Fast computation of concept lattices using data mining techniques

We present a new algorithm called TITANIC for computing concept lattices. It is based on data mining techniques for computing frequent itemsets. The algorithm is experimentally evaluated and compared with B. Ganter's Next-Closure algorithm.

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.

Analyse selbsterregter Strömungsfelder im Verdichter-Leitrad durch Kopplung von Particle Image Velocimetry und Hitzdrahtanemometrie mittels Fast Fourier Transformation

Der Einsatz der Particle Image Velocimetry (PIV) zur Analyse selbsterregter Strömungsphänomene und das dafür notwendige Auswerteverfahren werden in dieser Arbeit beschrieben. Zur Untersuchung von solchen Mechanismen, die in Turbo-Verdichtern als Rotierende Instabilitäten in Erscheinung treten, wird auf Datensätze zurückgegriffen, die anhand experimenteller Untersuchungen an einem ringförmigen Verdichter-Leitrad gewonnen wurden. Die Rotierenden Instabilitäten sind zeitabhängige Strömungsphänomene, die bei hohen aerodynamischen Belastungen in Verdichtergittern auftreten können. Aufgrund der fehlenden Phaseninformation kann diese instationäre Strömung mit konventionellen PIV-Systemen nicht erfasst werden. Die Kármánsche Wirbelstraße und Rotierende Instabilitäten stellen beide selbsterregte Strömungsvorgänge dar. Die Ähnlichkeit wird genutzt um die Funktionalität des Verfahrens anhand der Kármánschen Wirbelstraße nachzuweisen. Der mittels PIV zu visualisierende Wirbeltransport erfordert ein besonderes Verfahren, da ein externes Signal zur Festlegung des Phasenwinkels dieser selbsterregten Strömung nicht zur Verfügung steht. Die Methodik basiert auf der Kopplung der PIV-Technik mit der Hitzdrahtanemometrie. Die gleichzeitige Messung mittels einer zeitlich hochaufgelösten Hitzdraht-Messung ermöglicht den Zeitpunkten der PIV-Bilder einen Phasenwinkel zuzuordnen. Hierzu wird das Hitzdrahtsignal mit einem FFT-Verfahren analysiert, um die PIV-Bilder entsprechend ihrer Phasenwinkel zu gruppieren. Dafür werden die aufgenommenen Bilder auf der Zeitachse der Hitzdrahtmessungen markiert. Eine systematische Analyse des Hitzdrahtsignals in der Umgebung der PIV-Messung liefert Daten zur Festlegung der Grundfrequenz und erlaubt es, der markierten PIV-Position einen Phasenwinkel zuzuordnen. Die sich aus den PIV-Bildern einer Klasse ergebenden Geschwindigkeitskomponenten werden anschließend gemittelt. Aus den resultierenden Bildern jeder Klasse ergibt sich das zweidimensionale zeitabhängige Geschwindigkeitsfeld, in dem die Wirbelwanderung der Kármánschen Wirbelstraße ersichtlich wird. In hierauf aufbauenden Untersuchungen werden Zeitsignale aus Messungen in einem Verdichterringgitter analysiert. Dabei zeigt sich, dass zusätzlich Filterfunktionen erforderlich sind. Im Ergebnis wird schließlich deutlich, dass die Übertragung der anhand der Kármánschen Wirbelstraße entwickelten Methode nur teilweise gelingt und weitere Forschungsarbeiten erforderlich sind.

Prevalence of intestinal parasites in small ruminants and their senstivity to treatments with ethnobotanical remedies in Cholistan, Pakistan

Livestock production contributes substantially to the livelihoods of poor rural farmers in Pakistan; strengthening pastoral communities plays an imperative role in the country’s thrive for poverty alleviation. Intestinal helminths constitute a major threat for pastoral livestock keepers in the whole country because chronic infestation leads to distinct losses in livestock productivity, particularly the growth of young animals. Synthetic anthelmintics have long been considered the only effective way of controlling this problem but high prices, side effects and chemical residues/toxicity problems, or development of resistance, lead to their very limited use in many pastoral systems. Additionally, poor pastoralists in remote areas of Pakistan hardly have access to appropriate anthelmintic drugs, which are also relatively expensive due to the long routes of transportation. The search for new and more sustainable ways of supporting livestock keepers in remote areas has given rise to studies of ethno-botanicals or traditional plant-based remedies to be used in livestock health care. Plant-based remedies are cheap or free of cost, environmentally safe and generally create no problem of drug resistance; they thus might substitute allopathic drugs. Furthermore, these remedies are easily available in remote areas and simple to prepare and/or administer. Cholistan desert is a quite poor region of Pakistan and the majority of its inhabitants are practicing a nomadic life. The region’s total livestock population (1.29 million heads) is almost twice that of the human population. Livestock husbandry is the primordial occupation of the communities and traditionally wealth assessment was based on the number of animals, especially goats and sheep, owned by an individual. Fortunately, about 60% of this desert region is richly endowed with highly adapted grasses, shrubs and trees. This natural flora has a rich heritage of scientifically unexplored botanical pharmacopoeia. Against this background, the present research project that was conducted under the umbrella of the International Center for Development and Decent Work at Kassel University, focused on a development aspect: in the Cholistan desert region it was firstly examined how pastoralists manage their livestock, which major health problems they face for the different animal species, and which of the naturally occurring plants they use for the treatment of animal diseases (Chapter 2). For this purpose, a baseline survey was carried out across five locations in Cholistan, using a structured questionnaire to collect data from 100 livestock farmers (LF) and 20 local healers (LH). Most of LF and LH were illiterate (66%; 70%). On average, LH had larger herds (109 animals) than LF (85 animals) and were more experienced in livestock husbandry and management. On average LF spent about 163 Euro per year on the treatment of their livestock, with a huge variability in expenditures. Eighty-six traditional remedies based on 64 plants belonging to 43 families were used. Capparaceae was the botanical family with the largest number of species used (4), followed by Chenopodiaceae, Poaceae, Solanaceae and Zygophyllaceae (3). The plants Capparis decidua (n=55 mentions), Salsola foetida (n=52), Suaeda fruticosa (n=46), Haloxylon salicornicum (n=42) and Haloxylon recurvum (n=39) were said to be most effective against the infestations with gastrointestinal parasites. Aerial parts (43%), leaves (26%), fruits (9%), seeds and seed oils (9%) were the plant parts frequently used for preparation of remedies, while flowers, roots, bulbs and pods were less frequently used (<5%). Common preparations were decoction, jaggery and ball drench; oral drug administration was very common. There was some variation in the doses used for different animal species depending on age, size and physical condition of the animal and severity of the disease. In a second step the regionally most prevalent gastrointestinal parasites of sheep and goats were determined (Chapter 3) in 500 animals per species randomly chosen from pastoral herds across the previously studied five localities. Standard parasitological techniques were applied to identify the parasites in faecal samples manually collected at the rectum. Overall helminth prevalence was 78.1% across the 1000 animals; pure nematode infestations were most prevalent (37.5%), followed by pure trematode (7.9%), pure cestode (2.6%) and pure protozoa infestations (0.8%). Mixed infestations with nematodes and trematodes occurred in 6.4% of all animals, mixed nematode-cestode infestations in 3.8%, and all three groups were found in 19.1% of the sheep and goats. In goats more males (81.1%) than females (77.0%) were infested, the opposite was found in sheep (73.6% males, 79.5% females). Parasites were especially prevalent in suckling goats (85.2%) and sheep (88.5%) and to a lesser extent in young (goats 80.6%, sheep 79.3%) and adult animals (goats 72.8%, sheep 73.8%). Haemonchus contortus, Trichuris ovis and Paramphistomum cervi were the most prevalent helminths. In a third step the in vitro anthelmintic activity of C. decidua, S. foetida, S. fruticosa, H. salicornicum and H. recurvum (Chapter 2) was investigated against adult worms of H. contortus, T. ovis and P. cervi (Chapter 3) via adult motility assay (Chapter 4). Various concentrations ranging from 7.8 to 500 mg dry matter/ml of three types of extracts of each plant, i.e. aqueous, methanol, and aqueous-methanol (30:70), were used at different time intervals to access their anthelmintic activity. Levamisol (0.55 mg/ml) and oxyclozanide (30 mg/ml) served as positive and phosphate-buffered saline as negative control. All extracts exhibited minimum and maximum activity at 2 h and 12 h after parasite exposure; the 500 mg/ml extract concentrations were most effective. Plant species (P<0.05), extract type (P<0.01), parasite species (P<0.01), extract concentration (P<0.01), time of exposure (P<0.01) and their interactions (P<0.01) had significant effects on the number of immobile/dead helminths. From the comparison of LC50 values it appeared that the aqueous extract of C. decidua was more potent against H. contortus and T. ovis, while the aqueous extract of S. foetida was effective against P. cervi. The methanol extracts of H. recurvum were most potent against all three types of parasites, and its aqueous-methanol extract was also very effective against T. ovis and P. cervi. Based on these result it is concluded that the aqueous extract of C. decidua, as well as the methanol and aqueous-methanol extract of H. recurvum have the potential to be developed into plant-based drugs for treatment against H. contortus, T. ovis and P. cervi infestations. Further studies are now needed to investigate the in vivo anthelmintic activity of these plants and plant extracts, respectively, in order to develop effective, cheap and locally available anthelmintics for pastoralists in Cholistan and neighboring desert regions. This will allow developing tangible recommendations for plant-based anthelminthic treatment of sheep and goat herds, and by this enable pastoralists to maintain healthy and productive flocks at low costs and probably even manufacture herbal drugs for marketing on a regional scale.

Metallische Nanopartikel auf Quarz

This work presents the developement of an chemically stable and easy to produce in situ sensor for fast and reliable detection of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) in low nanomolar concentrations. Metallic nanoparticles on dielectric substrates werde used for the rst time with surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) in combination with shifted excitation Raman difference spectroscopy (SERDS). The preparation of the metallic nanoparticle ensembles with Volmer-Webergrowth is described first. The nanoparticles are characterized with both, optical spectroscopy and atomic force microscopy. The morphological properties of the nanoparticle ensembles are de ned by the mean axial ratio (a/b) and the mean equivalent radius (R Äq), respectively. The prepared and characterized nanoparticles were then used for intensive Raman spectroscopy measurements. Two sophisticated diode laser systems were used in cooperation with the TU Berlin, to carry out these experiments. The first step was to establish the ideal combination of excitation wavelength of the diode laser and the maximum of the surface plasmon resonance of the nanoparticle ensembles. From these results it was deduced, that for an optimum Raman signal the plasmon resonance maximum of the nanoparticle ensemble has to be red-shifted a few nanometeres in respect to the excitation wavelength. Different PAHs werde detected in concentrations of only 2 and 0.5 nmol/, respectively. Furthermore, the obtained results show an excellent reproducability. In addition the time dependence of the Raman signal intensity was investigated. The results of these measurements show, that only 2 minutes after placing the substrates in the molecular solution, a detectable Raman signal was generated. The maximum Raman signal, i.e. the time in which the molecular adsorption process is finished, was determined to about 10 minutes. In summary it was shown, that the used metallic nanoparticle ensembles are highly usable as substrates for SERS in combination with SERDS to detect PAHs in low nanomolar concentrations.

Optimierung der laserinduzierten Plasmaspektroskopie an Metallen durch Femtosekunden-Doppelpulse für die Entwicklung eines hochauflösenden 3D-Rasterabbildungsverfahrens

Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS) ist eine spektrochemische Elementanalyse zur Bestimmung der atomaren Zusammensetzung einer beliebigen Probe. Für die Analyse ist keine spezielle Probenpräparation nötig und kann unter atmosphärischen Bedingungen an Proben in jedem Aggregatzustand durchgeführt werden. Femtosekunden Laserpulse bieten die Vorteile einer präzisen Ablation mit geringem thermischen Schaden sowie einer hohen Reproduzierbarkeit. Damit ist fs-LIPS ein vielversprechendes Werkzeug für die Mikroanalyse technischer Proben, insbesondere zur Untersuchung ihres Ermüdungsverhaltens. Dabei ist interessant, wie sich die initiierten Mikrorisse innerhalb der materialspezifschen Struktur ausbreiten. In der vorliegenden Arbeit sollte daher ein schnelles und einfach zu handhabendes 3D-Rasterabbildungsverfahren zur Untersuchung der Rissausbreitung in TiAl, einer neuen Legierungsklasse, entwickelt werden. Dazu wurde fs-LIPS (30 fs, 785 nm) mit einem modifizierten Mikroskopaufbau (Objektiv: 50x/NA 0.5) kombiniert, welcher eine präzise, automatisierte Probenpositionierung ermöglicht. Spektrochemische Sensitivität und räumliches Auflösungsvermögen wurden in energieabhängigen Einzel- und Multipulsexperimenten untersucht. 10 Laserpulse pro Position mit einer Pulsenergie von je 100 nJ führten in TiAl zum bestmöglichen Kompromiss aus hohem S/N-Verhältnis von 10:1 und kleinen Lochstrukturen mit inneren Durchmessern von 1.4 µm. Die für das Verfahren entscheidende laterale Auflösung, dem minimalen Lochabstand bei konstantem LIPS-Signal, beträgt mit den obigen Parametern 2 µm und ist die bislang höchste bekannte Auflösung einer auf fs-LIPS basierenden Mikro-/Mapping-Analyse im Fernfeld. Fs-LIPS Scans von Teststrukturen sowie Mikrorissen in TiAl demonstrieren eine spektrochemische Sensitivität von 3 %. Scans in Tiefenrichtung erzielen mit denselben Parametern eine axiale Auflösung von 1 µm. Um die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und ein besseres Verständnis für die physikalischen Prozesse während der Laserablation zu erhalten, wurde in Pump-Probe-Experimenten untersucht, in wieweit fs-Doppelpulse den laserinduzierten Abtrag sowie die Plasmaemission beeinflussen. Dazu wurden in einem Mach-Zehnder-Interferometer Pulsabstände von 100 fs bis 2 ns realisiert, Gesamtenergie und Intensitätsverhältnis beider Pulse variiert sowie der Einfluss der Materialparameter untersucht. Sowohl das LIPS-Signal als auch die Lochstrukturen zeigen eine Abhängigkeit von der Verzögerungszeit. Diese wurden in vier verschiedene Regimes eingeteilt und den physikalischen Prozessen während der Laserablation zugeordnet: Die Thermalisierung des Elektronensystems für Pulsabstände unter 1 ps, Schmelzprozesse zwischen 1 und 10 ps, der Beginn des Abtrags nach mehreren 10 ps und die Expansion der Plasmawolke nach über 100 ps. Dabei wird das LIPS-Signal effizient verstärkt und bei 800 ps maximal. Die Lochdurchmesser ändern sich als Funktion des Pulsabstands wenig im Vergleich zur Tiefe. Die gesamte Abtragsrate variiert um maximal 50 %, während sich das LIPS-Signal vervielfacht: Für Ti und TiAl typischerweise um das Dreifache, für Al um das 10-fache. Die gemessenen Transienten zeigen eine hohe Reproduzierbarkeit, jedoch kaum eine Energie- bzw. materialspezifische Abhängigkeit. Mit diesen Ergebnissen wurde eine gezielte Optimierung der DP-LIPS-Parameter an Al durchgeführt: Bei einem Pulsabstand von 800 ps und einer Gesamtenergie von 65 nJ (vierfach über der Ablationsschwelle) wurde eine 40-fache Signalerhöhung bei geringerem Rauschen erzielt. Die Lochdurchmesser vergrößerten sich dabei um 44 % auf (650±150) nm, die Lochtiefe um das Doppelte auf (100±15) nm. Damit war es möglich, die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und gleichzeitig die hohe räumliche Auflösung aufrecht zu erhalten.