quantitative mass spectrometry-based interactomics screen using 14 nonoverlapping RNA fragments covering the longest ANRIL isoforms was performed. This strategy identified 310 interacting proteins, each exhibiting distinct binding patterns across different fragments, revealing both previously described and yet unknown interactors.
Among the newly identified proteins, the uncharacterized protein C7orf50 bound to two ANRIL fragments. Functional characterization revealed an enrichment of C7orf50 interactors involved in ribosomal biogenesis, including known ANRIL-binding members of the PeBoW complex. These findings suggest a potential role of C7orf50 during ribosomal maturation and indicate an additional target of ANRIL-mediated regulation during ribosome biogenesis.
Furthermore, computational analysis of the ANRIL interactome recapitulated previously reported biological functions, such as chromatin remodeling, while also suggesting previously unrecognized roles in virus infection. Interestingly, ANRIL knockdown led to altered expression of genes associated with interferon signaling and viral entry. Infection studies with dsDNA and ssRNA viruses resulted in virus-specific modulation of ANRIL expression. Notably, ANRIL was upregulated in response to cedar virus (CedV) infection in a time- and dose-dependent manner. Transcriptomic analysis revealed a concurrent increase in immune response genes, particularly those involved in type I interferon signaling. Furthermore, ANRIL lockdown led to increased CedV RNA levels and titers, demonstrating a link between ANRIL and viral infection. Preliminary mechanistic insights indicated that the knockdown of the newly identified ANRIL-interacting protein INO80 also increased CedV RNA levels. However, further analyses are required to determine the precise molecular mechanisms involved.
Overall, the unbiased RNA-protein interaction screen provides insights into how ANRIL mediates various cellular functions through protein interactions and paves the way for future investigations into the role of ANRIL in health and disease.Neue Fortschritte in der Hochdurchsatz-Sequenzierungstechnologie haben gezeigt, dass lediglich 2-5% des menschlichen Genoms für proteinkodierenden Gene verantwortlich sind, während schätzungsweise 80% aktiv in nicht-kodierende RNAs transkribiert werden. Ein Großteil davon sind, mit über 35.000 annotierten Genen, lange nicht-kodierende RNAs (lncRNAs). Trotz ihrer Häufigkeit sind die meisten jedoch bislang funktionell kaum bis gar nicht charakterisiert.
Die Antisense-nicht-kodierende RNA im INK4-Locus (ANRIL) wird aus dem krankheitsassoziierten Hotspot 9p21.3 transkribiert, der mit der Entstehung von Krebs und kardiovaskulären Erkrankungen in Verbindung gebracht wird. Dennoch sind die molekularen Funktionen von ANRIL bislang weitgehend unklar. Zur Charakterisierung von ANRIL wurde ein quantitativer, Massenspektrometrie basierter Interaktom-Screen mit 14, sich nicht überlappenden, RNA-Fragmenten der längsten ANRIL-Isoform durchgeführt. Dadurch wurden 310 ANRIL-interagierende Proteine identifiziert, die jeweils unterschiedliche Bindungsmuster aufwiesen. Darunter sowohl bereits bekannte ANRIL bindende Proteine, als auch bislang nicht identifizierte Interaktionspartner.
Unter diesen neu identifizierten Proteinen zeigte das bislang weitestgehend uncharakterisierte Protein C7orf50 eine spezifische Bindung an zwei ANRIL-Fragmenten. Analysen zur Funktionscharakterisierung ergaben eine Anreicherung von C7orf50-Interaktionspartnern, die an der Ribosomenbiogenese beteiligt sind, darunter auch bekannte ANRIL-Bindungspartner des PeBoW-Komplexes. Die Ergebnisse deuten auf eine mögliche Rolle von C7orf50 bei der Ribosomenreifung hin und legen nahe, dass ANRIL über die Interaktion mit C7orf50 ebenfalls in diesem Prozess eine regulatorische Funktion ausüben könnte.
Zusätzliche bioinformatische Analysen des ANRIL-Interaktoms bestätigen bekannte biologische Funktionen und wiesen zugleich auf eine bislang unerforschte Rolle bei Virusinfektionen hin. Interessanterweise führte der Knockdown von ANRIL zu einer veränderten Expression von Genen, die mit dem Interferon-Signalweg sowie dem viralen Eintritt assoziiert sind. Infektionsstudien mit dsDNA und ssRNA Viren zeigten eine virusspezifische Modulation der ANRIL-Expression. In weiterführenden Experimenten mit dem ssRNA Cedar Virus (CedV), konnte eine zeit- und dosisabhängige Hochregulation von ANRIL beobachtet werden. Transkriptomanalysen ergaben eine gleichzeitige Induktion von immunregulierenden Genen, insbesondere solcher, die am Typ-I-Interferon-Signalweg beteiligt sind. Zudem führte die Runterregulierung von ANRIL mittels RNA Interferenz zu einem Anstieg der CedV-RNA-Menge und Virustiter, was eine Verbindung zwischen ANRIL und viraler Infektion nahelegt. Erste funktionelle Hinweise deuten darauf hin, dass die Runterregulierung des neu identifizierten ANRIL-Bindungspartners INO80 ebenfalls zu einem Anstieg der CedV-RNA-Menge führt. Der genaue molekulare Mechanismus bedarf jedoch weiterer Untersuchung.
Insgesamt liefert der RNA-Protein-Interaktionsscreen Einblicke in die vielfältigen zellulären Funktionen von ANRIL, welche durch Proteininteraktionen vermittelt werden und ebnet den Weg für zukünftige Studien zur Rolle von ANRIL in Gesundheit und Krankheit.XVI, 97 Seiten ; Illustrationen, Diagramm
Appreciation should be EA-SI : demystifying the definition and operationalization of experienced appreciation at work by developing a new construct
Full text linkIn this article, we developed the new construct, Experienced Appreciation in Social Interactions (EA-SI), to reduce the inconsistency in defining and measuring experienced appreciation at work. The integrative theoretical model is based on the well-validated Stress as Offense to Self-theory. To operationalize the construct, we validated the EA-SI Work Scale in two independent German samples of employees. Colleagues and supervisors were investigated as potential sources of experienced appreciation. Study One included N = 231 participants. Study Two encompassed N = 391. In both studies, we applied a cross-sectional field-study design based on self-reported surveys. Using exploratory and confirmatory factor analyses, the construct EA-SI turned out to be unidimensional. The Pearson product-moment correlations showed that the more employees felt appreciated, the higher their self-esteem and the lower their stress perception. The premises of the theoretical foundation were replicable. Higher experienced appreciation was related to more work satisfaction, life satisfaction, and work engagement, as well as lower emotional exhaustion. These relations were true for both groups of appreciators. When tested in hierarchical regressions, EA-SI added incremental prediction beyond the influence of social support in most of the analyses. The instrument's internal consistency and retest reliability were good to excellent. The results indicated the EA-SI Work Scale to be content, construct, and criterion valid. Based on these findings, the strengths and limitations of the article and possible implications for future research and practical use are discussed
Welchen Einfluss hat ein akuter Schlaganfall auf die Effizienz und Dauer der endogenen Schmerzhemmung?
Full text linkDer Schlaganfall ist weltweit noch immer eine der häufigsten Todesursachen mit einer Lebenszeitprävalenz in Deutschland von 15% (1, 2). Abhängig vom Ausmaß der Hirnschädigung überleben 80% der Patienten das erstmalige Ereignis eines Schlaganfalls. Von diesen wiederum entwickeln ungefähr 30% Schmerzen (3). Häufig treten die Schmerzen als neuropathische oder Schulterschmerzen, Komplexes Regionales Schmerzsyndrom (CRPS), Kopfschmerzen oder zentrale Schmerzstörungen auf (4, 5). Es ist also wichtig, adäquate Behandlungen für chronische Schmerzen nach Schlaganfall zu entwickeln, weil diese nicht nur die Patienten und deren Lebensqualität stark belasten, sondern auch die Rehabilitationsmaßnahmen erschweren und zu Folgeerkrankungen (u.a. Depressionen) führen können (6, 7). Hieraus entstehen umfangreiche Kosten für die weltweiten Gesundheitssysteme (1, 8-10). Es fehlt jedoch auch heutzutage noch an Verständnis für die Pathophysiologie der Entstehung zentraler neuropathischer Schmerzen (11-15). Ein weiteres Problem liegt in der adäquaten Behandlung neuropathischer Schmerzen nach Schlaganfall. Ein größeres Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen, sowie eine bessere Kenntnis über die genaue Verschaltung und die beteiligten Neurotransmitter könnten helfen, bessere Therapien zu entwickeln (16).
In der Vergangenheit konnten viele Publikationen zeigen, dass chronische Schmerzen mit Veränderungen in den endogenen schmerzhemmenden Systemen einhergehen (17, 18). Doch auch bei Gesunden gibt es diverse Faktoren, die die endogene Schmerzhemmung beeinflussen. Das Schmerzprofil einer Person ist zum Beispiel von Alter, Geschlecht, sportlicher Aktivität, psychologischen Faktoren, aber auch der Einnahme von Medikamenten abhängig (19). Die Konditionierte Schmerzhemmung (CPM= Conditioned Pain Modulation) und die Offset-Analgesie (OA= Offset Analgesia) sind zwei in der Schmerzforschung etablierte, humanexperimentelle Methoden, um die endogenen, schmerzhemmenden Systeme zu testen.
Die CPM basiert auf der „Diffuse Noxious Inhibitory Control“-Theorie (DNIC), die durch Le Bars et al. 1979 erstmals bei Nagetieren beschrieben wurde (20, 21). Genauer misst DNIC die Inhibition der multimodalen Wide-Dynamic-Range Neurone (WDR-Neurone) durch Aktivierung der deszendierenden Schmerzhemmung. CPM ist das humanexperimentelle Testparadigma, um DNIC-Effekte beim Menschen zu messen (18). Bei der Testung des CPM-Mechanismus wird zunächst ein nozizeptiver Reiz als Teststimulus (TS) dargeboten. Im Anschluss wird der Teststimulus erneut, diesmal jedoch gleichzeitig mit einem zeitlich länger andauernden konditionierenden Stimulus (CS), appliziert. Der CPM-Effekt eines gesunden nozizeptiven Systems äußert sich durch eine abgeschwächte Antwort auf den TS in Anwesenheit des CSim Vergleich zu einer Applikation des TS allein (22). CPM bewirkt vor allem eine räumliche Filterung von schmerzhaften Reizen, um z.B. einen optimalen Schutzreflex für örtlich getrennte Reize abzurufen (23).
Die OA ist ein weiterer Test zur Untersuchung der endogenen Schmerzinhibition (24). Sie wurde 2002 von Grill und Coghill zum ersten Mal beschrieben: „OA ist ein Schmerzinhibitionsmechanismus, bei dem eine stärker empfundene Reduktion der subjektiven Schmerzintensität eintritt, als von der geringen Reduktion der Reizintensität zu erwarten wäre“ (25, 26). Sie konnten zeigen, dass ein Absinken der Temperatur von 1-3°C eine Veränderung in der Schmerzwahrnehmung hervorbringt, die so groß ist, dass nicht zwischen einem Abfall zu eindeutig nicht schmerzhaften Temperaturen unterschieden werden kann (25, 27). Dabei wird normalerweise Kontakthitze auf ein einziges Körperareal appliziert. Daher geht man von einem zeitlichen Filtermechanismus aus, der die Wahrnehmung von unterschiedlichen, aufeinanderfolgenden schmerzhaften Reizintensitäten verstärkt (28). Die Temperaturdifferenz, die zur Unterscheidung zweier schmerzhafter Temperaturreize notwendig ist, wird vermindert (29). Dies gibt dem Organismus die Möglichkeit zu erkennen, ob die Flucht oder der Schutzreflex, erfolgreich waren (30).
Um diese Testparadigmen und dadurch die Funktionsweise der endogenen Schmerzhemmung besser zu verstehen, untersucht die vorliegende Studie diese im Vergleich zwischen Schlaganfallpatienten und Gesunden. Gleichzeitig könnten die CPM und OA helfen, die Früherkennung und Diagnosestellung zu unterstützen und die zugrundeliegenden Mechanismen der Entstehung zentraler neuropathischer Schmerzen nach Schlaganfall besser zu verstehen.
Ist die körpereigene Schmerzhemmung nach Schlaganfall beeinträchtigt? Ist sie nur kontraläsional (symptomatische Körperhälfte) oder auch ipsiläsional (nicht symptomatische Körperhälfte) beeinträchtigt? Gibt es Unterschiede zwischen rechter und linker Körperhälfte auch bei Gesunden? Wie lange bleiben die körpereigenen Mechanismen der Schmerzhemmung aktiv, nachdem diese aktiviert wurden? Für all diese Fragen gibt es noch keine ausreichenden Daten und diese werden benötigt, um das Phänomen der körpereigenen Schmerzhemmung und die Veränderungen nach einer Läsion in verschiedenen Regionen des Gehirns besser zu verstehen. Dies ist auch Voraussetzung dafür, adäquate Behandlungskonzepte für die betroffenen Patienten zu entwickeln.
Um Antworten auf die oben gestellten Fragen zu finden, wurden die CPM und die OA verwendet, um die endogenen schmerzhemmenden Systeme zu testen. Beide Testparadigmen wurden inklusive ihres Verhaltens in den ersten Minuten nach Aktivierung untersucht, um Hinweise auf die Dauer der endogenen Schmerzhemmung zu erfassen.X, 73 Seiten ; Illustrationen, Diagramm
Blended Learning im Praktikum Anästhesie. Ist interaktives E-Learning eine effektive Methode zur Verbesserung anästhesiologischer Fertigkeiten?
Full text linkIII, 63 Seiten ; Diagramm
Judeo-Spanish and Bulgarian vowels in contact : the effect of word stress across speaking styles
Full text linkWe present an acoustic analysis of Bulgarian Judeo-Spanish vowels, comparing them to the bilingual speakers’ Bulgarian vowels and those of monolingual Bulgarians. Careful and spontaneous speaking styles were examined, focusing on stress-induced variation, given Bulgarian’s height-neutralising vowel reduction. Analysis of 7058 tokens showed minor spectral differences in stressed vowels, indicating shared targets among bilinguals. Reduction was stronger in spontaneous speech, neutralising contrasts in Bulgarian /a–ɤ/ and /ɔ–u/ but not in Judeo-Spanish. Bulgarian /ɤ/ lowering in careful speech suggests age-graded variation
Contribution of gravity waves to shear in the extratropical lowermost stratosphere : insights from idealized baroclinic life cycle experiments
Full text linkMixing significantly influences the redistribution of trace species in the lower stratosphere, potentially being the dominant factor in forming the extratropical transition layer (ExTL). However, the role of small-scale processes contributing to mixing is poorly characterized. In the extratropics, mixing processes are often linked to stratosphere–troposphere exchange (STE), which occurs frequently during baroclinic life cycles, e.g., near tropopause folds, cut-off lows, or stratospheric streamers. Gravity waves (GWs), a dynamical feature of these life cycles, can potentially contribute to STE and mixing in the lower stratosphere. We present a series of baroclinic life cycle experiments with the ICOsahedral Non-hydrostatic (ICON) model to study the impact of GWs on the occurrence of vertical wind shear and consequent potential turbulence, an indicator for mixing in the lowermost stratosphere (LMS). Dry adiabatic simulations with varying spatial resolution reveal that the spatiotemporal occurrence of GWs depends on the model grid spacing and is closely linked to shear and turbulence generation. Further process understanding is gained from experiments incorporating physical processes like latent heating, (vertical) turbulence, and cloud microphysics. Introducing moist processes amplifies GW activity and turbulence potential, mainly driven by latent heat release and stronger baroclinic wave evolution with vigorous vertical motions. Turbulence parameterization has a lesser effect on the overall evolution without moisture, whereas it dampens the effect of latent heat release in moist simulations. Altogether, GWs substantially enhance vertical shear and potential turbulence occurrence in the LMS and thus can play a significant role in tracer mixing and, consequently, in the ExTL formation
Etablierung einer Co-Kultur aus Osteoblasten und Makrophagen zur Untersuchung des Einflusses von Bone Sialoprotein (BSP) und BSP-Antikörpern auf die Differenzierung zu Osteoklasten
Full text linkIV, 75 Seiten ; Illustrationen, Diagramm
Orientierende Untersuchungen zur Schimmelpilzbelastung bei Baumaßnahmen in der Universitätsmedizin Mainz
Full text linkIII, 47 Seiten ; Illustrationen, Diagramm
Gut dysbiosis is linked to severe steatosis and enhances its diagnostic performance in MASLD
Full text linkBackground Metabolic dysfunction-associated steatotic liver disease (MASLD) is the leading cause of chronic liver disease globally, with rising prevalence linked to metabolic syndrome (MetS). Excessive liver fat accumulation (steatosis) worsens disease progression and MASLD prognosis. Moreover, gut microbiota dysbiosis might promote steatosis, accelerating the disease progression to severe stages. Identifying gut microbiota signatures specific to steatosis severity might improve its diagnosis and inform personalised interventions in MASLD. This study aimed to characterise associations between gut microbiota composition and hepatic steatosis severity in a cohort of patients with MASLD/MetS. Ultimately, we aimed to assess the potential for microbiota features to enhance the diagnosis of severe steatosis.
Methods A cross-sectional cohort of 61 patients with MetS with extensive clinical history was recruited at different stages of MASLD. Transient elastography was used to evaluate liver fibrosis and steatosis severity. Participants’ faecal microbiota were profiled using 16S rRNA gene sequencing. Statistical analyses first identified correlations between microbiota profiles and patients’ phenotypes, while disentangling important confounders such as medication. Identified features were then used to build predictive models for diagnosing severe steatosis.
Results High steatosis severity was distinctly associated with a higher prevalence of the inflammation-associated Bacteroides 2 (Bact2)-enterotype, accompanied by a lower proportion of beneficial commensals (eg, Akkermansia) and a higher proportion of opportunistic bacteria (eg, Streptococcus). Patients harbouring a Bact2-enterotype reached severe steatosis at lower Fatty Liver Index (FLI) thresholds. Using Bact2-carrier status together with FLI in a predictive model significantly improved the classification of severe steatosis (accuracy 90%, receiver operating characteristics 96%) when compared with FLI alone.
Conclusion Gut microbiota composition and dysbiosis (defined as Bact2-enterotype) are distinctly associated with steatosis severity in MASLD/MetS. Patient stratification by microbiota composition enhances the diagnostic classification of severe steatosis in MASLD, suggesting a potential for personalised interventions in patients with microbiota dysbiosis