Charge generation, transport and recombination in organic solar cells

This thesis presents a study of the charge generation, transport, and recombination processes in organic solar cells performed with time-resolved experimental techniques. Organic solar cells based on polymers can be solution-processed on large areas and thus promise to become an inexpensive source of renewable energy. Despite significant improvements of the power conversion efficiency over the last decade, the fundamental working principles of organic solar cells are still not fully understood. It is the aim of this thesis to clarify the role of different performance limiting processes in organic solar cells and to correlate them with the molecular structure of the studied materials, i.e. poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and [6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester (PCBM). By combining time-of-flight charge transport measurements, transient absorption spectroscopy, a newly developed experimental technique called time delayed double pulse experiment and drift-diffusion simulations a comprehensive analysis of the working principles of P3HT:PCBM solar cells could be performed. It was found that the molecular structure of P3HT (i.e. the regioregularity) has a pronounced influence on the morphology of thin films of pristine P3HT and of blends of P3HT with PCBM. This morphology in turn affected the charge transport properties as well as the charge generation and recombination kinetics. Well-ordered regioregular P3HT was found to be characterized by a high charge carrier mobility, efficient charge generation and low but field-dependent (non-geminate) recombination. Importantly, the charge generation yield was found to be independent of temperature and applied electric field as opposed to the expectations of the Onsager-Braun model that is commonly applied to describe the temperature and field dependence of charge generation in organic solar cells. These properties resulted in a reasonably good power conversion efficiency. In contrast to this, amorphous regiorandom P3HT was found to show poor charge generation, transport and recombination properties that combine to a much lower power conversion efficiency.

Messung des elektrischen Neutron-Formfaktors in der Reaktion 3 He(e,e'n)pp bei Q 2 = 1.58 (GeV/c) 2

Die elektromagnetischen Nukleon-Formfaktoren sind fundamentale Größen, welche eng mit der elektromagnetischen Struktur der Nukleonen zusammenhängen. Der Verlauf der elektrischen und magnetischen Sachs-Formfaktoren G_E und G_M gegen Q^2, das negative Quadrat des Viererimpulsübertrags im elektromagnetischen Streuprozess, steht über die Fouriertransformation in direkter Beziehung zu der räumlichen Ladungs- und Strom-Verteilung in den Nukleonen. Präzise Messungen der Formfaktoren über einen weiten Q^2-Bereich werden daher für ein quantitatives Verständnis der Nukleonstruktur benötigt.rnrnDa es keine freien Neutrontargets gibt, gestaltet sich die Messung der Neutron-Formfaktoren schwierig im Vergleich zu der Messung am Proton. Konsequenz daraus ist, dass die Genauigkeit der vorhandenen Daten von Neutron-Formfaktoren deutlich geringer ist als die von Formfaktoren des Protons; auch der vermessene Q^2-Bereich ist kleiner. Insbesondere der elektrische Sachs-Formfaktor des Neutrons G_E^n ist schwierig zu messen, da er aufgrund der verschwindenden Nettoladung des Neutrons im Verhältnis zu den übrigen Nukleon-Formfaktoren sehr klein ist. G_E^n charakterisiert die Ladungsverteilung des elektrisch neutralen Neutrons und ist damit besonders sensitiv auf die innere Struktur des Neutrons.rnrnIn der hier vorgestellten Arbeit wurde G_E^n aus Strahlhelizitätsasymmetrien in der quasielastischen Streuung vec{3He}(vec{e}, e'n)pp bei einem Impulsübertrag von Q^2 = 1.58 (GeV/c)^2 bestimmt. Die Messung fand in Mainz an der Elektronbeschleunigeranlage Mainzer Mikrotron innerhalb der A1-Kollaboration im Sommer 2008 statt. rnrnLongitudinal polarisierte Elektronen mit einer Energie von 1.508 GeV wurden an einem polarisierten ^3He-Gastarget, das als effektives, polarisiertes Neutrontarget diente, gestreut. Die gestreuten Elektronen wurden in Koinzidenz mit den herausgeschlagenen Neutronen detektiert; die Elektronen wurden in einem magnetischen Spektrometer nachgewiesen, durch den Nachweis der Neutronen in einer Matrix aus Plastikszintillatoren wurde der Beitrag der quasielastischen Streuung am Proton unterdrückt.rnrnAsymmetrien des Wirkungsquerschnitts bezüglich der Elektronhelizität sind bei Orientierung der Targetpolarisation in der Streuebene und senkrecht zum Impulsübertrag sensitiv auf G_E^n / G_M^n; mittels deren Messung kann G_E^n bestimmt werden, da der magnetische Formfaktor G_M^n mit vergleichsweise hoher Präzision bekannt ist. Zusätzliche Messungen der Asymmetrie bei einer Polarisationsorientierung parallel zum Impulsübertrag wurden genutzt, um systematische Fehler zu reduzieren.rnrnFür die Messung inklusive statistischem (stat) und systematischem (sys) Fehler ergab sich G_E^n = 0.0244 +/- 0.0057_stat +/- 0.0016_sys.

Spectroscopic investigations of functional bulk and thin film Heusler alloys

Functional and smart materials have gained large scientific and practical interest in current research and development. The Heusler alloys form an important class of functional materials used in spintronics, thermoelectrics, and for shape memory alloy applications. An important aspect of functional materials is the adaptability of their physical properties. In this work functional polycrystalline bulk and epitaxial thin film Heusler alloys are characterized by means of spectroscopic investigation methods, X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) and energy dispersive X-ray analysis (EDX). With EDX the homogeneity of the samples is studied extensively. For some cases of quaternary compounds, for example Co2(MnxTi1−x)Sn and Co2(Mn0.5Dy0.5)Sn, an interesting phase separation in two nearly pure ternary Heusler phases occurs. For these samples the phase separation leads to an improvement of thermoelectric properties. XMCD as the main investigation method was used to study Co2TiZ (Z = Si, Sn, and Sb), Co2(MnxTi1−x)Si, Co2(MnxTi1−x)Ge, Co2Mn(Ga1−xGex), Co2FeAl, Mn2VAl, and Ni2MnGa Heusler compounds. The element-specific magnetic moments are calculated. Also, the spin-resolved unoccupied density of states is determined, for example giving hints for half-metallic ferromagnetism for some Co-based compounds. The systematic change of the magnetic moments and the shift of the Fermi energy is a proof that Heusler alloys are suitable for a controlled tailoring of physical properties. The comparison of the experimental results with theoretical predictions improves the understanding of complex materials needed to optimize functional Heusler alloys.

Untersuchungen zu Mechanismen der Laser-Teilchenbeschleunigung

Auf dem Gebiet der Teilchenbeschleunigung mittels Hochintensitäts-Lasern wurden in der letzten Dekade viele erfolgreiche Entwicklungen hin zu immer höheren Energien und größeren Teilchenzahlen veröffentlicht. In den meisten Fällen wurde der sogenannte TNSA-Prozess (engl. Target-Normal-Sheath-Acceleration (TNSA)) untersucht. Bei diesem Prozess erfolgt die Beschleunigung in dem an der Oberfläche durch Ladungstrennung erzeugten Potential. Ein kaum vermeidbares Problem ist hierbei das resultierende breite Energie-Spektrum der beschleunigten Teilchen. Diese Situation konnte in den letzten Jahren zwar verbessert, aber nicht vollständig gelöst werden. Für Intensitäten größer 10^(20..21) W/cm^2 sagen theoretische Modellrechnungen eine auf dem Lichtdruck basierende Beschleunigung (engl. Radiation-Pressure-Acceleration (RPA)) mit deutlich eingegrenztem, fast monoenergetischem Spektrum voraus. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Experiment zur Untersuchung dieses Prozesses bei Intensitäten von einigen 10^19 W/cm^2 durchgeführt. Dazu wurden zunächst spezielle Targets entwickelt und als Patent angemeldet, welche den Experimentbedingungen angepasst sind. Durch die Auslegung des experimentellen Aufbaus und der Diagnostiken auf hohe Repetitionsraten, in Verbindung mit einem geeigneten Lasersystem, konnte auf Basis einer Statistik von mehreren Tausend Schüssen ein großer Parameterraum untersucht werden. Untersucht wurden unter anderem die Abhängigkeit von Targetmaterial und Dicke, Intensität, Laserpolarisation und Vorplasmabedingungen. Aus den gewonnenen Daten und Vergleichen mit 2-dimensionalen numerischen Simulationen konnte ein Modell des Beschleunigungsprozesses aufgestellt und durch Vergleich mit den experimentellen Ergebnissen geprüft werden. Dabei wurden klare Indizien für die Existenz eines neuen, nicht feldinduzierten, Beschleunigungsprozesses gefunden. Darüber hinaus wurde zur Polarisationsbeeinflussung ein optisches System entwickelt, das ausschließlich mit reflexiven Elementen arbeitet. Damit konnten viele Nachteile bestehender, auf Verzögerungsplatten beruhender Elemente vermieden, und die Anwendbarkeit bei hohen Laserenergien erreicht werden.

Graphene based electrode materials for solar cell and electrochemical oxygen reduction

Diese Arbeit hat viele beispiellose synthetische Ansätze für neuartige Verbundwerkstoffe Graphen-und stickstoffhaltigen graphitischen Materialien erforscht. Die erhaltenen Materialien wurden als den transparenten Elektroden der Solarzellen, die freistehenden Elektroden mit verbesserter mechanischer Festigkeit, und die Kathoden der Brennstoffzellen der Sauerstoffreduktion aufgebracht.rnAlle Ergebnisse haben eindeutig das große Potenzial von Graphen basierenden Materialien und stickstoffhaltigen graphitische Kohlenstoffe als neuartige Elektrodenmaterialien für neue Energie-Geräten demonstriert.

Atomic-scale characterization of diamond surfaces and fullerene self-assembly

In this thesis, elemental research towards the implantation of a diamond-based molecular quantum computer is presented. The approach followed requires linear alignment of endohedral fullerenes on the diamond C(100) surface in the vicinity of subsurface NV-centers. From this, four fundamental experimental challenges arise: 1) The well-controlled deposition of endohedral fullerenes on a diamond surface. 2) The creation of NV-centers in diamond close to the surface. 3) Preparation and characterization of atomically-flat diamondsurfaces. 4) Assembly of linear chains of endohedral fullerenes. First steps to overcome all these challenges were taken in the framework of this thesis. Therefore, a so-called “pulse injection” technique was implemented and tested in a UHV chamber that was custom-designed for this and further tasks. Pulse injection in principle allows for the deposition of molecules from solution onto a substrate and can therefore be used to deposit molecular species that are not stable to sublimation under UHV conditions, such as the endohedral fullerenes needed for a quantum register. Regarding the targeted creation of NV-centers, FIB experiments were carried out in cooperation with the group of Prof. Schmidt-Kaler (AG Quantum, Physics Department, Johannes Gutenberg-Universität Mainz). As an entry into this challenging task, argon cations were implanted into (111) surface-oriented CaF2 crystals. The resulting implantation spots on the surface were imaged and characterized using AFM. In this context, general relations between the impact of the ions on the surface and their valency or kinetic energy, respectively, could be established. The main part of this thesis, however, is constituted by NCAFM studies on both, bare and hydrogen-terminated diamond C(100) surfaces. In cooperation with the group of Prof. Dujardin (Molecular Nanoscience Group, ISMO, Université de Paris XI), clean and atomically-flat diamond surfaces were prepared by exposure of the substrate to a microwave hydrogen plasma. Subsequently, both surface modifications were imaged in high resolution with NC-AFM. In the process, both hydrogen atoms in the unit cell of the hydrogenated surface were resolved individually, which was not achieved in previous STM studies of this surface. The NC-AFM images also reveal, for the first time, atomic-resolution contrast on the clean, insulating diamond surface and provide real-space experimental evidence for a (2×1) surface reconstruction. With regard to the quantum computing concept, high-resolution NC-AFM imaging was also used to study the adsorption and self-assembly potential of two different kinds of fullerenes (C60 and C60F48) on aforementioned diamond surfaces. In case of the hydrogenated surface, particular attention was paid to the influence of charge transfer doping on the fullerene-substrate interaction and the morphology emerging from self-assembly. Finally, self-assembled C60 islands on the hydrogen-terminated diamond surface were subject to active manipulation by an NC-AFM tip. Two different kinds of tip-induced island growth modes have been induced and were presented. In conclusion, the results obtained provide fundamental informations mandatory for the realization of a molecular quantum computer. In the process it was shown that NC-AFM is, under proper circumstances, a very capable tool for imaging diamond surfaces with highest resolution, surpassing even what has been achieved with STM up to now. Particular attention was paid to the influence of transfer doping on the morphology of fullerenes on the hydrogenated diamond surface, revealing new possibilities for tailoring the self-assembly of molecules that have a high electron affinity.

Microemulsion: prediction of the phase diagram with a modified Helfrich free energy

Microemulsions are thermodynamically stable, macroscopically homogeneous but microscopically heterogeneous, mixtures of water and oil stabilised by surfactant molecules. They have unique properties like ultralow interfacial tension, large interfacial area and the ability to solubilise other immiscible liquids. Depending on the temperature and concentration, non-ionic surfactants self assemble to micelles, flat lamellar, hexagonal and sponge like bicontinuous morphologies. Microemulsions have three different macroscopic phases (a) 1phase- microemulsion (isotropic), (b) 2phase-microemulsion coexisting with either expelled water or oil and (c) 3phase- microemulsion coexisting with expelled water and oil.rnrnOne of the most important fundamental questions in this field is the relation between the properties of the surfactant monolayer at water-oil interface and those of microemulsion. This monolayer forms an extended interface whose local curvature determines the structure of the microemulsion. The main part of my thesis deals with the quantitative measurements of the temperature induced phase transitions of water-oil-nonionic microemulsions and their interpretation using the temperature dependent spontaneous curvature [c0(T)] of the surfactant monolayer. In a 1phase- region, conservation of the components determines the droplet (domain) size (R) whereas in 2phase-region, it is determined by the temperature dependence of c0(T). The Helfrich bending free energy density includes the dependence of the droplet size on c0(T) as

Computer simulations of two-dimensional colloidal crystals under confinement and shear

In this thesis we are presenting a broadly based computer simulation study of two-dimensional colloidal crystals under different external conditions. In order to fully understand the phenomena which occur when the system is being compressed or when the walls are being sheared, it proved necessary to study also the basic motion of the particles and the diffusion processes which occur in the case without these external forces. In the first part of this thesis we investigate the structural transition in the number of rows which occurs when the crystal is being compressed by placing the structured walls closer together. Previous attempts to locate this transition were impeded by huge hysteresis effects. We were able to determine the transition point with higher precision by applying both the Schmid-Schilling thermodynamic integration method and the phase switch Monte Carlo method in order to determine the free energies. These simulations showed not only that the phase switch method can successfully be applied to systems with a few thousand particles and a soft crystalline structure with a superimposed pattern of defects, but also that this method is way more efficient than a thermodynamic integration when free energy differences are to be calculated. Additionally, the phase switch method enabled us to distinguish between several energetically very similar structures and to determine which one of them was actually stable. Another aspect considered in the first result chapter of this thesis is the ensemble inequivalence which can be observed when the structural transition is studied in the NpT and in the NVT ensemble. The second part of this work deals with the basic motion occurring in colloidal crystals confined by structured walls. Several cases are compared where the walls are placed in different positions, thereby introducing an incommensurability into the crystalline structure. Also the movement of the solitons, which are created in the course of the structural transition, is investigated. Furthermore, we will present results showing that not only the well-known mechanism of vacancies and interstitial particles leads to diffusion in our model system, but that also cooperative ring rotation phenomena occur. In this part and the following we applied Langevin dynamics simulations. In the last chapter of this work we will present results on the effect of shear on the colloidal crystal. The shear was implemented by moving the walls with constant velocity. We have observed shear banding and, depending on the shear velocity, that the inner part of the crystal breaks into several domains with different orientations. At very high shear velocities holes are created in the structure, which originate close to the walls, but also diffuse into the inner part of the crystal.

Untersuchungen zur Plasmapheresetherapie bei Patienten mit thrombotisch thrombozytopenischer Purpura

Die thrombotische thrombozytopenische Purpura (TTP) ist charakterisiert durch eine Triade aus Thrombozytopenie, hämolytischer Anämie und Mikrothromben. Ursächlich für diese Mikroangiopathie ist ein Mangel der Von Willebrand Faktor (VWF)-spaltenden Protease, ADAMTS13, der durch Autoantikörper oder eine genetische Mutation bedingt sein kann. In der Folge treten hochmolekulare, prothrombotische VWF Multimere im Blut auf, die eine Plättchenadhäsion und -aggregation initiieren, die zu mikrovaskulären Thromben in den Arteriolen und Kapillaren zahlreicher Organe insbesondere im zentralen Nervensystem führt. rnMomentan ist der Goldstandard der Therapie dieser ansonsten tödlich verlaufenden Erkrankung, die Plasmapherese (PEX). Hierfür stehen mit Fresh Frozen Plasma (FFP) und solvent/detergent (s/d) Plasma zwei Präparate zur Verfügung. Die Effizienz der Therapie bei der TTP konnte in den letzten Jahrzehnten im klinischen Alltag belegt werden, dennoch geht die intensive und invasive Therapie mit vielen Risiken und Nebenwirkungen für die Patienten einher, die in dieser Arbeit herausgearbeitet werden sollten. rnIn einer deutschlandweiten Patientenstudie wurde retrospektiv, mittels Fragebögen, ein Nebenwirkungsprofil der Plasmapherese erstellt, sowie mögliche Prädispositionen für die TTP untersucht. Zudem wurden mögliche Auslöser für das Auftreten einer klinisch manifesten TTP analysiert. Die Auswertung zeigte, dass Parästhesien (64,4 %) und Schüttelfrost (61,2 %) als häufigste Nebenwirkungen der PEX bei den Patienten auftraten. Weitere Symptome waren vermehrte Kopfschmerzen (50,6 %) und Tachykardien (36,8 %). Nebenwirkungen wie schwerer Kollaps (9 %) traten selten auf. Patienten mit Allergien in der Anamnese reagierten nicht empfindlicher auf die PEX, als andere. Ein Unterschied in der Häufigkeit der Nebenwirkungen hinsichtlich der verschiedenen Plasmapräparate konnte nicht gezeigt werden, relativiert wird dies durch den sehr geringen Einsatz von Octaplas® bei der untersuchten Patientenkohorte.rnEs konnte eine deutliche Verbindung zwischen dem Auftreten der TTP und anderen Autoimmunerkrankungen gezeigt werden. Von insgesamt 87 Patienten leiden 20,8 % an einer weiteren Autoimmunerkrankung. Insbesondere die Hashimoto Thyreoiditis liegt bei den Befragten als häufige Begleiterkrankung vor. Die genetische Prädisposition hat sich in den vergangen Jahren als ein primärer Risikofaktor für die TTP herausgestellt.rnAls mögliche Trigger eines TTP Schubes konnten Infektionen (38,7 %), Medikamente (u.a. Kontrazeptiva, Chinolone, Clarithromycin) (24,3 %), und Schwangerschaft (5,4 %) ausgemacht werden.rnEin weiterer Untersuchungspunkt der Dissertation war die Beurteilung der ADAMTS13-Aktivität in den Plasmapräparaten. Hierfür wurden drei verschieden Methoden, zwei auf Fluoreszenz Resonanz Energie Transfer beruhende Assays und eine turbidimetrische Messung, verwendet. In allen Methoden konnte eine physiologische ADAMTS13-Aktivität, 646 ng/ml für FFP und 634 ng/ml für Octaplas®, gemessen werden, die sich für beide Präparate nicht signifikant unterschied. Auffällig waren jedoch die höheren Schwankungen der Aktivität bei den verschiedenen Chargen bei FFP gegenüber Octaplas®. rnAufgrund des Herstellungsverfahrens bietet Octaplas® einen sichereren Schutz vor Virusübertragungen und dem Auftreten von TRALI als FFP. Jedoch kann es aufgrund der niedrigen Konzentration an Protein S prothrombotisch wirken. FFP enthält dagegen einen höheren Gehalt an Gerinnungsfaktoren. rnAbschließend ist festzuhalten, dass beide Präparate für die Therapie der TTP geeignet sind. Welches Präparat gewählt wird, sollte individuell für den zu behandelnden Patienten entschieden werden. Bei TTP-Patienten, die in der Vergangenheit bereits sensibel auf FFP reagierten, bietet sich eine Therapie mit Octaplas® an. Die schnelle Bereitstellung einer adäquaten Therapie spielt bei der thrombotisch thrombozytopenischen Purpura die entscheidende Rolle.

Biologischer Lichtsammler (LHCII) für Halbleiternanokristalle (Quantum Dots)

Der light harvesting complex II (LHCII) ist ein pflanzliches Membranprotein, das in seiner trimeren Form über 40 Chlorophylle bindet. In der Pflanze kann er besonders effizient Licht sammeln und die Anregungsenergie anschließend fast verlustfrei über andere chlorophyll-bindende Proteine an die Reaktionszentren weiterleiten. Aufgrund dieser besonderen Eigenschaften war es ein Ziel dieser Arbeit, rekombinanten LHCII mit synthetischen Komponenten zu kombinieren, die zur Ladungstrennung befähigt sind. Zu diesem Zweck wurden unter anderem Halbleiternanokristalle (Quantum Dots, QDs) ausgewählt, die je nach Zusammensetzung sowohl als Energieakzeptoren als auch als Energiedonoren in Frage kamen. Durch Optimierung des Puffers gelang es, die Fluoreszenzquantenausbeute der QDs in wässriger Lösung zu erhöhen und zu stabilisieren, so dass die Grundvoraussetzungen für die spektroskopische Untersuchung verschiedener LHCII-QD-Hybridkomplexe erfüllt waren.rnUnter Verwendung bereits etablierter Affinitätssequenzen zur Bindung des LHCII an die QDs konnte gezeigt werden, dass die in dieser Arbeit verwendeten Typ-I QDs aus CdSe und ZnS sich kaum als Energie-Donoren für den LHCII eignen. Ein Hauptgrund lag im vergleichsweise kleinen Försterradius R0 von 4,1 nm. Im Gegensatz dazu wurde ein R0 von 6,4 nm für den LHCII als Donor und Typ-II QDs aus CdTe, CdSe und ZnS als Akzeptor errechnet, wodurch in diesem System eine höhere Effizienz des Energietransfers zu erwarten war. Fluoreszenzspektroskopische Untersuchungen von Hybridkomplexen aus LHCII und Typ-II QDs ergaben eine hohe Plausibilität für einen Fluoreszenz Resonanz Energietransfer (FRET) vom Lichtsammler auf die QDs. Weitere QD-Affinitätssequenzen für den LHCII wurden identifiziert und deren Bindekonstanten ermittelt. Versuche mit dem Elektronenakzeptor Methylviologen lieferten gute Hinweise auf eine LHCII-sensibilisierte Ladungstrennung der Typ-II QDs, auch wenn dies noch anhand alternativer Messmethoden wie z.B. durch transiente Absorptionsspektroskopie bestätigt werden muss. rnEin weiteres Ziel war die Verwendung von LHCII als Lichtsammler in dye-sensitized solar cells (DSSC). Geeignete dotierte TiO2-Platten wurden ermittelt, das Verfahren zur Belegung der Platten optimiert und daher mit wenig Aufwand eine hohe LHCII-Belegungsdichte erzielt. Erste Messungen von Aktionsspektren mit LHCII und einem zur Ladungstrennung fähigen Rylenfarbstoff zeigen eine, wenn auch geringe, LHCII sensibilisierte Ladungstrennung. rnDie Verwendung von Lanthanide-Binding-Tags (LBTs) ist ein potentielles Verfahren zur in vivo-Markierung von Proteinen mit Lanthanoiden wie Europium und Terbium. Diese Metalle besitzen eine überdurchschnittlich lange Lumineszenzlebensdauer, so dass sie leicht von anderen fluoreszierenden Molekülen unterschieden werden können. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit gelang es, eine LBT in rekombinanten LHCII einzubauen und einen Lumineszenz Resonanz Energietransfer (LRET) vom Europium auf den LHCII nachzuweisen.rn

Untersuchungen zur Wechselbeziehung zwischen Proteom, Energiestoffwechsel, Redoxstatus und Radiosensibilität von Tumorzellen in vitro und in vivo

Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war die Erforschung ursächlicher Unterschiede im Energiestoffwechsel von hoch- und niedrig-glykolytischen Tumorzelllinien. Darüber hinaus wurde die Hypothese überprüft, wonach eine hohe glykolytische Aktivität in Tumorzellen zu einer Anreicherung von antioxidativen Metaboliten führt und infolgedessen eine Therapieresistenz gegen Gammabestrahlung hervorruft. Abschließend sollte durch biochemische und gentechnische Manipulationen des Energie- bzw. Glukosestoffwechsels die Strahlenresistenz von Tumorzellen verändert und somit neue therapeutische Interventionen eröffnet werden.rnDie zur Klärung dieser Fragestellung erforderlichen molekularbiologischen Experimente erfolgten an jeweils zwei Ovarialkarzinomzelllinien (OC316 und IGROV-1) und zwei Plattenepithelkarzinomzelllinien der Kopf- und Halsregion (SAS und FaDu) sowie den entsprechenden Experimentaltumoren.rnUnabhängig von der Tumorentität und dem Tumormodell konnte gezeigt werden, dass eine erhöhte Expression Stoffwechsel-assoziierter Proteine mit einem gesteigerten Energiestoffwechsel einhergeht. Der Transfer der Ovarial- und Plattenepithelkarzinomzelllinien in das Mausmodell führte zu keiner grundsätzlichen Änderung des Tumormikromilieus. So wies die hoch-metabolische Linie OC316 in vitro und in vivo eine stark erhöhte MCT-4 Expression auf, deren gentechnische Inhibition jedoch zu keiner Reduktion der Glykolyserate führte.rnDie Hypothese, dass die Laktatproduktion als prädiktiver Marker für die Strahlenresistenz einer Tumorzelllinie fungiert, konnte nicht bestätigt werden. Jedoch führte die Manipulation der intrazellulären Laktatbildung und des Energiestoffwechsels mit nicht zelltoxischen Konzentrationen von 2-Deoxy-D-glukose (2DG) und Rotenon (ROT) bei den Ovarialkarzinomzelllinien zu einer Erhöhung der intrazellulären O2--Anionen, einer Zunahme der Strahlenempfindlichkeit sowie zur Steigerung der initialen und residualen DNA-Doppelstrangbrüche nach Gammabestrahlung.rnHierbei wirken 2DG und ROT synergistisch durch die Inhibierung antioxidativer Systeme sowie durch die Erhöhung des zellulären Radikal-Status. Die Anwendung von Stoffwechselmanipulatoren zur Optimierung und Unterstützung vorhandener Radikal-erzeugender Therapieformen wird aktuell in klinischen Studien überprüft. Translational könnte die durch 2DG und ROT beschriebene Erhöhung der Strahlenempfindlichkeit bei Ovarialkarzinomzelllinien z. B. in Kombination mit intensitätsmodulierten Strahlentherapien neue Behandlungsmöglichkeiten eröffnen, was in weiterführenden in vivo Studien zu überprüfen ist.rn

90 Nb: potential radionuclide for application in immuno-PET : development of appropriate production strategy and first in vivo evaluation of 90 Nb-labeled monoclonal antibody

Die Nuklearmedizin ist ein modernes und effektives Werkzeug zur Erkennung und Behandlung von onkologischen Erkrankungen. Molekulare Bildgebung, die auf dem Einsatz von Radiopharmaka basiert, beinhaltet die Einzel-Photonen-Emissions-Tomographie (SPECT) und Positronenemissions¬tomographie (PET) und ermöglicht die nicht-invasive Visualisierung von Tumoren auf nano-und picomolarer Ebene.rnDerzeit werden viele neue Tracer für die genauere Lokalisierung von kleinen Tumoren und Metastasen eingeführt und hinsichtlich ihrer Eignung untersucht. Die meisten von ihnen sind Protein-basierte Biomoleküle, die die Natur selbst als Antigene für die Tumorzellen produziert. Dabei spielen Antikörper und Antikörper-Fragmente eine wichtige Rolle in der Tumor-Diagnostik und Behandlung. Die PET-Bildgebung mit Antikörpern und Antikörperfragmenten bezeichnet man als immuno-PET. Ein wichtiger Aspekt hierbei ist, dass entsprechende Radiopharmaka benötigt werden, deren Halbwertszeit mit der Halbwertszeit der Biomoleküle korreliert ist.rnIn neueren Arbeiten wird 90Nb als potenzieller Kandidat für die Anwendung in der immuno-PET vorgeschlagen. Seine Halbwertszeit von 14,6 Stunden ist geeignet für die Anwendung mit Antikörperfragmenten und einige intakten Antikörpern. 90Nb hat eine relativ hohen Anteil an Positronenemission von 53% und eine optimale Energie für die β+-Emission von 0,35 MeV, die sowohl eine hohe Qualität der Bildgebung als auch eine niedrige Aktivitätsmenge des Radionuklids ermöglicht.rnErsten grundlegende Untersuchungen zeigten: i) dass 90Nb in ausreichender Menge und Reinheit durch Protonen-Bombardierung des natürlichen Zirkonium Targets produziert, ii) aus dem Targetmaterial in entsprechender radiochemischer Reinheit isoliert und iii) zur Markierung des monoklonalen Antikörpers (Rituximab) verwendet werden kann und iv) dieser 90Nb-markierte mAb eine hohe in vitro Stabilität besitzt. Desweiteren wurde eine alternative und schnelle Abtrennungsmethode entwickelt, die es erlaubt 90Nb, mit einer geeigneten radiochemischen und radionuklidischen Reinheit für eine anschließende Markierung von Biomolekülen in einer Stunde zu aufzureinigen. Schließlich wurden erstmals 90Nb-markierte Biomolekülen in vivo untersucht. Desweiteren wurden auch Experimente durchgeführt, um den optimalen bifunktionellen Chelatbildner (BFC) für 90Niob zu finden. Mehrere BFC wurden hinsichtlich Komplexbildung mit NbV untersucht. Desferrioxamin (Df) erwies sich als geeignetster Chelator für 90Nb. Der monoklonale Antikörper Bevacizumab (Avastin®) wurde mit 90Nb markiert und eine Biodistributionsstudie und eine PET-Untersuchung durchgeführt. Alle diese Ergebnisse zeigten, dass 90Nb ein vielversprechendes Radionuklid für die Immuno-PET ist, welches sogar für weitere kommerzielle Anwendungen in der klinischen Routine geeignet zu sein scheint.rn

E-ToF-Messungen mit kalorimetrischen Tieftemperatur-Detektoren zur Bestimmung spezischer Energieverluste und zur Massenidentifikation niederenergetischer Schwerionen

Kalorimetrische Tieftemperatur-Detektoren (Calorimetric Low Temperature Detectors, CLTDs) wurden erstmals in Messungen zur Bestimmung des spezifischen Energieverlustes (dE/dx) niederenergetischer Schwerionen beim Durchgang durch Materie eingesetzt. Die Messungen wurden im Energiebereich unterhalb des Bragg-Peaks, mit 0.1 - 1.4 MeV/u 238U-Ionen in Kohlenstoff und Gold sowie mit 0.05 - 1.0 MeV/u 131Xe-Ionen in Kohlenstoff, Nickel und Gold, durchgeführt. Die Kombination der CLTDs mit einem Flugzeitdetektor ermöglichte dabei, kontinuierliche dE/dx-Kurven über größere Energiebereiche hinweg simultan zu bestimmen. Im Vergleich zu herkömmlichen Meßsystemen, die Ionisationsdetektoren zur Energiemessung verwenden, erlaubten die höhere Energieauflösung und -linearität der CLTDs eine Verringerung der Kalibrierungsfehler sowie eine Erweiterung des zugänglichen Energiebereiches der dE/dx-Messungen in Richtung niedriger Energien. Die gewonnen Daten können zur Anpassung theoretischer und semi-empirischer Modelle und somit zu einer Erhöhung der Präzision bei der Vorhersage spezifischer Energieverluste schwerer Ionen beitragen. Neben der experimentellen Bestimmung neuer Daten wurden das alternative Detektionsprinzip der CLTDs, die Vorteile dieser Detektoren bezüglich Energieauflösung und -linearität sowie der modulare Aufbau des CLTD-Arrays aus mehreren Einzeldetektoren genutzt, um diese Art von Messung auf potentielle systematische Unsicherheiten zu untersuchen. Unter anderem wurden hierbei unerwartete Channeling-Effekte beim Durchgang der Ionen durch dünne polykristalline Absorberfolien beobachtet. Die koinzidenten Energie- und Flugzeitmessungen (E-ToF) wurden weiterhin genutzt, um das Auflösungsvermögen des Detektor-Systems bei der direkten in-flight Massenbestimmung langsamer und sehr schwerer Ionen zu bestimmen. Durch die exzellente Energieauflösung der CLTDs konnten hierbei Massenauflösungen von Delta-m(FWHM) = 1.3 - 2.5 u für 0.1 - 0.6 MeV/u 238U-Ionen erreicht werden. In einer E-ToF-Messung mit Ionisationsdetektoren sind solche Werte in diesem Energie- und Massenbereich aufgrund der Limitierung der Energieauflösung durch statistische Schwankungen von Verlustprozessen beim Teilchennachweis nicht erreichbar.

Hypersonic phonon propagation in mesoscopic systems by Brillouin spectroscopy

Phononic crystals, capable to block or direct the propagation of elastic/acoustic waves, have attracted increasing interdisciplinary interest across condensed matter physics and materials science. As of today, no generalized full description of elastic wave propagation in phononic structures is available, mainly due to the large number of variables determining the band diagram. Therefore, this thesis aims for a deeper understanding of the fundamental concepts governing wave propagation in mesoscopic structures by investigation of appropriate model systems. The phononic dispersion relation at hypersonic frequencies is directly investigated by the non-destructive technique of high-resolution spontaneous Brillouin light scattering (BLS) combined with computational methods. Due to the vector nature of the elastic wave propagation, we first studied the hypersonic band structure of hybrid superlattices. These 1D phononic crystals composed of alternating layers of hard and soft materials feature large Bragg gaps. BLS spectra are sensitive probes of the moduli, photo-elastic constants and structural parameters of the constituent components. Engineering of the band structure can be realized by introduction of defects. Here, cavity layers are employed to launch additional modes that modify the dispersion of the undisturbed superlattice, with extraordinary implications to the band gap region. Density of states calculations in conjunction with the associated deformation allow for unambiguous identication of surface and cavity modes, as well as their interaction with adjacent defects. Next, the role of local resonances in phononic systems is explored in 3D structures based on colloidal particles. In turbid media BLS records the particle vibration spectrum comprising resonant modes due to the spatial confinement of elastic energy. Here, the frequency and lineshapes of the particle eigenmodes are discussed as function of increased interaction and departure from spherical symmetry. The latter is realized by uniaxial stretching of polystyrene spheres, that can be aligned in an alternating electric field. The resulting spheroidal crystals clearly exhibit anisotropic phononic properties. Establishing reliable predictions of acoustic wave propagation, necessary to advance, e.g., optomechanics and phononic devices is the ultimate aim of this thesis.

Translationsregulation des Myelin basischen Proteins in Gliazellen

Im zentralen Nervensystem (ZNS) myelinisieren Oligodendrozyten neuronale Axone, indem sie ihre Zellfortsätze mehrfach um axonale Segmente wickeln. Die Ausbildung dieser multilamellaren Membranstapel ermöglicht eine saltatorische und damit rasche und energie-effiziente Erregungsleitung (Nave, 2010). Eine Schädigung des Myelins beeinträchtigt die Reizweiterleitung und führt zur Degeneration der Axone, wie es zum Beispiel bei der Multiplen Sklerose der Fall ist. Das Myelin basische Protein (MBP) ist ein Hauptbestandteil des Myelin und ist essentiell für die Kompaktierung der Myelinmembran (Wood et al., 1984). Die MBP mRNA wird in hnRNP A2 enthaltenen RNA Granulen in einem translations-inaktiven Zustand zu den distalen Fortsätzen transportiert. Vermittelt durch axonale Signale wird nach axo-glialem Kontakt die Translation von MBP ermöglicht (White et al., 2008). Der genaue Mechanismus der differentiellen Genregulation des MBP Proteins ist bisher nur unzureichend aufgeklärt. In der vorliegenden Arbeit konnte eine kleine regulatorische RNA (sncRNA) identifiziert werden, welche über die seed Region mit der MBP mRNA interagieren und die Translation regulieren kann. In primären Oligodendrozyten führt die Überexpression der sncRNA-715 zu reduzierten MBP Protein Mengen und die Blockierung der endogenen sncRNA-715 führt zu einer gesteigerten MBP Synthese. Interessanterweise korreliert während der Differenzierung der Oligodendrozyten in vitro und in vivo die Synthese des MBP Proteins invers mit der Expression der sncRNA-715. In Oligodendrozyten beeinflusst eine experimentell erhöhte sncRNA-715 Menge die Zellmorphologie und induziert Apoptose. Weiterhin ist sncRNA-715 in zytoplasmatischen granulären Strukturen lokalisiert und assoziiert mit MBP mRNA in hnRNP A2 Transport- Granula. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass sncRNA-715 ein Bestandteil der hnRNP A2 Granula sein könnte und dort spezifisch die Translation der MBP mRNA während des Lokalisationsprozesses inhibiert. In chronischen MS Läsionen sind Olig2+-Zellen zu finden. Obwohl die MBP mRNA in diesen Läsionen nachzuweisen ist, kann kein Protein synthetisiert werden. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass in diesen Läsionen die Expression der sncRNA-715 erhöht ist. SncRNA-715 könnte die Translation von MBP verhindern und folglich als Inhibitor der Remyelinisierung während des Krankheitsverlaufs fungieren. Schwann-Zellen sind die myelinisierenden Zellen im peripheren Nervensystem (PNS). Im Zuge der Myelinisierung wird die MBP mRNA in diesen Gliazellen ebenfalls in die distalen Fortsätze transportiert und dort lokal translatiert und in die Myelinmembran eingebaut (Trapp et al., 1987). Im Gegensatz zum ZNS ist im PNS nur wenig über den Transportmechanismus der mRNA bekannt (Masaki, 2012). Es ist es sehr wahrscheinlich, dass in Schwann-Zellen und Oligodendrozyten die Lokalisation und die translationale Hemmung der MBP mRNA ähnlichen Mechanismen unterliegen. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass hnRNP A2 und sncRNA-715 in Schwann-Zellen exprimiert werden und in zytoplasmatischen Granula-ähnlichen Strukturen lokalisiert sind. Während der Differenzierung dieser Gliazellen in vivo und in vitro korreliert die Expression der sncRNA-715 invers mit der Synthese des MBP Proteins. HnRNP A2 und sncRNA-715 scheinen in Schwann-Zellen assoziiert zu sein und könnten wie in Oligodendrozyten den Transport der MBP mRNA vermitteln.