Hochschulschriftenserver der TH Wildau
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Very high aspect ratio through silicon via reflectometry
No full textThrough Silicon Via (TSV) technology is a key feature of new 3D integration of circuits by creation of interconnections using vias, which go through the silicon wafer. Typically, the highly-selective Bosch Si etch process, characterized by a high etch rate and high aspect ratio and forming of scallops on the sidewalls is used. As presented in this paper, we have developed an experimental setup and a respective evaluation algorithm for the control and monitoring of very high aspect ratio TSV profiles by spectroscopic reflectometry. For this purpose square via arrays with lateral dimension from 3 to 10 μm were fabricated by a Bosch etch process and analyzed by our setup. By exploiting interference and diffraction effects of waves reflected from the top and bottom surfaces as well as from the side walls of the TSV patterns, the measurements provided etch depths, CD values and scallop periods. The results were compared with data obtained by a commercial wafer metrology tool. Aspect ratios of up to 35:1 were safely evaluable by our setup
Isothermale Amplifikationsmethoden für den DNA- und Pyrophosphat-abhängigen Pathogennachweis
No full textHintergrund: Etablierte Protein- und Nukleinsäure-basierte Methoden für den spezifischen Pathogennachweis sind nur unter standardisierten Laborbedingungen von geschultem Personal durchführbar und daher mit einem hohen Zeit- und Kostenaufwand verbunden. In der Nukleinsäure-basierten Diagnostik kann durch die Einführung der isothermalen Amplifikation eine schnelle und kostengünstige Alternative zur Polymerase-Kettenreaktion (PCR) verwendet werden. Die Loop-mediated isothermal amplification (LAMP) bietet aufgrund der hohen Amplifikationseffizienz vielfältige Detektionsmöglichkeiten, die sowohl für Schnelltest- als auch für Monitoring-Anwendungen geeignet sind.
Ein wesentliches Ziel dieser Arbeit war die Verbesserung der Anwendbarkeit der LAMP und die Entwicklung einer neuen Methode für den einfachen, schnellen und günstigen Nachweis von Pathogenen mittels alternativer DNA- oder Pyrophosphat-abhängiger Detektionsverfahren. Hier wurden zunächst direkte und indirekte Detektionsmethoden untersucht und darauf aufbauend ein Verfahren entwickelt, mit dem neue Metallionen-abhängige Fluoreszenzfarbstoffe für die selektive Detektion von Pyrophosphat in der LAMP und anderen enzymatischen Reaktionen identifiziert werden können. Als Alternative für die DNA-basierte Detektion in der digitalen LAMP sollten die zuvor etablierten Farbstoffe für den Pyrophosphatnachweis in einer Emulsion getestet werden. Abschließend wurde ein neuer Reaktionsmechanismus für die effiziente Generierung hochmolekularer DNA unter isothermalen Bedingungen als Alternative zur LAMP entwickelt.
Ergebnisse: Für den Nachweis RNA- und DNA-basierter Phythopathogene konnte die Echtzeit- und Endpunktdetektion mit verschiedenen Farbstoffen in einem geschlossenen System etabliert werden. Hier wurde Berberin als DNA-interkalierender Fluoreszenzfarbstoff mit vergleichbarer Sensitivität zu SYBR Green und EvaGreen erfolgreich in der LAMP mit Echtzeitdetektion eingesetzt. Ein Vorteil von Berberin gegenüber den anderen Farbstoffen ist die Toleranz der DNA-Polymerase auch bei hohen Farbstoffkonzentrationen. Berberin kann daher auch in der geschlossenen LAMP-Reaktion ohne zusätzliche Anpassung der Reaktionsbedingungen für die Endpunktdetektion verwendet werden. Darüber hinaus konnte Hydroxynaphtholblau (HNB), das für den kolorimetrischen Endpunktnachweis bekannt ist, erstmals auch für die fluorimetrische Detektion der LAMP in Echtzeit eingesetzt werden. Zusätzlich konnten in der Arbeit weitere Metallionen-abhängige Farbstoffe zur indirekten Detektion der LAMP über das Pyrophosphat identifiziert werden. Dafür wurde eine iterative Methode entwickelt, mit der potenzielle Farbstoffe hinsichtlich ihrer Enzymkompatibilität und ihrer spektralen Eigenschaften bei An- oder Abwesenheit von Manganionen selektiert werden können. Mithilfe eines kombinatorischen Screenings im Mikrotiterplattenformat konnte die komplexe Konzentrationsabhängigkeit zwischen den einzelnen Komponenten für einen fluorimetrischen Verdrängungsnachweis untersucht werden. Durch die Visualisierung des Signal-Rausch-Verhältnis’ als Intensitätsmatrix (heatmap) konnten zunächst Alizarinrot S und Tetrazyklin unter simulierten Reaktionsbedingungen selektiert werden. In der anschließenden enzymatischen LAMP-Reaktion konnte insbesondere Alizarinrot S als günstiger, nicht-toxischer und robuster Fluoreszenzfarbstoff identifiziert werden und zeigte eine Pyrophosphat-abhängige Zunahme der Fluoreszenzintensität. Die zuvor etablierten Farbstoffe (HNB, Calcein und Alizarinrot S) konnten anschließend erfolgreich für die indirekte, fluorimetrische Detektion von Pyrophosphat in einer LAMP-optimierten Emulsion eingesetzt werden. Die Stabilität und Homogenität der generierten Emulsion wurde durch den Zusatz des Emulgators Poloxamer 188 verbessert. Durch die fluoreszenzmikroskopische Analyse der Emulsion war eine eindeutige Diskriminierung der positiven und negativen Tröpfchen vor allem bei Einsatz von Calcein und Alizarinrot S möglich. Aufgrund des komplexen Primer-Designs und der hohen Wahrscheinlichkeit unspezifischer Amplifikation in der LAMP wurde eine neue Bst DNA-Polymerase-abhängige isothermale Amplifikationsreaktion entwickelt. Durch die Integration einer spezifischen Linkerstruktur (abasische Stelle oder Hexaethylenglykol) zwischen zwei Primersequenzen konnte ein bifunktioneller Primer die effiziente Regenerierung der Primerbindungsstellen gewährleisten. Der neue Primer induziert nach der spezifischen Hybridisierung auf dem Templat die Rückfaltung zu einer Haarnadelstruktur und blockiert gleichzeitig die Polymeraseaktivität am Gegenstrang, wodurch eine autozyklische Amplifikation trotz konstanter Reaktionstemperatur möglich ist. Die Effizienz der „Hinge-initiated Primer dependent Amplification“ (HIP) konnte abschließend durch die Verkürzung der Distanz zwischen einem modifizierten Hinge-Primer und einem PCR-ähnlichen Primer verbessert werden.
Schlussfolgerung: Die LAMP hat sich aufgrund der hohen Robustheit und Effizienz zu einer leistungsfähigen Alternative für die klassische PCR in der molekularbiologischen Diagnostik entwickelt. Unterschiedliche Detektionsverfahren verbessern die Leistungsfähigkeit der qualitativen und quantitativen LAMP für die Feldanwendungen und für die Diagnostik, da die neuen DNA- und Pyrophosphat-abhängigen Nachweismethoden in einer geschlossenen Reaktion eingesetzt werden können und so eine einfache Pathogendiagnostik ermöglichen. Die gezeigten Methoden können darüber hinaus zu einer Kostensenkung und Zeitersparnis gegenüber den herkömmlichen Methoden beitragen. Ein attraktives Ziel stellt die Weiterentwicklung der HIP für den Pathogennachweis als Alternative zur LAMP dar. Hierbei können die neuen LAMP-Detektionsverfahren ebenfalls Anwendung finden. Die Verwendung von Bst DNA-Polymerase-abhängigen Reaktionen ermöglicht darüber hinaus die Integration einer robusten isothermalen Amplifikation in mikrofluidische Systeme. Durch die Kombination der Probenvorbereitung, Amplifikation und Detektion sind zukünftige Anwendungen mit kurzer Analysezeit und geringem apparativen Aufwand insbesondere in der Pathogendiagnostik möglich.Background: Established protein- and nucleic acid-based methods for the specific pathogen detection are usually performed under standardized laboratory conditions by trained staff and are associated with long processing time and high costs. In nucleic acid-based pathogen diagnostics, the isothermal amplification can be used as a rapid and cost-effective alternative to the polymerase chain reaction (PCR). Among all isothermal techniques, the loop-mediated isothermal amplification (LAMP) offers a wide range of applications for the rapid endpoint and real-time detection.
A major goal of this work, was to improve the applicability of LAMP and the development of a new method to get a simple, fast and cost-effective diagnostic tool that is based on the detection of DNA and pyrophosphate. For this purpose, direct and indirect detection methods were investigated as well as additional metal ion-dependent fluorescent dyes for the selective detection of pyrophosphate in LAMP or other enzymatic reactions identified. As an alternative to the DNA-based digital LAMP, the previously established dyes were tested for the detection of pyrophosphate in emulsion. Finally, a new reaction mechanism was developed that allows the efficient generation of high molecular weight DNA under isothermal reaction conditions.
Results: The detection of RNA- and DNA-based phytopathogens in closed reactions was established successfully with different dyes for real-time and endpoint detection. Berberine as DNA-intercalating fluorescent dye was used in the real-time detection of LAMP with comparable sensitivity to SYBR Green and EvaGreen for the first time. Additionally, the results revealed adequate tolerance of the Bst DNA polymerase to higher concentrations of the dye. Thus, it could be used directly in a closed LAMP reaction without any optimization. Furthermore, the magnesium indicator hydroxynaphthol blue (HNB) was used for fluorometric real-time detection in LAMP for the first time. To extend the number of indirect detection methods for the accumulating pyrophosphate in LAMP and other enzymatic reactions, new metal-ion-dependent dyes were identified. The developed platform could support the iterative process of finding new fluorescent dyes with regard to enzyme compatibility and their spectral properties in the presence or absence of manganese ions. To obtain a selective fluorometric displacement assay, the complex concentration dependence between all components was investigated successfully by the establishment of a combinatorial screening in a microtiter plate. The visualization of the calculated signal-to-noise ratio was then used to identify alizarin red S and tetracycline as promising candidates under simulated reaction conditions. By testing both dyes in the enzymatic assay, alizarin red S was confirmed as low-cost, non-toxic and robust dye for the pyrophosphate dependent increase of the fluorescence intensity. The previously established dyes (HNB, calcein and alizarin red S) were applied successfully for the indirect and fluorometric detection of pyrophosphate in a LAMP-optimized emulsion. The stability and homogeneity of the generated emulsion was increased by adding the surfactant poloxamer 188. The fluorescence microscopic analysis showed a distinct discrimination between positive and negative droplets, in particular by using calcein, HNB and alizarin red S. Additionally, a new amplification reaction that is also based on the Bst DNA polymerase was developed to prevent the complicated primer design and likelihood of unspecific amplification in LAMP. The efficient regeneration of the single stranded priming site was achieved by the integration of a specific linker (abasic site or hexaethylenglycol) between two priming sites to create a bifunctional hinge-primer. After the hybridization on the template sequence, the hinge-primer was used to induce the refolding to a hairpin structure and for blocking the polymerase activity on the reverse strand. Thus, an autocyclic amplification can be achieved at isothermal reaction conditions. Finally, the efficiency of the hinge-initiated primer dependent amplification (HIP) was improved by decreasing the distance between the modified hinge-primer and the corresponding PCR-like primer.
Conclusion: Due to its robustness and efficiency, LAMP has been developed to a powerful alternative for the standardized PCR-based diagnostics in molecular biology in the past years. Different detection methods improve the performance of the qualitative and quantitative LAMP in field applications as well as in diagnostics. The new DNA and pyrophosphate based assays can be used in closed reactions and contribute to a simple pathogen detection. Furthermore, the advancements can lead to a considerable reduction of costs and time compared to conventional methods. An attractive achievement is the further optimization of the HIP as sensitive pathogen assay by using LAMP-based detection methods. The use of Bst DNA polymerasedependent reactions will allow a robust integration of the isothermal amplification in microfluidic systems. By combining sample preparation, amplification and detection in one device, powerful applications with short analysis time and low instrumental requirements are a future perspective in pathogen diagnostics
FIJI Macro 3D ART VeSElecT: 3D Automated Reconstruction Tool for Vesicle Structures of Electron Tomograms
No full textAutomatic image reconstruction is critical to cope with steadily increasing data from advanced microscopy. We describe here the Fiji macro 3D ART VeSElecT which we developed to study synaptic vesicles in electron tomograms. We apply this tool to quantify vesicle properties (i) in embryonic Danio rerio 4 and 8 days past fertilization (dpf) and (ii) to compare Caenorhabditis elegans N2 neuromuscular junctions (NMJ) wild-type and its septin mutant (unc-59(e261)). We demonstrate development-specific and mutant-specific changes in synaptic vesicle pools in both models. We confirm the functionality of our macro by applying our 3D ART VeSElecT on zebrafish NMJ showing smaller vesicles in 8 dpf embryos then 4 dpf, which was validated by manual reconstruction of the vesicle pool. Furthermore, we analyze the impact of C. elegans septin mutant unc-59(e261) on vesicle pool formation and vesicle size. Automated vesicle registration and characterization was implemented in Fiji as two macros (registration and measurement). This flexible arrangement allows in particular reducing false positives by an optional manual revision step. Preprocessing and contrast enhancement work on image-stacks of 1nm/pixel in x and y direction. Semi-automated cell selection was integrated. 3D ART VeSElecT removes interfering components, detects vesicles by 3D segmentation and calculates vesicle volume and diameter (spherical approximation, inner/outer diameter). Results are collected in color using the RoiManager plugin including the possibility of manual removal of non-matching confounder vesicles. Detailed evaluation considered performance (detected vesicles) and specificity (true vesicles) as well as precision and recall. We furthermore show gain in segmentation and morphological filtering compared to learning based methods and a large time gain compared to manual segmentation. 3D ART VeSElecT shows small error rates and its speed gain can be up to 68 times faster in comparison to manual annotation. Both automatic and semi-automatic modes are explained including a tutorial
Chip-integrierte photonische Bauelemente
No full textIn unserer hochtechnologisierten Gesellschaft spielt die optische Datenübertragung aufgrund der stetig wachsenden Informationsvielfalt eine immer bedeutendere Rolle. In den Anfängen der Nachrichtentechnik waren Datenraten von wenigen bit/s realisierbar. Heute werden mittels optischer Technologien Übertragungsraten von mehreren Gbit/s umgesetzt. Möglich wird dies durch neue Entwicklungen in der Chip-integrierten Photonik. Beispiele dafür sind Chip-integrierte elektrooptische Modulatoren und Schalter. In diesem Artikel werden neue Entwicklungen in der Chip-integrierten Photonik diskutiert und die experimentelle Charakterisierung der Bauelemente in Form eines Ringresonators beschrieben. Für die Experimente wird exemplarisch ein photonisches Bauelement genutzt, das aus einem hybriden Silizium-Polymer-Materialsystem besteht. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Materialkombination vielversprechend für zukünftige Chip-integrierte photonische Bauelemente mit extrem geringem Energiebedarf ist.The focus on high-tech in our society makes optical data transmission increasingly important due to the continually growing diversity of information. At the very beginning of integrated photonics, the data rates achieved were only a few bit/s. Today, transfer rates of several Gbit/s are possible due to novel chip-integrated devices such as electro-optical modulators and switches. This trend was made possible due to new developments in the field of Chip-integrated photonics. In this article, we discuss latest developments in the field of chip-integrated photonic devices and describe their experimental characterization. The experimental setup is developed and described in detail. The example used in our experiments is a hybrid silicon-polymer material system. Our results show that the hybrid material approach is a promising candidate for future on-chip integrated photonic devices with low power consumption
Engineering of CHO Cells for the Production of Recombinant Glycoprotein Vaccines with Xylosylated N-glycans
No full textXylose is a general component of O-glycans in mammals. Core-xylosylation of N-glycans is only found in plants and helminth. Consequently, xylosylated N-glycans cause immunological response in humans. We have used the F-protein of the human respiratory syncytial virus (RSV), one of the main causes of respiratory tract infection in infants and elderly, as a model protein for vaccination. The RSV-F protein was expressed in CHO-DG44 cells, which were further modified by co-expression of β1,2-xylosyltransferase from Nicotiana tabacum. Xylosylation of RSV-F N-glycans was shown by monosaccharide analysis and MALDI-TOF mass spectrometry. In immunogenic studies with a human artificial lymph node model, the engineered RSV-F protein revealed improved vaccination efficacy
Identification of G-quadruplex structures that possess transcriptional regulating functions in the Dele and Cdc6 CpG islands
No full textG-quadruplex is a DNA secondary structure that has been shown to play an important role in biological systems. In a previous study, we identified 1998 G-quadruplex-forming sequences using a mouse CpG islands DNA microarray with a fluorescent-labeled G-quadruplex ligand. Among these putative G-quadruplex-forming sequences, G-quadruplex formation was verified for 10 randomly selected sequences by CD spectroscopy and DMS footprinting analysis. In this study, the biological function of the 10 G-quadruplex-forming sequences in the transcriptional regulation has been analyzed using a reporter assay
Prozesse, Technologie, Anwendungen, Systeme und Management 2017 : Tagungsband zur 30. AKWI-Jahrestagung vom 17.09.2017 bis 20.09.2017 an der Hochschule Aschaffenburg
No full textTagungsbeiträge aus den Bereichen Informationssysteme – IT-Management, Geschäftsprozesse, Datenmanagement – Softwareengineering, Cloud – Mobile – Security, Wissensmanagement – Wissenstransfer, Didaktik und Industrie 4.
Spatiotemporal and molecular epidemiology of cutaneous leishmaniasis in Libya
No full textCutaneous leishmaniasis (CL) is a skin infection caused by a single-celled parasite that is transmitted by the bite of a phlebotomine sandfly. CL is the most common form of leishmaniasis characterized by localized lesions in the skin and mucous membranes. The disease is prevalent in all countries around the Mediterranean Basin. In this paper, we describe spatiotemporal and eco-epidemiological parameters of CL in Libya. Moreover, we explored current spatiotemporal distributions of CL cases and explored the future projection of the disease. Our study indicates the presence of higher risk of CL in the coastal regions of Libya. Future projection until 2060 showed a trend of increasing incidence of CL in the north-western part of Libya, a spread along the coastal region and a possible emergence of new endemics in the north-eastern districts of Libya. These scenarios should be considered by health authorities in order to develop appropriate intervention strategies and plan effective control programs
In Vitro Evaluation of Glycoengineered RSV-F in the Human Artificial Lymph Node Reactor
No full textSubunit vaccines often require adjuvants to elicit sustained immune activity. Here, a method is described to evaluate the efficacy of single vaccine candidates in the preclinical stage based on cytokine and gene expression analysis. As a model, the recombinant human respiratory syncytial virus (RSV) fusion protein (RSV-F) was produced in CHO cells. For comparison, wild-type and glycoengineered, afucosylated RSV-F were established. Both glycoprotein vaccines were tested in a commercial Human Artificial Lymph Node in vitro model (HuALN®). The analysis of six key cytokines in cell culture supernatants showed well-balanced immune responses for the afucosylated RSV-F, while immune response of wild-type RSV-F was more Th1 accentuated. In particular, stronger and specific secretion of interleukin-4 after each round of re-stimulation underlined higher potency and efficacy of the afucosylated vaccine candidate. Comprehensive gene expression analysis by nCounter gene expression assay confirmed the stronger onset of the immunologic reaction in stimulation experiments with the afucosylated vaccine in comparison to wild-type RSV-F and particularly revealed prominent activation of Th17 related genes, innate immunity, and comprehensive activation of humoral immunity. We, therefore, show that our method is suited to distinguish the potency of two vaccine candidates with minor structural differences
Grundlagenuntersuchung zu ausgewählten finiten Elementen der Strukturmechanik für ein einfaches validierbares FE-Modell
No full textDas Thema beschäftigt sich mit der Finiten-Elemente-Analyse (FEA) ausgewählter Elemente der Strukturmechanik für ein einfaches validierbares FE-Modell. In einer Grundlagenuntersuchung wird zunächst am Modell eines einseitig eingespannten Trägers das Konvergenzverhalten der Biegespannung und Verformung bezüglich ausgewählter Elemente überprüft. In einem weiteren Schritt wird der Einfluss der Art und Anzahl der Elemente und Knoten in Bezug zur Berechnungszeit für die Analyse statischer und dynamischer Problemstellungen untersucht und ausgewertet. Darüber hinaus wird der Einfluss der zeitlichen Auflösung (Inkrementierung) und der Elementqualität mit Rücksicht auf die Berechnungszeit analysiert. Es ist der Untersuchung zu entnehmen, dass das Konvergenzverhalten der Biegespannung und deren Verwendung aufgrund von Singularitäten gesondert zu betrachten ist. Im Ergebnis der Analyse wurde festgestellt, dass die Berechnungszeit mit der Zunahme von Elementen und Knoten, aber auch mit feiner werdender Zeitauflösung bei Anwendung einer dynamischen Analyse ansteigt.This research focuses on the analysis of selected elements of the finite element analysis of simple validated FE models. It shows the types of elements of the finite element method and their application, where the convergence behaviour of the bending stress and deformation of a cantilever beam under force loading relating to selected elements is represented. In addition, the number of elements and nodes related to the dynamic and static calculation time are investigated. Moreover, the influence of the time interval resolution and the element quality is analysed in consideration of the calculation time. One of the outcomes of this investigation is the significant behaviour of the bending stress in terms of the fixing and their resultant singularities. The calculation time increases with the growing number of elements and nodes as well as with a capillary time resolution related to the dynamic examination