Investigation and data adaptive analysis of CARS spectra

In this diploma work advantages of coherent anti-Stokes Raman scattering spectrometry (CARS) and various methods of the quantitative analysis of substance structure with its help are considered. The basic methods and concepts of the adaptive analysis are adduced. On the basis of these methods the algorithm of automatic measurement of a scattering strip size of a target component in CARS spectrum is developed. The algorithm uses known full spectrum of target substance and compares it with a CARS spectrum. The form of a differential spectrum is used as a feedback to control the accuracy of matching. To exclude the influence of a background in CARS spectra the differential spectrum is analysed by means of its second derivative. The algorithm is checked up on the simulated simple spectra and on the spectra of organic compounds received experimentally.

Simplified sample handing in mass spectrometry based protein research - focus on protein phosphorylation

The human genome comprises roughly 20 000 protein coding genes. Proteins are the building material for cells and tissues, and proteins are functional compounds having an important role in many cellular responses, such as cell signalling. In multicellular organisms such as humans, cells need to communicate with each other in order to maintain a normal function of the tissues within the body. This complex signalling between and within cells is transferred by proteins and their post-translational modifications, one of the most important being phosphorylation. The work presented here concerns the development and use of tools for phosphorylation analysis. Mass spectrometers have become essential tools to study proteins and proteomes. In mass spectrometry oriented proteomics, proteins can be identified and their post-translational modifications can be studied. In this Ph.D. thesis the objectives were to improve the robustness of sample handling methods prior to mass spectrometry analysis for peptides and their phosphorylation status. The focus was to develop strategies that enable acquisition of more MS measurements per sample, higher quality MS spectra and simplified and rapid enrichment procedures for phosphopeptides. Furthermore, an objective was to apply these methods to characterize phosphorylation sites of phosphopeptides. In these studies a new MALDI matrix was developed which allowed more homogenous, intense and durable signals to be acquired when compared to traditional CHCA matrix. This new matrix along with other matrices was subsequently used to develop a new method that combines multiple spectra from different matrises from identical peptides. With this approach it was possible to identify more phosphopeptides than with conventional LC/ESI-MS/MS methods, and to use 5 times less sample. Also, phosphopeptide affinity MALDI target was prepared to capture and immobilise phosphopeptides from a standard peptide mixture while maintaining their spatial orientation. In addition a new protocol utilizing commercially available conductive glass slides was developed that enabled fast and sensitive phosphopeptide purification. This protocol was applied to characterize the in vivo phosphorylation of a signalling protein, NFATc1. Evidence for 12 phosphorylation sites were found, and many of those were found in multiply phosphorylated peptides

Selecting Wavelet Filter for Compression of Spectra from Multispectral Images

The problem of selecting anappropriate wavelet filter is always present in signal compression based on thewavelet transform. In this report, we propose a method to select a wavelet filter from a predefined set of filters for the compression of spectra from a multispectral image. The wavelet filter selection is based on the Learning Vector Quantization (LVQ). In the training phase for the test images, the best wavelet filter for each spectrum has been found by a careful compression-decompression evaluation. Certain spectral features are used in characterizing the pixel spectra. The LVQ is used to form the best wavelet filter class for different types of spectra from multispectral images. When a new image is to be compressed, a set of spectra from that image is selected, the spectra are classified by the trained LVQand the filter associated to the largest class is selected for the compression of every spectrum from the multispectral image. The results show, that almost inevery case our method finds the most suitable wavelet filter from the pre-defined set for the compression.

Implisiittisen kalibroinnin soveltamismahdollisuudet kemiantekniikassa

Työn taustalla oli tavoite parantaa erään teollisuusprosessin toimintaa ja sen tuottoa mallintamalla reaktiovaiheen alussa tapahtuvan välituotteen muodostumisen reaktiokinetiikka sekä perinteisellä tavalla että implisiittisellä kalibroinnilla. Toisena tavoitteena oli selvittää, kuinka implisiittistä kalibrointia voidaan yleisemmin hyödyntää kemiantekniikassa. Implisiittinen kalibrointi on menetelmä, jolla voidaan ratkaista jonkin teoreettisen mallin parametrit suoraan epäsuorasta mittausdatasta (esimerkiksi spektreistä) lähes kokonaan ilman off-line analyysejä. Tämän työn kirjallisuusosassa on esitetty implisiittisen kalibroinnin toimintaperiaate sekä lyhyesti FTIR-spektrometrian perusteita. Työn kokeellisessa osassa on estimoitu tutkitun välituotteen muodostumisen kineettiset parametrit sekä tavanomaisella parametriestimoinnilla että implisiittisellä kalibroinnilla. Lisäksi kokeellisessa osassa on selvitetty lyhyesti tutkitun prosessin FTIR-spektrien lämpötilariippuvuuksia ja esitetty neljä mahdollista uutta sovelluskohdetta implisiittiselle kalibroinnille. Tavanomaisella parametriestimoinnilla saatiin estimoitua varsin yksiselitteiset arvot kineettisille parametreille. Myös mallin sovitus koedataan on hyvä kolmessa kokeessa viidestä. Parametriestimointi implisiittisellä kalibroinnilla onnistui lupaavasti vaikka tulokset eivät ole aivan niin hyviä kuin tavanomaisessa parametriestimoinnissa. Parhaat tulokset implisiittisessä kalibroinnissa saavutettiin suoralla kalibrointitavalla GRR (Generalized Ridge Regression)-kalibrointimenetelmää käyttämällä.

Quantitative proteomics in the characterization of T helper lymphocyte differentiation

The term proteome is used to define the complete set of proteins expressed in cells or tissues of an organism at a certain timepoint. Respectively, proteomics is used to describe the methods, which are used to study such proteomes. These methods include chromatographic and electrophoretic techniques for protein or peptide fractionation, mass spectrometry for their identification, and use of computational methods to assist the complicated data analysis. A primary aim in this Ph.D. thesis was to set-up, optimize, and develop proteomics methods for analysing proteins extracted from T-helper (Th) lymphocytes. First, high-throughput LC-MS/MS and ICAT labeling methods were set-up and optimized for analysing the microsomal fraction proteins extracted from Th lymphocytes. Later, iTRAQ method was optimized to study cytokine regulated protein expression in the nuclei of Th lymphocytes. High-throughput LC-MS/MS analyses, like ICAT and iTRAQ, produce large quantities of data and robust software and data analysis pipelines are needed. Therefore, different software programs used for analysing such data were evaluated. Moreover, a pre-filtering algorithm was developed to classify good-quality and bad-quality spectra prior to the database searches. Th-lymphocytes can differentiate into Th1 or Th2 cells based on surrounding antigens, co-stimulatory molecules, and cytokines. Both subsets have individual cytokine secretion profiles and specific functions. Th1 cells participate in the cellular immunity against intracellular pathogens, while Th2 cells have important role in the humoral immunity against extracellular parasites. An abnormal response of Th1 and Th2 cells and imbalance between the subsets are charasteristic of several diseases. Th1 specific reactions and cytokines have been detected in autoimmune diseases, while Th2 specific response and cytokine profile is common in allergy and asthma. In this Ph. D. thesis mass spectrometry-based proteomics was used to study the effects of Th1 and Th2 promoting cytokines IL-12 and IL-4 on the proteome of Th lymphocytes. Characterization of microsomal fraction proteome extracted from IL-12 treated lymphobasts and IL-4 stimulated cord blood CD4+ cells resulted in finding of cytokine regulated proteins. Galectin-1 and CD7 were down-regulated in IL-12 treated cells, while IL-4 stimulation decreased the expression of STAT1, MXA, GIMAP1, and GIMAP4. Interestingly, the transcription of both GIMAP genes was up-regulated in Th1 polarized cells and down-regulated in Th2 promoting conditions.

Surface Studies of Thiolate Adsorbates on Some Metals

The results and discussions in this thesis are based on my studies about selfassembled thiol layers on gold, platinum, silver and copper surfaces. These kinds of layers are two-dimensional, one molecule thick and covalently organized at the surface. They are an easy way to modify surface properties. Self-assembly is today an intensive research field because of the promise it holds for producing new technology at nanoscale, the scale of atoms and molecules. These kinds of films have applications for example, in the fields of physics, biology, engineering, chemistry and computer science. Compared to the extensive literature concerning self-assembled monolayers (SAMs) on gold, little is known about the structure and properties of thiolbased SAMs on other metals. In this thesis I have focused on thiol layers on gold, platinum, silver and copper substrates. These studies can be regarded as a basic study of SAMs. Nevertheless, an understanding of the physical and chemical nature of SAMs allows the correlation between atomic structure and macroscopic properties. The results can be used as a starting point for many practical applications. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and synchrotron radiation excited high resolution photoelectron spectroscopy (HR-XPS) together with time-offlight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS) were applied to investigate thin organic films formed by the spontaneous adsorption of molecules on metal surfaces. Photoelectron spectroscopy was the main method used in these studies. In photoelectron spectroscopy, the sample is irradiated with photons and emitted photoelectrons are energy-analyzed. The obtained spectra give information about the atomic composition of the surface and about the chemical state of the detected elements. It is widely used in the study of thin layers and is a very powerful tool for this purpose. Some XPS results were complemented with ToF-SIMS measurements. It provides information on the chemical composition and molecular structure of the samples. Thiol (1-Dodecanethiol, CH3(CH2)11SH) solution was used to create SAMs on metal substrates. Uniform layers were formed on most of the studied metal surfaces. On platinum, surface aligned molecules were also detected in investigations by XPS and ToF-SIMS. The influence of radiation on the layer structure was studied, leading to the conclusion that parts of the hydrocarbon chains break off due to radiation and the rest of the layer is deformed. The results obtained showed differences depending on the substrate material. The influence of oxygen on layer formation was also studied. Thiol molecules were found to replace some of the oxygen from the metal surfaces.

Tautomerism and Fragmentation of Biologically Active Hetero Atom (O, N)-Containing Acyclic and Cyclic Compounds Under Electron Ionization

In this thesis a total of 86 compounds containing the hetero atoms oxygen and nitrogen were studied under electron ionization mass spectrometry (EIMS). These compounds are biologically active and were synthesized by various research groups. The main attention of this study was paid on the fragmentations related to different tautomeric forms of 2- phenacylpyridines, 2-phenacylquinolines, 8-aryl-3,4-dioxo-2H,8H-6,7-dihydroimidazo- [2,1-c][1,2,4]triazines and aryl- and benzyl-substituted 2,3-dihydroimidazo[1,2-a]pyrimidine-5,7-(1H,6H)-diones. Also regio/stereospecific effects on fragmentations of pyrrolo- and isoindoloquinazolinones and naphthoxazine, naphthpyrrolo-oxazinone and naphthoxazino-benzoxazine derivatives were screened. Results were compared with NMR data, when available. The first part of thesis consists of theory and literature review of different types of tautomerism and fragmentation mechanisms in EIMS. The effects of tautomerism in biological systems are also briefly reviewed. In the second part of the thesis the own results of the author, based on six publications,are discussed. For 2-phenacylpyridines and 2-phenacylquinolines the correlation of different Hammett substituent constants to the relative abundances (RA) or total ion currents (% TIC) of selected ions were investigated. Although it was not possible to assign most of the ions formed unambiguously to the different tautomers, the linear fits of their RAs and % TICs can be related to changing contributions of different tautomeric forms. For dioxoimidazotriazines and imidazopyrimidinediones the effects of substituents were rather weak. The fragmentations were also found useful for obtaining structural information. Some stereoisomeric pairs of pyrrolo- and isoindoloquinazolines and regiomeric pairs of naphtoxazine derivatives showed clear differences in thir mass spectra. Some mechanisms are suggested for their fragmentations.

Gamma spectrometry and gamma and X-ray tomography of nuclear fuel

The purpose of gamma spectrometry and gamma and X-ray tomography of nuclear fuel is to determine both radionuclide concentration and integrity and deformation of nuclear fuel. The aims of this thesis have been to find out the basics of gamma spectrometry and tomography of nuclear fuel, to find out the operational mechanisms of gamma spectrometry and tomography equipment of nuclear fuel, and to identify problems that relate to these measurement techniques. In gamma spectrometry of nuclear fuel the gamma-ray flux emitted from unstable isotopes is measured using high-resolution gamma-ray spectroscopy. The production of unstable isotopes correlates with various physical fuel parameters. In gamma emission tomography the gamma-ray spectrum of irradiated nuclear fuel is recorded for several projections. In X-ray transmission tomography of nuclear fuel a radiation source emits a beam and the intensity, attenuated by the nuclear fuel, is registered by the detectors placed opposite. When gamma emission or X-ray transmission measurements are combined with tomographic image reconstruction methods, it is possible to create sectional images of the interior of nuclear fuel. MODHERATO is a computer code that simulates the operation of radioscopic or tomographic devices and it is used to predict and optimise the performance of imaging systems. Related to the X-ray tomography, MODHERATO simulations have been performed by the author. Gamma spectrometry and gamma and X-ray tomography are promising non-destructive examination methods for understanding fuel behaviour under normal, transient and accident conditions.

Cultural and textual properties in the translation and interpretation of allusions. An analysis of allusions in Dorothy L. Sayers’ detective novels translated into Finnish in the 1940s and the 1980s

Kulttuuriset ja tekstuaaliset tekijät alluusioiden kääntämisessä ja tulkinnassa. Alluusiot Dorothy L. Sayersin 1940- ja 1980-luvuilla suomennetuissa salapoliisiromaaneissa Väitöskirja käsittelee alluusioiden kääntämistä ja tulkintaa. Alluusio on intertekstuaalinen viittaus, jonka tulkitsemiseen tarvitaan implisiittistä tietoa tutuksi oletetusta viittauskohteesta. Käännösongelma alluusiosta tulee, mikäli kohdekulttuurin lukijat eivät tunne viittauskohdetta eivätkä voi päätellä alluusion merkitystä. Tutkimus pyrkii kuitenkin uuden analyysimenetelmän avulla osoittamaan, että vieraat alluusiot eivät välttämättä johda tulkintaongelmiin. Väitöskirja jakautuu kahteen osaan: analyysimenetelmän kehittämiseen (luvut 1-5) sekä tapaustutkimukseen (luvut 6-7). Kehitetyn menetelmän avulla pystytään analysoimaan aikaisempaa tarkemmin, millaisia tulkintamahdollisuuksia alluusiot tarjoavat eri lukijakunnille ja miten lähdetekstin alluusioiden kulttuuriset ja tekstuaaliset piirteet korreloivat käännösstrategioiden kanssa. Tapaustutkimus selvittää, millaisia tulkintamahdollisuuksia Dorothy L. Sayersin 1940- ja 1980-luvuilla suomennettujen salapoliisiromaanien alluusiot tarjosivat aikansa suomalaisille lukijoille. Tavoitteena on myös hahmottaa, miten suomentajien käännösratkaisut ja alluusioiden tulkintamahdollisuudet liittyvät toisaalta lähdetekstin alluusioiden piirteisiin ja toisaalta kohdekulttuurin kontekstiin. Tapaustutkimus tarjoaa näin uutta tietoa suomennoskirjallisuuden ja salapoliisiromaanien historiasta. Analyysimenetelmä määrittelee aikaisempaa alluusioita ja intertekstuaalisuutta käsitelleen tutkimuksen pohjalta ne kulttuuriset ja tekstuaaliset piirteet, jotka vaikuttavat alluusioiden kääntämiseen ja tulkintaan. Kulttuurisessa mielessä alluusio voi olla tietylle lukijakunnalle tuttu tai tuntematon. Tekstuaalisia tekijöitä ovat alluusion muodon ja tyylin tunnusmerkillisyys sekä alluusion pintamerkityksen koherenttius uudessa tekstikontekstissa, ilman tietoa viittauskohteesta. Alluusioiden tulkinnassa on perinteisesti erotettu toisaalta allusiivinen tulkintamahdollisuus, jossa alluusio on lukijoille tuttu ja yhdistettävissä viittauskohteeseensa, toisaalta kulttuuritöyssy, jonka muodostaa lukijoille tuntematon ja pintamerkitykseltään inkoherentti alluusio. Tutkimuksessa määritellään kulttuuristen ja tekstuaalisten tekijöiden perusteella lisäksi kaksi muuta mahdollisuutta. Pseudo-allusiivisessa tulkinnassa tuntematon alluusio erottuu ympäröivästä tekstikontekstista tyyliltään ja on koherentti ainakin kuvaannollisessa mielessä ilman viittauskohdettaan. Ei-allusiivisessa tulkinnassa taas vieras alluusio sulautuu kontekstiin sekä muodoltaan että merkitykseltään niin, ettei lukija edes huomaa mahdollista alluusiota. Tulkintamahdollisuuksien jakauma antaa yleiskuvan siitä, miten tietty lukijakunta pystyi tulkitsemaan tekstin alluusioita. Lisäksi analyysi tarkastelee lähdetekstin ja käännöksen välillä tulkintamahdollisuuksissa tapahtuneita muutoksia sekä niiden vaikutusta tulkinnan vaatimaan vaivannäköön (effort) ja alluusion funktioihin. Tapaustutkimus perehtyy Sayers-suomennosten kulttuurikonteksteihin tarkastelemalla salapoliisiromaanien asemaa suomalaisessa kirjallisuusjärjestelmässä, suomennoksilta odotettuja piirteitä sekä suomentajien ammattikuvaa, taustoja ja työoloja. Tulosten perusteella alluusioiden kääntäminen oli vaativa tehtävä sekä 1940- että 1980-luvun suomentajille. Lähdetekstien alluusioista 60–70 prosenttia oli todennäköisesti kohdelukijoille vieraita. Molempina aikakausina suomennoksilta odotettiin silti sekä kielellistä sujuvuutta että lähdetekstin merkitysten välittämistä. 1940-luvun suomentajien tehtävää vaikeutti lisäksi mm. se, että suomentaminen oli enimmäkseen sivutoimista ja englanti oli harvoin parhaiten hallittu vieras kieli. Nämä olosuhteet lienevät vaikuttaneet etenkin vähäarvoisena pidetyn salapoliisikirjallisuuden suomennoksiin. 1980-luvulla suomentajien aikataulut olivat realistisempia, englannin taidot parempia ja päätoiminen suomentaminen mahdollista. Myös salapoliisiromaanien arvostus oli lisääntynyt. Sekä 1940- että 1980-luvun suomennoksissa kohdelukijoille vieraitakin alluusioita oli usein säilytetty, mikäli ne olivat koherentteja ilman viittauskohdettaan. Sen sijaan vieraita ja pintamerkitykseltään epäselviä alluusioita oli muokattu tai poistettu. Kuitenkin 1980-luvun suomentajat säilyttivät lähdetekstin alluusioita useammin ja tarkemmin kuin 1940-luvun suomentajat. Varsinkin poisjättämistä esiintyi 1940-luvun suomennoksissa enemmän. Alluusioiden tulkintamahdollisuudet olivat kaikissa käännöksissä muuttuneet sikäli, että melko harvat suomennetut alluusiot olivat enää kohdelukijoiden tunnistettavissa. Toisaalta myös kulttuuritöyssyt olivat harvinaisia. Erot 1940- ja 1980-luvun suomennosten välillä näkyivätkin pseudo-allusiivisissa ja ei-allusiivisissa tulkintamahdollisuuksissa. 1980-luvun suomennoksissa vieraat alluusiot oli johdonmukaisesti säilytetty niin, että käännetyt alluusiot voitiin tulkita pseudo-alluusioiksi. Sen sijaan 1940-luvun suomennoksissa vieraita alluusioita oli usein muokattu tai jätetty pois tavalla, joka johti ei-allusiiviseen tulkintaan. Kohdelukijoiden kannalta 1980-luvun suomennettujen alluusioiden tulkitseminen lienee vaatinut jonkin verran enemmän vaivaa. Toisaalta pseudo-allusiivisten käännösten pohjalta oli useimmiten mahdollista rakentaa koherentti tulkinta, ja monesti ne jopa välittivät samankaltaisia funktioita kuin lähdetekstin alluusiot. 1940-luvun suomennosten muokkaukset ja poistot periaatteessa helpottivat tulkintaa, mutta mahdollisia kulttuuritöyssyjä esiintyi edelleen, jopa kääntäjän tekemien muutosten seurauksena. 1940-luvun suomennoksissa myös käännettyjen alluusioiden funktiot olivat muuttuneet enemmän lähdetekstin alluusioihin nähden. Kaiken kaikkiaan 1980-luvun suomennokset olivat lähempänä oman aikansa hyvän käännöksen piirteitä. Toisaalta alluusioiden muokkaaminen sai 1940-luvun suomennokset muistuttamaan enemmän perinteistä arvoituksen ratkaisuun keskittyvää salapoliisiromaania, joten tältä osin ne lienevät vastanneet kohdelukijoiden odotuksia. Kulttuurikontekstin vaikutus siis näkyi sekä käännösstrategioissa että käännettyjen alluusioiden tulkintamahdollisuuksissa. Tutkimustuloksissa korostui kuitenkin myös se, että lähdetekstin alluusion pintamerkitys saattaa vaikuttaa käännösratkaisuihin. Lisäksi käännetyt pseudo-alluusiot saattavat välittää samankaltaisia funktioita kuin lähdetekstin alluusiot. Toisin kuin yleensä on esitetty, kohdelukijoille vieraiden alluusioiden säilyttäminen saattaakin siis olla toimiva ratkaisu.

Mössbauer spectra of iron oxides in the bulk and nanocrystalline states

Magnetic nanoparticles are very important in modern industry. These particles are used in many different spheres of life. Nanoparticles have unusual physical and chemical properties connected both with quantum dimensional effects and with the increased role of the surface atoms. Most clearly the difference between the properties of bulk materials and nanoparticles can be seen in the magnetic properties of these materials. The most typical magnetic properties of nanomaterials are superparamagnetism with the size of the cluster from 1 to 10 nm; single-domain magnetic state of nanoclusters and nanostructures up to 20 nm; magnetization processes connected with magnetic cluster ordering and with its forms and sizes; quantum magnetic tunneling effects when magnetization changes by jumps and giant magnetoresistance effects. For research of the magnetic properties of iron-containing nanostructures, it is convenient to apply Mӧssbauer spectroscopy. In this work a number of nano-sized samples of iron oxides were examined by Mössbauer spectroscopy. The Mössbauer spectra of nanoparticles with various sizes were obtained. Mössbauer spectra of iron oxide nanoparticles were compared with the spectra of bulk samples. It was shown how the spectra of iron oxide nanoparticles change depending on the particle sizes.