Influence of the buffer environment on the Relative Biological Effectiveness of carbon ion radiation, investigated by Scanning Force Microscopy and gel electrophoresis

This work focuses on the analysis of the influence of environment on the relative biological effectiveness (RBE) of carbon ions on molecular level. Due to the high relevance of RBE for medical applications, such as tumor therapy, and radiation protection in space, DNA damages have been investigated in order to understand the biological efficiency of heavy ion radiation. The contribution of this study to the radiobiology research consists in the analysis of plasmid DNA damages induced by carbon ion radiation in biochemical buffer environments, as well as in the calculation of the RBE of carbon ions on DNA level by mean of scanning force microscopy (SFM). In order to study the DNA damages, besides the common electrophoresis method, a new approach has been developed by using SFM. The latter method allows direct visualisation and measurement of individual DNA fragments with an accuracy of several nanometres. In addition, comparison of the results obtained by SFM and agarose gel electrophoresis methods has been performed in the present study. Sparsely ionising radiation, such as X-rays, and densely ionising radiation, such as carbon ions, have been used to irradiate plasmid DNA in trishydroxymethylaminomethane (Tris buffer) and 4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid (HEPES buffer) environments. These buffer environments exhibit different scavenging capacities for hydroxyl radical (HO0), which is produced by ionisation of water and plays the major role in the indirect DNA damage processes. Fragment distributions have been measured by SFM over a large length range, and as expected, a significantly higher degree of DNA damages was observed for increasing dose. Also a higher amount of double-strand breaks (DSBs) was observed after irradiation with carbon ions compared to X-ray irradiation. The results obtained from SFM measurements show that both types of radiation induce multiple fragmentation of the plasmid DNA in the dose range from D = 250 Gy to D = 1500 Gy. Using Tris environments at two different concentrations, a decrease of the relative biological effectiveness with the rise of Tris concentration was observed. This demonstrates the radioprotective behavior of the Tris buffer solution. In contrast, a lower scavenging capacity for all other free radicals and ions, produced by the ionisation of water, was registered in the case of HEPES buffer compared to Tris solution. This is reflected in the higher RBE values deduced from SFM and gel electrophoresis measurements after irradiation of the plasmid DNA in 20 mM HEPES environment compared to 92 mM Tris solution. These results show that HEPES and Tris environments play a major role on preventing the indirect DNA damages induced by ionising radiation and on the relative biological effectiveness of heavy ion radiation. In general, the RBE calculated from the SFM measurements presents higher values compared to gel electrophoresis data, for plasmids irradiated in all environments. Using a large set of data, obtained from the SFM measurements, it was possible to calculate the survive rate over a larger range, from 88% to 98%, while for gel electrophoresis measurements the survive rates have been calculated only for values between 96% and 99%. While the gel electrophoresis measurements provide information only about the percentage of plasmids DNA that suffered a single DSB, SFM can count the small plasmid fragments produced by multiple DSBs induced in a single plasmid. Consequently, SFM generates more detailed information regarding the amount of the induced DSBs compared to gel electrophoresis, and therefore, RBE can be calculated with more accuracy. Thus, SFM has been proven to be a more precise method to characterize on molecular level the DNA damage induced by ionizing radiations.

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.

Wechselwirkung von im NANOJET erzeugten Teilchen mit Polymeren und biologischen Objekten

Am Institut für Mikrostrukturtechnologie und Analytik wurde eine neue Technik entwickelt, die neue Anwendungen und Methoden der Mikro- und Nanostrukturierung auf Basis eines neuen Verfahrens erschlossen hat. NANOJET führt über die passive Rastersondenmikroskopie hinaus zu einem vielseitigen, aktiven Bearbeitungswerkzeug auf der Mikro- und Nanometerskala. NANOJET (NANOstructuring Downstream PlasmaJET) ist eine aktive Rasterkraft-Mikroskopie-Sonde. Radikale (chemisch aktive Teilchen, die ein ungepaartes Valenzelektron besitzen) strömen aus dem Ende einer ultradünnen, hohlen Rasterkraftmikroskop-Spitze. Dadurch wird es möglich, über die übliche passive Abtastung einer Probenoberfläche hinausgehend, diese simultan und in-situ durch chemische Reaktionen zu verändern. Die Abtragung von Material wird durch eine chemische Ätzreaktion erreicht. In dieser Arbeit wurde zum größten Teil Photoresist als Substrat für die Ätzexperimente verwendet. Für das Ätzen des Resists wurden die Atome des Fluors und des Sauerstoffs im Grundzustand als verantwortlich identifiziert. Durch Experimente und durch Ergänzung von Literaturdaten wurde die Annahme bestätigt, dass Sauerstoffradikale mit Unterstützung von Fluorradikalen für die hohen erzielten Ätzraten verantwortlich sind. Die Beimischung von Fluor in einem Sauerstoffplasma führt zu einer Verringerung der Aktivierungsenergie für die Ätzreaktion gegenüber Verwendung reinen Sauerstoffs. In weiterer Folge wurde ein Strukturierungsverfahren dargestellt. Hierbei wurden "geformte Kapillaren" (mikrostrukturierte Aperturen) eingesetzt. Die Herstellung der Aperturen erfolgte durch einen elektrochemischen Ätzstop-Prozess. Die typische Größe der unter Verwendung der "geformten Kapillaren" geätzten Strukturen entsprach den Kapillarenöffnungen. Es wurde ein Monte-Carlo Simulationsprogramm entwickelt, welches den Transport der reaktiven Teilchen in der langen Transportröhre simulierte. Es wurde sowohl die Transmission der Teilchen in der Transportröhre und der Kapillare als auch ihre Winkelverteilung nach dem Verlassen der Kapillare berechnet. Das Aspektverhältnis der Röhren hat dabei einen sehr starken Einfluss. Mit einem steigenden Aspektverhältnis nahm die Transmission exponentiell ab. Die geschaffene experimentelle Infrastruktur wurde genutzt, um auch biologische Objekte zu behandeln und zu untersuchen. Hierfür wurde eine neue Methodik entwickelt, die eine dreidimensionale Darstellung des Zellinneren erlaubt. Dies wurde durch die kontrollierte Abtragung von Material aus der Zellmembran durchgeführt. Die Abtragung der Zellmembran erfolgte mittels Sauerstoffradikalen, die durch eine hohle Spitze lokalisiert zum Ort der Reaktion transportiert wurden. Ein piezoresistiver Cantilever diente als Sensor in dem zur Bildgebung eingesetzten RKM. Das entwickelte Verfahren ermöglicht es nun erstmals, schonend Zellen zu öffnen und die innen liegenden Organellen weiter zu untersuchen. Als Nachweis für weitere Verwendungsmöglichkeiten des NANOJET-Verfahrens wurde auch Knochenmaterial behandelt. Die Ergebnisse dieser Experimente zeigen klar, dass das Verfahren für vielfältige biologische Materialien verwendbar ist und somit nun ein weiter Anwendungskreis in der Biologie und Medizin offen steht.

Preparation and applications of periodical gold nanoparticle arrays

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Anwendungen von periodischen Goldnanopartikel-Arrays (PPAs), die mit Hilfe von Nanosphären-Lithografie hergestellt wurden. In Abhängigkeit der verwendeten Nanosphären-Größe wurden dabei entweder kleine dreieckige Nanopartikel (NP) (bei Verwendung von Nanosphären mit einem Durchmesser von 330 nm) oder große dreieckige NPD sowie leicht gestreckte NP (bei Verwendung von Nanosphären mit einem Durchmesser von 1390 nm) hergestellt. Die Charakterisierung der PPAs erfolgte mit Hilfe von Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und optischer Spektroskopie. Die kleinen NP besitzen ein Achsverhältnis (AV) von 2,47 (Kantenlänge des NPs: (74+/-6) nm, Höhe: (30+/-4) nm. Die großen dreieckigen NP haben ein AV von 3 (Kantenlänge des NPs:(465+/-27) nm, Höhe: (1530+/-10) nm) und die leicht gestreckten NP (die aufgrund der Ausbildung von Doppelschichten ebenfalls auf der gleichen Probe erzeugt wurden) haben eine Länge von (364+/-16)nm, eine Breite von (150+/-20) nm und eine Höhe von (150+/-10)nm. Die optischen Eigenschaften dieser NP werden durch lokalisierte Oberflächenplasmon-Polariton Resonanzen (LPPRs) dominiert, d.h. von einem eingestrahlten elektromagnetischen Feld angeregte kollektive Schwingungen der Leitungsbandelektronen. In dieser Arbeit wurden drei signifikante Herausforderungen für Plasmonik-Anwendungen bearbeitet, welche die einzigartigen optischen Eigenschaften dieser NP ausnutzen. Erstens wurden Ergebnisse der selektiven und präzisen Größenmanipulation und damit einer Kontrolle der interpartikulären Abstände von den dreieckigen Goldnanopartikel mit Hilfe von ns-gepulstem Laserlicht präsentiert. Die verwendete Methode basiert hierbei auf der Größen- und Formabhängigkeit der LPPRs der NP. Zweitens wurde die sensorischen Fähigkeiten von Gold-NP ausgenutzt, um die Bildung von molekularen Drähten auf den PPAs durch schrittweise Zugabe von unterschiedlichen molekularen Spezies zu untersuchen. Hierbei wurde die Verschiebung der LSPPR in den optischen Spektren dazu ausgenutzt, die Bildung der Nanodrähte zu überwachen. Drittens wurden Experimente vorgestellt, die sich die lokale Feldverstärkung von NP zu nutze machen, um eine hochgeordnete Nanostrukturierung von Oberflächen mittels fs-gepulstem Laserlicht zu bewerkstelligen. Dabei zeigt sich, dass neben der verwendeten Fluenz die Polarisationsrichtung des eingestrahlten Laserlichts in Bezug zu der NP-Orientierung sowie die Größe der NP äußerst wichtige Parameter für die Nanostrukturierung darstellen. So konnten z.B. Nanolöcher erzeugt werden, die bei höheren Fluenzen zu Nanogräben und Nanokanälen zusammen wuchsen. Zusammengefasst lässt sich sagen, dass die in dieser Arbeit gewonnen Ergebnisse von enormer Wichtigkeit für weitere Anwendungen sind.

Development of hybrid UV VCSEL with organic active material and dielectric DBR mirrors for medical, sensoric and data storage applications

Lasers play an important role for medical, sensoric and data storage devices. This thesis is focused on design, technology development, fabrication and characterization of hybrid ultraviolet Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (UV VCSEL) with organic laser-active material and inorganic distributed Bragg reflectors (DBR). Multilayer structures with different layer thicknesses, refractive indices and absorption coefficients of the inorganic materials were studied using theoretical model calculations. During the simulations the structure parameters such as materials and thicknesses have been varied. This procedure was repeated several times during the design optimization process including also the feedback from technology and characterization. Two types of VCSEL devices were investigated. The first is an index coupled structure consisting of bottom and top DBR dielectric mirrors. In the space in between them is the cavity, which includes active region and defines the spectral gain profile. In this configuration the maximum electrical field is concentrated in the cavity and can destroy the chemical structure of the active material. The second type of laser is a so called complex coupled VCSEL. In this structure the active material is placed not only in the cavity but also in parts of the DBR structure. The simulations show that such a distribution of the active material reduces the required pumping power for reaching lasing threshold. High efficiency is achieved by substituting the dielectric material with high refractive index for the periods closer to the cavity. The inorganic materials for the DBR mirrors have been deposited by Plasma- Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) and Dual Ion Beam Sputtering (DIBS) machines. Extended optimizations of the technological processes have been performed. All the processes are carried out in a clean room Class 1 and Class 10000. The optical properties and the thicknesses of the layers are measured in-situ by spectroscopic ellipsometry and spectroscopic reflectometry. The surface roughness is analyzed by atomic force microscopy (AFM) and images of the devices are taken with scanning electron microscope (SEM). The silicon dioxide (SiO2) and silicon nitride (Si3N4) layers deposited by the PECVD machine show defects of the material structure and have higher absorption in the ultra violet range compared to ion beam deposition (IBD). This results in low reflectivity of the DBR mirrors and also reduces the optical properties of the VCSEL devices. However PECVD has the advantage that the stress in the layers can be tuned and compensated, in contrast to IBD at the moment. A sputtering machine Ionsys 1000 produced by Roth&Rau company, is used for the deposition of silicon dioxide (SiO2), silicon nitride (Si3N4), aluminum oxide (Al2O3) and zirconium dioxide (ZrO2). The chamber is equipped with main (sputter) and assisted ion sources. The dielectric materials were optimized by introducing additional oxygen and nitrogen into the chamber. DBR mirrors with different material combinations were deposited. The measured optical properties of the fabricated multilayer structures show an excellent agreement with the results of theoretical model calculations. The layers deposited by puttering show high compressive stress. As an active region a novel organic material with spiro-linked molecules is used. Two different materials have been evaporated by utilizing a dye evaporation machine in the clean room of the department Makromolekulare Chemie und Molekulare Materialien (mmCmm). The Spiro-Octopus-1 organic material has a maximum emission at the wavelength λemission = 395 nm and the Spiro-Pphenal has a maximum emission at the wavelength λemission = 418 nm. Both of them have high refractive index and can be combined with low refractive index materials like silicon dioxide (SiO2). The sputtering method shows excellent optical quality of the deposited materials and high reflection of the multilayer structures. The bottom DBR mirrors for all VCSEL devices were deposited by the DIBS machine, whereas the top DBR mirror deposited either by PECVD or by combination of PECVD and DIBS. The fabricated VCSEL structures were optically pumped by nitrogen laser at wavelength λpumping = 337 nm. The emission was measured by spectrometer. A radiation of the VCSEL structure at wavelength 392 nm and 420 nm is observed.