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Fabrication, analysis and manipulation of systems with spin-polarized electronic states
No full textDiese Arbeit thematisiert die Herstellung und Manipulation von Systemen mit spin-aufgespaltenen Oberflächenzuständen. In einer hochauflösenden SPA-LEED-Studie wird das Wachstum von Bi2Se3 untersucht. Es wird gezeigt, dass dünne Bi2Se3-Filme innerhalb der ersten sechs Quintupel-Lagen (QL) verspannt mit einer vergrößerten Gitterkonstante aufwachsen. Dabei wächst bereits die erste QL epitaktisch. Durch die van-der-Waals-Bindung zwischen den einzelnen QL können diese aufeinander gleiten. Die Filme mit der geringsten Verspannung werden auf einem Bi-rekonstruierten Si(111)-Substrat bei T = 250° C erzeugt und haben für unverspannte Schichten eine laterale Gitterkonstante von a = 0,4136 nm. Durch ex-situ XRD-Messungen wird die vertikale Gitterkonstante zu c = 2,8559 nm bestimmt. Über die Temperaturabhängigkeit der Beugungsintensität kann für Bi2Se3 eine Oberflächen-Debye-Temperatur von T = 89 K ermittelt werden.
Nachdem das Wachstum von Bi(111) auf Si(001)-Substraten etabliert ist, wird das Wachstum auf Si(111) optimiert und charakterisiert. Die so gewachsenen Bi(111)-Filme haben Terrassengrößen, die nur durch die Fehlneigung der Probe bestimmt sind. Der Großteil der Ladungsträger befindet sich in Bi-Filmen im Oberflächenzustand. Durch die gezielte Deposition einzelner Bi-Adatome wird der Streuquerschnitt eines einzelnen Bi-Atoms bestimmt. Es zeigt sich in LT-STM-Messungen, dass der Streuquerschnitt einzelner Bi-Adatome und kleiner Inseln identisch ist. Die Ladungsträger werden an strukturellen Defekten, wie einer Stufenkante, gestreut und bilden stehende Wellen. Die gemessenen charakteristischen Periodizitäten liegen auf der Bi(111)-Terrasse für E = 1 meV
bei etwa l = 4 nm. Vor- und Rückwärtsstreuung können identifiziert werden.
Bei der Verwendung anderer Adsorbat-Systeme wird erstmals ein barrierefreier Einbau von 3d-Übergangsmetallen in die Bi(111)-Oberfläche beobachtet. Durch LT-STM Messungen wird für Co, Fe, Ni und Cu bestätigt, dass diese barrierefrei bei T = 5 K in den Film eindringen und gebunden werden. Ein, nur nahe der Fermienergie sichtbares, dreizähliges Streupattern von mehr als 10 nm Durchmesser wird als Indiz für ein eingebautes Subsorbat-Atom verwendet. Über eine STM-Messung im constant-height-Tunnelmodus kann eine lokale Variation der Zustandsdichte um einen Faktor 3 beobachtet werden. Weiterhin wird der Einbau von Ag und Au in die Bi(111)-Oberfläche verifiziert. Die eingebauten Subsorbat-Atome bleiben bis zu einer Temperatur von T = 255 K in ihrem Einbauplatz stabil. Die maximal mögliche Menge an Subsorbat-Atomen beträgt etwa 1 nm^-2. DFT-Rechnungen bestätigen den barrierefreien Einbau und können den Effekt auf eine Hybridisierung der 4s-Orbitale und eine anschließende Polarisation der 3d-Orbitale zurückführen. Der Einbauplatz wird dabei eindeutig innerhalb der ersten BL bestätigt und ist siebenfach koordiniert.
Durch die starke Modulation der lokalen Zustandsdichte, ist von einem großen Einfluss einzelner Ad- und Subsorbat-Atome auf die Leitfähigkeit eines Bi-Films auszugehen. Dies wird in Magnetotransport-Messungen bestätigt. Dabei kann der enorme Effekt geringster Bedeckungen an Bi-Adatomen und Fe-, und Co-Subsorbat-Atomen im Bereich unterhalb eines Prozentes einer ML gezeigt werden. Obgleich der initiale Anstieg bei allen Systemen vergleichbar ist, kommt es durch die Subsorption zu einer Ladungsträgerinjektion und pro eingebautem Subsorbat-Atom werden 0,5 Löcher in den Film injeziert
Bewertung von polychlorierten Biphenylen, polychlorierten Dibenzo-p-dioxinen und Dibenzofuranen in Straßenstaub und Wischproben
No full textWithin this thesis rapid approaches to screening for the presence of polychlorinated dibenzo-p-dioxins, dibenzofurans (PCDD/PCDFs) and polychlorinated biphenyls (PCBs) in street dust and wipe samples were validated and applied in environmental monitoring or as part of governmental inspection programs. Generally, instrumental analysis was based on gas chromatography coupled to high resolution mass spectrometry (GC/HRMS) and quantification was based on isotope dilution analysis.
Street dust samples were collected using a natural bristle brush and stainless steel scoops. Mass recovery of fine-particle sea sand (a dust surrogate) on asphalt and concrete surfaces was used as a criterion for the effectiveness of sampling. Better mass recoveries of the dust surrogate were achieved on concrete than on asphalt surfaces. A wipe sampling method based on solvent wetted cotton wipes was evaluated for the investigation of transfer efficiencies during the sampling of PCBs and PCDD/PCDFs in particulate films (PFs) and oily liquid films (OFs). For PFs sufficient transfer efficiencies of low concentrated PCB and PCDD/PCDF congeners in 1g/m2 spiking surrogate were achieved after the first wipe using n-hexane as wetting solvent. Transfer efficiencies for oily liquid films (OFs) were highest in the first wipe if n-hexane and n-heptane were used as compared to toluene. The spiking experiments of OFs showed a log-linear correlation between the number of wiping procedures and transfer efficiency which indicates that transfer efficiencies were constant in subsequent wipes.
For the extraction of PCBs and PCDD/PCDFs from street dust samples an extraction temperature optimization for a pressurized liquid extraction (PLE) method was developed and compared with Soxhlet extraction for the analysis of PCBs in real street dust samples. Toluene was used as the extraction solvent in both cases. During this study, a combination of toluene and PLE achieved better extraction efficiencies than Soxhlet extraction. Finally, the performance of the PLE method was evaluated by analysing NIST (National Institute for Standards and Technology) Standard Reference Material 1649a for PCB and PCDD/PCDF concentrations. This demonstrated that the accuracy of the PLE method for the determination of both substance classes was satisfactory. Additionally, for wipe sample extraction it could be successfully demonstrated that PLE is a suitable tool. The feasibility of the wipe sampling method was demonstrated on various impervious surfaces of different origin, and concentration levels of PCBs (PCB6: 0.0062 (exterior window surface of a resident house) – 1408 µg/m2 (working area of transformer recycling); dl-PCBs: 0.00072 (exterior window surface of a resident house) – 34 ng/m2 (working area of transformer recycling)) and PCDD/PCDFs (0.00045 (exterior window surface of a resident house) – 1614 ng/m2 (accidental heavy fires)) in wipe samples were discussed.
Street dust samples were taken from rural, urban, industrial and industrially influenced urban areas. PCB6 concentrations ranged from 5090±2200 µg/kg (average±standard error of mean) in dusts from industrial premises to 29±8.7 µg/kg in rural areas. Concentration ranges were for dioxin-like PCB toxicity equivalents (dl-PCB TEQ) from 362±164 ng/kg (industrial premises) to 6.5±1.8 ng/kg (rural areas), and for PCDD/PCDF TEQ from 503±448 ng/kg to 2.4±0.13 ng/kg. Area concentrations of PCB6 (0.040 µg/m2 – 22 µg/m2), dl-PCB TEQ (0.0038 ng/m2 – 2.6 ng/m2) and PCDD/PCDF TEQs (14 pg/m2 – 1980 pg/m2) were estimated. Furthermore, particle size related concentrations of PCBs and PCDD/PCDFs in street dusts were analysed showing throughout almost all samples a distinctive trend of increasing concentrations with decreasing particle sizes. Characterization of homologue patterns of PCBs and PCDDs/PCDFs in street dusts was performed showing a dependence of homologue patterns on different area types, especially for PCBs. It could be demonstrated that the analysis of concentrations in combination with specific homologue patterns of PCBs and PCDDs/PCDFs in street dust samples enables allocation of potential emission sources. However it could not be clearly pointed out that a correlation between sampling site category and concentration exists. For future research a more significant differentiation between sampling site category and concentration may be possible with a higher number of sampling points in a follow-up study.
Dusts with origin from industrial sites exhibit concentrations that can even be regarded as secondary sources for the distribution of POPs causing transfer and redeposition into their neighbourhood in the form of hot spots. NRW as an industrial federal state of Germany is affected by a significant number of recycling facilities that deal with, e.g., the recycling of transformers. Revision of regulation EC 850/2004 in order to minimize the threshold value for POPs in waste materials or as in this case in industrial dusts enables discharge of hazardous and highly contaminated materials at an earlier stage and reduces the potential for emission into the environment.In dieser Arbeit wurden Screening-Methoden zur Untersuchung von polychlorierten Biphenylen (PCBs), polychlorierten Dibenzo-p-dioxine und Dibenzofurane (PCDD/PCDFs) in Straßenstaub und Wischproben validiert und in der Umweltüberwachung oder als Teil von behördlichen Inspektionsprogrammen eingesetzt. Generell wurde die instrumentelle Analytik auf die Kopplung von Gaschromatographie mit hochauflösender Massenspektrometrie gestützt und die Quantifizierung wurde anhand der Isotopenverdünnungsanalyse (IDA) durchgeführt.
Straßenstaubproben wurden mit Hilfe von Handfegern mit Naturborsten und Kehrschaufeln aus Edelstahl gewonnen. Als Kriterium zur Untersuchung der Probenahmeeffektivität wurden die Massenwiederfindungen von feinteiligem Seesand (Staubsurrogat) auf Asphalt- wie auf Betonböden untersucht. Hierbei wurden höhere Massenwiederfindungen auf dem Betonuntergrund gegenüber dem Asphaltuntergrund ermittelt.
Eine Methode zur Wischprobenahme mit Hilfe von lösungsmittelgetränkten Baumwolltüchern wurde für die Untersuchung von Transfereffizienzen während der Probenahme von PCBs und PCDD/PCDFs in Feststoffbeaufschlagungen (PFs) und öligen flüssigen Filmen (OFs) bewertet. Für Feststoffbeaufschlagungen wurden hinreichende Transfereffizienzen für 1g/m2 dotiertem mit PCB und PCDD/PCDF Kongeneren in niedriegen Konzentrationen belastetem Surrogat nach dem ersten Wischdurchgang mit n-Hexan als Lösungsmittel erzielt. Die Dotierungsexperimente für OFs zeigten eine log-lineare Korrelation zwischen der Anzahl an Wischdurchgängen und der Transfereffizienz, die auf konstante Transfereffizienzen von Wischdurchgang zu Wischdurchgang hinweisen.
Für die Extraktion von PCB und PCDD/PCDF aus Straßenstaub wurde eine Extraktionstemperaturoptimierung für die PLE Methode entwickelt und mit der Soxhlet-Extraktion für die Bestimmung von PCB in realen Straßenstaubproben verglichen. Toluol diente für beide Extraktionstechniken als Lösungsmittel. Während dieser Arbeit erzielte eine Kombination aus Toluol und PLE bessere Extraktionsausbeuten als Soxhlet-Extraktion. Die Leistungsfähigkeit der PLE Methode wurde anhand der Analyse von PCB und PCDD/PCDF in NIST (National Institute for Standards and Technology) Standard Reference Material 1649a bewertet. Hier konnte gezeigt werden, dass die Richtigkeit der PLE Methode für die Bestimmung beider Substanzklassen zufriedenstellend ist. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass PLE auch ein geeignetes Extraktionswerkzeug für Wischproben ist. Die Anwendbarkeit der Wischprobenahme wurde anhand von Wischproben von nicht porösen Oberflächen verschiedenen Ursprungs aufgezeigt und die dabei ermittelten Konzentrationen an PCB ((PCB6: 0.0062 (Fensteraußenfläche eines Wohnhauses) – 1408 µg/m2 (Arbeitsbereich eines Betriebs für Transformatorenrecycling); dioxinähnlichen PCBs (dl-PCB TEQs): 0.00072 (Fensteraußenfläche eines Wohnhauses) – 34 ng/m2 (Arbeitsbereich eines Betriebs für Transformatorenrecycling)) und PCDD/PCDF TEQs (0.00045 (Fensteraußenfläche eines Wohnhauses) – 1614 ng/m2 (nach Großbrand)) in den Wischproben wurden diskutiert.
Straßenstaubproben wurden aus ländlichen, städtischen, industriell beeinflussten städtischen und industriellen Bereichen genommen. PCB6 Belastungen reichten von 5090±2200 µg/kg (Mittelwert+Standardfehler des Mittelwertes) in industriellen Stäuben zu 29±8.7 µg/kg in ländlichen Bereichen. Für die dl-PCB TEQs wurden toxizitätsäquivalente Belastungen von 362±164 ng/kg (industrielle Bereiche) und 6.5±1.8 ng/kg (ländliche Bereiche) gefunden, sowie PCDD/PCDF TEQs von 503±448 ng/kg und 2.4±0.13 ng/kg. Flächenbelastungen wurden für PCB6 (0.040 µg/m2 – 22 µg/m2), dl-PCB TEQs (0.0038 ng/m2 – 2.6 ng/m2) und PCDD/PCDF TEQs (14 pg/m2 – 1980 pg/m2) abgeschätzt. Des Weiteren wurden korngrößenabhängige Konzentrationen von PCBs und PCDD/PCDFs in Straßenstäuben untersucht, die in nahezu allen Proben einen deutlichen Trend von zunehmenden Konzentrationen mit der Abhnahme der Partikelgröße aufzeigen. Die Charakterisierung der Homologenprofile von PCBs und PCDD/PCDFs im Straßenstaub zeigte unterschiedliche Homologenprofile für die verschiedenen Probenahmegebiete, was am deutlichsten für die PCBs zu erkennen war. Es konnte aufgezeigt werden, dass die Analyse von Konzentrationen in Kombination mit spezifischen PCB und PCDD/PCDF Homologenprofilen die Zuordnung zu potentiellen Emissionsquellen ermöglicht. Allerdings konnte nicht klar belegt werden, dass es eine Korrelation zwischen der Probenahmekategorie und den ermittelten Konzentrationen gibt. Für zukünftige Untersuchungen könnte eine signifikantere Abgrenzung zwischen Probenahmekategorie und Konzentration ermöglicht werden, wenn eine Folgestudie mit erhöhter Probenanzahl durchgeführt würde.
Stäube von industriellen Flächen weisen Konzentrationen auf die man sogar als sekundäre Quelle für die Verteilung von POPs betrachten kann, und die durch Transfer und Redeposition in ihre direkte Umgebung „hot spots“ erzeugen. NRW als industriell geprägtes Bundesland weist eine signifikante Anzahl von Recyclingbetrieben auf, die bspw. mit dem Recycling von Transformatoren beschäftigt sind. Eine Überarbeitung der Vorschrift EG850/2004 zur Minimierung des Grenzwertes von POPs in Abfällen oder wie in diesem Fall in industriellen Stäuben, könnte eine Ausschleusung von gefährlichem und hoch belasteten Materialien zu einem früheren Zeitpunkt ermöglichen, was das Potential für eine Emission in die Umwelt vermindert
Quantitative Bewertung der Tragfähigkeit von Asphaltbefestigungen durch Falling-Weight-Deflectometer Messungen
No full textDas Ziel dieser Arbeit ist die Schaffung eines qualitativen Bewertungshintergrundes zur Bewertung der Tragfähigkeit von Asphaltstraßenbefestigungen aufgrund von Falling-Weight-Deflectometer Messungen. Dazu werden die mit dem Falling-Weight-Deflectometer (FWD) gemessenen Deflexionsmulden hinsichtlich der Tragfähigkeit der Asphaltstraßenbefestigung interpretiert. Der Bewertungshintergrund ermöglicht die Einordnung der gemessenen Tragfähigkeit in ein vorgegebenes Bewertungsschema. Aufgrund dieses Bewertungsschemas ist eine Aussage darüber möglich, ob eine Asphaltstraßenbefestigung hinsichtlich der vorhandenen Verkehrsbelastung ausreichend tragfähig ist oder nicht. Sollte die Tragfähigkeit der Asphaltstraßenbefestigung nicht ausreichend sein, kann anhand der quantitativen Bewertung die Erhaltungsmaßnahme geplant werden. Das Bewertungsschema wurde in Anlehnung an die Belastungsklassen der RStO 12 erstellt. Das an die RStO 12 angelehnte Bewertungsschema ermöglicht Rückschlüsse auf die vorhandene IST-Belastungsklasse und einen Vergleich mit der erforderlichen Soll-Belastungsklasse. Das aufgestellte Bewertungsschema umfasst fünf Tragfähigkeitsklassen (A – E)
Funktionelle Organisation des CCAN Proteinkomplexes
No full textKinetochore sind gewaltige Proteingerüste, die sich auf centromerischem
Chromatin zusammenbauen. Sie sind dafür verantwortlich Spindel-Mikrotubuli zu binden, um während der Mitose alle Schwesterchromatiden zuverlässig aufzutrennen. Das Centromer - Kinetochor Interface wird durch das konstitutive Centromer assoziierte Netzwerk (englisch centromere associated network (CCAN)) gebildet. CENP-C, ein multi-funktionales CCAN Protein, wurde als essentielle Komponente im Kinetochoraufbau vorgeschlagen. Es ist bekannt, dass der N-terminus von CENP-C die äußere Kinetochor Komponente Mis12-Komplex bindet, seine zentrale Domäne interagiert mit CENP-A Nukleosomen, wohingegen sein C-Terminus vermutlich an der Inkorporierung von neuen CENP-A Nukleosomen beteiligt ist. Obwohl demonstriert wurde, dass verschiedene CCAN Komponenten in ihrer Kinetochor Lokalisierung von CENP-C abhängen, ist die Rolle von CENP-C im CCAN Aufbau ungenügend verstanden. Diese Studie liefert Einsichten in die CENP-C Organisation innerhalb des CCANs, sowohl durch biochemische und strukturelle Methoden mittels rekombinantem Materials als auch im Kontext von humanen Zellen. Es wird klar demonstriert, dass die N-terminale Hälfte von CENP-C die Aufbauplattform des CCANs ist. Dabei bindet CENPC die CCAN Komplexe CENP-H/I/K/M und CENP-N/L in dem Proteinabschnitt zwischen der Mis12-Komplex und der CENP-A Bindungsstelle. Punktmutationen in konservierten Bereichen von diesem CENP-C Motiv zerstören spezifisch die CENP-C:CENP-H/I/K/M Interaktion, worauf ein Verlust von CENP-N/L und CENP-T/W an Kinetochoren in humanen Zellen folgt. Eine frühere Studie hat demonstriert, dass CENP-T/W direkt an CENP-H/I/K/M binden. Eine direkte Interaktion zwischen CENP-C und CENP-T/W konnte nicht gefunden werden. Zusammengenommen, bindet CENP-C direkt an CENP-H/I/K/M, welche zusammen eine Plattform für den CENP-N/L Aufbau bilden. CENP-T/W hängt indirekt von CENP-C ab, durch seine direkte Interaktion mit dem CENP-H/I/K/M Komplex. Deswegen stellt CENP-C das einzige Interface für den CCAN Aufbau dar und ist somit eine essentielle Komponente der Kinetochor Assemblierung.Kinetochores, huge proteinaceous scaffolds, assemble on centromeric chromatin and bind spindle microtubules to faithfully segregate sister chromatids during mitosis. The centromere - kinetochore interface is build by the constitutive centromere associated network (CCAN). CENP-C, a multi-functional CCAN protein, has been proposed to be one of the key players of kinetochore assembly. CENP-C is known to bind the outer kinetochore component Mis12 complex with its very N-terminus, its central domain is interacting with CENP-A nucleosomes, whereas its C-terminus has been suggested to be involved in CENP-A deposition. Although, dependency of several CCAN components on CENP-C for their kinetochore localization has been demonstrated, CENP-Cs role within CCAN assembly remains insufficiently understood. This study provides insights into organization of CENP-C within the CCAN, both by biochemical and structural approaches using recombinant material, but also within the context of human cells. It is clearly demonstrated that the N-terminal half of CENP-C is the assembly platform of the CCAN by directly recruiting the CENP-H/I/K/M and CENP-N/L complexes onto a region of CENP-C located between the Mis12 complex and the CENP-A binding sites. Point mutations within conserved patches of this CENP-C motif specfiically destroyed the CENP-C:CENP-H/I/K/M interaction, which was followed by a loss of CENP-N/L and CENP-T/W within human cells. CENP-T/W has proven to directly bind CENP-H/I/K/M in a previous study. A direct interaction of CENP-T/W with CENP-C was not observed. Taken together, CENP-C directly binds to CENP-H/I/K/M, that together provide a platform for CENP-N/L assembly. CENP-T/W indirectly depends on CENP-C through its interaction with the CENP-H/I/K/M complex. Therefore, CENP-C represents the only CCAN assembly interface within the kinetochore and thus displays a crucial component for kinetochore constitution
Calciumphosphat und biodegradierbare Polymere als Kompositmaterialien für Wirkstofftransport und Knochenersatz
No full textIn dieser Arbeit werden Kompositmaterialien aus Calciumphosphat und biodegradierbaren Polymeren für zwei verschiedene Anwendungsbereiche vorgestellt. Der erste Teil befasst sich mit der Synthese und kolloidchemischen Charakterisierung von Calciumphosphat-PLGA-Nanopartikeln als Wirkstoffträgersystem für Nukleinsäuren und Proteine. Dabei werden neben der Verkapselungseffizienz auch die biologische Wirksamkeit der Nanopartikel in Zellkulturexperimenten untersucht. Es zeigte sich, dass durch den Zusatz von Calciumphosphat-Nanopartikeln die Verkapselungseffizienz für Proteine und Nukleinsäuren um den Faktor drei bis zehn gegenüber reinen PLGA-Nanopartikeln erhöht werden konnte. Zudem konnte gezeigt werden, dass Nanopartikel mit einer positiven Oberflächenladung besser von HeLa-Zellen aufgenommen werden, den endosomalen und lysosomalen Kompartimenten entkommen können und zudem deutlich bessere Genstummschaltungseffizienzen zeigen als anionische Nanopartikel.
Der zweite Teil befasst sich mit der Entwicklung von Polylactid-Keramik-Mikrokompositpartikeln für die generative Fertigung von Knochenersatzmaterialien. Dabei werden insbesondere die Keramikpartikelverteilung innerhalb der Mikrokompositpartikel und die Eignung des resultierenden Pulvers für den selektiven Lasersinterprozess diskutiert. Es konnte zudem gezeigt werden, dass die E-Moduln der gefertigten Werkstücke im Größenbereich von kompaktem Knochen liegen. Zellkulturexperimente zeigten, dass die Zelldichte von Osteoblasten auf der Oberfläche von den Werkstücken durch den Zusatz von Calciumphosphat- und Calciumcarbonat-Nanopartikeln im Vergleich zu reinen Polymer-Werkstücken stark erhöht werden kann. Degradationsuntersuchungen zeigten abschließend, dass Calciumcarbonat die saure Degradation des Polylactids abpuffert
Herstellung und Charakterisierung eines CMOS-kompatiblen Multi-Elektroden-Arrays, nanomodifiziert mit Kohlenstoff-Nanoröhren und Ruthenium-Nano-Rasen
No full textDie vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung CMOS-kompatibler, nanomodifizierter Multi-Elektroden-Arrays (MEA).
Als Nanomodifizierung werden Kohlenstoff-Nanoröhren und ein neuartiger Ruthenium-Nano-Rasen auf einem Multi-Elektroden-Array (Basis-CMOS-MEA) appliziert.
Die Besonderheit liegt in der direkten Prozessierung der nanomodifizierten Schichten in einem Post-CMOS-Prozess. Da die Prozesstemperaturen für
die Synthese von Kohlenstoff-Nanoröhren mit Hilfe thermischer CVD-Prozesse üblicherweise 700 °C betragen, ist eine direkte Synthese auf einem
Standard-CMOS-Substrat mit Aluminium-Metallisierung nicht möglich. Die maximal erlaubte Temperatur für integrierte Schaltungen liegt hier bei
450 °C. Erhöhte Temperaturen führen normalerweise zu irreversiblen Parameterverschiebungen der elektronischen Bauelemente oder zu einer irreparablen
Schädigung der Metallisierung und damit zu einer signifikanten Widerstandserhöhung. Daher werden in der vorliegenden Arbeit zunächst Temperaturversuche
bis 700 °C, zeitlich begrenzt auf 30 min, mit etablierten Hochtemperatur-CMOS-Technologien durchgeführt und hinsichtlich ihrer Tauglichkeit
zur direkten CNT-Synthese untersucht. In den Versuchen zeigt sich, dass eine CMOS-Technologie auf Basis eines Bulk-Substrates mit
hochtemperaturstabiler Wolfram-Metallisierung nur eine geringe Schwellenspannungsverschiebung nach einem 700 °C (30 min) Temperaturschritt aufweist.
Mit diesem Kenntnisstand wird ein entsprechendes CMOS-kompatibles, planarisiertes Multi-Elektroden-Array in der evaluierten Hochtemperaturtechnologie
hergestellt. Als Elektrodenmaterial dient ein 70 nm dünner Schichtstapel aus Titan und Titannitrid. Auf diesem leitfähigen, biokompatiblen und
biostabilen Material werden auf Testsubstraten Versuche zur direkten Abscheidung von Kohlenstoff-Nanoröhren vorgenommen. Insbesondere der Einfluss
eines für die CNT-Synthese notwendigen Katalysators wird untersucht. So zeigt sich, dass bei Verwendung eines Eisen-Platins-Mischkatalysators die
Synthesetemperatur der Kohlenstoff-Nanoröhren auf 620 °C reduziert werden kann. Mit den optimierten Prozessparametern wird anschließend das
Basis-CMOS-MEA mit Kohlenstoff-Nanoröhren modifiziert. Ein weiterer Fokus dieser Arbeit liegt in der Entwicklung eines neuartigen Nano-Rasens
aus Ruthenium. Dazu wird auf einer Opferschicht der Nano-Rasen mit fotolithografischen Mitteln maskiert und mit einem anisotropen Ätzverfahren
strukturiert. Das Template wird mit Hilfe der Atomlagenabscheidung mit Ruthenium aufgefüllt und anschließend durch entfernen der Opferschicht freigelegt.
Auf diese Weise können dreidimensionale Strukturen aufgebaut werden, die ebenfalls für andere mikrosystemtechnische Applikationen genutzt werden können.
Für einen Vergleich der erzeugten Nanomodifizierungen mit Standard-Elektrodenmaterialien werden in dieser Arbeit zudem Elektroden mit Gold, Platin,
Iridium und Iridiumoxid beschichtet. Die unterschiedlich nanomodifizierten Multi-Elektroden-Arrays erfordern ausgewählte Konzepte der
Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT). Daher werden in einem weiteren Teil der Arbeit zwei AVT-Konzepte vorgestellt und diskutiert. Die
elektrochemische Charakterisierungen der Multi-Elektroden-Arrays erfolgen mit Hilfe der elektrochemischen Impedanzspektroskopie und der
Cyclovoltammetrie. Es zeigt sich eine Steigerung der Ladungstransferkapazität der nanomodifizierten Multi-Elektroden-Arrays. Erste biologische
Zelluntersuchungen werden präsentiert.The present work deals with the fabrication and characterization of CMOS-compatible nano-modified multi-electrode arrays (MEA).
Carbon nanotubes and a novel ruthenium nano-lawn are applied on a multi-electrode array (Base-CMOS-MEA) as nano-modifications.
The special feature is the direct processing of these nano-modified layers in a post CMOS process. Since the process temperature
for the synthesis of carbon nanotubes by thermal CVD processes is typically in the range of 700 °C, the direct synthesis on a standard
CMOS substrate with aluminum metallization is normally impossible. The hightest allowed temperature for integrated circuits is about
450 °C. More higher temperatures normally lead to irreversible parameter shifts of the electronic components or to a degradation of the
metallization and therefore to a significant increase of the electric resistance. In the first part of the present thesis, annealing studies
up to 700 °C, limited for 30 min, are performed on established high-temperature CMOS technologies for testing the suitability of direct
synthesis of carbon nanotubes. The findings of the annealing experiments shows that a special CMOS technology, based on a bulk substrate
with high-temperature-stable tungsten metallization, have only a low threshold voltage shift after the 700 °C (30 min) annealing. With this
knowledge, a corresponding CMOS-compatible, planarized multi-elektrode array is produced in the evaluated high-temperature technology.
The electrode material is composed of a 70 nm thin layer stack of titanium and titanium nitride. The direct deposition of carbon nanotubes
are performed on test substrates of this conductive, biocompatible and biostable material. In particular the influence of a necessary catalyst for
CNT synthesis is studied. The studies exhibit a significant decrease of the CNT synthesis temperature to 620 °C by using an iron-platinum
composite catalyst. The Base-CMOS-MEA is nano-modified with carbon nanotubes using the optimized process parameters. Another focus of the
present work is the development of a novel nano-lawn of ruthenium. A sacrificial layer is masked by photolithography of the nano-lawn and structured
with an anisotropic etching process. The template is filled by use of atomic layer deposition of metallic ruthenium. The ruthenium nano-lawn is
released by isotropic etching of the sacrificial layer. With this new technique, three-dimensional structures can be built, which can
also be used for other microsystems applications. For a comparison of the nano-modified electrodes with standard electrodes, coatings
of gold, platinum, iridium, and iridium oxide are also performed on the Base-CMOS-MEA. The different nano-modified multi-electrode arrays
require selected concepts of packaging. Therefore, in another part of this work, two concepts of packaging are presented and discussed. The
electrochemical characterization of the multi-electrode arrays are performed by electrochemical impedance spectroscopy and cyclic voltammetry.
The findings shows an increase of the charge transfer capacity for nano-modified electrodes. First biological cell studies are presented
Optimization approach of electrical storage power plant dispatch using Genetic Algorithms
No full textDas Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Einsatzoptimierung elektrischer Tagesspeicher zur Maximierung des täglichen Deckungsbeitrags. Es werden sowohl die Erlöse und Kosten der Vermarktung als auch des Betriebs berücksichtigt, sodass die Einsatzentscheidungsrelevanz einzelner Kosten- und Erlöspositionen bestimmt werden kann. Darüber hinaus ist die Einsatzoptimierung technologieneutral gestaltet. Die gewählte Methodik ermöglicht die Verwendung von Wirkungsgradkennfeldern, sodass zulässige Lösungen der Einsatzoptimierung auch bei nicht symmetrischen Betriebsbereichen des Speichers einen technisch möglichen Einsatz darstellen. Die in üblichen Einsatzoptimierungen verwendete Annahme konstanter Wirkungsgrade ist mit einem symmetrischen Betriebsbereich verbunden, der durch die Nennleistung und die minimale Teillast sowie die untere und obere Speichergrenze limitiert ist.
Es werden die aktuell relevanten Technologien ausgewählt und untersucht, Pumpspeicherkraftwerke (PSW) und Batteriespeicherkraftwerke, an deren Beispiel die Parameter zur Modellbeschreibung elektrischer Tagesspeicher ausgewählt werden. Für die gewählten Technologien wird zudem die Implementierung von Wirkungsgradkennfeldern mittels der Fuzzy-Logik gezeigt. Neben der technologischen Analyse erfolgt eine energiewirtschaftliche Analyse der Erlöse und Kosten der relevanten Vermarktungsoptionen und des Betriebs elektrischer Tagesspeicher.
Die auf der technischen und energiewirtschaftlichen Analyse basierenden mathematischen Problemformulierungen sind nicht linear und nicht konvex, sodass zur Lösung der Optimierungsprobleme der Genetische Algorithmus in Matlab angewendet wird. Der gewählte Optimierungsansatz wird auf die wesentlichen Einflussparameter hinsichtlich Ergebnisgüte und Effizienz untersucht und angepasst. Als ein wesentlicher Einflussfaktor wird neben den Parametern des Genetischen Algorithmus die Anzahl der verwendeten Regeln in der Fuzzy-Logik zur Bildung der Wirkungsgradkennfelder erkannt.
Die Anwendungsbeispiele der Tagesspeicher-Einsatzoptimierung zeigen, dass für ein Lithium-Ionen-Batteriespeicherkraftwerk ohne definierte minimale Teillast die Berücksichtigung von Regelleistung in der Vermarktungsstrategie im Gegensatz zu PSW sinnvoll ist. Zudem wird gezeigt, dass bei der Verwendung von konstanten Wirkungsgraden in der Einsatzoptimierung von PSW der Deckungsbeitrag um bis zu 7,8% überschätzt wird. Dies ist durch die mit der Verwendung konstanter Ein- und Ausspeicherwirkungsgrade verbundene Annahme eines symmetrischen Betriebsbereichs bedingt. Als weitere wesentliche Einflussfaktoren auf den Deckungsbeitrag eines Tagesspeichers werden das HT-Zeitfenster des Anschluss-Netzbetreibers, die Startkosten des Tagesspeichers, die Netzzugangsentgelte sowie die Gestaltung des Speichers bezüglich der maximalen durchgängigen Ausspeicherdauer mittels der Tagesspeicher-Einsatzoptimierung untersucht und quantifiziert. Insbesondere die Startkosten zeigen dabei eine hohe Relevanz in der Einsatzoptimierung eines PSW.
Bei Berücksichtigung der Wirkungsgradkennfelder erreicht ein beispielhaftes PSW mit drehzahlvariabler Pumpturbine einen mittleren Zykluswirkungsgrad von 81,5%, ein PSW mit drehzahlstarrer Pumpturbine einen mittleren Zykluswirkungsgrad von 81,0% und ein Lithium-Ionen-Batteriespeicherkraftwerk einen mittleren Zykluswirkungsgrad von 79,5%. Der geringe Zykluswirkungsgrad des Batteriespeicherkraftwerks ist insbesondere durch die Struktur des Wirkungsgradkennfelds bedingt, in dem der Wirkungsgrad im Unterschied zu den Kennfeldern der Pumpturbinen mit steigender Last sinkt.The objective of this paper is the development of an optimization approach of electrical storage power plant dispatch to the maximization of the daily contribution margin. Revenues and costs of trading in the potential markets as well as the operational revenues and costs are considered, so that the relevance of single revenue positions and cost positions can be determined. Besides, the optimization approach is designed technology-neutrally. The chosen methodology allows the use of efficiency characteristics, so that feasible solutions of the optimization approach show a technically possible dispatch also with not symmetrical operating ranges of the storage power plant. The assumption used in usual optimization approaches of steady efficiencies or of single load depending efficiency curves is connected with a symmetrical operating range which is limited by the nominal output and the minimum part load as well as the lower and upper storage capacity.
The topically relevant technologies are selected and investigated - pumped storage hydropower plants (PSP) and battery storage power plants - at whose example the parameters for the description of a general model of an electrical storage power plant are selected. Besides, for the elected technologies the implementation of the efficiency characteristics is shown by means of the fuzzy logic. Beside the technological analysis an energy-economic analysis of the revenues and costs of trading in the potential markets as well as operational revenues and costs of electrical storage power plant dispatch occurs.
The mathematical problems based on the technical and energy-economic analysis are non-linear and not convex. Because of that, for the solution of the optimization problems the genetic algorithm in Matlab is applied. The elected optimization approach is investigated concerning the significant impacting parameters with regard to the quality of the result and efficiency and is adjusted to them. Beside the parameters of the genetic algorithm, the number of the used rules to the implementation of the efficiency characteristics in the fuzzy logic is identified as an essential influencing factor with regard to the quality of the result and efficiency.
The examples of use demonstrate that taking into consideration the operating reserve is beneficial for a battery storage power plant without defined minimum part load. Because of the defined part load this trading strategy is much less beneficial for a single PSP. Additionally, it is shown that the use of single efficiency coefficients in the optimization of dispatch of a PSP results in an overestimation of the contribution margin up to 7.8%. This is caused by the assumption of a symmetric operating range, which is especially unrealistic for a PSP. Further significant influencing factors on the contribution margin are peak load time windows of the network operator, the storage power plant‘s individual start-up costs, network access charges and the storage power plant‘s design in reference to the relation between nominal output and storage capacity. Especially start-up costs are highly relevant in the dispatch optimization of a PSP.
The use of the efficiency characteristics in this optimization approach shows a mean cycle efficiency of a model PSP with a speed-variable pump turbine of 81.5%. The cycle efficiency of a model PSP with a simple pump turbine averages in about 81.0% and the cycle efficiency of a model battery storage power plant based on lithium ion battery cells averages in about 79.5%. The lower cycle efficiency of the battery storage power plant is caused by the structure of the efficiency characteristics: in contrary to the structure of the efficiency characteristics of a PSP here the efficiency decreases with an increasing output or input load
Charakterisierung der MYST-Histonacetyltransferase Mof2 in Drosophila melanogaster
No full textMYST Histoneacetyltransferasen sind bei Eurkaryoten weit verbreitet und finden sich von Hefe bis zu Drosophila melanogaster. Sie katalysieren die Übertragung von Acetylgruppen auf die Lysine von Histonen und bewirken dadurch die Veränderung der Chromatinstruktur und biologischer Prozesse wie Transkription oder DNA Reperatur. Auf Grund von Sequenzähnlichkeiten wurde Mof2 den MYST Histoneacetyltransferasen mit einer Spezifität für die Acetylierung von Histon H4K16 zugeordnet. Zu Beginn der Arbeit war außer der DNA Sequenz und Hochdurchsatzdaten zur Expression von mof2 nichts über Mof2 bekannt.
Ein moderater knock-down von Mof2 durch RNAi hatte keinen Effekt auf die Lebensfähigkeit oder Fertilität von Fliegen. Eine stärkere Reduktion von Mof2 in einem hypomorphen Stamm führte zu einer Lücke auf dem Rücken von adulten Fliegen und hat seine Ursachen wahrscheinlich in einem Entwicklungsdefekt. Diese Arbeit zeigte, dass Mof2 in Embryonen, Larven, adulten Fliegen und den Hoden von Larven und adulten Fliegen vorhanden ist. Im Gegensatz zu vorherigen Daten ist Mof2 auch in S2 Zellen vorhanden. In Embryonen und polytänen Chromosomen ist Mof2 im Zellkern lokalisiert, während es in den Hoden im Zytoplasma nachgewiesen werden kann. Auf den polytänen Chromosomen findet sich Mof2 in ca. 80 % der Interbanden und kolokalisiert mit Z4/Putzig. Zusammen mit der durch bioinformatorische Auswertungen gefundene Kolokalisierung von Bindestellen von Mof2 mit den Bindestellen von dem Transkriptionsfaktor DREF und den Insulatorproteinen CP190 und dCTCF wäre eine Funktion von Mof2 bei der Regulation der Chromatinstruktur möglich. Bei der ebenfalls gefundenen Kolokalisierung von Bindestellen von Mof2/DREF mit BEAF-32 handelt es sich wahrscheinlich um eine antagonistische Bindung, die verschiedene Chromatinzustände abbildet.
Genomeweite Untersuchungen der Bindestellen von Mof2 zeigten eine Anreicherung von Mof2 an Promotoren von Genen mit einer hohen Transkriptions. Obwohl auch eine temperaturabhängige Expression von mof2 nachgewiesen werden konnte, ist Mof2 nicht an der Hitzeschockantwort in den Speicheldrüsen beteiligt. Eine genauere Klassifizierung der Bindestellen von Mof2 durch eine GO Analyse zeigte, dass Mof2 bevorzugt an Promotern von Genen bindet, die an der Embryogenese beteiligt sind.
Die Enzymaktivität von Mof2 wurde in einem in vitro Assay untersucht. Dabei zeigte Mof2 eine Acetylierungsaktivität für Histon H4 mit unbekannter Spezifität.
In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die MYST Histonacetyltransferase Mof2 wahrscheinlich an der Regulation der Transkription und der Chromatinstruktur beteiligt ist.Members of the MYST histone acetyltransferases are widespread throughout eukaryotes and found from yeast to Drosophila melanogaster. They catalyse the acetylation of lysine residue of histones and in this way they alter the structure of the chromatin and regulate biological processes like transcription or DNA repair. Due to sequence similarities, Mof2 was supposed to be a MYST histone acetyltransferase with a specifity for histone H4K16. At the beginning of this study, little was known about Mof2 except from its DNA sequence and high throughput data concerning the expression of mof2.
A moderate reduction of Mof2 with RNAi had no effect on the viability or fertility of flies. A greater reduction of Mof2 in a hypomorph strain led to a cleft on the back of adult flies what suggests a developmental defect. This study showed that Mof2 is present in embryos, larvae, adult flies and testes of larvae and adult males. In contrast to former reports, Mof2 was also present in S2 cells. A nuclear localisation of Mof2 was found in embryos and on polytene chromosomes, whereas Mof2 had a surprising cytoplasmic localisation in the testes of larval and adult flies. On polytene chromosomes, Mof2 localised to approx. 80 % of the interbands. There, Mof2 colocalised with Z4/Putzig. Together with the bioinformatically found colocalisation of binding sites of Mof2 with the binding sites of the transcription factor DREF and the insulator proteins CP190 and dCTCF this suggests a function for Mof2 within the regulation of the structure of chromatin. The colocalisation of Mof2/DREF and BEAF-32 was very likely antagonistic and reflects different chromatin states during the cell cycle.
Genome-wide analysis of binding sites revealed an enrichment of Mof2 at the promoter sites of genes with a high transcription level. Although also a temperature-dependent expression of Mof2 was found Mof2 is not involved in the regulation of the heat shock response in salivary glands. A more detailed classification of the binding sites of Mof2 with a gene ontology enrichment analysis showed that most of these genes are involved within embryogenesis.
The enzymatic activity of Mof2 was investigated with an in vitro assay and showed that Mof2 had a histone H4 activity in vitro, yet its specifity is still unknown. In summary, it was found that the MYST histone acetyltransferase Mof2 might be involved in the regulation transcription and the formation of chromatin domains
Modification of graphene by swift heavy ion irradiation
No full textDer Einsatz von schnellen schweren Ionen (SHI) mit Energien von einigen 10 MeV eröffnet neue Möglichkeiten zur Modifikation von Oberflächen-Eigenschaften auf der Nanometerskala. Abhängig von den Eigenschaften des Festkörpers und der eindringenden Ionen, können dabei mannigfaltige Strukturen auf den Festkörper-Oberflächen produziert werden. Verantwortlich dafür ist die elektronische Struktur des Festkörpermaterials. Die Wechselwirkung von Ionen mit Materie allgemein ist Bestandteil vieler Forschungsgebiete (Protontherapie, Nanostrukturierung, zerstörungsfreie Analyse). Die ersten Untersuchungen zur Wechselwirkung von Ionen in Materie reichen bis in das anfangende 20. Jahrhundert zurück. Marie Curie lieferte dabei einen wichtigen Beitrag als sie entdeckte, dass Alpha- und Beta-Teilchen in Materie absorbiert werden. Neben E. Rutherford, J.J. Thompson und vielen anderen hat insbesondere Niels Bohr einen wichtigen Beitrag zum theoretischen Verständnis der Teilchen-Materie-Wechselwirkung geleistet. Bohr ging bei seinem Ansatz davon aus, dass ein Ion durch inelastische Stöße entlang der Flugbahn seine kinetische Energie auf die Elektronen im Festkörper überträgt. Bei der experimentellen Bestimmung der mittleren Reichweite von beschleunigten Ionen in Materie konnte Bohr die Reichweiten in einer Wilson-Nebelkammer richtig vorhersagen. Basierend auf Bohrs Konzept, erreichten Hans Bethe und Felix Bloch den nächsten Meilenstein. Sie lieferten eine quantenmechanische Beschreibung der Ion-Materie- Wechselwirkung. Bohr lieferte 1948 ein umfassendes Werk mit dem Titel "The penetration of atomic particles through matter" , das zu einem wichtigen Standardwerk wurde.\\
Das Ziel dieser Arbeit ist es einerseits, die Herstellung von Graphen mit einer geeigneten Methode auf verschiedenen Substraten durchzuführen und die Schichteigenschaften, wie z.B. die Bestimmung von Kontrastwerte, zu untersuchen. Dazu werden einige Präparationsmethoden vorgestellt. Andererseits sollen die präparierten Graphen/Substrat-Proben mittels SHI bestrahlt und untersucht werden
Intrinsic Switching Kinetics and Thermodynamics of Thermoresponsive Polymer Brushes
No full textSynthetic polymers represent one of the most important class of material in the 20th century and beyond. Particularly, stimuli-responsive polymers (so called smart polymers) build an outstanding and fascinating class of synthetic polymers which have become a versatile material in designing functional devices in material science, medicine and bioengineering. Controlled reaction schemes, such as ATRP (atomic transfer radical polymerization), allows one to have precise control over polymer architecture. One such example is the buildup surface-grafted polymer brush films with thicknesses down to the sub-100 nm range on almost any surface geometry. Due to their low film thickness, high sensitivities and fast response times can be achieved. However, in order to tailor efficient and powerful applications with high performance, a detailed fundamental knowledge of the switching thermodynamics and kinetics is essential. Unfortunately, kinetic and thermodynamic data of stimuli-responsive polymer brushes are still largely missing.
Tanaka and co-workers discovered in the 1980s that thermoresponsive polymer gels with dimensions in the micro and millimeter range exhibit response times on a second to hours timescale due to the diffusion-limited switching process. Nevertheless, much shorter response times in the milli/microsecond range are expected for ultrathin polymer films. Although, most previous studies revealed fairly long response times of several seconds or more for ultrathin polymer brushes.
Using a novel facile noncontact laser manipulation technique, this work reveals an unprecedented insight into the switching kinetics (rate constants, activation energies, frequency factors) and switching thermodynamics (change in Gibbs free enthalpy, free enthalpy, entropy and heat capacity) of thermoresponsive polymer brushes of PNIPAAm (poly(n-isopropylacrylamide)) and PDMAEMA poly(dimethylaminoethyl methacrylate). In detail, the impact of internal brush parameters such as grafting density, brush thickness and micro/nanopatterns are studied. Moreover, external parameters, i. e. the impact of salts, alcohols, gold nanoparticles and proteins (bovine serum albumin, BSA), are addressed. These results are expected to further support the progress on new innovative applications based on switchable polymer brushes and provide an essential reference on the way to unpuzzle the molecular driving forces of the switching mechanisms