3383 research outputs found
Sort by
Non-adiabatic reaction dynamics studied by chemoelectronic nanodiodes
Get PDFZiel dieser Arbeit war es, nicht-adiabatische Anregungen in Platinkatalysatoren mittels chemoelektronischer Nanodioden (in diesem Fall Metall–Isolator–Metall-Dünnschichtstrukturen) infolge von oberflächenkatalysierten Reaktionen nachzuweisen. Hierzu wurden temperaturprogrammierte Desorptionsexperimente im Temperaturbereich von 60–400 K durchgeführt, um die Adsorption, die Rekombination, die Zersetzung und die Desorption verschiedener Spezies auf der Platinelektrode einer chemoelektronischen Pt–Ta2O5–Ta-Nanodiode zu untersuchen. Um die Oberflächenreaktionen zu aktivieren, wurde die Nanodiode lokal erhitzt, während der Probenhalter auf einer konstanten Temperatur unter 70 K gehalten wurde. Als Konsequenz dieser Temperaturdifferenz stellten sich Temperaturgradienten auf der Probe ein, die eine exakte Temperaturmessung erschwerten. Daher wurde eine in-situ Temperaturmessung entwickelt und kalibriert, welche die Temperaturabhängigkeit des Bauteilstroms der Nanodiode nutzt und somit ausschließlich die Temperatur der chemoelektronischen Nanodiode misst. Mit der entwickelten Temperaturmessmethode konnten sodann Temperatur-programmierte Desorptionsexperimente durchgeführt werden, während gleichzeitig der Bauteilstrom gemessen wurde. Signifikante Änderungen des Bauteilstroms wurden aufgrund von Adsorptions- und Desorptionsprozessen von Wasser, schwerem Wasser, Methanol, Ammoniak und Ameisensäure nachgewiesen. Diese Änderungen des Bauteilstroms konnten als das Ergebnis reversibler Prozesse auf der Platinoberfläche identifiziert werden. Nicht-adiabatische Beiträge zu den detektierten Bauteilströmen wurden lediglich als Folge der Zersetzung von Ameisensäure auf Platin für möglich erachtet – jedoch als marginale Beiträge klassifiziert. Es wurde festgestellt, dass atomarer Sauerstoff, der auf der Platinelektrode der verwendeten Nanodiode voradsorbiert ist, die beobachteten Prozesse und damit die Vorzeichen der Änderungen des Bauteilstroms beeinflussen kann
Thermoelektrischer Transport in dichtemodulierten zweidimensionalen Elektronengasen
Get PDFLongitudinal and transverse thermoelectrics have been analyzed in various structured two-dimensional electron gases. To study the thermoelectric characteristics such as the thermopower, a temperature gradient often relies on Joule heating, where a current heats the electrons of the two-dimensional electron gas locally.
Due to energy diffusion, the spacial dependence of the temperature is not obvious and it is challenging to access it experimentally. In this thesis, we focus on devices where the device dimensions are comparable to the energy diffusion length and study mesoscopic features of the thermoelectric voltage. The dependence on
the device dimensions in comparison to the energy diffusion length is analyzed in detail. We discuss the thermoelectric transport properties within a diffusion thermopower model and study schemes to measure the energy diffusion length and its energy-dependence. That description is based on a quasi-equilibrium distribution function with spatially-dependent electron temperature and chemical potential.
Thermoelectric response coefficients are calculated in lowest order of the Sommerfeld expansion. The relation to recent experiments where mesoscopic effects play an important role is shown in this thesis.
The quasi-equilibrium approach within the diffusion thermopower model is sufficient as long as the energy that corresponds to the electron temperature is much smaller than the Fermi energy. However, there are situations where that model has
to be generalized for an appropriate determination of the thermoelectric voltage. It is therefore important to understand the non-equilibrium contributions to the electron distribution function systematically. This thesis presents an analytic method
to calculate the non-equilibrium contributions to the electron distribution. For that, the Boltzmann equation is solved analytically in an expansion of energy moments in the manner of hydrodynamic equations. An effective equation is derived incorporating both elastic and inelastic scattering processes in a relaxation time
approximation. The non-equilibrium contributions to the electrochemical potential are calculated within a systematic Sommerfeld expansion. Correspondingly, we calculate not only the equivalent to a temperature profile but the profiles of higher
energy moments of the non-equilibrium distribution function as well. Actually, in lowest order of the Sommerfeld expansion, the generalized approach is equivalent to the quasi-equilibrium ansatz. The first correction modifies Mott’s formula for the Seebeck coefficient. Even at low temperature, that correction can become significant if the electron density of the two-dimensional electron gas is reduced by an
external potential. Moreover, the systematic treatment of the energy moments of the distribution function allows for a better understanding of the non-equilibrium transport characteristics which are important for mesoscopic device geometries as analyzed in this thesis.Longitudinale und transversale thermoelektrische Eigenschaften werden in verschiedensten strukturierten zweidimensionalen Elektronengasen analysiert. Um die thermoelektischen Charakteristiken, wie den Seebeck-Koeffizienten, zu untersuchen,
wird oft auf einen Temperaturgradienten zurückgegriffen, der durch Joulsche Wärme erzeugt wird. In dem Fall heizt ein Strom lokal die Elektronen in dem zweidimensionalen Elektronengas. Durch Energiediffusion ist die Ortsabhängigkeit der Temperatur nicht trivial. In dieser Arbeit fokussieren wir uns auf Strukturen, deren
Dimension mit der Energiediffusionslänge vergleichbar ist, und behandeln mesoskopische Eigenschaften der thermoelektrischen Spannung. Die Abhängigkeit von Systemlängen im Vergleich zu der Energiediffusionslänge wird im Detail analysiert.
Wir diskutieren die thermoelektrischen Transporteigenschaften im Rahmen eines diffusiven thermischen Modells und studieren Situationen, in denen die Energiediffusionslänge und ihre Energieabhängigkeit gemessen werden kann. Diese Beschreibung
basiert auf einer Quasigleichgewichts-Verteilungsfunktion mit ortsabhängiger Temperatur und ortsabhängigem chemischen Potential. Die thermoelektrischen Transportkoeffizienten werden in niedrigster Ordnung der Sommerfeld-Entwicklung bestimmt. In dieser Arbeit wird auch der Zusammenhang zu aktuellen Experimenten
hergestellt, bei denen mesoskopische Effekte eine wichtige Rolle spielen. Der Quasigleichgewichtsansatz innerhalb des diffusiven thermischen Modells ist ausreichend, solange die Energie, die durch die Elektronentemperatur repräsentiert wird, viel kleiner ist als die Fermi-Energie. Allerdings gibt es Situationen, in denen
das Modell verallgemeinert werden muss, um die thermoelektrische Spannung angemessen zu beschreiben. Daher ist es wichtig, die Beiträge des Nichtgleichgewichts zur Verteilungsfunktion der Elektronen systematisch zu verstehen. Diese Arbeit präsentiert eine analytische Methode, diese Nichtgleichgewichtsbeiträge zu
berechnen. Hierfür wird die Boltzmann-Gleichung mit einer Entwicklung in Energiemomente im Sinne von hydrodynamischen Gleichungen analytisch gelöst. Eine effektive Gleichung wird hergleitet, die sowohl elastische als auch inelastische Streuprozesse in einer Relaxationszeit-Approximation berücksichtigt. Die Nichtgleichgewichtsbeiträge zum elektrochemischen Potential werden im Rahmen einer systematischen Sommerfeld-Entwicklung berechnet. Entsprechend wird nicht nur das Äquivalent zum Temperaturprofil bestimmt, sondern auch die Profile höherer Energiemomente.
In der niedrigsten Ordnung der Sommerfeld-Entwicklung ist die verallgemeinerte Theorie äquivalent zum Quasigleichgewichtsansatz. Allerdings verändert bereits die erste Korrektur die Mott-Formel für den Seebeck-Koeffizienten. Selbst für niedrige Temperaturen kann diese Korrektur signifikant sein, wenn die Elektronendichte durch externe Potentiale reduziert wird. Darüber hinaus erlaubt
eine systematische Behandlung der Energiemomente ein besseres Verständnis der Transporteigenschaften im Nichtgleichgewicht, welches für mesoskopische Strukturen, wie diejenigen, die hier behandelt werden, essentiell ist
Biofunctionalisation of implant model surfaces with growth factors and adhesion proteins
Get PDFDiese Arbeit befasst sich mit der Biofunktionalisierung von Implantat-Modelloberflächen und deren Charakterisierung. Die Implantat-Modelloberflächen bestanden aus Titanoxid (TiOx) bzw. Calciumphosphat (CaP). Die Biofunktionalisierung basierte auf einem supramolekularen Biotin-Streptavidin-System, auf das verschiedene Biomoleküle adsorbiert wurden.
Die Modelloberflächen wurden mit Hochfrequenz-Magnetron-Sputtering hergestellt; die anschließende Biofunktionalisierung beruhte auf Selbstassemblierung. Die Charakterisierung wurde mittels Oberflächenplasmonresonanzspektroskopie, Ellipsometrie, Wasser-Kontaktwinkelmessungen und Fouriertransformierter Infrarotreflektionsabsorptionsspektroskopie durchgeführt. Der Biofunktionalisierungsansatz für TiOx-Modelloberflächen wurde im Blick auf Stabilität und die Unterdrückung nicht-spezifischer Adsorptionsprozesse getestet. Um das osteoinduktive Potential zu untersuchen, wurde die Biofunktionalisierung um biotinyliertes BMP-2, BMP-2/6 und Fibronektin erweitert. Zur Ermittlung ihres Stimulationspotentials von Weichgewebe wurde biotinyliertes FGF-2 spezifisch immobilisiert.
Es konnte gezeigt werden, dass die Streptavidin-Monolage auf TiOx-Modelloberflächen sowohl die nicht-spezifische Adsorption von Plasmaproteinen als auch die Adsorption verschiedener Bakterien unterdrückte. Gleichzeitig war spezifische Bioaktivierung und Stimulierung humaner osteoblastärer Zellen mittels Immobilierung von BMP-2 und BMP-2/6 sowie von mit Fibronektin kombiniertem BMP-2 und BMP-2/6 möglich. Die Immobilisierung von FGF-2 resultierte in einer erhöhten Proliferation von Fibroblasten, während BMP-2 keine Fibroblasten stimulierte. Diese Ergebnisse wurden im Hinblick auf ihre Bedeutung für die Herstellung multifunktionaler Implantate diskutiert.
Darüber hinaus wurden CaP-Modelloberflächen auf Möglichkeiten der Übertragung des Streptavidin-Biotin-Biofunktionalisierungsansatzes untersucht. Die Übertragung der Biotin-Streptavidin-Biofunktionalisierung auf CaP in wässrigen Lösungsmitteln schlug fehl, gelang jedoch in einem DMSO-PBS-Gemisch im Verhältnis 30:70 (v/v). Zudem war die Streptavidinadsorption an Biotin in diesem Medium verstärkt. Die Biofunktionalisierung wurde sowohl mit als auch ohne eine stabilisierende Silikaschicht übertragen. Es konnte gezeigt werden, dass die Menge an adsorbiertem Streptavidin unabhängig von der Aufbringung einer Silikaschicht war. Die Bindungseigenschaften der Biofunktionalisierung auf CaP wurden mit XPS analysiert, wodurch die Möglichkeit einer Bindung an die Oberflächen-Hydroxylgruppen von CaP aufgezeigt wurde.
In zukünftigen Arbeiten soll die Übertragung dieses Biofunktionalisierungs-ansatzes auf verschiedene Oberflächen getestet werden. Dies könnte zu zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten in klinischen Einsatzgebieten, z. B. in der Herstellung bioinerter Katheteroberflächen, führen. Um den Sicherheitsansprüchen zu genügen, müssen toxikologische und immunologische Parameter in vivo untersucht werden.
Des Weiteren kann diese Biofunktionaliserung zur Herstellung von Oberflächen mit räumlich genau angeordneten Biomolekülen genutzt werden. Damit sind oberflächenkonzentrationabhängige Untersuchungen möglich, um herauszufinden, wo die minimale und maximale Stimulationsdosis für die Zellen liegt. So kann der Überdosierung von Biomolekülen mit hohem Stimulationspotential (z. B. Wachstumsfaktoren) vorbeugt werden.
Die Biofunktionalisierung ist ein modulares System. Verschiedene Biomoleküle können in Multischichten immobilisiert werden. Dies kann zum schrittweisen Aufbau einer künstlichen extrazellulären Matrix genutzt werden, indem Proteinen mit Stützfunktion, Zytokine und Glykosaminoglykane sequentiell adsorbiert werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorgestellte Biofunktionalisierung eine Vielzahl zukünftiger Anwendungen sowohl in medizinischen als auch technologischen Bereichen möglich machen kann.This work comprises the biofunctionalisation of implant model surfaces and the characterisation thereof. The implant model surfaces consisted of TiOx, or CaP, respectively. The biofunctionalisation was based on a supramolecular biotin-streptavidin-system on which several biomolecules were adsorbed.
The model surfaces were prepared with rf-magnetron sputtering; the subsequent biofunctionalisation was based on self-assembly processes. Characterisation was performed with surface plasmon resonance spectroscopy, ellipsometry, water contact angle measurements and fourier-transformed infrared reflection absorption spectroscopy. The TiOx model surface biofunctionalisation approach was tested with regard to stability and the suppression of nonspecific adsorption processes. To investigate the osteoinductive potential, the biofunctionalisation was extended by conjugation of biotinylated BMP-2, BMP-2/6, and fibronectin. To test its stimulation potential of soft tissue, biotinylated FGF-2 was conjugated.
The streptavidin monolayer on TiOx model surfaces was shown to suppress nonspecific adsorption of plasma proteins as well as adsorption of several bacterial species. Simultaneously, specific bioactivation and stimulation of human osteoblastic cells was possible with immobilisation of BMP-2 and BMP-2/6, as well as BMP-2 and BMP-2/6 both combined with fibronectin. Immobilisation of FGF-2 resulted in an increased proliferation of fibroblasts while BMP-2 did not stimulate fibroblasts. These results were discussed regarding their relevance for the preparation of multifunctional implants.
Besides, CaP model surfaces were investigated with respect to transfer possibility of the streptavidin-biotin biofunctionalisation approach. Transfer of the biotin-streptavidin biofunctionalisation onto CaP failed in aqueous media but was successful in a mixture of DMSO and PBS at a ratio of 30:70 (v/v). Additionally, streptavidin adsorption to biotin was significantly enhanced in that mixture. The biofunctionalisation was transferred with and without a stabilising silica layer. The amount of adsorbed streptavidin was shown to be independent of the implementation of a silica layer. The binding properties of the biofunctionalisation to CaP were analysed with XPS measurement, showing the possibility of a conjugation to the surface hydroxyl groups of CaP.
For future work, transfer of this biofunctionalisation approach to various surfaces should be tested. This might yield multiple applications in clinical use, e. g. for the creation of bioinert surfaces on catheters. To meet safety aspects, toxicological and immunological impacts have to be tested in vivo.
Further, this biofunctionalisation can be used for the preparation of surfaces with spatially ordered biomolecules. This makes a surface-concentration-dependent testing in order to find the minimum and maximum stimulation dose for the cells possible. Prevention of side effects due to overdosage of biomolecules with a high stimulation potency (e. g. growth factors) will be possible.
The biofunctionalisation is a modular system. Various biomolecules can be immobilised in multilayers. This can be used to create an artificial extracellular matrix consisting of structural proteins, cytokines and glycosaminoglycans.
To sum up, the presented biofunctionalisation offers a multitude of future applications in medicinal as well as technical areas
Light emitting devices based on colloidal quantum dots
Get PDFOrganische lichtemittierende Dioden (OLEDs) finden dank ihrer großflächigen Emissions-natur, ultradünner Bauweise und Flexibilität Einsatz in einer Vielzahl zukunftsweisender Anwendungen wie z.B. als Displays Verwendung. Eine gegen Umwelteinflüsse robustere Alternative zu den organischen Leuchtmolekülen bieten die auf anorganischen Halbleitern basierten Quantenpunkte (engl. Quantum dots, QDs), welche durch ihre Herstellung aus der Flüssigphase unabhängig von der Substratgröße mit einfachen (Druck-)Verfahren aufgebracht werden können. Die Emissionswellenlänge von QDs kann dabei durch die Material-zusammensetzung und auf Grund von Quantisierungseffekte über die Größe beeinflusst werden. Für effiziente QD-basierte lichtemittierende Bauelemente (engl. light emitting device, LED) werden ähnlich wie bei OLEDs sowohl auf der Anoden- als auch auf der Kathodenseite Hilfssichten benötigt, die die Ladungsträgerinjektion in die Emitterschicht (QDs) unterstützen. Die Kommerzialisierung der Technologie selbst steht jedoch im Vergleich zu OLEDs noch am Anfang, überwiegend begründet durch den Einsatz umweltbedenklicher (z.B. cadmium- (Cd) haltiger) und/oder limitiert verfügbarer Materialien (z.B. Indium).
Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der Entwicklung effizienter und heller lösungs-mittelbasierter QD-LEDs. Hierfür wurden zuerst die „state-of-the-art“-Prozesstechnologie und Messtechnik auf Grundlage des bekannten QD-LED-Systems aus organischen Hilfsschichten und Cd-basierten Kern-Hülle-QDs am Lehrstuhl etabliert. Auf der Grundlage dieses bestehenden Systems wurde Graphen als kohlenstoffbasierte Alternative zur typischen transparenten Elektrode aus Indiumzinnoxid (ITO) implementiert. Bei einer systematischen Untersuchung des Einflusses der Anzahl der Graphenlagen auf das Bauelementverhalten konnte für eine Bilagenelektrode sogar eine höhere Lichtausbeute als bei der ITO-Referenz gezeigt werden.
Zinkoxid-Nanokristalle (ZnO-NK), deren Funktionsweise als anorganische Hilfsschicht in der Literatur bis heute kontrovers diskutiert wird, wurden im nächsten Schritt zur Effizienzsteigerung der QD-LEDs eingeführt. Durch den Einsatz unterschiedlicher ZnO-NK mit gezielt eingestellten Eigenschaften sowie Simulationen zum Bauelementverhalten wurde erstmalig ein Erklärungsmodell für die Wirkungsweise des ZnO als Lochblockade oder Elektroneninjektor abgeleitet.
Ausgehend von den Erkenntnissen zu dem Cd-basiertem Standardschichtsystem konnte die Integration Cd-freier QDs aus Kupferindiumsulfid (CuInS2) in einer QD-LED realisiert werden. Mithilfe der gezielt angepassten ZnO-NK-Hilfsschicht konnte die externe Effizienz der Bauelemente um drei Größenordnungen auf 0,4% und die Helligkeit um den Faktor 50 auf 110 cd/m2 gesteigert. Aufgrund des breiten Emissionsspektrums der CuInS2-QDs von ca. 100 nm bei einer Emissionswellenlänge von ca. 595 nm konnten diese als Grundlage für Weißlicht emittierende QD-LEDs in Kombination mit blauen QDs in einer innovativen Mischschicht-Architektur realisiert werden. In dieser Arbeit wurden dabei erstmalig weiße QD-LEDs mit einem Rekord-Farbwiedergabeindex (CRI) von 78 mit nur zwei Emissions-komponenten realisiert werden, welche über einen breiten Spannungsbereich eine stabile Licht-emission ohne großen Farbdrift aufwiesen. Damit wurde mit dieser Arbeit ein wichtiger Schritt zur Anwendungsrelevanz von kostengünstigen, lösungsmittelbasierten und gleichzeitig nachhaltigen QD-LEDs gelegt.Thanks to their large area emission, ultra-thin and flexibility device architecture, organic light-emitting diodes (OLEDs) can be used in a wide range of trend-setting applications such as displays. Due to their robustness against environmental influences, quantum dots (QDs) based on inorganic semiconductors offer an alternative to the organic dye molecules. Due to their synthesis from the liquid phase, QDs can be used in applications independent of their substrate size with simple printing or coating processes. The emission wavelength of QDs can be tuned by the composition of the material and by the size of the QDs due to confinement effects. Similarly to OLEDs, support layers are required for efficient light emitting devices (LEDs) on the anode and the cathode side to support the injection of charge carriers into the emitter layer (QDs). However, industrial application of QD based LEDs is still in the beginning compared to the OLEDs due to the usage of materials which are harmful to the environment (e.g. Cadmium (Cd)) and / or limited in supply (e.g. Indium).
The focus of this work is laid on the development of efficient and bright solution based QD-LEDs. Based on the establishment of state-of-the-art process and measurement technologies in the department, the organic support layers in known QD-LED systems based on cadmium based core/shell QDs were optimized. In order to replace transparent indium tin oxide (ITO) electrodes, graphene was implemented as a carbon based alternative. In a systematic investigation of the effect of the number of graphene layers on the device behavior, an electrode based on a bilayer of graphene even achieved higher light output than the ITO reference.
Zinc oxide nanocrystals (ZnO-NC), whose working mechanism as an inorganic support layer is discussed controversially in the literature until today, was introduced to increase the efficiency of the QD-LEDs. By comparing the device performance of QD-LEDs with different ZnO-NCs with simulations, an explanation for the ZnO’s function as a hole blocker or electron injector was given for the first time.
Based on the findings on the Cd-based layer system, the integration of Cd-free QDs made from copper indium sulfide (CuInS2) could be realized in a QD-LED. With the help of the specifically engineered ZnO-NC support layer, the external efficiency of the devices was increased by three orders of magnitude to 0.4 % and the brightness by the factor 50 to 110 cd/m². Due to the broad emission spectrum of the CuInS2-QDs with ca. 100 nm for an emission wavelength of ca. 595 nm, the QDs could be used as a basis for white light emitting QD-LEDs in combination with blue QDs in an innovative mixed layer architecture. In this work, white light emitting QD-LEDs with a record color index (CRI) of 78 with only two emission components were achieved, which had a stable light emission for a wide voltage range without a large color drift. This is an important step towards the application relevance of cost effective, solution based, and sustainable QD-LEDs
Randomised, controlled trial on the effects of a DIR-occlusal splint therapy on headache in patients with tenporomandibular disorder
Get PDFChronische Kopfschmerzen und craniomandibuläre Dysfunktion sind häufige Erkrankungen mit deutlichem negativemm Einfluss auf die Lebensqualität. Kopfschmerzen und craniomandibuläre Dysfunktion treten überzufällig häufig komorbid auf.
Ziel dieser Studie war die Untersuchung der Wirksamkeit einer nach dem Dynamic Intraoral Registration (DIR)-System gefertigten Aufbiss-Schiene auf die Schmerzintensität mittels VAS, Frequenz und Häufigkeit von Kopfschmerzen mit einem Kopfschmerztagebuch sowie die gesundheitsbezogene Lebensqualität mit dem SF-36 bei Patienten mit chronischen Kopfschmerzen und einer craniomandibulären Dysfunktion. Es wurde eine wartegruppenkontrollierte Studie durchgeführt. Insgesamt konnten von 60 randomisierten Probanden 44 Datensätze in die Analyse einbezogen werden, 26 aus der Interventionsgruppe, 18 aus der Wartekontrollgruppe. Die Intervention bestand in dem 24stündigen Tragen der individuell gefertigten Aufbiss-Schiene für insgesamt sechs Monate. Die Probanden der Wartekontrollgruppe erhielten drei Monate lang keine spezielle Intervention, nach drei Monaten erfolgte dieselbe Therapie wie in der Interventionsgruppe. Nach drei und sechs Monaten kontinuierlicher Schienentherapie wurden die Zielparameter erneut abgefragt, es erfolgte ein Vergleich zu den Werten der Wartekontrollgruppe vor Beginn der Schienentherapie, also nach einem dreimonatigen Wartezeitraum.
Die Ergebnisse zeigen eine signifikante Schmerzreduktion auf der visuellen Analogskala nach sechs Monaten in der Interventionsgruppe gegenüber der Wartekontrollgruppe. Es zeigten sich kaum Unterschiede in der körperlichen Summenskala der gesundheitsbezogenen Lebensqualität im SF-36 sowie eine nicht-signifikante kontinuierliche Abnahme von Kopfschmerzfrequenz und -dauer pro 14 Tage.
Die Studie hat gezeigt, dass die nach dem DIR-System angefertigte Schiene einen Einfluss auf die Schmerzintensität bei Patienten mit chronischen Kopfschmerzen hat, der allerdings erst nach sechs Monaten als signifikant belegbar ist. Es sollten weitere Studien mit größerer Fallzahl erfolgen, um die Wirksamkeit zu bestätigen und mit der Wirksamkeit anderer Aufbiss-Schienen direkt zu vergleichen
Bestimmung von Nikotin, Cotinin und Nikotin-N-Oxid in menschlichem Blut, Plasma, Urin, Sperma und Spermien durch LC-Orbitrap MS: Anwendung in der klinischen Studie
No full textIn dieser Arbeit wurde eine durchsatzstarke, robuste, einfache und ökonomische bioanalytische Methode für die simultane Analyse von Nikotin (Nic), Cotinin (Cot) und Nikotin N-oxid (Nox) in menschlichem Urin, Plasma, Samenflüssigkeit, Sperma und getrockneten Blutproben (engl. dried blood spot, DBS) mit LC-ESI-orbitrap-MS entwickelt und validiert. Zum Ausfällen der Proteine wurde ein einzelner Extraktionsschritt mit Trichloressigsäure (TCA) eingesetzt und als interner Standard (IS) diente deuteriertes Nicotin (nicotine-d3). Die entsprechend der europäischen und amerikanischen Richtlinie für bioanalytische Methodenvalidierung hinsichtlich Spezifität, Matrixeffekt, Linearität, Sensitivität, Präzision, Genauigkeit und Lagerstabilität validierte Methode zeigt hohe Wiederfindungsraten, weist kurze Analysenzeiten auf und liefert akkurate Massen der Analyten. Nach Optimierung der chromatographischen Bedingungen wurde eine Kinetex-C18 Säule (150 x 2.1 mm, 5 µm) mit Methanol:Wasser:Ameisensäure (10:90:0,1 %, v/v/v) als Laufmittel eingesetzt.
Mittels ESI-orbitrap-MS wurden akkurate Massen im Positivmodus aufgenommen. Bei der Auswertung wurden die m/z-Verhältnisse 163,1235, 177,1028, 179,1188 und 166,1423 für die Substanzen Nic, Cot, Nox bzw. IS herangezogen. Der lineare Bereich für Nic, Cot und Nox in Urin lag bei 50-3000 ng/mL. In Plasma, Samen und bei den DBS wurde ein linearer Bereich von 5-250 ng/mL für Nic und Nox sowie von 10-500 ng/mL für Cot festgestellt. Präzision und Genauigkeit der Messungen entsprachen den Kriterien der angewandten Richtlinien und die Wiederfindung nach der Extraktion lag für alle Matrices bei über 95 %. Die Ionensuppression wurde für alle untersuchten Matrices getestet und bewertet.
Mit der entwickelten Methode wurden in dieser Arbeit drei Fragestellungen bearbeitet. Als erstes wurde der Einfluss von Granatapfel- und Lakritzgetränken auf die Metabolisierungsrate von Nikotin anhand von Bestimmungen des metabolischen Index Nic/Cot sowie eines zusätzlichen neuen, in dieser Arbeit erstmalig verwendeten Index Nic/Nox, in Urin untersucht. Im Vergleich mit den entsprechenden Kontrollbedingungen zeigte sich bei den 24 Raucherprobanden unter dem Einfluss von Granatapfel- und Lakritzgetränken eine beschleunigte Metabolisierungsrate von Nikotin.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde der Gehalt von Nikotin und seinen Hauptmetaboliten Cotinin und Nikotin-N-Oxid in menschlichem Plasma, Samenflüssigkeit und Sperma untersucht. Nikotin verbreitet sich im menschlichen Körper in Flüssigkeiten und Geweben, aber es ist bisher nicht bekannt, ob Nikotin in Sperma vorhanden ist. Dazu wurden Spermienzellen aus je 1 mL Spermienflüssigkeit von 12 Probanden durch Zentrifugation quantitativ abgetrennt und mittels der optimierten Methode extrahiert. Nikotin und Cotinin wurde in allen Proben detektiert. In Plasma lag der Gehalt von Nikotin-N-Oxid unterhalb der Quantifizierungsgrenze, in allen Samenflüssigkeitsproben und in 10 von 12 Spermaproben konnte Nox aber detektiert werden. Der Nikotin- und Cotiningehalt in Sperma war mit dem Gehalt in Plasma vergleichbar. In Samenflüssigkeit war der Gehalt an Nikotin signifikant höher als in Plasma (2,3-fach, p<0.001). Im Sperma lag die Konzentration von Nic und Cot im gleichen Bereich wie für Nic im Plasma. Die Nic-Konzentrateion im Sperma war jedoch signifikant niedriger als in der Samenflüssigkeit (2,1-fach, p<0,001).
Im dritte Teil dieser Arbeit wurde eine bioanalytische Methode unter Verwendung von getrockneten Blutproben (DBS) als Alternative für traditionell eingesetzte Methoden entwickelt. Die auf Filterpapieren getrockneten Blutproben wurden als Plättchen von 6,35 mm Durchmesser ausgestanzt und mit Trichloressigsäure in einem einzelnen Extraktionsschritt extrahiert. Die Untersuchung chromatographischer Effekte zeigte, dass Variationen der DBS Methode durch nicht exakt zentriertes Ausstanzen der Bluttropfen und hämatokritische Effekte nur zu minimalen Schwankungen der ermittelten Nikotin- und Cotiningehalte führen. Anschließend wurde die optimierte Methode auf Blutproben von zwölf Rauchern angewandt und die Messungen mittels DBS wurden mit den entsprechenden Plasmaproben verglichen.A high throughput, robust, simple, and economic bioanalytical method for simultaneous determination of nicotine (Nic), cotinine (Cot) and nicotine N-oxide (Nox) in human urine, plasma, semen, sperm and dried blood spot (DBS) was developed and validated by LC ESI-orbitrap-MS. The current described method was successfully developed using deuterated nicotine (nicotine-d3) as internal standard (IS) following single extraction step by trichloroacetic acid solution (TCA) for protein direct precipitation, providing top extraction recovery and short run time with accurate mass measurements. The method was then validated according to the European and American guideline for bioanalytical method validation in terms of specificity, matrix effect, linearity, sensitivity, precision, accuracy and stability. Chromatographic conditions were optimized using Kinetex-C18 column (150 × 2.1mm, 5µm) and eluted by mobile phase of methanol:water:formic acid (10:90:0.1%, v/v/v).
Accurate mass measurements were obtained by ESI-orbitrap-MS at positive m/z 163.1235, 177.1028, 179.1188 and 166.1423 for Nic, Cot, Nox and IS, respectively. The established calibration range for Nic, Cot and Nox in urine analysis was linear between 50 and 3000 ng/mL, in plasma, semen and DBS was linear between 5-250 ng/mL for Nic and Nox, and between 10-500 ng/mL for Cot. The within and between days measurements precision and accuracy were all within the acceptance criteria according to the European and American guidelines for bioanalytical method validation, and the extraction recovery was higher than 95% for the studied matrixes. The ionic suppression test was achieved and discussed for the all investigated fluidic matrices.
The established method was intended to investigate three objectives, including study the influence of pomegranate and licorice test drinks on Nic metabolism rate. This was done by urinary measurements for metabolic index of Nic/Cot, in addition to new introduced metabolic index Nic/Nox, where urine samples were collected from twenty four smoker volunteers under pomegranate and licorice drink conditions, and compared their measurements to corresponding control condition.
The second study objective was intended to investigate Nic with its major metabolites Cot and Nox availability in human plasma, semen and sperm, where Nic has extensive distribution among human fluids and tissues, but still nobody knows whether Nic is available in sperm or not. Herein, sperm bodies were separated quantitatively from each
1 mL of twelve human’s semen samples by centrifugation and extracted. As a result, Nic and Cot were detected in all samples, and Nox was below the LLOQ in plasma but detectable in all semen samples and 10 out of 12 sperm samples. Interestingly, Nic was significantly higher in semen compared to plasma (2.3-fold, p<0.001). The measured Nic and Cot concentrations in sperm samples were comparable to the corresponding measurements in plasma, and Nic was significantly lower in sperm compared to semen (2.1-fold, p<0.001).
The third study objective was intended to find a suitable bioanalytical method using DBS technique as an alternative to the traditionally used methods. A 6.35 mm disk diameter was cut out of the filter cards and extracted by TCA solution in a single extraction step. Chromatographic effect was investigated in current study and demonstrated that the overall variation accounted due to decentralized punch and hematocrit effects are caused a minimal variation factor in Nic and Cot quantitation by DBS. The optimized method was then applied to collect blood samples from twelve smoker volunteers, and compared their DBS measurements with the corresponding plasma measurements
Rolle viraler Infektionen in der Transplantationsmedizin
No full textGraft versus host disease (GvHD) tritt in 40% der Fälle bei Patienten nach MHC I abgeglichener Knochenmarktransplantation (KMT) auf. Mechanismen, die diese Krankheit verursachen, sind noch zu untersuchen. In dieser Arbeit verwendeten wir eine transgene CD8+ T Zell Mauslinie (P14/CD 45.1+) und eine transgene DEE Mauslinie, die ubiquitär mit dem Fremdantigen (LCMV-Glykoprotein) versehen ist, um Toleranzmechanismen aus Spender abgeleiteten host-spezifischen CD8+ T Zellen nach KMT zu untersuchen. Wir stellten fest, dass host-reaktive CD8+ T Zellen im Thymus nicht negativ selektiert wurden und sich ähnlich in den Empfängermäusen entwickelten wie die nicht host-spezifischen CD8+ T Zellkontrollen. Host-spezifische CD8+ T Zellen ignorierten das ubiquitär exprimierte Antigen auf den Empfänger-Zellen, konnten jedoch ex vivo durch eine LCMV (Lymphozytäre Choriomeningitis Virus)-Infektion aktiviert werden. Lipopolysaccharide (LPS) induzierten einen transienten Zellschaden in den transgenen DEE-Empfängermäusen mit host-spezifischen CD8+ T Zellen, was vermuten ließ, dass die Einführung einer inflammatorischen Immunantwort die Ignoranz unterbrach. Schlussfolgernd konnten wir feststellen, dass host-spezifische CD8+ T Zellen das Antigen im Empfänger nach KMT ignorierten und dass sie nur eliminiert wurden, wenn das Host-Antigen im hämatopoetischen System vorhanden war. Darüber hinaus trug eine LPS-induzierte Immunaktivierung u.a. dazu bei, eine Alloreaktivität von host-spezifischen CD8+ T Zellen nach KMT zu induzieren.
Unerwartete Übertragungen von viralen Keimen nach solider Organtransplantation (SOT) kann beim Empfänger eine schwere, lebensgefährliche Erkrankung auslösen. Eine Immunaktivierung trägt dann zum Krankheitsausbruch bei; Mechanismen, die jedoch eine Immunantwort gegen transplantatvermittelte übertragbare Virus Infektionen beeinflussen, sind noch unbekannt. In diesem Modell haben wir herausgefunden, dass bei Verwendung des LCMV eine Transplantation von LCMV-infizierten Herzen zu einer zellulären Erschöpfung von virus-spezifischen CD8+ T Zellen, Virus Persistenz in den Empfängerorganen sowie Überleben des Transplantorgans und –Empfängers führten. Die genetische Depletion des Interleukin-10 (IL-10) resultierte in einer starken Immunaktivierung, Transplantatdysfunktion und Tod der Empfängermäuse, was vermuten ließ, dass IL-10 ein wichtiger Regler für CD8+ T Zell Erschöpfung während SOT darstellte. In Anwesenheit von Memory-CD8+ T Zellen konnte das Virus kontrolliert werden; es kam jedoch aufgrund der vorhandenen antiviralen Immunantwort zu einer Abstoßung des transplantierten Herzens. Schlussfolgernd stellten wir fest, dass durch SOT übertragbare Virusinfektionen nicht durch naive Empfängermäuse aufgrund der IL-10 vermittelten CD8+ T Zell Erschöpfung kontrolliert werden konnten, wodurch Immunpathologie und Transplantatversagen vermieden werden konnte, während infizierte Memorymausempfänger im Stande waren, dass transplantatvermittelte Virus zu kontrollieren und dadurch eine Transplantatabstoßung zu induzieren.Graft versus host disease (GvHD) occurs in 40% of cases with patients having a MHC I matched bone marrow transplantation (BMT). Mechanisms causing this disease remain to be studied. Here we used a CD8+ T cell transgenic mouse strain (P14/CD45.1+) and DEE mice bearing the foreign antigen (LCMV-GP33-41) to study mechanisms of tolerance in donor derived host specific CD8+ T cells after BMT. We found that host reactive CD8+ T cells were not negatively selected in the thymus and developed comparably to host non-specific CD8+ T cells. Host specific CD8+ T cells ignored the antigen expressed ubiquitously by host cells but they could be activated ex vivo via LCMV (lymphocytic choriomeningitis virus)-infection. Lipopolysaccharides (LPS) induced transient cell damage in DEE mice bearing host specific CD8+ T cells, suggesting that induction of host inflammatory response could break this ignorance. In conclusion, we found that after BMT host specific CD8+ T cells ignore antigen in recipients and that they are only deleted when host antigen is present in the hematopoietic system. Moreover, LPS-induced immune activation contributes to induction of alloreactivity of host specific CD8+ T cells after BMT.
Unexpected transmissions of viral pathogens during solid organ transplantation (SOT) can result in severe, life-threatening diseases in transplant recipients. Immune activation contributes to disease onset; however mechanisms balancing the immune response against transmitted virus infection through organ transplantation remain unknown. Here, we found, using LCMV, that transplantation of LCMV infected hearts led to exhaustion of virus specific CD8+ T cells, viral persistence in organs and survival of graft and recipient. Genetic depletion of IL-10 resulted in a strong immune activation, graft dysfunction and death of mice, suggesting that IL-10 was a major regulator of CD8+ T cell exhaustion during SOT. In the presence of memory CD8+ T cells, virus could be controlled; however sufficient antiviral immune response resulted in rejection of transplanted heart. In conclusion, we found that virus transmitted by SOT cannot be controlled by naive recipients due to IL-10 mediated CD8+ T cell exhaustion which thereby prevented immunopathology and graft failure whereas memory mice recipients were able to control the virus and induced graft failure
Health, insurance and expenditures: four essays in empirical health economics
No full textThis cumulative thesis contributes to the contemporary empirical health economics literature and enhances knowledge on managing health systems and policies. First, we assess the impact of ageing on health care expenditures. Second, the role of memorisation ability in preventive activities is emphasized. Third, we critically discuss methods that are used to detect selection into insurance markets, and fourth, we empirically reveal the interplay of formal and informal risk sharing mechanisms
Permeability process of poly(alkyl cyanoacrylate) nanocapsules
No full textIm Rahmen dieser Arbeit wurden Polyalkylcanoacrylat-Nanokapseln zunächst mittels Grenzflächenpolymerisation synthetisiert. Bei der Synthese wurden verschiedene Faktoren wie die Monomerzusammensetzung der beiden Monomere n-Butylcyano-acrylat und Propargylcyanoacrylat sowie die Tensidmenge und die Art des Stabilisators (Natrium-1-dodecansulfonat, Dodecyltrimethylammonium-chlorid (DTAC)) variiert. Eine Kapselmembran, bestehend aus jeweils 50 mol% der beiden Monomere, welche mittels DTAC stabilisiert wurde, wurde anschließend systematisch in ihrer Durchlässigkeit mittels PFG-NMR charakteri-siert. Die Größe der Kapseln wurde mittels Particle Tracking bestimmt.
Als Sondenmoleküle bei den PFG-NMR Messungen wurden Polyethylenglykole in einem Molmassenbereich von 600 g/mol bis 15000 g/mol verwendet. Weitere meist organische Sondenmoleküle im Bereich von 18 g/mol bis 200 g/mol wie verschiedene Alkohole, Diole oder organische Phosphorverbindungen wurden genutzt, um die Membran hinsichtlich ihrer Durchlässigkeit für Moleküle verschiedener Größenordnungen und Polaritäten zu beschreiben.
Es konnte gezeigt werden, dass die Membran für größere Polyethylenglykole weniger durchlässig ist als für kleinere Moleküle dieses Typs. Bei der Unter-suchung mit den verschiedenen organischen Sondenmolekülen zeigte sich bevorzugt eine Korrelation zwischen der effektiven Permeabilität dieser Moleküle und dem Wasserstoffbrückenbindungsparameter nach Hansen. Je größer dieser Parameter eines Moleküls ist, desto langsamer permeiert dieses durch die Kapselhülle.
Im weiteren Verlauf wurden die Membranen der Kapseln durch chemische Vernetzung modifiziert. Mittels der Vernetzung konnte die effektive Permeabilität für alle Sondenmoleküle erheblich gesenkt werden. Durch Modifizierung der Kapselhülle mit einem positiv geladenen Azid konnte über eine Click Reaktion ebenfalls eine Reduktion der effektiven Permeabilität erreicht werden.The objective of this work was to synthesize poly(alkyl cyanoacrylate) nanocapsules using surface polymerisation. During synthesis, different parameters such as the relative monomer composition of both monomers n-butyl cyanoacrylate and propargyl cyanoacrylate as well as the type and amount of surfactant (sodium-1-dodecane sulfonate, dodecyltrimethylammonium chloride (DTAC)) were adjusted.
The DTAC-stabilized capsule membrane, which consists of 50 mol% of each monomer, was characterized in its permeability via PFG-NMR. The size of the capsules was determined using particle tracking. Polyethylene glycols with a molar mass ranging from 600 g/mol to 15000 g/mol were used as tracer molecules for the PFG-NMR measurements. Furthermore, some other, mostly organic tracers in a range of between 18 g/mol and 200 g/mol, e.g. different alcohols, diols or organic phosphor compounds, were used to analyze the membrane with regard to its permeability in respect to the different molecules and their varying sizes and polarities.
It was shown that the membrane is less permeable for bigger polyethylene glycols than for smaller molecules of this class. Using the different organic tracer molecules, it was furthermore established that a correlation exists between the effective permeability for the molecules and their Hansen’s hydrogen bonding parameter. The higher this parameter of a molecule, the slower it permeates through the capsule membrane.
Over the course of the experiment, the membranes of the capsules were modified using chemical crosslinking. An increasing degree of crosslinking leads to an extensive reduction in the effective permeability. Likewise, the use of a positively charged azide to modify the capsule membrane via click reactions again leads to the expected reduction of the effective permeability
On Simulation-based Ship Maneuvering Prediction in Deep and Shallow Water
No full textA simulation-based framework for the prediction of ship maneuvering in deep and shallow water is presented. A mathematical model for maneuvering represented by coupled nonlinear differential equations stemming from Newtonian mechanics is derived. Hydrodynamic forces are modeled by multivariat polynomials, and therein included are coefficients representing ship-specific hydrodynamic properties which are determined by way of captive maneuvering tests using Computational Fluid Dynamics (CFD). The development and evaluation of efficacy of the proposed framework encompasses verification and validation studies on numerical methods for maneuvering and flows around ships in shallow water. The flow field information available from numerical simulations are used to discuss hydrodynamic phenomena related to viscous and free surface effects, as well as squat