Piezoresistive cantilevers with an integrated bimorph actuator

Scanning Probe Microscopy (SPM) has become of fundamental importance for research in area of micro and nano-technology. The continuous progress in these fields requires ultra sensitive measurements at high speed. The imaging speed limitation of the conventional Tapping Mode SPM is due to the actuation time constant of piezotube feedback loop that keeps the tapping amplitude constant. In order to avoid this limit a deflection sensor and an actuator have to be integrated into the cantilever. In this work has been demonstrated the possibility of realisation of piezoresistive cantilever with an embedded actuator. Piezoresistive detection provides a good alternative to the usual optical laser beam deflection technique. In frames of this thesis has been investigated and modelled the piezoresistive effect in bulk silicon (3D case) for both n- and p-type silicon. Moving towards ultra-sensitive measurements it is necessary to realize ultra-thin piezoresistors, which are well localized to the surface, where the stress magnitude is maximal. New physical effects such as quantum confinement which arise due to the scaling of the piezoresistor thickness was taken into account in order to model the piezoresistive effect and its modification in case of ultra-thin piezoresistor (2D case). The two-dimension character of the electron gas in n-type piezoresistors lead up to decreasing of the piezoresistive coefficients with increasing the degree of electron localisation. Moreover for p-type piezoresistors the predicted values of the piezoresistive coefficients are higher in case of localised holes. Additionally, to the integration of the piezoresistive sensor, actuator integrated into the cantilever is considered as fundamental for realisation of fast SPM imaging. Actuation of the beam is achieved thermally by relying on differences in the coefficients of thermal expansion between aluminum and silicon. In addition the aluminum layer forms the heating micro-resistor, which is able to accept heating impulses with frequency up to one megahertz. Such direct oscillating thermally driven bimorph actuator was studied also with respect to the bimorph actuator efficiency. Higher eigenmodes of the cantilever are used in order to increase the operating frequencies. As a result the scanning speed has been increased due to the decreasing of the actuation time constant. The fundamental limits to force sensitivity that are imposed by piezoresistive deflection sensing technique have been discussed. For imaging in ambient conditions the force sensitivity is limited by the thermo-mechanical cantilever noise. Additional noise sources, connected with the piezoresistive detection are negligible.

Über den Einfluss von Neuropeptid Y auf die Amplitude und die Entladungsrate axonterminaler Aktionspotenziale retinaler Ganglienzellen der Klasse R2 und R3 im Tectum opticum während visueller Stimulation der Rotbauchunke Bombina orientalis

Neuropeptid Y (NPY) ist ein potenter Neurotransmitter im zentralen und peripheren Nervensystem der Mammalia. Es ist an der Regulation einer Vielzahl von physiologischen Prozessen beteiligt und scheint auch im retino-tectalen Transfer des visuellen Systems von Anuren eine zentrale Funktion einzunehmen. Die Retina bildet die erste Funktionseinheit bei der Verarbeitung visuellen Inputs. Für die Weiterverarbeitung sind primär das Tectum opticum (TO) und das Praetectum verantwortlich. Es gilt als wahrscheinlich, dass der praetecto-tectale Transfer durch NPY inhibitorisch moduliert wird und damit wesentlichen Einfluss auf die visuelle Mustererkennung und die Dämpfung der tectalen Erregungsausbreitung hat. Die Applikation von NPY auf die Tectumoberfläche schwächt die anfängliche Erregungswelle visuell evozierter Feldpotenziale stark ab und NPY könnte somit Einfluss auf die Axonendknoten retinaler Ganglienzellen des Typs R2, R3 und auch R4 haben. Es können jedoch keine detaillierten Aussagen gemacht werden welche Neuronen in welchem Umfang daran beteiligt sind. Im Rahmen meiner Arbeit, sollte der Einfluss von NPY auf die Spike-Amplitude und die Spike-Rate retinaler Ganglienzellen R2 und R3 bei Bombina orientalis analysiert werden, da diese den größten Input bei der visuellen Mustererkennung liefern und unterschiedliche Funktionen in diesem neuronalen Netzwerk haben. Hierzu wurden visuell evozierte Aktionspotenziale von R2 und R3 Neuronen im TO von Bombina orientalis abgeleitet und mit Hilfe der Analysesoftware Spike 2 bearbeitet und analysiert. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Spike-Amplituden der R2 Neuronen 20 min nach NPY Applikation auf die Tectumoberfläche reduziert werden. Nach einer Erholungsphase 10 min nach Beenden der NPY-Applikation konnte ein Wiederanstieg der Spike-Amplituden gemessen werden, 20 min nach Beenden der NPY-Applikation kam es zu einem Abfall der Spike-Amplituden dessen Ursache unbekannt ist. Ob es ein Artefakt ist oder ob es sich hierbei um einen spezifischen Effekt von R2 Neuronen handelt muss noch geklärt werden. Die Spike-Amplituden der R3 Neuronen waren bereits 10 min nach NPY-Applikation reduziert, ein weitere Abfall der Spike-Amplituden konnte nicht verzeichnet werden. 10 min nach Beenden der NPY-Applikation konnte ein Anstieg der Spike-Amplituden verzeichnet werden, der sich stetig fortsetzte. Bei beiden Neuronentypen wurden 20 min nach Beenden der NPY-Applikation Spike-Amplituden nahe der Ausgangsamplitudenhöhe gemessen. Aufgrund des Verlaufes der R3 Neuronen ist davon auszugehen, dass die Feldpotenziale eher durch R3 Neuronen als durch R2 Neuronen beeinflusst werden, da er dem der Feldpotenziale gleicht. Auch bei der Untersuchung der Spike-Raten konnte eine Beeinflussung durch NPY nachgewiesen werden. Die R2 Neuronen zeigten 10 min nach NPY-Applikation einen Abfall der Spike-Raten der sich nach 20 min weiter fortsetzte. 10 min nach Beenden der NPY-Applikation konnte ein Wiederanstieg der Spike-Raten verzeichnet werden der sich stetig fortsetzte, die Werte blieben jedoch deutlich unter den gemessenen Ausgangswerten ohne eine NPY-Beeinflussung. Bei den R3 Neuronen konnte ein Abfall der Spike-Raten deutlich zeitverzögert nachgewiesen werden. 20 min nach Beenden der NPY-Applikation konnte ein Anstieg der Spike-Rate verzeichnet werden, jedoch gab es keine signifikanten Unterschiede der Spike-Raten zu den Werten ohne NPY-Beeinflussung. Der Vergleich der R2 und R3 Neuronen zeigt, dass bei den der R2 Neuronen ein schnellerer Effekt von NPY nachweisbar ist als die den R3 Neuronen. Aufgrund der von mir nachgewiesene NPY-induzierte Spike-Amplitudenabnahme retinaler R2 und R3 Neuronen muss davon ausgegangen werden, dass die Reduktion der Feldpotential durch NPY eher auf den Einfluss anderer Neuronen als R2 und R3 Neuronen zurückzuführen ist. Weder bei den R2 noch bei den R3 Neuronen konnte eine so schnelle und so starke Beeinflussung der Spike- Amplituden verzeichnet werden. Weiterhin zeigen meine Ergebnisse neuronale Bestätigung der von Funke 2005 beschrieben geringeren Strahlungsintensität sowie der geringeren Glukosemetabolisierung bei der 14C-2-Desoxyglukose Technik. Dies ist in der Form nur auf den Einfluss von R2 und R3 Neuronen zurückzuführen. Die von mir erzielten Ergebnisse stützen die Hypothese, dass NPY den retino-tectalen Signaltransfer inhibitorisch steuert einhergehend mit einer reduzierten Ausschüttung des praetectotectalen Transmitters Glutamat und weisen darauf hin, dass NPY über zwei verschiedene second-messenger vermittelte Prozesse diesen Signaltransfer steuert. Interessant ist in diesem Zusammenhang, dass diese nachhaltige Beeinflussung der visuellen Informationsverarbeitung durch NPY bei Bombina orientalis einem phylogenetisch basalen Vertreter der Anuren nachgewiesen werden konnte. Dies lässt den Schluss zu, dass solche grundlegenden neurochemischen Effekte des retino-tectalen Informationsgefüges evolutionär konserviert sind.

Exact algorithms for p-adic fields and epsilon constant conjectures

We develop several algorithms for computations in Galois extensions of p-adic fields. Our algorithms are based on existing algorithms for number fields and are exact in the sense that we do not need to consider approximations to p-adic numbers. As an application we describe an algorithmic approach to prove or disprove various conjectures for local and global epsilon constants.

Characterization of the molecular clockwork in the cockroach Rhyparobia maderae

Der Wechsel von Tag und Nacht erzeugt einen regelmäßigen Rhythmus von verschiedenen Umweltreizen, allen voran Licht und Temperatur. Fast jedes bis zum heutigen Tage untersuchte Lebewesen besitzt einen endogenen Mechanismus zur Zeitwahrnehmung, und diese "innere Uhr" befähigt Lebewesen dazu, sich vorausschauend an rhythmische Umwelt-Änderungen anzupassen. Circadiane Rhythmen bestehen auch ohne jegliche äußere Reize und basieren auf einem molekularen Rückkopplungs-Mechanismus, der Rhythmen in Genexpression und Proteinkonzentration von etwa 24 Stunden erzeugt. Obwohl sich die grundsätzlichen Mechanismen und Komponenten dieses molekularen Uhrwerks in allen Insekten ähneln, zeigte sich jedoch immer mehr, dass es im Detail doch wesentliche Unterschiede zwischen verschiedenen Insektengruppen gibt. Während das molekulare Uhrwerk der Fruchtfliege Drosophila melanogaster inzwischen sehr gut untersucht ist, fehlen bei den meisten Insektengruppen immernoch eingehende Untersuchungen. Fast nichts ist über die molekulare Basis von circadianen Rhythmen bei der Schabe Rhyparobia maderae bekannt, obwohl diese Art bereits seit Langem als Modellorganismus in der Chronobiologie dient. Um mit der Forschung am molekularen, circadianen System von R. maderae zu beginnen, wurde die Struktur und das Expressionsprofil der core feedback loop Gene per, tim1 und cry2 analysiert. Mittels degenerierten Primern und RACE konnte das vollständige offene Leseraster (OLR) von rmPer und rmCry2, und ein Teil des rmTim1 OLR kloniert werden. Eine phylogenetische Analyse gruppierte rmPER und rmCRY2 gemeinsam mit den Orthologa hemimetaboler Insekten. Viele bei D. melanogaster funktionell charakterisierte Domänen sind bei diesen Proteinen konserviert, was auf eine ähnliche Funktion in der inneren Uhr von R. maderae hinweist. Mittels quantitativer PCR konnte gezeigt werden, dass die mRNA von rmPer, rmTim1 und rmCry2 in verschiedenen Lichtregimen in der gleichen Phasenlage Tageszeit-abhängig schwankt. Die Phasenlage stellte sich bei unterschiedlichen Photoperioden jeweils relativ zum Beginn der Skotophase ein, mit Maxima in der ersten Hälfte der Nacht. Auch im Dauerdunkel zeigen sich Rhythmen in der rmTim1 und rmCry2 Expression. Die Amplitude der rmPer Expressionsrhythmen war jedoch so gering, dass keine signifikanten Unterschiede zwischen den einzelnen Zeitgeberzeiten (ZT) festgestellt werden konnten. Mittels Laufrad-Assays wurde untersucht wie Kurz- und Langtag Lichtregime die Verhaltensrhythmen beeinflussen. Es konnten nur Unterschiede in der Periodenlänge unter freilaufenden Bedingungen festgestellt werden, wenn höhere Lichtintensitäten (1000lx) zur Synchronisation (entrainment) genutzt wurden. Die Periode des freilaufenden Rhythmus war bei Tieren aus dem Kurztag länger. Die photoperiodische Plastizität zeigte sich also auch auf Verhaltensebene, obwohl höhere Lichtintensitäten notwendig waren um einen Effekt zu beobachten. Basierend auf den Sequenzen der zuvor klonierten OLR wurden gegen rmPER, rmTIM1 und rmCRY2 gerichtete Antikörper hergestellt. Die Antikörper gegen rmPER und rmTIM1 erkannten in western blots sehr wahrscheinlich spezifisch das jeweilige Protein. Zeitreihen von Gehirngewebe-Homogenisaten zeigten keinen offensichtlichen circadianen Rhythmus in der Proteinkonzentration, wahrscheinlich auf Grund einer Oszillation mit niedriger Amplitude. In Immunhistochemischen Färbungen konnte nur mit dem gegen rmPER gerichteten Antikörper aus Kaninchen ein Signal beobachtet werden. Beinahe jede Zelle des Zentralnervensystems war rmPER-immunreaktiv im Zellkern. Es konnten keine Unterschiede zwischen den untersuchten ZTs festgestellt werden, ähnlich wie bei den western blot Zeitreihen. In dieser Studie konnten erstmals molekulare Daten der circadianen Uhr von R. maderae erfasst und dargestellt werden. Die Uhrgene per, tim1 und cry2 werden in dieser Schabenart exprimiert und ihre Domänenstruktur sowie das circadiane Expressionsmuster ähneln dem hypothetischen ursprünglichen Insektenuhrwerk, welches der circadianen Uhr von Vertebraten nahesteht. Das molekulare Uhrwerk von R. maderae kann sich an unterschiedliche Photoperioden anpassen, und diese Anpassungen manifestieren sich im Expressionsprofil der untersuchten Uhrgene ebenso wie im Verhalten.

Optimization of Processing Technology for Commercial Drying of Bananas (Matooke)

Summary - Cooking banana is one of the most important crops in Uganda; it is a staple food and source of household income in rural areas. The most common cooking banana is locally called matooke, a Musa sp triploid acuminate genome group (AAA-EAHB). It is perishable and traded in fresh form leading to very high postharvest losses (22-45%). This is attributed to: non-uniform level of harvest maturity, poor handling, bulk transportation and lack of value addition/processing technologies, which are currently the main challenges for trade and export, and diversified utilization of matooke. Drying is one of the oldest technologies employed in processing of agricultural produce. A lot of research has been carried out on drying of fruits and vegetables, but little information is available on matooke. Drying of matooke and milling it to flour extends its shelf-life is an important means to overcome the above challenges. Raw matooke flour is a generic flour developed to improve shelf stability of the fruit and to find alternative uses. It is rich in starch (80 - 85%db) and subsequently has a high potential as a calorie resource base. It possesses good properties for both food and non-food industrial use. Some effort has been done to commercialize the processing of matooke but there is still limited information on its processing into flour. It was imperative to carry out an in-depth study to bridge the following gaps: lack of accurate information on the maturity window within which matooke for processing into flour can be harvested leading to non-uniform quality of matooke flour; there is no information on moisture sorption isotherm for matooke from which the minimum equilibrium moisture content in relation to temperature and relative humidity is obtainable, below which the dry matooke would be microbiologically shelf-stable; and lack of information on drying behavior of matooke and standardized processing parameters for matooke in relation to physicochemical properties of the flour. The main objective of the study was to establish the optimum harvest maturity window and optimize the processing parameters for obtaining standardized microbiologically shelf-stable matooke flour with good starch quality attributes. This research was designed to: i) establish the optimum maturity harvest window within which matooke can be harvested to produce a consistent quality of matooke flour, ii) establish the sorption isotherms for matooke, iii) establish the effect of process parameters on drying characteristics of matooke, iv) optimize the drying process parameters for matooke, v) validate the models of maturity and optimum process parameters and vi) standardize process parameters for commercial processing of matooke. Samples were obtained from a banana plantation at Presidential Initiative on Banana Industrial Development (PIBID), Technology Business Incubation Center (TBI) at Nyaruzunga – Bushenyi in Western Uganda. A completely randomized design (CRD) was employed in selecting the banana stools from which samples for the experiments were picked. The cultivar Mbwazirume which is soft cooking and commonly grown in Bushenyi was selected for the study. The static gravitation method recommended by COST 90 Project (Wolf et al., 1985), was used for determination of moisture sorption isotherms. A research dryer developed for this research. All experiments were carried out in laboratories at TBI. The physiological maturity of matooke cv. mbwazirume at Bushenyi is 21 weeks. The optimum harvest maturity window for commercial processing of matooke flour (Raw Tooke Flour - RTF) at Bushenyi is between 15-21 weeks. The finger weight model is recommended for farmers to estimate harvest maturity for matooke and the combined model of finger weight and pulp peel ratio is recommended for commercial processors. Matooke isotherms exhibited type II curve behavior which is characteristic of foodstuffs. The GAB model best described all the adsorption and desorption moisture isotherms. For commercial processing of matooke, in order to obtain a microbiologically shelf-stable dry product. It is recommended to dry it to moisture content below or equal to 10% (wb). The hysteresis phenomenon was exhibited by the moisture sorption isotherms for matooke. The isoteric heat of sorption for both adsorptions and desorption isotherms increased with decreased moisture content. The total isosteric heat of sorption for matooke: adsorption isotherm ranged from 4,586 – 2,386 kJ/kg and desorption isotherm from 18,194– 2,391 kJ/kg for equilibrium moisture content from 0.3 – 0.01 (db) respectively. The minimum energy required for drying matooke from 80 – 10% (wb) is 8,124 kJ/kg of water removed. Implying that the minimum energy required for drying of 1 kg of fresh matooke from 80 - 10% (wb) is 5,793 kJ. The drying of matooke takes place in three steps: the warm-up and the two falling rate periods. The drying rate constant for all processing parameters ranged from 5,793 kJ and effective diffusivity ranged from 1.5E-10 - 8.27E-10 m2/s. The activation energy (Ea) for matooke was 16.3kJ/mol (1,605 kJ/kg). Comparing the activation energy (Ea) with the net isosteric heat of sorption for desorption isotherm (qst) (1,297.62) at 0.1 (kg water/kg dry matter), indicated that Ea was higher than qst suggesting that moisture molecules travel in liquid form in matooke slices. The total color difference (ΔE*) between the fresh and dry samples, was lowest for effect of thickness of 7 mm, followed by air velocity of 6 m/s, and then drying air temperature at 70˚C. The drying system controlled by set surface product temperature, reduced the drying time by 50% compared to that of a drying system controlled by set air drying temperature. The processing parameters did not have a significant effect on physicochemical and quality attributes, suggesting that any drying air temperature can be used in the initial stages of drying as long as the product temperature does not exceed gelatinization temperature of matooke (72˚C). The optimum processing parameters for single-layer drying of matooke are: thickness = 3 mm, air temperatures 70˚C, dew point temperature 18˚C and air velocity 6 m/s overflow mode. From practical point of view it is recommended that for commercial processing of matooke, to employ multi-layer drying of loading capacity equal or less than 7 kg/m², thickness 3 mm, air temperatures 70˚C, dew point temperature 18˚C and air velocity 6 m/s overflow mode.