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Diese Arbeit beschreibt wie mit physikalischen Methoden die Glukosekonzentration gemessen werden kann. Die Infrarot-Spektroskopie bietet eine Möglichkeit da die Energie der meisten Molekülschwingungen Photonenenergien im infraroten Spektralbereich entspricht. Hier zeigen Glukosemoleküle charakteristische Absorptionsspektren, die mit spektroskopischen Methoden gemessen werden. Um nicht invasiv zu messen, wurde eine photoakustische Messmethode gewählt. Die Grundidee ist, dass die durch Licht angeregten Moleküle ihre Anregungsenergie teilweise in Form von Wärme abgeben. Da die anregende Strahlung intensitätsmoduliert ist, wird auch die Wärmeentwicklung periodisch verlaufen wodurch periodische Volumenänderungen hervorgerufen werden, die eine Druckwelle erzeugen, die sich durch empfindliche Mikrofone oder Schallwandler erfassen lässt. So kann im MIR auf Grund der hohen Spezifizität, der Glukosegehalt mit sehr hoher Genauigkeit bestimmt werden. Die Wellenlänge der Glukoseabsorptionsbanden im MIR Bereich sind im Wesentlichen gekoppelte C=O Streck- und O–H Biegeschwingungen. Im MIR-Bereich zeigen Spektren zwischen 8,3µm bis 11,1µm fünf glukoserelevanten Banden. Der photoakustische Effekt wird durch die Rosencwaig-Gersho Theorie beschrieben. Die Absorption des Lichtes in der Probe bewirkt eine Temperaturerhöhung, die als Wärme an Umgebung abgegeben wird. Da das eingestrahlte Licht gepulst ist, wird auch die Wärme periodisch abgegeben. Durch die Absorption eines Laserpulses in der Haut entsteht ein Temperaturgradient, die abhängig vom Absorptionskoeffizienten und der Glukosekonzentration ist. Der führt zu einer Diffusion von Wärme im Absorptionsvolumen. Die Hautoberfläche und damit eine dünne Luftschicht über der Hautoberfläche werden durch die Diffusionswärme periodisch mit der Modulationsfrequenz der Laser aufgeheizt, was als Druckschwankungen in Messkammer mit Mikrofon detektiert wird. Im Mitteinfrarot geben Quantenkaskadenlaser die beste Lichtquelle, wegen ihre gute Strahlqualität und hohe optische Leistung. Die verwendete photoakustische(PA) Resonanzzelle ist nach dem Prinzip des Helmholtz-Resonators konzipiert. Der Vorteil des Verstärkungsverhaltens einer resonanten PA-Zelle kann unter Umständen durch Verwendung Volumenreduzierten und mit empfindlichen Mikrofonen ausgestatteten nicht-resonanten PA-Zelle erreicht werde. Zum Erfassung der PA Signale wird eine Kombination aus einen Analog-Digital Wandlerkarte verwendet, die eine gemeinsame Zeitbasis mit der synchronen Lasersteuerung und der Datenerfassung liefert und phasenechte Fourieranalyse der photoakustischen Signale ermöglicht. Es wurde ein Modellsystem entwickelt um photoakustischen Glukosemessungen in vitro zu testen. Dieses „Phantommodell“ besteht aus einer dünnen Polymermembran befestigt in eine Gefäß von nur paar ml Volumen die mit verschiedenen Glukosekonzentrationen gefüllt wurde. Die modulierte Laserstrahlung passiert die Messzelle und dringt durch die Folie in die wässerige Glukoselösung ein. Das Folienmaterial und Dicke wurde so gewählt, dass keineAbsorption im verwendeten MIR-Bereich entsteht. Als Lösung für die jeweiligen Glukosekonzentrationen wurde ein Wasser-Albumin Gemisch verwendet mit einen 10%igen Albuminanteil, die verwendet wurde, um den Proteingehalt der Haut zu imitieren und zu zeigen, dass Eiweiß keinen Störeinfluss im Glukosefingerprintbereich hat. Messungen wurden bei steigenden und fallenden Glukosekonzentration durchgeführt damit gezeigt könnte, dass das Messsignal in der PA- Zelle nicht von der Lufterwärmung in der Zelle stammt, sondern vom PA-Signale der Glukose. Die Glukoseschwankungen in der extrazellulären Flüssigkeit der Epidermis spiegeln die Glukoseschwankungen im Blut gut wider, bei einer Messung am Arm entsteht eine Verzögerung von paar Minuten. Im Daumenballenbereich findet aufgrund der guten Durchblutung ein schneller Austausch der Glukosekonzentration der von uns gemessenen interstitiellen Flüssigkeit mit der Blutzuckerkonzentration statt. Deshalb wurden die in-vivo Messungen am Daumenballen durchgeführt. Das Stratum spinosum ist für uns von Bedeutung, da dies das interstitielle Wasser enthält, in dem der Glukosegehalt mit dem Glukosegehalt im Blut gut übereinstimmt. Die photoakustische Messmethode wird nicht-invasiv durchgeführt. Probanden wird Zucker verabreichet und danach in Abständen von 5 Minuten der Blutzucker konventionell bestimmt und gleichzeitig mittels der photoakustischen Messung am Daumenballen durchgeführt. Mit diesen Daten kann die Korrelation zwischen beiden Methoden bestimmt werden. In vielen in vivo Messreihen zeigen sich bereits in direkter Korrelation zu invasiv genommenen Blutzuckerwerten Korrelationskoeffizienten bis zu R=0,8 und eine damit deutliche Evidenz für einen glukoserelevanten Effekt. Trotz der versprechenden Ergebnisse wird deutlich, dass weitere Entwicklungen notwendig sind, damit das System zu einer direkten Konkurrenz zu der vorhandenen invasiven Meßsystemen werden kann.
Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung, der Aufbau und die Charakterisierung sowie Messung einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (engl.: Application Specific Integrated Circuit, ASIC). Sie dient der Auslese der im elektromagnetischen Kalorimeter des PANDA-Experiments eingesetzten Lawinenfotodioden. Jeder Auslesekanal beinhaltet in der Eingangsstufe einen ladungsempfindlichen Vorverstärker, gefolgt von einem Pulsformer sowie zwei Ausgangstreibern. Am Beginn der Entwicklung steht die Machbarkeitsstudie einer integrierten Ausleseelektronik, welche die anspruchsvollen Anforderungen des PANDA-Experiments erfüllt. Aus rauschtheoretischen Untersuchungen resultieren erste Entwurfsparameter für die Schaltung, die mit Hilfe umfangreicher Simulationen verbessert und ergänzt werden. Die technische Umsetzung der Schaltung erfolgt in einem 0,35 Micrometer-CMOS-Prozess der Firma Austria Mikrosysteme. Die Charakterisierung der integrierten Ausleseelektronik ergibt bei einer Umgebungstemperatur von T = - 20° C eine Shapingzeit des Signalpulses von tr = (124 ± 2) ns. Mit dem äquivalenten Rauschwert von ENC = (4456 ± 35) e- und einer maximal möglichen Eingangsladung von 7,84 pC folgt ein dynamischer Bereich von über 10 000. Der ratenunabhängige Leistungsbedarf eines einzelnen Auslesekanals beträgt P = (52, 4 ± 0, 2)mW. Damit erfüllt der in dieser Arbeit beschriebene ASIC Prototyp alle Anforderungen, die vom Experiment an die Ausleseelektronik gestellt werden.
Motiviert durch aktuelle atomphysikalische Fragestellungen zur Struktur und Dynamik der Materie im Bereich hochgeladener Schwerionen entstand der Bedarf zur Weiterentwicklung bestehender und zur Entwicklung neuartiger ortsauflösender Detektorsysteme. Die Untersuchung der Struktur ist hauptsächlich durch die hochauflösende spektroskopische Vermessung einzelner Energieniveaus der atomaren Hülle bestimmt und liefert grundlegende Einblicke in den atomaren Aufbau. Dabei stellen diese Resultate gerade bei schweren hochgeladenen Ionen eine exzellente Testmöglichkeit der QED in extrem starken Feldern dar. Die Dynamik der Materie zeigt sich in der Teilchendynamik (hier der Atomhülle) in extrem starken und extrem kurzen elektromagnetischen Feldern, wie sie bei Ion-Atom-Stößen auftreten. Beobachtet werden können hier vor allem Teilchen und Photonen-Polarisationsphänomene. Solche Polarisationseffekte sind jedoch nicht auf das Gebiet der atomaren Hülle beschränkt. Als ein Beispiel sei die Untersuchung laserbeschleunigter Teilchen genannt. Hier kann die Polarimetrie von Röntgenstrahlung, die durch Thomson-Streuung optischer Photonen an den zuvor auf relativistische Geschwindigkeiten beschleunigten Teilchen erzeugt wird, Aufschluß über die Natur des Beschleunigungsprozesses geben. Einblick in die lineare Polarisation der Röntgenphotonen im für unsere Arbeit interessanten Energiebereich von einigen 10 keV bis einigen 100 keV können mit Compton-Polarimetern gewonnen werden. Kommerziell sind Detektorsysteme, die eine ausreichende Granularität in Kombination mit hinreichender Detektordicke besitzen, um hohe Nachweiseffizienzen zu erreichen, jedoch nicht verfügbar. Im Rahmen der vorgelegten Arbeit, die sich mit Techniken der hochaufgelösten Röntgenspektroskopie und der Röntgenpolarimetrie an hochgeladenen Schwerionen befasst, wurden vielfältige Arbeiten an und mit orts-, zeit- und energieauflösenden planaren Ge(i)-Detektorsystemen durchgeführt. Wesentliches Ziel der Arbeit war es, ein zweidimensional ortsauflösendes planares Halbleiterdetektorsystem, das für den Einsatz im Kristallspektrometer FOCAL und als Compton-Polarimeter angepasst ist, bereitzustellen. Hierzu wurde ein 2D-µ-Streifendetektorsystem aufgebaut, das eine Ortsauflösung von 250µm, bzw. 1167µm in orthogonaler Richtung, bei einer Detektordicke von 11mm und eine Energieauflösung von etwa 2 keV für jeden einzelnen Streifen bei 60 keV Photonenenergie gewährleistet. Durch Messungen an der Synchrotronquelle ESRF, Grenoble (Frankreich), wurde die Eignung des Systems als bildgebendes Element im FOCAL Kristallspektrometer bei einer Photonenenergie von 60 keV und als Compton-Polarimeter bei einer Photonenenergie von 210 keV untersucht. Der große Vorteil in FOCAL ein ortsauflösendes Detektorsystem einzusetzen, liegt darin, dass alle interessanten Beugungswinkel simultan beobachtet werden können. Im herkömmlichen Ansatz würde man mit einer einfachen Diode und einem Kollimator den Bereich abfahren. Wegen der geringen Ereignisrate und dem hohen Untergrund ist dies jedoch nicht praktikabel. Herkömmliche Systeme wie CCD oder Gasdetektoren haben nicht die nötige Effizienz oder eine zu hohe Dunkelrate. Zur Untersuchung der für FOCAL wichtigen Eigenschaften wurden mehrere Positionen auf dem Detektor bei niedriger Energie mit einem fein kollimierten Photonenstrahl (50 x 50 µm2) gescannt. Neben der guten Energieauflösung des Detektorsystems von durchschnittlich 2.2 keV bei 60 keV, zeigen die Ergebnisse das homogene Verhalten der Detektoreffizienz, welche essentiell für den spektographischen Einsatz in FOCAL ist. Es konnten keine Hinweise auf messbare Ladungsverluste im Bereich des aktiven Detektorvolumens festgestellt werden. Ebenso konnte die Multiplizität (Anzahl der Streifen einer Detektorseite, die auf ein Ereignis reagieren), mit der ein Photon nachgewiesen wird, eindeutig mit der Strukturierung der Kontakte auf der Kristalloberfläche in Verbindung gebracht werden. Es stellte sich heraus, dass die Ereignisse der Multiplizität zwei dazu verwendet werden können um Ortsauflösungen deutlich unterhalb einer Streifenbreite zu erreichen. Diese Methode kann jedoch nur auf eine größere Anzahl von Ereignissen angewendet werden, nicht jedoch auf einzelne Ereignisse. Um das 2D-Ge(i)-µ-Streifendetektorsystem auf seine Eignung als Compton-Polarimeter zu testen, wurden Daten mit einem nahezu vollständig linear polarisierten Photonenstrahl (98% linear polarisiert) bei einer Energie von 210 keV aufgenommen. Die Daten zeigen die erwartete Dipol-ähnliche Asymmetrie im Ortsbild und dienen als Kalibrationsgrundlage zur Interpretation zukünftiger Experimente zur Polarimetrie in diesem Energiebereich. Parallel hierzu wurde an Simulationsprogrammen auf Basis der etablierten Monte Carlo Software EGS4 gearbeitet. Hiermit wurden Vorhersagen bezüglich des Nachweisverhaltens des Detektors auf linear polarisierte Röntgenstahlung gemacht. Ferner wurde für ein 4x4-Pixel-Polarimeter, das bei der ersten Bestimmung der linearen Polarisation der K-REC Strahlung von U92+ am Speichering ESR der GSI eingesetzt wurde, im Rahmen der Datenanalyse mit den auf EGS4-basierenden Programmen die Detektoreffizienz für linear polarisierte Strahlung einer bestimmten Energie simuliert. Mit diesen Simulationsergebnissen konnten die selbstentwickelten Methoden zur Korrektur der Nachweiswahrscheinlichkeit eines Compton-Ereignisses als Funktion des Wechselwirkungspunkts innerhalb des Detektorkristalls und der Energie erfolgreich verifiziert werden. Die detektorbezogenen Resultate dieser Arbeit fanden ihre erste Anwendung in der FOCAL-Spektrometer Strahlzeit 2006, deren genaue Beschreibung jedoch über den Umfang dieser Arbeit hinausgeht. Ebenso flossen die Erfahrungen, die mit den Detektorsystemen, im speziellen dem 2D-Ge(i)-µ-Streifendetektor, gemacht wurden in die Realisierung eines Si(Li)-Detektors mit 32+32 Streifen zur Compton-Polarimetrie bei niedrigeren Energien (ab 60 keV) ein, der gegenwärtig in ersten Experimenten am ESR eingesetzt wird.
Im Rahmen dieser Arbeit sind Experimente zur Bestimmung der 1s Lamb-Verschiebung in wasserstoffartigen Schwerionen und zur Bestimmung des Innerschalenübergangs 2 3P2 --> 2 3S1 in heliumartigen Schwerionen durchgeführt worden. Diese Untersuchungen sind interessant, da es sich hierbei um die Überprüfung der Quantenelektrodynamik im Bereich sehr starker Coulombfelder handelt. Neben den reinen QED-Effekten spielen in diesen schweren Systemen auch relativistische Effekte eine immer bedeutendere Rolle. Es ist erstmals gelungen, eine direkte Messung des Innerschalenübergangs 2 3P2 --> 2 3S1 in einem schweren Z-System durchzuführen. Während in bisherigen Experimenten lediglich leichtere Ionen bis zu einer Kernladungszahl Z = 54 untersucht wurden, sind wir mit unserem Experiment an U90+-Ionen in den Bereich schwerer Systeme vorgedrungen. Zur Energiebestimmung sind am Gastarget des Experimentier-speicherrings (ESR) ein Kristallspektrometer unter einem Beobachtungswinkel von 90° und ein einfacher planarer Germaniumdetektor unter einem Winkel von 35° aufgebaut worden. Das Kristallspektrometer ermöglicht eine hohe Energieauflösung, während der Germaniumdetektor einen breiten Energiebereich abdeckt und somit eine eindeutige Identifizierung der Übergänge ermöglicht. Ein Fit des aufgenommenen Energiespektrums mit einer Simulation zeigt, wie gut die theoretischen Vorhersagen die Übergangsdynamik in diesem Zwei-Elektronen-System beschreiben. Der Innerschalenübergang kann eindeutig von benachbarten Übergängen unterschieden werden. Mit dem Kristallspektro-meter ergibt sich eine Übergangsenergie von 4510,31 ± 0,51 eV, mit dem Germanium-detektor 4509,6 ± 1,5 eV. Beide stimmen gut mit den theoretischen Vorhersagen überein. Durch den geringen Fehler von 0,51 eV stellt diese Messung auch im Vergleich mit den vorhergehenden Experimenten in leichten Systemen eine der genauesten Messungen des Innerschalenübergangs in He-artigen Ionen dar. Zusätzlich dazu kann die Differenz der Innerschalenübergangsenergie von Li-artigem und He-artigem Uran ermittelt werden: 50,94 ± 0,45 eV. Mit dieser Genauigkeit ist unser Experiment empfindlich auf die Zwei-Elektronen-QED und ermöglicht erstmal eine experimentelle Überprüfung dieses Beitrags, der von Kozhedub et al. mit 1,18 eV angegeben wird. Zur Untersuchung der 1s Lamb-Verschiebung von wasserstoffartigen Schwerionen sind bereits eine Vielzahl an Experimenten durchgeführt worden, mit einer maximalen Genauigkeit von 4,6 eV. Die theoretische Auswertung von Korrekturtermen höherer Ordnung erfordert jedoch neue experimentelle Methoden, mit denen sich Genauigkeiten auf dem Niveau von 1 eV und besser erzielen lassen. Dazu hat es ein Nachfolge-experiment zur bisher genauesten Messung der 1s Lamb-Verschiebung in U91+ und des Zwei-Elektronen-Beitrags zum Grundzustand in U90+ am Elektronenkühler gegeben. Hierzu ist das Experiment bei einer niedrigeren Strahlenergie durchgeführt worden. Dabei hat sich allerdings gezeigt, Ionenstrahlen mit einer Energie unterhalb von 20MeV/u besitzen zu kurze Lebensdauern, da bei den niedrigeren Energien die Rekombinationsverluste mit dem Restgas sehr hoch werden und der Ionenstrahl aus technischen Gründen noch einmal umgebuncht werden muss, wobei zusätzlich Zeit und Intensität verloren gehen. Als weiterer Schritt auf dem Weg zu höherer Präzision ist eine Kombination aus einem hochauflösenden Kristallspektrometer (FOCAL) und einem neuartigen orts- und energieauflösenden 2dimensionalen Germaniumdetektor getestet worden. Mit diesem Detektor ist es möglich, mehrere Reflexe gleichzeitig zu messen und somit die Effizienz des Experimentes deutlich zu steigern. Allerdings ist die maximale Energieauflösung bisher über die 250 µm Streifenbreite des Detektors definiert, das entspricht etwas weniger als 200 eV. Tests mit Kalibrationsquellen und das Verfahren des Detektors entlang der Dispersionsachse haben jedoch gezeigt, dass eine Auflösung kleiner als ein Streifen erreichbar ist. Dadurch soll eine Genauigkeit von 1 eV erreicht werden. Die Bewegung der Detektoren, die bei der letzten Strahlzeit einen erheblichen systematischen Fehler verursacht hat, kann mit neuen Detektorplattformen und kontinuierlicher Stickstofffüllung deutlich reduziert werden. Bei den alternativen Methoden Mikrokalorimeter und Absorptionskantenspektroskopie scheinen Mikrokalorimeter eine vielversprechend Entwicklung zu sein, da sie sowohl eine hohe Energieauflösung bieten als auch einen breiten Energiebereich abdecken. Dagegen beinhaltet die Absorptionskantenspektroskopie im Vergleich zu den anderen Methoden zu große systematische Fehler. Aus den Ergebnissen des Experimentes zum Innerschalenübergang und des FOCAL-Commissioning-Experimentes zeigt sich, wie erfolgsversprechend der Einsatz von Kristallspektrometern auf dem Weg zu neuen hochpräzisen Experimenten ist.
Schon seit längerer Zeit wird die Verwendung sogenannter Gabor-Plasmalinsen, in denen ein einkomponentiges also Nichtneutrales Plasma eingeschlossen wird, zur Fokussierung von Teilchenstrahlen untersucht. Um eine gute Fokussierqualität zu erreichen, wird ein hoher Füllgrad der Linse, sowie ein lineares elektrisches Feld benötigt. Während die Gabor-Plasmalinse innerhalb ihres Arbeitsbereiches, in dem das Plasma als thermalisiert angenommen wird, gute Abbildungseigenschaften aufweist, kommt es außerhalb der Arbeitsfunktion der Raumladungslinse zu einem starken Verlust der Strahlqualität. Die Gabor-Plasmalinse dient als Instrument, doch um ihre Anwendung zu optimieren, müssen die wesentlichen Prozesse in Nichtneutralen Plasmen verstanden werden. In der vorliegenden Arbeit wurden Diagnosemethoden zur Bestimmung der Plasmaparameter eines Nichtneutralen Plasmas untersucht, deren Anwendung sich im Bereich der elektrisch neutralen Plasmen bewährt haben. Es wurden desweiteren neue Methoden entwickelt, um die wichtigen Parameter wie Elektronendichte und Elektronentemperatur bestimmen zu können. Die Ergebnisse der Messungen werden numerischen Simulationen vergleichend gegenübergestellt.
Bei intelligenten Sensoren soll die Aufnahme von Signalen und deren, zumindest teilweise durchgeführte, Verarbeitung mit einer einzigen Anordnung erfolgen. Dazu steht häufig eine elektronische Schaltung zur Verfügung, die allerdings zur Einhaltung von Echtzeitbedingungen nur für eine relativ einfache Signalverarbeitung verwendet werden kann. Einen möglichen Ausweg bildet die Verwendung parallel arbeitender Rechnersysteme. In dieser Hinsicht sind programmierbare Schaltungen mit z.B. optischen Sensor-Anordnungen besonders interessant, die auf Zellularen Nichtlinearen Netzwerken basieren. Derartige miniaturisierte Systeme eröffnen aufgrund ihrer zellularen Architektur neue Möglichkeiten zur Signalverarbeitung mit einem Leistungsvermögen, das im Bereich von Tera-Operationen pro Sekunde liegt. Für viele aktuelle Problemstellungen wäre es von Vorteil, wenn diese zellularen Systeme eigenständig Parameteradaptionen durchführen könnten. Eingangssignale, die beispielsweise über die vorhandenen optischen Sensoren aufgenommen werden, führten dann zu einer Neuberechnung bzw. Anpassung der Netzwerksparameter. Aufgrund der beachtlichen Leistungsfähigkeit solcher Schaltungen wäre damit die Möglichkeit gegeben, eine adaptive Signalverarbeitung bei zeitlich veränderlichen Problemen vorzunehmen. In diesem Beitrag wird die Implementierung und Analyse von Lernverfahren auf dem EyeRIS™ System, das einen zellularen Prozessor ACE16kv2™ mit 128×128 Zellen enthält, zur adaptiven Parameterbestimmung betrachtet. Anhand verschiedener Problemstellungen aus dem Bereich der Bildverarbeitung werden unterschiedliche Lernverfahren verglichen und deren Leistungsfähigkeit untersucht.
Nach einer kurzen Einführung in die Theorie der Volterra-Systeme wurden in dieser Arbeit zunächst Verfahren zur Bestimmung von Volterra-Kernen als Kenngrößen für Volterra-Systeme zur Modellierung nichtlinearer Systeme analysiert. Im Vordergrund stand zunächst ein Verfahren basierend auf der Messung der Kreuzkumulanten-Spektren höherer Ordnung von Ein- und Ausgangssignal eines nichtlinearen Systems, wobei als Systemanregung ein stationärer, mittelwertfreier Gaußscher Zufallsprozeß angenommen wurde. Die Analyse der untersuchten Differenzengleichung zeigt, daß zur präzisen Bestimmung der Kernfunktionen bis zur dritten Systemordnung mehr als eine Million Ein- und Ausgangswerte notwendig sind. Vergleichend dazu wurde der Volterra-RLSAlgorithmus betrachtet, der eine rechenzeiteffiziente Bestimmung der Volterra-Kerne zuläßt und kein bestimmtes Eingangssignal erfordert. Beim Volterra-RLS-Algorithmus wurde zunächst die zur Bestimmung derartiger Systemkenngrößen erforderliche Anzahl der Ein- und Ausgangswerte festgestellt. Hierbei wurde u.a. auch ein gedämpftes Pendel als Modellsystem betrachtet. Die Ergebnisse zeigen, daß eine genaue Bestimmung der Volterra-Kerne mit dem Volterra-RLS-Algorithmus schon anhand von etwa 1500 Ein- und Ausgangswerten möglich ist. Anschließend wurde eine spezielle Klasse von Volterra-Systemen, die in lineare Teilsysteme zerlegbar sind, untersucht. Der Volterra-Kern eines solchen Systems, das ausschließlich aus linearen, zeitinvarianten Systemen aufgebaut ist, kann bei Kenntnis von deren Impulsantworten direkt bestimmt werden. Ihre Struktur führt zu einer deutlich verminderten Rechenkomplexität bei der Berechnung der Systemantwort des dargestellten Volterra-Systems. Wie in der Arbeit gezeigt, reichen für eine präzise Messung der Volterra-Kerne, die mit einem Gradientenverfahren bestimmt wurden, bei diesen Systemen bereits ungefähr 1000 Ausgangswerte aus. Außerdem ist die Realisierung eines Systems höherer Ordnung aus Systemen niedrigerer Ordnung relativ einfach möglich. Bei umfangreichen Untersuchungen wurde eine Identifikation nichtlinearer Systeme mit unterschiedlich ausgeprägten Nichtlinearitäten vorgenommen. Als Beispiel ist in dieser Arbeit der Fall diskutiert, bei dem Lösungen der Duffing-Gleichung herangezogen wurden. Dabei wurden Volterra-Systeme bis zur fünften Ordnung zugrundegelegt; eine präzise Approximation gelang in allen Fällen. Schließlich wurde noch festgestellt, inwieweit die Möglichkeit besteht, nach einer Bestimmung, d.h. anhand eines numerisch vorliegenden Kerns, daraus Systemparameter zu extrahieren. Dazu wurde eine spezielle OTA-C Integratorschaltung betrachtet; als Eingangssignale wurden Ein- und Zweitonsignale verwendet und anschließend die Bestimmung der Kerne homogener Systeme vorgenommen. Anhand dieser Resultate konnten der Widerstand R0 und die Kapazität C des OTA-C Integrators mit hoher Genauigkeit ermittelt werden. Die Untersuchungen haben gezeigt, daß eine Identifikation mit den aus linearen Systemen implementierten Volterra-Systemen zu geringeren relativen, mittleren quadratischen Fehlern führt als bei Verwendung der aus der allgemeinen Definition hervorgehenden Systeme. Neben der Verringerung der Rechenkomplexität konnte somit auch eine erhöhte Approximationsgüte festgestellt werden. Aufgrund dieses Befundes wurden derartige Volterra-Systeme für die besondere Fragestellung zur Epilepsieforschung eingesetzt, zu denen diese Arbeit beitragen sollte. Die Prädiktion von EEG-Signalen bei Epilepsie stand dabei im Vordergrund der Betrachtungen. Als erstes wurde der Prädiktionsgewinn sowohl in Abhängigkeit von der Systemordnung als auch in Abhängigkeit von der System- und Filterlänge ermittelt. Im Hinblick auf eine Realisierung in der Praxis wurde die Filterlänge nur zwischen L = 2 bis L = 10 variiert. Diese Untersuchungen haben gezeigt, daß Messungen dabei mit größerer Filterlänge als L = 4 zu keinen weiteren nennenswerten Verbesserungen der Resultate führten. Nach erfolgter Prädiktion wurde der zeitliche Verlauf des Prädiktionsgewinns auf Veränderungen vor oder zu Beginn eines epileptischen Anfalls untersucht. Die Kurvenverläufe der Prädiktionsgewinne der homogenen Systeme zweiter und dritter Ordnung zeigen keine signifikanten Veränderungen vor einem Anfall. Demgegenüber lassen die Kurvenverläufe der Prädiktionsgewinne der homogenen Systeme erster Ordnung und der inhomogenen Systeme dritter Ordnung zu Beginn eines Anfalls einen deutlichen Anstieg erkennen. Weiterhin deuten diese Ergebnisse daraufhin, daß eine genauere Lokalisierung des fokalen Bereichs basierend auf dem Prädiktionsgewinn möglich erscheint. Zu weiteren Untersuchungen wurden die Kerne der Systeme herangezogen und der zeitliche Verlauf des sogenannten nichtlinearen Anteils dm(i) näher betrachtet. Diese Ergebnisse lassen keine signifikanten Änderungen erkennen. Dementgegen stehen die Resultate für Langzeitregistrierungen von EEG-Signalen. Bei einer Analyse der zu einer längerenMeßreihe gehörigen Daten eines 19-jährigen männlichen Patienten wurde festgestellt, daß der Prädiktionsgewinnmeistens kurz vor den epileptischen Anfällen unter denMittelwert des anfallsfreien Zustands abfällt. Änderungen der Kurvenverläufe des Prädiktionsgewinns kurz vor epileptischen Anfällen weisen erkennbar spezifische Merkmale auf, die möglicherweise als Vorboten eines epileptischen Anfalls angesehen werden könnten
Am 27. und 28. September 2005 tagten Historiker und Philosophen der Mathematik und Naturwissenschaften in Frankfurt a.M. im Gebäude des Physikalischen Vereins. Eine Besonderheit des Internationalen Symposiums war der Dialog mit Vertretern der aktuellen Grundlagendebatte der Basiswissenschaft Physik. In zwölf Vorträgen wurden an zwei Tagen Raum- und Zeitkonzeptionen bedeutender Naturphilosophen der letzten 400 Jahre vorgestellt. Naturwissenschaftshistoriker rekonstruierten die Entwürfe von Giordano Bruno, Marin Mersenne, René Descartes, Otto von Guericke, Baruch Spinoza, Gottfried Wilhelm Leibniz, Isaac Newton und Leonhard Euler, während Grundlagentheoretiker der Physik einen Überblick über eigene Konzeptionen mit einem systematischen Anschluss an die Denktraditionen vorführten. Die Tagung wurde von der Fritz Thyssen Stiftung gefördert sowie vom Förderverein des Frankfurter Institutes für Geschichte der Naturwissenschaften "Arbor Scientiarum" und dem Physikalischen Verein finanziell unterstützt. ...
Struktur, Funktion und Dynamik von Na(+)-, H(+)-Antiportern : eine infrarotspektroskopische Studie
(2008)
Die Funktion von Membranproteinen ist von entscheidender Bedeutung für eine Vielzahl zellulärer Prozesse. Um diese verstehen zu können, ist das Verständnis der Beziehungen zwischen der Struktur, der Dynamik und der Wechselwirkung mit der Umgebung der Membranproteine notwendig. Spektroskopische Methoden, wie beispielsweise FTIR- und CD-Spektroskopie sind in der Lage, diese Informationen zu geben. In der vorliegenden Dissertation haben sie bedeutende Beiträge zum Verständnis der durch die Aktivierung induzierten Konformationsänderungen der Na+/H+ Antiporter geleistet. Die hohe Empfindlichkeit einer selbstkonstruierten FTIR-ATR-Perfusionszelle ermöglichte es, über eine Proteinprobe verschiedene Wirkstoffmoleküle perfundieren zu lassen und die dadurch verursachten strukturellen Änderungen spektroskopisch zu charakterisieren. Die Konformationsänderungen, die den Aktivierungsprozess begleiten, wurden bei zwei verschiedenen Na+/H+ Antiportern, NhaA und MjNhaP1, untersucht. Sie werden bei unterschiedlichen pH-Bereichen aktiviert bzw. deaktiviert. Der Na+/H+ Antiporter NhaA aus E. coli hat seine maximale Transportaktivität bei pH 8,5 und ist bei pH < 6,5 vollständig inaktiv. Trotz bekannter 3D-Struktur dieses Proteins für die inaktive Konformation bei pH 4 bleiben die Konformationsänderungen, die mit der Aktivierung des Proteins einhergehen, immer noch ungeklärt. Die Analyse der FTIR- und CD-Spektren von NhaA ergab in beiden Zuständen Anteile an beta-Faltblatt, an Schleifen und ungeordneten Strukturen, wobei die alpha-helikale Struktur dominiert. Die FTIR Spektren des inaktiven und aktiven Zustands zeigen zwei Komponenten, die auf die Präsenz zweier alpha-Helices mit unterschiedlichen Eigenschaften abhängig vom Aktivitätszustand hindeuteten. Die temperaturinduzierten strukturellen Änderungen und die Reorganisation des Proteins während des Entfaltungsprozesses bestätigten, dass die Aktivierung des Proteins eine Änderung in den Eigenschaften der alpha-Helices zur Folge hat. Aktivierung führt zu einer thermischen Destabilisierung dieser Struktur. Auch für die beta-Faltblattstruktur, welche den Hauptkontakt zwischen den Monomeren bildet, wurde ein unterschiedliches thermisches Verhalten zwischen dem inaktiven und aktiven Zustand beobachtet. Daraus konnte gefolgert werden, dass Aktivität nur dann möglich ist, wenn NhaA als Dimer vorliegt. Die Ergebnisse des (1)H/(2)H Austauschs zeigen, dass die Lösungsmittelzugänglichkeit des Proteins sich mit der Aktivierung ändert. Die Aktivierung des Proteins induziert eine offene, für die Lösung zugänglichere Konformation, in welcher die Aminosäureseitenketten in der hydrophilen Region des Proteins schneller Wasserstoff durch Deuterium austauschen, und in welcher zusätzliche Aminosäureseitenketten, die sich im inaktiven Zustand in der hydrophoben Region des Proteins befinden, mit der Aktivierung der Lösung exponiert werden. Die Aufnahme reaktionsinduzierter Differenzspektren ergab eindeutige spektroskopische Signaturen für die Zustände „inaktiv“ und „aktiv“. Die Differenzspektren der pH-Titration zeigten, dass der pH-Wert einen dramatischen Effekt sowohl auf die Sekundärstruktur als auch auf den Protonierungszustand der Aminosäureseitenketten hat. Die pH- und Na+-induzierte Aktivierung des Proteins führt zur Umwandlung der transmembranen alpha-helikalen Struktur bezüglich Länge, Ordnungsgrad und/oder Anordnung und zur einer Protonierungsänderung der Aminosäureseitenketten von Glutaminsäure oder Asparaginsäure. Die pD induzierten Sekundärstrukturänderungen lieferten zusätzlich Informationen über die Umgebungsänderung der Aminosäureseitenkette des Tyrosins mit der Aktivierung. Der Vergleich der durch die Bindung des Natriums und des Inhibitors induzierten Differenzspektren zeigte, dass die Bindungsstellen des Natriums und des Inhibitors unterschiedlich sind. Die FTIR- und CD-Ergebnisse für den Na+/H+ Antiporter MjNhaP1 aus M. jannaschii, der im Gegensatz zu NhaA bei pH 6 aktiv und bei pH Werten > 8 inaktiv ist, zeigten, dass ähnlich wie NhaA das Protein im aktiven Zustand bei pH 6 hauptsächlich aus alpha-Helices aufgebaut ist. Es bestand die Möglichkeit, zwei verschiedene Probenpräparationen (Protein in Detergenz bzw. in 2D-Kristallen) zu untersuchen und miteinander zu vergleichen. Die Erhöhung des pH-Werts bei der in Detergenz solubilisierten Probe führte zu einer Abnahme der alpha-helikalen und einer Zunahme der ungeordneten Strukturen. Das äußerte sich auch in den Untersuchungen zur thermischen Stabilität und im (1)H/(2)H Austauschexperiment. Die thermische Stabilität der alpha-Helices nahm mit der Inaktivierung dramatisch ab. Diese Ergebnisse zeigten auch, dass bei der Aktivierung von MjNhaP1 die beta-Faltblattstruktur nicht involviert ist, aber diese von fundamentaler Bedeutung für die Gesamtstabilität des Proteins und wahrscheinlich für den Hauptkontakt zwischen den Monomeren verantwortlich ist. Im Gegensatz zu NhaA ist die Monomer Monomer Wechselwirkung nicht für die Aktivität von MjNhaP1 notwendig. Aufgrund des höheren Anteils von ungeordneter Struktur im inaktiven Zustand der in Detergenz solubilisierten Probe beobachtet man in diesem Zustand einen höheren (1)H/(2)H Austausch. Der Vergleich mit den Ergebnissen des (1)H/(2)H Austausches von 2D-Kristallen ermöglichte die Lokalisation der ungeordneten Struktur an der Außenseite des Proteinmoleküls im inaktiven Zustand. Die pH-induzierten Differenzspektren zeigten, dass die Aktivierung zu einer Helikalisierung des Proteins und einer Protonierungsänderung der Aminosäureseitenketten von Asparaginsäure und/oder Glutaminsäure unabhängig von der Probenpräparation führt. Der Vergleich von NhaA und MjNhaP1 zeigt, dass die Aktivierung in beiden Fällen mit einer Konformationsänderung und Änderung der Protonierung oder der Umgebung von einer oder mehreren Seitenketten von Asparaginsäure oder Glutaminsäure verbunden ist. Dabei sind die Strukturänderungen der beiden Proteine während der Aktivierung ähnlich, bei Inaktivierung jedoch deutlich unterscheidbar. Die pH-induzierten Strukturänderungen wurden bei NhaA und MjNhaP1 durch die Mutanten G338S und R347A, die keine pH-Abhängigkeit der Aktivität zeigen, bestätigt.