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The central goal of this investigation is to describe the dynamic reaction of a multicellular tumour spheroid to treatment with radiotherapy. A focus will be on the triggered dynamic cell cycle reaction in the spheroid and how it can be employed within fractionated radiation schedules.
An agent-based model for cancer cells is employed which features inherent cell cycle progression and reactions to environmental conditions. Cells are represented spatially by a weighted, dynamic and kinetic Voronoi/Delaunay model which also provides for the identification of cells in contact within the multicellular aggregate. Force-based interaction between cells will lead to rearrangement in response to proliferation and can induce cell quiescence via a mechanism of pressure-induced contact inhibition. The evolution of glucose and oxygen concentration inside the tumour spheroid is tracked in a diffusion solver in correspondence to in vitro or in vivo boundary conditions and a corresponding local nutrient uptake by single cells.
Radiation effects are implemented based on the measured single cell survival in the linear-quadratic model. The survival probability will be affected by the radiosensitivity of the current cycle phase and the local oxygen concentration. Quiescent cells will reduce the effective dose they receive as a consequence of their increased radioresistance. The radiation model includes a fast response to fatal DNA damage through cell apoptosis and a slow response via cell loss due to misrepair during the radiation-induced G2-block.
A simplified model for drug delivery in chemotherapy is implemented.
The model can describe the growth dynamics of spheroids in accordance to experimental data, including total number of cells, histological structure and cell cycle distribution. Investigations of possible mechanisms for growth saturation reveal a critical dependence of tumour growth on the shedding rate of cells from the surface.
In response to a dose of irradiation, a synchronisation of the cell cycle progression within the tumour is observed. This will lead to cyclic changes in the overall radiation sensitivity of the tumour which are quantified using an enhancement measure in comparison to the expected radiosensitivity of he tumour. A transient strong peak in radiosensitivity enhancement is observed after administration of irradiation. Mechanisms which influence the peak timing and development are systematically investigated, revealing quiescence and reactivation of cells to be a central mechanism for the enhancement.
Direct redistribution of cells due to different survival in cell cycle phases, re-activation of quiescent cells in response to radiation-induced cell death and blocking of DNA damaged cells at the G2/M checkpoint are identified as the main mechanisms which contribute to a synchronisation and determine the radiosensitivity increase. A typical time scale for the development of radiosensitivity and the relaxation of tumours to a steady-state after irradiation is identified, which is related to the typical total cell cycle time.
A range of clinical radiotherapy schedules is tested for their performance within the simulation and a systematic comparison with alternative delivery schedules is performed, in order to identify schedules which can most effectively employ the described transient enhancement effects. In response to high-dose schedules, a dissolution of the tumour spheroid into smaller aggregates can be observed which is a result of the loss of integrity in the spheroid that is associated with high cell death via apoptosis. Fractionated irradiation of spheroids with constant dose per time unit but different inter-fraction times clearly reveals optimal time-intervals for radiation, which are directly related to the enhancement response of the tumour.
In order to test the use of triggered enhancement effects in tumours, combinations of trigger- and effector doses are examined for their performance in specific treatment regimens. Furthermore, the automatic identification and triggering in response to high enhancement periods in the tumour is analysed.
While triggered schedules and automatic schedules both yield a higher treatment efficiency in comparison to conventional schedules, treatment optimisation is a revealed to be a global problem, which cannot be sufficiently solved using local optimisation only.
The spatio-temporal dynamics of hypoxia in the tumour are studied in response to irradiation. Microscopic, diffusion-induced reoxygenation dynamics are demonstrated to be on a typical time-scale which is in the order of fractionation intervals. Neoadjuvant chemotherapy with hydroxyurea can yield a drastic improvement of radiosensitivity via cell cycle synchronisation and specific toxicity against radioresistant S-phase cells.
The model makes clear predictions of radiation schedules which are especially effective as a result of triggered cell cycle-based radiosensitivity enhancement. Division of radiation into trigger and effector doses is highly effective and especially suited to be combined with adjuvant chemotherapy in order to limit regrowth of cells.
According to the standard model of particle physics, the most fundamental building blocks of the known matter are quarks and leptons, while the interactions between these fundamental objects is mediated through bosons. On one hand the leptons can exist in nature as individual particles, while on the other hand quarks appear always as bound states called hadrons. The knowledge that hadrons are built from more fundamental particles dates back to the second half of the 20th century when the work by Gell-Mann and Zweig led to the development of the quark model. The experimental proof that the hadrons are bound objects composed of more elementary particles was done through the study of deep inelastic scattering of electrons off protons. These experiments were done in a similar fashion to the studies of the atomic model led by Rutherford at the beginning of the 20th century. Further experimental analysis led to the conclusion that a large fraction of the proton momentum is not carried alone by the quarks, but by the bosons that mediate the strong interaction called gluons. The cleanest experimental signature for the existence of the gluons came from electron-positron annihilation experiments, where a quark-antiquark pair is created and one of the quarks radiates a hard gluon. Due to confinement neither the quarks nor the gluon can be observed directly, but are measured experimentally as three collimated showers of particles named jets. Since the ground breaking experiments performed at DESY, jets have provided a tool to study the properties of quarks and gluons...
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung einer spektroskopischen Methode für die medizinische Diagnostik und zielt auf die Einführung neuer analytischer Methoden in die klinische Praxis, die eine höhere Qualität bei der Behandlung von Patienten sowie eine Kostensenkung versprechen. Es wird eine reagenzienfreie infrarotspektroskopische Messmethode vorgestellt, mit der die Konzentrationen bestimmter Inhaltsstoffe von Körper- und anderen Flüssigkeiten quantitativ bestimmt werden können. Dabei kommt das kommerzielle FTIR- (Fourier-Transform Infrarot-) Spektrometer ALPHA der Firma Bruker zum Einsatz, für das eine spezielle ATR- (Abgeschwächte Totalreflexion) Messzelle konstruiert wurde. Diese eignet sich sowohl für Durchflussmessungen bei Volumenströmen von bis zu 1 l/min als auch für diskrete Proben mit einem minimalen Volumen von 10 µl. Die Kombination aus Spektrometer und Messzelle stellt somit ein kompaktes Messgerät dar, das zur Steuerung und Auswertung lediglich einen Computer benötigt und dessen Stabilität ebenfalls Langzeitmessungen erlaubt. Es stellt damit eine Basis für ein neuartiges Medizingerät dar, das auch außerhalb der Laborumgebung und insbesondere in der klinischen Routine von ungeschultem Personal eingesetzt werden kann.
Die quantitative Auswertung der Spektren erfolgt mittels multivariater Kalibrierung und PLS (Partial Least Squares) Regression. Dabei werden für die unterschiedlichen Inhaltsstoffe entsprechende Kalibriermodelle verwendet, die aus einer Reihe sorgfältig ausgewählter Proben erstellt wurden. Die Auswahl bezieht sich dabei vor allem auf einen breiten Konzentrationsbereich und auf möglichst unabhängig voneinander schwankende Konzentrationswerte der Inhaltsstoffe. Es wurden daher sowohl Proben im physiologischen als auch im pathologischen Bereich verwendet. Da die Konzentrationswerte der Kalibrierproben bekannt sein müssen, wurden die Proben mittels konventioneller klinischer Methoden analysiert. Die Genauigkeit dieser Referenzanalytik begrenzt dabei die maximale Genauigkeit der vorgestellten Methode.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Kalibriermodelle für die Inhaltsstoffe Glucose, Harnstoff, Creatinin und Lactat in der Waschlösung bei der Hämodialyse (Dialysat) sowie für die Inhaltsstoffe Glucose, Harnstoff, Cholesterol, Triacylglyceride, Albumin und Gesamtprotein in Vollblut und ebenso für Hämoglobin und Immunglobulin G in hämolysiertem Vollblut erstellt. Im Fall von Dialysat wurden hierfür sowohl künstlich erstellte sowie auch bei realen Dialysebehandlungen von Patienten entnommene Proben verwendet. Für Vollblut wurden bestehende Spektren an das neue Messgerät angepasst und durch Spektren neuer Blutproben erweitert. Die hiermit erreichte Genauigkeit und Präzision genügt in den meisten Fällen bereits klinischen Ansprüchen.
Für Dialysat wird gezeigt, dass mit dem vorgestellten Aufbau bereits kontinuierliche inline-Messungen direkt am Patienten möglich sind und gute Ergebnisse liefern. Dabei wurde sowohl auf eine einfache Anwendbarkeit während der Dialysebehandlung als auch auf eine einfache Bedienung mittels der vorgestellten Software geachtet. Das Gerät lässt sich somit problemlos in den klinischen Alltag integrieren und bietet aufgrund der Reagenzienfreiheit eine kostengünstige Methode zur kontinuierlichen und regelmäßigen Überwachung der Behandlungsverläufe.
Im Fall von Vollblut wird gezeigt, dass Messungen mit einer Probenmenge von 10 µl beispielsweise aus der Fingerbeere prinzipiell möglich sind und ebenfalls reproduzierbare Ergebnisse liefern. Damit steht eine präzise, einfache, kompakte und betriebskostengünstige Methode zur Verfügung, um in kurzer Zeit wichtige Blutparameter quantitativ bestimmen zu können.
Das kompakte und reagenzienfreie Messsystem erlaubt eine Vielzahl von Anwendungen, die insbesondere von den schnellen Analyseergebnissen und den geringen Verbrauchskosten profitieren. Beispielsweise beim Blutspendedienst, beim Hausarzt oder in Seniorenheimen kann die schnelle und einfache Ermittlung der hier untersuchten Blutparameter zur ersten Beurteilung des Patienten dienen und damit die Diagnose erleichtern. Der hohe Probendurchsatz und die vernachlässigbaren Betriebskosten führen in diesem Fall zu einer schnellen Amortisierung der Anschaffungskosten. Auch in Apotheken kann mit einem derartigen System ein erweiterter Service für Kunden angeboten werden.
Aufgrund des geringen Probenvolumens kommt das Messsystem ebenfalls für Anwendungen im Versuchstierbereich in Frage, beispielsweise für die Untersuchung von Mäuseblut in der German Mouse Clinic am Helmholtz Zentrum München. Die der Maus zu entnehmende Blutmenge und damit die Belastung des Tieres kann hierdurch erheblich reduziert werden.
Die Kompaktheit dieses universellen Systems erlaubt es weiterhin, eine Vielzahl anderer Flüssigkeiten zu untersuchen, die bereits erfolgreich infrarotspektroskopisch analysiert wurden. Dazu gehört unter anderem Urin, Bier und Wein.
In der Arbeit wird abschließend ebenfalls gezeigt, dass der Einsatz abstimmbarer Quantenkaskadenlaser zusammen mit der ATR-Technik prinzipiell die Möglichkeit eröffnet, die aufwändigen und teuren FTIR-Spektrometer zu ersetzen. Langfristig ist sowohl mit einer Verkleinerung des Aufbaus als auch mit einem Sinken des derzeit noch sehr hohen Anschaffungspreises zu rechnen. Der bereits verfügbare Abstimmbereich genügt zur Bestimmung der Glucosekonzentration. Eine Erweiterung, beispielsweise durch die Verwendung mehrerer Quantenkaskadenlaser mit unterschiedlichem Abstimmbereich, ermöglicht die Untersuchung weiterer Parameter.
Heparin wird als gerinnungshemmendes Medikament in vielen Bereichen eingesetzt: in niedriger Dosierung wird es vor allem zur Thromboseprophylaxe verwendet, in höheren Konzentrationen kommt es zum Beispiel in der Hämodialyse oder bei herzchirurgischen Eingriffen unter Verwendung der Herz-Lungen-Maschine zum Einsatz, um ein Gerinnen des Patientenblutes zu verhindern. Obwohl Heparin schon seit vielen Jahrzehnten eingesetzt wird, fehlt bis heute eine Methode, mit der sich die Heparin-Konzentration einfach, schnell und kostengünstig während des OP-Verlaufs bestimmen lässt. Vielmehr wird der Zustand des Patientenblutes über Gerinnungsverfahren eingeschätzt, die nur indirekt abhängig von Heparin sind und die von vielen Parametern beeinflusst werden. Eine Überwachung des Heparinspiegels ist mit diesen Methoden nicht möglich. Ein weiteres Problem ergibt sich, wenn am Ende des Eingriffs die normale Blutgerinnung wiederhergestellt werden soll. Zu diesem Zweck wird Protamin verabreicht, welches das im Patientenblut zirkulierende Heparin binden und damit dessen gerinnungshemmende Wirkung neutralisieren soll. Die Verabreichung des Protamins geschieht jedoch nicht, wie es idealerweise wäre, entsprechend der aktuellen Heparin-Konzentration, da derzeit kein Heparin-Messverfahren existiert. Dies kann eine fehlerhafte Heparin-Neutralisierung zur Folge haben, welche mit weitreichenden Nebenwirkungen, vor allem einer erhöhten Blutungsgefahr, verbunden ist.
Aufgrund dieser Problematik wurde eine streulichtphotometrische Methode (LiSA-H) entwickelt, mit dem die Bestimmung der Heparin-Konzentration einer Patientenprobe während chirurgischen Eingriffen möglich ist. Diese basiert auf der Messung der Intensität des an Heparin-Protamin-Nanopartikeln gestreuten Lichts. Diese Nanopartikel bilden sich, sobald Protamin einer Lösung mit Heparin, z.B. heparinisiertes Blutplasma, zugegeben wird.
Mit Hilfe von analytischer Ultrazentrifugation sowie Rasterkraftmikroskop-Aufnahmen konnten die Größe und die Größenverteilung der Heparin-Protamin-Partikel charakterisiert werden. Beide Methoden zeigten gut übereinstimmende Ergebnisse und lieferten Partikeldurchmesser von etwa 70 – 200 nm.
Um den Prozess der Messung zu optimieren, wurde nach Filtrationsmethoden gesucht, um den zeit- und arbeitsaufwendigen Zentrifugationsschritt zu vermeiden. Dazu wurden Filtermembranen aus verschiedenen Materialien und mit unterschiedlichen Porengrößen getestet, die eine Plasmagewinnung durch Filtration von Vollblut ermöglichen sollten. Leider war dies mit den getesteten Filtersystemen nicht möglich. Dies bleibt jedoch ein aktuelles Thema und wird weiterhin untersucht werden.
Zusätzlich zu der streulichtbasierten Messmethode konnte gezeigt werden, dass über fluoreszenzspektroskopische Methoden die Bestimmung kleiner Heparin-Konzentrationen möglich ist. Dafür wurde Protaminsulfat mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert und die Erniedrigung der Emissionsintensität des fluoreszierenden Protamins nach Zugabe von Heparin beobachtet. Aus dem Grad dieser Intensitätsabnahme lässt sich auf die Heparin-Konzentration schließen. Diese Methode wäre hervorragend dafür geeignet, das streulichtbasierte Verfahren zu ergänzen, das im niedrigen Konzentrationsbereich zunehmend unempfindlich wird. Hierfür müssen jedoch noch einige Messungen durchgeführt werden, um zu zeigen, ob eine Messung auch von Plasma- oder sogar Vollblutproben möglich ist.
Es wurde ein klinischer Prototyp entwickelt, der die Bestimmung der Heparin-Konzentration in einer Blutplasmaprobe während chirurgischer Eingriffe ermöglicht. Dabei wird eine LED mit einem Emissionsmaximum bei 627 nm verwendet und die Streulichtintensität zur Bestimmung der Anzahl und der Größe der Heparin-Protamin-Partikel genutzt. Die Steuerung der Messung sowie die Auswertung der Messdaten werden mit einem Netbook und eigens dafür neu entwickelter Software realisiert. Mit diesem Prototyp lässt sich reproduzierbar aus der Änderung der Streulichtintensität einer Blutplasmaprobe nach Protaminzugabe innerhalb weniger Minuten deren Heparin-Konzentration bestimmen. Es wurde eine Kalibrierfunktion erstellt, mit der es möglich ist, aus der Streulichtintensität die Heparin-Konzentration zu berechnen.
Eine erste Studie im Universitätsklinikum der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt a.M., bei der bei 50 herzchirurgischen Eingriffen unter Verwendung der Herz-Lungen-Maschine parallel zur üblichen Gerinnungsmessung eine Heparin-Bestimmung mit dem neuen Heparin-Assay erfolgte, zeigte, dass es mit diesem Verfahren möglich ist, im OP-Verlauf die Heparin-Konzentration im Patientenblut zu ermitteln. Daraus konnten schließlich weitere Informationen wie die individuelle Geschwindigkeit des Heparin-Abbaus erhalten werden.
Eine zweite Studie in der Kinderkardiologie des Universitätsklinikums Gießen, deren Ergebnisse statistisch noch nicht vollständig ausgewertet sind, wurde ebenfalls mit Erfolg abgeschlossen. Die vorläufigen Ergebnisse zeigten hier, dass sich die Heparin-Abbaukinetik bei Erwachsenen und Kindern deutlich unterscheidet. Zudem zeigte sich, dass die gemessene Gerinnungszeit bei Kindern wesentlich schlechter (nur 30 % der Fälle) mit der gemessenen Heparin-Konzentration korreliert als bei Erwachsenen (etwa 70 % der Fälle).
Die Arbeit entstand im Rahmen des Förderprogramms ”Profil NT” und war Bestandteil des BMBF–Projektes ”NANOTHERM” (FKZ17PNT005). Dabei sollte die Möglichkeit der Integration und Verwendung von Nanodrähten als funktionsbestimmende Komponente im thermoelektrischen Sensorelement untersucht werden. Eine wichtige Aufgabe bestand darin die thermoelektrischen Eigenschaften der einzelnen Nanodrähte, insbesondere den Seebeck–Koeffizienten, zu untersuchen. Im Hinblick auf die weitere Entwicklung der Nanotechnologie ist es sehr wichtig, geeignete Messplattformen zu generieren und der Wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Verfügung zu stellen für die Charakterisierung von Nanostrukturen. Für die Forschung bedeutet dies, dass man immer präziser die ”Physik im kleinen” studieren kann. Im Bezug auf die Anwendungen stellen die ausgeführten Untersuchungen eine wesentliche Basis für die Bauelemente–Optimierung und ihren späteren industriellen Einsatz dar.
In dieser Arbeit werden zwei Chipdesigns vorgestellt für die Bestimmung des Seebeck–Koeffizienten, die eine ausreichend hohe Temperaturdifferenz in Nanostrukturen erzeugen. Für beide Chips wird die mikromechanische Fertigung im einzelnen erläutert. Zusätzlich wurden die Chips in FEM–Simulationen analysiert. Eine messtechnische Charakterisierung der Chips bestätigt die Simulationen und die Funktionsweise der Chips für Untersuchungen des Seebeck–Koeffizienten an Nanostrukturen. Erstmals wurden Wolfram bzw. Platin FEBID–Deponate hinsichtlich des Seebeck–Koeffizienten untersucht. Für die Wolfram–Deponate ergab sich ein negativer Seebeck–Koeffizient. Der gemessenen Seebeck–Koeffizient war über mehrere Tage stabil. Als Ergebnis temperaturabhängiger Messungen des Seebeck–Koeffizienten konnte eine Wurzel-T Abhängigkeit beobachtet werden, die in der Theorie beschrieben wird.
Eine Untersuchung des Seebeck–Koeffizienten an Pt–FEBID–Deponaten zeigt einen Vorzeichenwechsel für Proben mit geringer elektrischer Leitfähigkeit (isolierender Charakter, schwache Kopplung). In der Literatur wird dieser Vorzeichenwechsel allerdings für Proben mit metallischer elektrischer Leitfähigkeit beschrieben. Aufgrund der Messergebnisse ist zu prüfen inwiefern die Theorie des Seebeck–Koeffizienten auf Proben mit schwacher Kopplung zu übertragen ist. Da die gemessenen Seebeck–Koeffizienten bei einigen nanoskaligen Proben sehr klein waren, wurde der Seebeck–Koeffizient des Kontaktmaterials in separaten Versuchen untersucht. Für das hier verwendete Schichtsystem Ti(40nm)/Au(120nm) kann ein Seebeck–Koeffizient von -0,22µV/K angegeben werden. Bei der Charakterisierung der Pt–FEBID–Deponaten wurde dieser Beitrag des Kontaktschichtsystems zur Thermospannung berücksichtigt.
Untersuchungen an BiTe–Nanodrähten mit dem Seebeck–Chip ergaben einen negativen Seebeck–Koeffizienten. Die ersten Untersuchungen wurden mit Kupfer als Kontaktmaterial durchgeführt, weil dieses sehr gute Lift–Off Eigenschaften besaß. Trotz der Kupferdiffusion in den Nanodraht hinein, wird der negative Seebeck–Koeffizient einem Tellur–Überschuss zugeschrieben, denn an Proben mit einer geeigneten Diffusionsbarriere war in nachfolgenden Untersuchungen ebenso ein negativer Seebeck–Koeffizient zu messen. Die ermittelten Beweglichkeiten sind niedriger als die von Bulkmaterial und können durch klassische Size–Effekte erklärt werden. Die gemessenen Ladungsträgerkonzentrationen liegen in typischen Bereichen für Halbmetalle. Die Charakterisierung des Seebeck–Koeffizienten mit Hilfe des hier vorgestellten Z–Chip ergab einen negativen Seebeck–Koeffizienten für die BiTe–Nanodrähte, die wie oben erläutert auf einen Tellur–Überschuss zurückzuführen sind. Eine Abschätzung eines mit Nanodrähten aufgebauten Sensors zeigt, dass im Vergleich zu konventionellen Dünnschicht–Thermopiles deutlich höhere Empfindlichkeiten zu erzielen sind. Erste technologische Konzepte für den Aufbau von Nanodraht–Arrays wurden erarbeitet und durch entsprechende Untersuchungen verifiziert.
Grundsätzlich ist der Z–Chip für die Charakterisierung aller drei Transportkoeffizienten geeignet und bietet die Option, anderen Arbeitsgruppen eine universelle thermoelektrische Messplattform zur Verfügung zu stellen.
Detailed knowledge of reaction mechanisms is key to understanding chemical, biological, and biophysical processes. For many reasons, it is desirable to comprehend how a reaction proceeds and what influences the reaction rate and its products.
In biophysics, reaction mechanisms provide insight into enzyme and protein function, the reason why they are so efficient, and what determines their reaction rates. They also reveal the relationship between the function of a protein and its structure and dynamics.
In chemistry, reaction mechanisms are able to explain side products, solvent effects, and the stereochemistry of a product. They are also the basis for potentially optimizing reactions with respect to yield, enhancing the stereoselectivity, or for modifying reactions in order to obtain other related products.
A key step to investigate reaction mechanisms is the identification and characterization of intermediates, which may be reactive, short-lived, and therefore only weakly populated. Nowadays, the structures of those can in most cases only be hypothesized based on products, side products, and isolable intermediates, because intermediates with a life time of less than a few microseconds are not accessible with the commonly used techniques for structure determination such as X-ray crystallography and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy.
In this thesis, two-dimensional infrared (2D-IR) spectroscopy is shown to be a powerful complement to the existing techniques for structure determination in solution. 2D-IR spectroscopy uses a femtosecond laser setup to investigate interactions between vibrations - analogous to 2D-NMR, which investigates the interactions between spins. Its ultrafast time resolution makes 2D-IR spectroscopy particularly well suited for the two topics investigated in this thesis: Structure Determination of Reactive Intermediates and Conformational Dynamics of Proteins.
Structure Determination of Reactive Intermediates: The focus of this thesis is using polarization-dependent 2D-IR (P2D-IR) spectroscopy for structure determination of N-crotonyloxazolidinone (referred to as 1), a small organic compound with a chiral oxazolidinone, known as Evans auxiliary, and its reactive complexes with the Lewis acids SnCl4 and Mg(ClO4)2. Chiral oxazolidinones in combination with Lewis acids have frequently been used in stereoselective synthesis for over 30 years. Nevertheless, the detailed mechanisms are in many cases xvi ABSTRACT still mere hypotheses and have not yet been experimentally proven. By accurately measuring the angles between the transition dipole moments in the molecules using an optimized P2D-IR setup and comparing the results to DFT calculations, the conformation of 1 and the conformation and coordination of the main complexes with SnCl4 and Mg(ClO4)2 are unequivocally identified and analyzed in depth. Structural details, such as a slight twist in the solution structure of 1, are detected using P2D-IR spectroscopy; these cannot be inferred from NMR spectroscopy or DFT calculations. In addition to the main Lewis acid complexes, complexes in low concentration are detected and tentatively assigned to different conformations and complexation geometries. The knowledge of those structures is essential for rationalizing the observed stereoselectivities. Additionally, a method is introduced that enables structure determination of molecules in complex mixtures and even in the presence of molecules with similar spectral properties and in high concentration. This work sets the stage for future studies of other substrate-catalyst complexes and reaction intermediates for which the structure determination has not been possible to date.
Conformational Dynamics of Proteins: Exchange 2D-IR spectroscopy allows the investigation of fast dynamics without disturbing the equilibrium of the exchanging species. It is therefore well suited to investigate fast dynamics of proteins and to reveal the speed limit of those. The temperature dependence of the conformational dynamics between the myoglobin substates A1 and A3 in equilibrium is analyzed. The various substates of myoglobin can be detected with FTIR spectroscopy, if carbon monoxide is bound to the heme. From previous studies it is known that the exchange rates at room temperature are in the picosecond time range, well suited to be investigated by 2D-IR spectroscopy. In the temperature range between 0 °C and 40 °C only a weak temperature dependence of the exchange rate in the myoglobin mutant L29I is observed in the present study. The exchange rate approximately doubles from 15 ns-1 at 0 °C to 31 ns-1 at 40 °C. It turned out that the conformational dynamics correlates linearly with the solvent viscosity, which itself is temperature dependent. Comparing our results to measurements at cryogenic temperatures, the linear relation between exchange time constant for this process and the viscosity is shown for the temperature range between -100 °C and 40 °C (corresponding to a viscosity change of 14 orders of magnitude). Thus, it is proven that the dynamics of the conformational switching are mainly determined by solvent dynamics, i.e., the protein dynamics are slaved to the solvent dynamics. This is the first time slaving is observed for such fast processes (in the picosecond time range). The observation implies a long-range structural rearrangement between the myoglobin substates A1 and A3. In addition, the exchange for other mutants and wild type myoglobin is analyzed qualitatively and found to agree with the conclusions drawn from L29I myoglobin.
In this thesis, various aspects on the theoretical description of ultracold bosonic atoms in optical lattices are investigated. After giving a brief introduction to the fundamental concepts of BECs, atomic physics, interatomic interactions and experimental procedures in chapter (1), we derive the Bose-Hubbard model from first principles in chapter (2). In this chapter, we also introduce and discuss a technique to efficiently determine Wannier states, which, in contrast to current techniques, can also be extended to inhomogeneous systems. This technique is later extended to higher dimensional, non-separable lattices in chapter (5). The many-body physics and phases of the Bose-Hubbard is shortly presented in chapter (3) in conjunction with Gutzwiller mean-field theory, and the recently devised projection operator approach. We then return to the derivation of an improved microscopic many-body Hamiltonian, which contains higher band contributions in the presence of interactions in chapter (4). We then move on to many-particle theory. To demonstrate the conceptual relations required in the following chapter, we derive Bogoliubov theory in chapter (5.3.4) in three different ways and discuss the connections. Furthermore, this derivation goes beyond the usual version discussed in most textbooks and papers, as it accounts for the fact, that the quasi-particle Hamiltonian is not diagonalizable in the condensate and the eigenvectors have to be completed by additional vectors to form a basis. This leads to a qualitatively different quasi-particle Hamiltonian and more intricate transformation relations as a result. In the following two chapters (7, 8), we derive an extended quasi-particle theory, which goes beyond Bogoliubov theory and is not restricted to weak interactions or a large condensate fraction. This quasi-particle theory naturally contains additional modes, such as the amplitude mode in the strongly interacting condensate. Bragg spectroscopy, a momentum-resolved spectroscopic technique, is introduced and used for the first experimental detection of the amplitude mode at finite quasi-momentum in chapter (9). The closely related lattice modulation spectroscopy is discussed in chapter (10). The results of a time-dependent simulation agree with experimental data, suggesting that also the amplitude mode, and not the sound mode, was probed in these experiments. In chapter (11) the dynamics of strongly interacting bosons far from equilibrium in inhomogeneous potentials is explored. We introduce a procedure that, in conjunction with the collapse and revival of the condensate, can be used to create exotic condensates, while particularly focusing on the case of a quadratic trapping potential. Finally, in chapter (12), we turn towards the physics of disordered systems derive and discuss in detail the stochastic mean-field theory for the disordered Bose-Hubbard model.
The study of systems whose properties are governed by electronic correlations is a corner stone of modern solid-state physics. Often, such systems feature unique and distinct properties like Mott metal-insulator transitions, rich phase diagrams, and high sensitivity to subtle changes in the applied conditions. Whereas the standard approach to electronic structure calculations, density functional theory (DFT), is able to address the complexity of real-world materials but is known to have serious limitations in the description of correlations, the dynamical mean-field theory (DMFT) has become an established method for the treatment of correlated fermions, first on the level of minimal models and later in combination with DFT, termed LDA+DMFT.
This thesis presents theoretical calculations on different materials exhibiting correlated physics, where we aim at covering a range in terms of systems --from rather weakly correlated to strongy correlated-- as well as in terms of methods, from DFT calculations to combined LDA+DMFT calculations. We begin with a study on a selection of iron pnictides, a recently discovered family of high-temperature superconductors with varying degree of correlation strength, and show that their magnetic and optical properties can be assessed to some degree within DFT, despite the correlated nature of these systems. Next, extending our analysis to the inclusion of correlations in the framework of LDA+DMFT, we discuss the electronic structure of the iron pnictide LiFeAs which we find to be well described by Fermi liquid theory with regard to many of its properties, yet we see distinct changes in its Fermi surface upon inclusion of correlations. We continue the study of low-energy properties and specifically Fermi surfaces on two more iron pnictides, LaFePO and LiFeP, and predict a topology change of their Fermi surfaces due to the effect of correlations, with possible implications for their superconducting properties. In our last study, we close the circle by presenting LDA+DMFT calculations on an organic molecular crystal on the verge of a Mott metal-insulator transition; there, we find the spectral and optical properties to display signatures of strong electronic correlations beyond Fermi liquid theory.
With the increasing energies and intensities of heavy-ion accelerator facilities, the problem of an excessive activation of the accelerator components caused by beam losses becomes more and more important. Numerical experiments using Monte Carlo transport codes are performed in order to assess the levels of activation. The heavy-ion versions of the codes were released approximately a decade ago, therefore the verification is needed to be sure that they give reasonable results. Present work is focused on obtaining the experimental data on activation of the targets by heavy-ion beams. Several experiments were performed at GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung. The interaction of nitrogen, argon and uranium beams with aluminum targets, as well as interaction of nitrogen and argon beams with copper targets was studied. After the irradiation of the targets by different ion beams from the SIS18 synchrotron at GSI, the γ-spectroscopy analysis was done: the γ-spectra of the residual activity were measured, the radioactive nuclides were identified, their amount and depth distribution were detected. The obtained experimental results were compared with the results of the Monte Carlo simulations using FLUKA, MARS and SHIELD. The discrepancies and agreements between experiment and simulations are pointed out. The origin of discrepancies is discussed. Obtained results allow for a better verification of the Monte Carlo transport codes, and also provide information for their further development. The necessity of the activation studies for accelerator applications is discussed. The limits of applicability of the heavy-ion beam-loss criteria were studied using the FLUKA code. FLUKA-simulations were done to determine the most preferable from the radiation protection point of view materials for use in accelerator components.
A new era in experimental nuclear physics has begun with the start-up of the Large Hadron Collider at CERN and its dedicated heavy-ion detector system ALICE. Measuring the highest energy density ever produced in nucleus-nucleus collisions, the detector has been designed to study the properties of the created hot and dense medium, assumed to be a Quark-Gluon Plasma.
Comprised of 18 high granularity sub-detectors, ALICE delivers data from a few million electronic channels of proton-proton and heavy-ion collisions.
The produced data volume can reach up to 26 GByte/s for central Pb–Pb
collisions at design luminosity of L = 1027 cm−2 s−1 , challenging not only the data storage, but also the physics analysis. A High-Level Trigger (HLT) has been built and commissioned to reduce that amount of data to a storable value prior to archiving with the means of data filtering and compression without the loss of physics information. Implemented as a large high performance compute cluster, the HLT is able to perform a full reconstruction of all events at the time of data-taking, which allows to trigger, based on the information of a complete event. Rare physics probes, with high transverse momentum, can be identified and selected to enhance the overall physics reach of the experiment.
The commissioning of the HLT is at the center of this thesis. Being deeply embedded in the ALICE data path and, therefore, interfacing all other ALICE subsystems, this commissioning imposed not only a major challenge, but also a massive coordination effort, which was completed with the first proton-proton collisions reconstructed by the HLT. Furthermore, this thesis is completed with the study and implementation of on-line high transverse momentum triggers.