Magnetically induced currents and magnetic response properties of molecules

The magnetically induced currents in organic monoring and multiring molecules, in Möbius shaped molecules and in inorganic all-metal molecules have been investigated by means of the Gauge-including magnetically induced currents (GIMIC) method. With the GIMIC method, the ring-current strengths and the ring-current density distributions can be calculated. For open-shell molecules, also the spin current can be obtained. The ring-current pathways and ring-current strengths can be used to understand the magnetic resonance properties of the molecules, to indirectly identify the effect of non-bonded interactions on NMR chemical shifts, to design new molecules with tailored properties and to discuss molecular aromaticity. In the thesis, the magnetic criterion for aromaticity has been adopted. According to this, a molecule which has a net diatropic ring current might be aromatic. Similarly, a molecule which has a net paratropic current might be antiaromatic. If the net current is zero, the molecule is nonaromatic. The electronic structure of the investigated molecules has been resolved by quantum chemical methods. The magnetically induced currents have been calculated with the GIMIC method at the density-functional theory (DFT) level, as well as at the self-consistent field Hartree-Fock (SCF-HF), at the Møller-Plesset perturbation theory of the second order (MP2) and at the coupled-cluster singles and doubles (CCSD) levels of theory. For closed-shell molecules, accurate ring-current strengths can be obtained with a reasonable computational cost at the DFT level and with rather small basis sets. For open-shell molecules, it is shown that correlated methods such as MP2 and CCSD might be needed to obtain reliable charge and spin currents. The basis set convergence has to be checked for open-shell molecules by performing calculations with large enough basis sets. The results discussed in the thesis have been published in eight papers. In addition, some previously unpublished results on the ring currents in the endohedral fullerene Sc3C2@C80 and in coronene are presented. It is shown that dynamical effects should be taken into account when modelling magnetic resonance parameters of endohedral metallofullerenes such as Sc3C2@C80. The ring-current strengths in a series of nano-sized hydrocarbon rings are related to static polarizabilities and to H-1 nuclear magnetic resonance (NMR) shieldings. In a case study on the possible aromaticity of a Möbius-shaped [16]annulene we found that, according to the magnetic criterion, the molecule is nonaromatic. The applicability of the GIMIC method to assign the aromatic character of molecules was confirmed in a study on the ring currents in simple monocylic aromatic, homoaromatic, antiaromatic, and nonaromatic hydrocarbons. Case studies on nanorings, hexaphyrins and [n]cycloparaphenylenes show that explicit calculations are needed to unravel the ring-current delocalization pathways in complex multiring molecules. The open-shell implementation of GIMIC was applied in studies on the charge currents and the spin currents in single-ring and bi-ring molecules with open shells. The aromaticity predictions that are made based on the GIMIC results are compared to other aromaticity criteria such as H-1 NMR shieldings and shifts, electric polarizabilities, bond-length alternation, as well as to predictions provided by the traditional Hückel (4n+2) rule and its more recent extensions that account for Möbius twisted molecules and for molecules with open shells.

Mother-Infant Antibodies to Pneumococcal Polysaccharides and Proteins : Transfer and Persistence of Maternal Antibodies and Development of Vaccine-Induced and Naturally Acquired Antibodies in Infants

Symptomless nasopharyngeal carriage of Streptococcus pneumoniae (pneumococcus) is very common in young children. Occasionally the carriage proceeds into mild mucosal diseases, such as sinusitis or acute otitis media, or into serious life-threatening diseases, such as pneumonia, sepsis or meningitis. Each year, up to one million children less than five years of age worldwide die of invasive pneumococcal diseases (IPD). Especially in the low-income countries IPD is a leading health problem in infants; 75% of all IPD cases occur before one year of age. This stresses the need of increased protection against pneumococcus in infancy. Anti-pneumococcal antibodies form an important component in the defence against pneumococcal infection. Maternal immunisation and early infant immunisation are two possible ways by which potentially protective antibody concentrations against pneumococci could be achieved in early infancy. The aim of this thesis is to increase the knowledge of antibody mediated protection against pneumococcal disease in infants and young children. We investigated the transfer of maternal anti-pneumococcal antibodies from Filipino mothers to their infants, the persistence of the transferred antibodies in the infants, the immunogenicity of the 23-valent pneumococcal polysaccharide vaccine (PPV) in infants and the response of the children to a second dose of PPV at three years of age. We also investigated the development of antibodies to pneumococcal protein antigens in relation to culture-confirmed pneumococcal carriage in infants. Serum samples were collected from the mothers, the umbilical cords and from the infants at young age as well as at three years of age. The samples were used to determine the antibody concentrations to pneumococcal serotypes 1, 5, 6B, 14, 18C and 19F, as well as to the pneumococcal proteins PspA, PsaA, Ply, PspC, PhtD, PhtDC and LytC by the enzyme immunoassay. The findings of the present study confirm previously obtained results and add to the global knowledge of responses to PPV in young children. Immunising pregnant women with PPV provides the infants with increased concentrations of pneumococcal polysaccharide antibodies. Of the six serotypes examined, serotypes 1 and 5 were immunogenic already in infants. At three years of age, the children responded well to the second dose of PPV suggesting that maternal and early infant immunisations might not induce hyporesponsiveness to polysaccharide antigens after subsequent immunisations. The anti-protein antibody findings provide useful information for the development of pneumococcal protein vaccines. All six proteins studied were immunogenic in infancy and the development of anti-protein antibodies started early in life in relation to pneumococcal carriage.

Gadamers hermeneutik och naturvetenskaplig experimentering

I detta arbete undersöks naturvetenskaplig kunskap ur ett filosofiskt perspektiv. Arbetets centrala ämne är det naturvetenskapliga experimenterandets praktiska aspekter och deras anknytningar till den teoretiska naturvetenskapliga kunskapen. Ämnet behandlas med hjälp av Hans-Georg Gadamers hermeneutiska filosofi i boken Wahrheit und Methode. Gadamers utgångspunkt i denna bok är att hermeneutiken beskriver vad som händer i texttolkning då en tolkare förstår en skriven text, men han antyder också att hermeneutiken har vidare tillämpningsområden, till och med att den universalt beskriver alla former av mänsklig förståelse. Syftet med detta arbete är att undersöka hur Gadamers hermeneutik kan tillämpas på naturvetenskaplig förståelse och vilka ändringar man då måste införliva i hermeneutiken samt att skissa grunddragen för en hermeneutisk modell av naturvetenskaplig kunskap. I arbetet presenteras först de centrala elementen i Gadamers hermeneutiska filosofi, speciellt föromdömens positiva inverkan på tolkandet och den verkningshistoriska effekten bakom varje tolkning. Sedan diskuteras bristerna i Gadamers argument för hermeneutikens universalitet, speciellt hans starka betoning av språket som grunden för all förståelse. Om Gadamers hermeneutik skall kunna tillämpas på naturvetenskapens område måste även observationer kunna vara föremål för tolkning. De dominanta trenderna i vetenskapsfilosofin då Gadamer skrev Wahrheit und Methode är en förklaring till att Gadamer starkt förbinder sig till textförståelsen och oftast diskuterar den naturvetenskapliga kunskapen endast som en negativ motpol till den humanvetenskapliga. Vetenskapsfilosofins utveckling efter Wahrheit und Methode, speciellt det faktum att fullständig objektivitet inte mera anses vara ett realistiskt ideal, höjer förväntningarna på hermeneutikens värde för naturvetenskapernas filosofi. Till följande diskuteras tre bidrag till naturvetenskapernas filosofi som är speciellt värdefulla för en hermeneutiken. Den första av dessa är Sylvain Brombergers analys av ovisshet i vetenskapliga undersökningar. Bromberger hävdar att vetenskaplig forskning riktas mot frågor vars svar forskaren inte kan föreställa sig på förhand. Brombergers analys tyder på att det finns en hermeneutisk dialektik av frågor och svar i naturvetenskapliga experiment där forskaren strävar till att göra observationer för att besvara sina frågor. Det andra bidraget är Michael Polanyis studie av den praktiska och personliga kunskapens betydelse för all vetenskaplig forskning. Här är speciellt det vetenskapliga språkets utveckling i samband med experimentering av intresse. Det tredje bidraget är Robert Creases studie av experimentella observationer som visar att observationstolkning innefattar många element som kan förknippas med hermeneutiken. Analysen av de tre ovannämnda studierna leder till följande slutsatser. Den naturvetenskapliga forskningens hermeneutiska element förväntas vara starkt framför allt i experimentell forskning där forskaren utreder nya frågor i en kontinuerlig dialog av tekniskt prövande, praktisk identifiering och språklig beskrivning av nya fenomen. Speciellt beaktansvärd är skillnaden mellan verifierande och upptäckande naturvetenskapliga undersökningar. Tidigare resultat kan verifieras med hjälp av mätningar som specificeras på förhand, men ingen kan på förhand specificera de tekniska och språkliga steg som krävs för ett framgångsrikt upptäckande experiment. Experimentella upptäckter kräver därför en praktisk kunskap som inte kan reduceras till ren teori eller metodologi. Denna praktiska kunskap kan beskrivas med hjälp av Gadamers hermeneutik. Till sist diskuteras vissa grundläggande drag som kan sägas vara karakteristiska för en hermeneutisk modell av naturvetenskaplig kunskap. Speciellt den naturvetenskapliga kunskapens historiska natur, fördomarnas betydelse i naturvetenskaplig forskning samt vikten av forskarens personliga perspektiv i den naturvetenskapliga observationen är viktiga stöttestenar som gör att den hermeneutiska naturvetenskapsmodellen skiljer sig betydligt från modeller som betonar naturvetenskapernas objektivitet. Men det hermeneutiska perspektivet utesluter inte nödvändigtvis andra perspektiv. Dess huvudsakliga nytta är att den tillåter oss att undersöka sidor av naturvetenskaplig kunskap som objektivitetsbetonande modeller lämnar alltför mycket i skymundan. Till dessa hör speciellt det praktiska arbetet i naturvetenskaplig experimentering.